第一章　绪　论



第一节　空间定向障碍基本概念

空间定向（spatial orientation，SO）可被认为是人类所有行为中最基本的行为之一，它涉及感觉系统、运动系统以及大脑多个功能区域。在神经科学以及航空航天学科中对空间定向问题有不同的定义。从神经科学角度，空间定向是指人们对前后、左右、上下等位置或方向的分辨能力，或是在陌生环境中对东南西北方向的辨别能力。空间定向障碍（spatial disorientation，SD）是指脑部损伤的人无法分辨位置方向，或者无法在陌生环境中明辨方向，通常为一种病理表现，由于在地面发生故对其本人、他人以及环境与财产和装备造成的影响或损失一般不大。航空航天活动中的空间定向障碍是指在飞行过程中飞行人员不能维持正常的空间定向，与神经科学中的空间定向障碍相比，飞行空间定向障碍中飞行员的感觉系统、神经系统都是健康的，它是在健康状态下产生的错误认知，由于是在飞行过程中产生的错误认知，它所产生的后果往往是灾难性的。
航空领域中，空间定向障碍的定义是指“飞行员未能正确地感知飞机或本人在由地表和重力垂向所确定的坐标系中的位置、运动或姿态”。 此定义被许多国家接受并且应用最为广泛。除此之外，另一个广义的空间定向障碍定义是指 “飞行员未能正确地感知飞机或本人在由地表和重力垂向所确定的坐标系中的位置、运动或姿态，还包括飞行员产生的自身相对于飞机，或驾驶的飞机与其他飞机之间的位置、运动或姿态的错误感知”。广义的空间定向障碍不局限于在以地面为参照系的空间中的定向问题，而是涵盖了飞行员对与自身的飞机位置关系的感知，例如，飞行员可能感觉到的“脱离”及相关现象（即飞行员感觉与飞机分离，在机舱外飞行），以及相对其他飞机的分隔距离和接近速率等参数的错误感知。20世纪90年代初两架美国空军C-141型飞机的撞机事件可证实这种与空间定向障碍相关空中事故的发生缘由。此次事故的起因为4架C-141飞机组成的编队中，第二架飞机出现不被明显察觉的偏离长机现象。这种带坡度转弯姿态的缓慢变化可能导致飞行员产生了长机高度正在下降的错觉。欲重新回到编队的第二架飞机的飞行员将操纵杆向前推，即俯冲飞行，导致飞机高度降低撞上长机。正是由于飞行员错误地感知，对自己驾机与另一飞机的相对位置产生误判，进而错误操作，造成撞机事故。
空间定向障碍的产生与人类的进化密切相关。在数千万年的进化过程中，人类的非视觉系统和视觉系统经历了多种瞬时运动的影响，逐步形成适应由自身力量发起的地面运动能力，即在地面环境中保持空间定向。而在与地面相对应的空中运动方面，人类并没有在其进化中经常经历由于常见的持续线性或角加速度等变化，其感官系统不能适应飞行中的异常加速环境，突然进入空中发生的新环境下定向需求与先天定向能力不匹配，即表现为空间定向障碍。
空间定向障碍的定义有着较复杂的演变过程。“空间定向”这一术语早期出现在20世纪20年代末关于仪表飞行的经典文献中，术语“空间定向障碍”在不久之后被使用。在20世纪50年代“空间定向障碍”虽为常用术语，但直到20世纪70年代，仍指飞行员眩晕，而空间定向通常称为空中平衡。1971年航空航天医学教科书中，“空间定向障碍”取代了“眩晕”，而美国空军直到1989年才在事故报告中使用空间定向障碍。眩晕目前被认为是可伴随空间定向障碍产生的特定症状，通常指头晕、头昏（早期文献中的“眩晕”），视野不稳，或由飞行运动产生的其他身体或情绪感觉。然而，空间定向障碍并不一定伴随这种感觉，事实上，不同类型的空间定向障碍导致的状况可能会完全不同，许多飞行员直到死亡都未感知或怀疑飞机高度或航线发生故障。在空间定向障碍研究过程中，还有一个词汇是“飞行错觉”（illusion）。我国著名航空心理学家陈祖荣教授给飞行错觉定义为“飞行人员在飞行中对飞机状态和飞机位置的错误知觉，多发生于复杂气象飞行、夜间飞行或海上飞行”。该定义与空间定向障碍的定义基本一致，但仍存在区别，有些空间定向障碍并非由错觉直接导致，如因剧烈情绪波动、恐惧导致的失能型（Ⅲ型）空间定向障碍。此外，飞行错觉更多反映的是人体认知层面的感受，而空间定向障碍是一种行为后果，体现为终极错误操控。如果飞行员在经历错觉甚至空间定向障碍时，处置措施得当就不会发生事故。这对理解对抗措施非常有意义。
在20世纪80年代和90年代广泛使用的另一个相关术语是“情境意识丧失”（loss of situation awareness，LSA）。该术语可追溯到第二次世界大战期间，直到20世纪80年代才引起研究界的广泛关注。情境意识（situation awareness，SA）的定义是：“在飞行环境中，飞行人员对各种时空因素的认知，对其意义的理解和即将可能发生变化的预测。失去情境意识的能力就是情境意识丧失”。“情境意识丧失”的概念比空间定向障碍更为宽泛，它是指飞行员不能感知“一定时间和空间内飞行环境中各方面因素、不理解其代表的意义以及即将发生的情况”。由于空间定向无疑是“航空中的关键要素”，通常认为，空间定向是情境意识的一部分。因此，飞行员出现空间定向障碍必然会产生情境意识丧失，反之则不一定。例如，飞行员可能会失去在地理位置上的方向感，出现定向障碍（符合“情境意识丧失”定义），但并不会失去空间方位定向感。然而，不属于空间定向障碍的情境意识丧失，特别是注意力管理缺陷，则往往会导致空间定向障碍。任何导致失去情境意识的意识状态或过程（疲劳、干扰、任务饱和等），或重新获得情境意识这项任务本身，都可能转移飞行员的注意力，导致无法正确地检查飞行仪表。
术语“可控飞行撞地”（controlled flight into terrain，CFIT）经常与空间定向障碍一起出现，其定义为：飞行人员没有预先意识到即将发生的灾难，飞机在可控飞行状态下，撞上地面（或水面）。此定义意味着飞行人员一定是保持操控飞机的状态（排除发动机故障或生理失能的情况），并且没有证据表明飞行人员在发生不可避免的碰撞前采取控制措施。例如，在发生事故前最后一秒为改变航线采取的无效措施仍然认为是可控飞行撞地。尽管绝大多数可控飞行撞地事故都涉及对飞行高度的错误判断，应该归类为空间定向障碍，但一些可控飞行撞地事故也可能由地理位置定向障碍导致。例如，如果飞行员相对某一地理坐标保持足够的离地高度，而该地理坐标与飞机实际飞行的地理坐标不同，飞行员可能不会意识到将会碰撞山脉、电力线等情况。此外，可控飞行撞地事故通常只发生在一种类型的空间定向障碍（类型Ⅰ）中，即飞行员对离地高度产生错误判断而且没有察觉。而在许多空间定向障碍情况下，飞行员可能会在撞地前以错误的高度控制飞机，即感知高度与实际高度不符。近年来，航空领域中另一个涉及人为错误的事故分类术语为“飞机失控”。此术语与“可控飞行撞地”和“空间定向障碍”都不同。正因为各种术语定义不同，应用时间，地区差异，研究人员的理解也不一致，导致航空事故原因分析与数据统计出现很大的偏颇。随着国际间学术交流的不断增加，对各种术语的定义不断趋于统一，相关数据的内涵和意义以及可靠性也将不断得到提升。


