感性工學下的民用直升機造型設計

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概述

經過多年的發展，我國已經初步建立起了比較完善的研制生產當代直升機的產業結構，基本滿足了部隊裝備和國防現代化建設的需要。隨著我國低空空域管理的逐步開放，民用直升機的總體需求也在逐年增長。但是，目前我國民用直升機的產業發展相較于市場需求有些滯后，這是由于除功能使用之外，用戶對于民用直升機的審美和服務都提出了更高的要求。因此，國內直升機企業應加速提升自主創新研發能力，提高自身市場競爭力，搶占國內民用直升機市場。目前，大多數學術研究主要關注于直升機的各項關鍵技術發展和性能提升，對于直升機外觀造型的研究則少之又少。因此，本文擬引入感性工學的研究方法對直升機的造型設計進行研究。由于該方法在前期需要收集大量有鮮明造型特點的直升機圖片，而且對于用戶的選擇范圍比較寬泛，不適用于軍用直升機，故而本文主要針對民用直升機進行設計研究。

感性工學理念

“感性工學”一詞由馬自達汽車集團前會長山本健一先生，于1986年在美國密西根大學發表題為《汽車文化論》的演講中首次提出。感性工學是一種應用工程的定量化手段來研究人的感認知性與物的設計特性間關系的理論。一件好的產品不光要滿足用戶對其功能上的需求，更要在形態上貼合用戶的認知，引起用戶的情感共鳴。因此，感性工學這門學科才會應運而生，它量化用戶的情感因素，將這些模糊不明的感性需求轉化為產品的設計要素。由于感性工學是一門比較新的學科，因此還未有統一的分類方式。在此，只列舉最為經典的日本學者長町三生教授的分類方法。1）類別分類法：該方法首先明確產品策略，經由各式行業曲線可替代度影響力可實現度行業關聯度真實度感性信息，凝聚成產品概念，再從產品概念（第0次元感性概念）向下逐次展開，直到最后出現產品設計的具體物理參數為止。2）感性工程系統法：該方法建立一個由感性詞匯數據庫和意象數據庫所組成的專家系統。建立這樣的可逆系統后，即可進行用戶感性認知與產品設計要素之間的轉譯工作，來指導產品設計工作。此種方法可以分為“順向型感性工學系統”與“逆向型感性工學系統”兩大類型，前者是將用戶的感性需求譯為產品的設計要素，再指導產品的設計研發工作；后者是將設計方案轉譯，反向評估設計方案可能激發的用戶感性需求。本文擬采用順向型感性工學系統方法指導造型設計，其具體技術路線如圖1所示。3）混合感性工程系統法：該方法是將上述順向型及逆向型兩種系統整合為一個可雙向轉譯的混合系統。4）感性工程模型法：該方法是建立數學預測模型，來構造感性因素。5）虛擬感性工程法：該方法是利用虛擬現實技術，以各種仿真設備模擬出多媒體虛擬空間，分析驗證設計構想。由于感性工學的方法適用范圍較廣，近些年來已經在汽車的造型研究上取得不小的進展，極大地提高了造型表達效率。鄭先鋒等將汽車外觀進行要素分解，進而通過問卷分析用戶的興趣點要素排序，篩選出用戶關注度高的要素進行有針對性的設計，但問卷選擇的專業用戶數量較少，統計數據說服力不足。姚湘等將汽車側面車身進行抽象簡化，研究用戶的感性認知和汽車的造型元素之間的關系。由于針對汽車的造型分解和用戶定位不能直接應用于直升機上，因此需要改進感性工學的研究方法，重新分析民用直升機的造型元素和用戶興趣點，使其適用于民用直升機的造型設計。

民用直升機造型設計流程

以往的民用直升機設計流程分為4個階段，如圖2所示：①明確直升機的設計定位，調查潛在使用用戶需求和同類競爭機型情況，吸取現有成功機型的亮點和技術，擬定獨有的創新點或賣點；②結合前期調研階段的諸多信息，如各項參數特征、重量、交點數據等，設計人員進行頭腦風暴，繪制概念草圖方案，經過多輪討論完善二維方案；③將二維草圖落實成三維曲面模型，在保證原有設計思路不變的基礎上，進一步修正外觀造型，完善初期設計方案；④根據各系統的新增設備要求或者駕駛艙人員布局進行多輪的工程化迭代，同時進行機身整體的氣動阻力優化，進一步調整造型設計。由于在以往的設計過程中，許多造型的細節問題不能被一次性統籌考慮到，會造成直升機在開發過程中反復進行無用的設計外形迭代，引起項目開發時間過長、產品造價過高等問題。而基于感性工學的造型設計方法就是要改變傳統的產品設計順序，在設計初期進行介入，輔助概念草圖設計，使設計更具有方向性和實用性。具體設計流程如下：1）搜集大量民用直升機的樣本圖片。圖片的選取標準如圖3所示：一是能夠清晰的體現直升機完整的形態結構；二是背景較為干凈，不會影響直升機主體辨認。第一輪要去除外形相近造型的直升機，選出具有代表性特征的直升機圖片。由于此次進行的是造型研究，因此第二輪要排除非造型因素的干擾，對圖片進行去色處理，以供后續問卷使用。2）搜集形容民用直升機的感性意象詞匯，初期通過雜志翻閱、市場調研、網絡獲取等多種渠道盡可能多地搜集描述性詞匯，然后經過合并同義詞、刪除貶義詞等操作篩選詞匯，這樣可以有效提高感性詞匯選擇上的準確性，最后選出以下具有代表性的詞義相反的感性詞匯對。由于過多的形容詞將會使受試者產生厭煩心理，使測試結果失去真實性，因此在進行下一步問卷調查時，需要通過集群分析或小組討論等方法對這些形容詞對進行篩選，留下5~10組最能精準描述該類型機的形容詞。3）建立語義空間，結合上一步得到的感性詞匯對構建7級語義差分量表。在進行受試者選擇的時候，可以選取民用直升機的意象購買人群、有駕駛經驗的飛行員或從事直升機相關工作的設計人員等，綜合普通用戶和專家用戶的意見，對照直升機的樣本圖片進行問卷調查，以此來說明不同直升機造型帶給用戶的感性趨勢。4）提取民用直升機形態要素，對直升機的外觀結構如艙門、風擋玻璃、動力艙整流罩、平垂尾等零部件進行粗略劃分，結合專家意見將民用直升機可辨識的形態要素和造型處理用線描的方式突出標示出來。進而通過上一步的問卷調查結果確定對用戶感性認知影響較大的主要形態要素。下面以一張中型直升機的側視圖分析民用直升機的通用結構。5）研究感性詞匯與形態要素之間的對應關系，針對不同的形態要素建立進一步的問卷調查，分析各項形態要素是如何影響用戶的感性評價以及影響程度等，以此來指導后續直升機的造型設計。在具體實踐中，可采用灰色關聯分析、最優尺度分析和神經網絡算法等數學方法對數據進行分析研究。

