民用直升机造型设计方法研究

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概述

经过多年的发展，我国已经初步建立起了比较完善的研制生产当代直升机的产业结构，基本满足了部队装备和国防现代化建设的需要。随着我国低空空域管理的逐步开放，民用直升机的总体需求也在逐年增长。但是，目前我国民用直升机的产业发展相较于市场需求有些滞后，这是由于除功能使用之外，用户对于民用直升机的审美和服务都提出了更高的要求。因此，国内直升机企业应加速提升自主创新研发能力，提高自身市场竞争力，抢占国内民用直升机市场。目前，大多数学术研究主要关注于直升机的各项关键技术发展和性能提升，对于直升机外观造型的研究则少之又少。因此，本文拟引入感性工学的研究方法对直升机的造型设计进行研究。由于该方法在前期需要收集大量有鲜明造型特点的直升机图片，而且对于用户的选择范围比较宽泛，不适用于军用直升机，故而本文主要针对民用直升机进行设计研究。

感性工学理念

“感性工学”一词由马自达汽车集团前会长山本健一先生，于1986年在美国密西根大学发表题为《汽车文化论》的演讲中首次提出。感性工学是一种应用工程的定量化手段来研究人的感认知性与物的设计特性间关系的理论。一件好的产品不光要满足用户对其功能上的需求，更要在形态上贴合用户的认知，引起用户的情感共鸣。因此，感性工学这门学科才会应运而生，它量化用户的情感因素，将这些模糊不明的感性需求转化为产品的设计要素。由于感性工学是一门比较新的学科，因此还未有统一的分类方式。在此，只列举最为经典的日本学者长町三生教授的分类方法。1）类别分类法：该方法首先明确产品策略，经由各式行业曲线linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2020.09.009可替代度影响力可实现度行业关联度真实度感性信息，凝聚成产品概念，再从产品概念（第0次元感性概念）向下逐次展开，直到最后出现产品设计的具体物理参数为止。2）感性工程系统法：该方法建立一个由感性词汇数据库和意象数据库所组成的专家系统。建立这样的可逆系统后，即可进行用户感性认知与产品设计要素之间的转译工作，来指导产品设计工作。此种方法可以分为“顺向型感性工学系统”与“逆向型感性工学系统”两大类型，前者是将用户的感性需求译为产品的设计要素，再指导产品的设计研发工作；后者是将设计方案转译，反向评估设计方案可能激发的用户感性需求。本文拟采用顺向型感性工学系统方法指导造型设计，其具体技术路线如图1所示。3）混合感性工程系统法：该方法是将上述顺向型及逆向型两种系统整合为一个可双向转译的混合系统。4）感性工程模型法：该方法是建立数学预测模型，来构造感性因素。5）虚拟感性工程法：该方法是利用虚拟现实技术，以各种仿真设备模拟出多媒体虚拟空间，分析验证设计构想。由于感性工学的方法适用范围较广，近些年来已经在汽车的造型研究上取得不小的进展，极大地提高了造型表达效率。郑先锋等将汽车外观进行要素分解，进而通过问卷分析用户的兴趣点要素排序，筛选出用户关注度高的要素进行有针对性的设计，但问卷选择的专业用户数量较少，统计数据说服力不足。姚湘等将汽车侧面车身进行抽象简化，研究用户的感性认知和汽车的造型元素之间的关系。由于针对汽车的造型分解和用户定位不能直接应用于直升机上，因此需要改进感性工学的研究方法，重新分析民用直升机的造型元素和用户兴趣点，使其适用于民用直升机的造型设计。

民用直升机造型设计流程

以往的民用直升机设计流程分为4个阶段，如图2所示：①明确直升机的设计定位，调查潜在使用用户需求和同类竞争机型情况，吸取现有成功机型的亮点和技术，拟定独有的创新点或卖点；②结合前期调研阶段的诸多信息，如各项参数特征、重量、交点数据等，设计人员进行头脑风暴，绘制概念草图方案，经过多轮讨论完善二维方案；③将二维草图落实成三维曲面模型，在保证原有设计思路不变的基础上，进一步修正外观造型，完善初期设计方案；④根据各系统的新增设备要求或者驾驶舱人员布局进行多轮的工程化迭代，同时进行机身整体的气动阻力优化，进一步调整造型设计。由于在以往的设计过程中，许多造型的细节问题不能被一次性统筹考虑到，会造成直升机在开发过程中反复进行无用的设计外形迭代，引起项目开发时间过长、产品造价过高等问题。而基于感性工学的造型设计方法就是要改变传统的产品设计顺序，在设计初期进行介入，辅助概念草图设计，使设计更具有方向性和实用性。具体设计流程如下：1）搜集大量民用直升机的样本图片。图片的选取标准如图3所示：一是能够清晰的体现直升机完整的形态结构；二是背景较为干净，不会影响直升机主体辨认。第一轮要去除外形相近造型的直升机，选出具有代表性特征的直升机图片。由于此次进行的是造型研究，因此第二轮要排除非造型因素的干扰，对图片进行去色处理，以供后续问卷使用。2）搜集形容民用直升机的感性意象词汇，初期通过杂志翻阅、市场调研、网络获取等多种渠道尽可能多地搜集描述性词汇，然后经过合并同义词、删除贬义词等操作筛选词汇，这样可以有效提高感性词汇选择上的准确性，最后选出以下具有代表性的词义相反的感性词汇对。由于过多的形容词将会使受试者产生厌烦心理，使测试结果失去真实性，因此在进行下一步问卷调查时，需要通过集群分析或小组讨论等方法对这些形容词对进行筛选，留下5~10组最能精准描述该类型机的形容词。3）建立语义空间，结合上一步得到的感性词汇对构建7级语义差分量表。在进行受试者选择的时候，可以选取民用直升机的意象购买人群、有驾驶经验的飞行员或从事直升机相关工作的设计人员等，综合普通用户和专家用户的意见，对照直升机的样本图片进行问卷调查，以此来说明不同直升机造型带给用户的感性趋势。4）提取民用直升机形态要素，对直升机的外观结构如舱门、风挡玻璃、动力舱整流罩、平垂尾等零部件进行粗略划分，结合专家意见将民用直升机可辨识的形态要素和造型处理用线描的方式突出标示出来。进而通过上一步的问卷调查结果确定对用户感性认知影响较大的主要形态要素。下面以一张中型直升机的侧视图分析民用直升机的通用结构。5）研究感性词汇与形态要素之间的对应关系，针对不同的形态要素建立进一步的问卷调查，分析各项形态要素是如何影响用户的感性评价以及影响程度等，以此来指导后续直升机的造型设计。在具体实践中，可采用灰色关联分析、最优尺度分析和神经网络算法等数学方法对数据进行分析研究。