實例驗證

以AC300型機為例進行感性工學的造型設計實踐，在設計初期，敲定競速頭盔作為該型機的靈感來源，形態轉換的線條見圖6所示。不僅是因為兩者具有相似的低阻化外形，還因為性能上也有相近之處。一是，為避免增加用戶的載重負擔，頭盔的重量都盡可能輕，契合了超輕型直升機輕巧靈活的重量級特征和減輕自重的實際需求。二是，頭盔作為一種頭部護具，具有較好的減震防護作用，出于以人為本的設計原則，在滿足功能需求的前提下更需要保護好用戶，這也符合了直升機的安全性要求。隨著設計思路的確定，引入基于感性工學的民用直升機造型設計方法來完善設計細節。具體實施流程如下：1）搜集超輕型直升機的樣本圖片。由于超輕型直升機的起飛重量較小，整個機體設計較為緊湊，因此相較于側視圖，其他視圖角度的造型趨于同質化，線條沒有大的轉折變化，給用戶的觀感區別不大。本文全部選取側視圖角度的樣本圖片進行對比分析。在去除相近造型、去色處理之后，選取出8張樣本圖片進行后續的調查使用。2）經過兩輪篩選，選出5組形容超輕型直升機的代表性感性詞匯對：“個性的－大眾的”、“視野寬闊的－視野局促的”、“圓潤的－硬朗的”、“流線型－幾何型”、“輕盈的－穩重的”。3）結合上一步得到的5組感性詞匯對構建7級語義差分量表。由于目前為初步設計階段，因此選取30名直升機設計人員作為問卷調查的對象，對照8張樣本圖片進行問卷調查。4）提取超輕型直升機形態要素，確定以下5個形態要素可能會對用戶的感性認知造成較大的影響：風擋玻璃、艙門玻璃、艙門、座艙罩、尾部整流罩。5）分析感性詞匯與形態要素之間的對應關系。風擋玻璃需要給用戶提供足夠的視野，與艙門玻璃一起，兩者的造型設計可以聯動考慮，設計為弧形。艙門的造型要與整體座艙罩造型相協調，弧線的設計更能體現直升機整體造型的圓潤流線之感。半包裹式的尾部整流罩既可以包住發動機，盡可能減少風阻，又可以承接座艙罩下方的流線線條，更好地體現整體的流暢感。根據感性工學的研究方法進行AC300型機的造型設計，縮短了近1/4的開發周期，同時降低了設計失敗風險，減少了生產制造成本。在最終的設計成品中，整體座艙罩近似蛋形，舍棄了概念設計的特征曲面，保留了圓潤光滑的曲面。由于前期試驗表明，光機身是產生全機阻力的主要部分，因此，重點對機頭進行了減阻優化設計，在保持原有造型思路不變的前提下，增大側視圖曲線的曲率，收窄座艙機身的寬度。此外，為使直升機在靜止狀態下也能體現出速度感，對擋風玻璃和艙門玻璃進行聯動設計，在保證視野要求和工藝要求的前提下，做出具有美感的形面設計。尾部整流罩設計為半包裹式，承接了座艙下端的曲線，像一尾游魚連到尾梁處。

結語

本文運用感性工學的研究方法，綜合各項工程量化手段，將用戶的感性認知定量化，以此來分析用戶對于民用直升機不同形態要素產生的直觀心理感受，指導外觀造型設計，從而建立起較為完善的民用直升機造型設計流程。而后通過AC300型機的設計過程進行驗證，不僅提高了設計生產效率，而且驗證了此方法的可行性和實用性。這種基于感性工學的民用直升機造型設計研究方法，不僅為后續其他在役的民用直升機的造型優化改進提供了新的思路，也為未來進行AC系列民用直升機的家族化設計提供了有力的支撐，以期創造出獨樹一幟的系列造型風格。

作者：趙凱琳 石春琴 宋倩 單位：中國直升機設計研究所