实例验证

以AC300型机为例进行感性工学的造型设计实践，在设计初期，敲定竞速头盔作为该型机的灵感来源，形态转换的线条见图6所示。不仅是因为两者具有相似的低阻化外形，还因为性能上也有相近之处。一是，为避免增加用户的载重负担，头盔的重量都尽可能轻，契合了超轻型直升机轻巧灵活的重量级特征和减轻自重的实际需求。二是，头盔作为一种头部护具，具有较好的减震防护作用，出于以人为本的设计原则，在满足功能需求的前提下更需要保护好用户，这也符合了直升机的安全性要求。随着设计思路的确定，引入基于感性工学的民用直升机造型设计方法来完善设计细节。具体实施流程如下：1）搜集超轻型直升机的样本图片。由于超轻型直升机的起飞重量较小，整个机体设计较为紧凑，因此相较于侧视图，其他视图角度的造型趋于同质化，线条没有大的转折变化，给用户的观感区别不大。本文全部选取侧视图角度的样本图片进行对比分析。在去除相近造型、去色处理之后，选取出8张样本图片进行后续的调查使用。2）经过两轮筛选，选出5组形容超轻型直升机的代表性感性词汇对：“个性的－大众的”、“视野宽阔的－视野局促的”、“圆润的－硬朗的”、“流线型－几何型”、“轻盈的－稳重的”。3）结合上一步得到的5组感性词汇对构建7级语义差分量表。由于目前为初步设计阶段，因此选取30名直升机设计人员作为问卷调查的对象，对照8张样本图片进行问卷调查。4）提取超轻型直升机形态要素，确定以下5个形态要素可能会对用户的感性认知造成较大的影响：风挡玻璃、舱门玻璃、舱门、座舱罩、尾部整流罩。5）分析感性词汇与形态要素之间的对应关系。风挡玻璃需要给用户提供足够的视野，与舱门玻璃一起，两者的造型设计可以联动考虑，设计为弧形。舱门的造型要与整体座舱罩造型相协调，弧线的设计更能体现直升机整体造型的圆润流线之感。半包裹式的尾部整流罩既可以包住发动机，尽可能减少风阻，又可以承接座舱罩下方的流线线条，更好地体现整体的流畅感。根据感性工学的研究方法进行AC300型机的造型设计，缩短了近1/4的开发周期，同时降低了设计失败风险，减少了生产制造成本。在最终的设计成品中，整体座舱罩近似蛋形，舍弃了概念设计的特征曲面，保留了圆润光滑的曲面。由于前期试验表明，光机身是产生全机阻力的主要部分，因此，重点对机头进行了减阻优化设计，在保持原有造型思路不变的前提下，增大侧视图曲线的曲率，收窄座舱机身的宽度。此外，为使直升机在静止状态下也能体现出速度感，对挡风玻璃和舱门玻璃进行联动设计，在保证视野要求和工艺要求的前提下，做出具有美感的形面设计。尾部整流罩设计为半包裹式，承接了座舱下端的曲线，像一尾游鱼连到尾梁处。

本文运用感性工学的研究方法，综合各项工程量化手段，将用户的感性认知定量化，以此来分析用户对于民用直升机不同形态要素产生的直观心理感受，指导外观造型设计，从而建立起较为完善的民用直升机造型设计流程。而后通过AC300型机的设计过程进行验证，不仅提高了设计生产效率，而且验证了此方法的可行性和实用性。这种基于感性工学的民用直升机造型设计研究方法，不仅为后续其他在役的民用直升机的造型优化改进提供了新的思路，也为未来进行AC系列民用直升机的家族化设计提供了有力的支撑，以期创造出独树一帜的系列造型风格。

作者:赵凯琳 石春琴 宋倩 单位:中国直升机设计研究所