第二节　空间定向障碍研究历史与发展

人类对空间定向障碍的理解与对抗是渐进式迭代发展的。大致可分为3个主要阶段，分别是：①初步探索阶段（20世纪初至第二次世界大战结束）；②系统研究阶段（第二次世界大战结束至20世纪80年代）；③重大突破阶段（20世纪90年代至今）。
一、初步探索阶段
20世纪初至第二次世界大战结束40余年的时间，空间定向的研究主要表现在3方面，分别是空间定向障碍的机制研究、巴拉内转椅的发明、航空仪表的发明与应用。此阶段首先需要特别提及的是物理学家恩斯特·马赫，他对前庭系统功能的研究做出了重大贡献。在一次乘坐火车时，他第一次感受到了后来被称为躯体重力错觉的幻觉，这使他对前庭系统及其在运动监测中的作用产生了兴趣。马赫在其实验室使用旋转椅和原始离心机模拟许多明显的前庭空间定向障碍，发现或引发出了躯体旋动错觉、躯体重力错觉、眼重力错觉、眼旋动错觉和科里奥利错觉，进而研究认为参与角运动感觉的关键前庭机制，为来自内淋巴的扭矩或压力作用在内耳壶腹嵴上；造成躯体重力错觉的原因是我们对惯性力与重力所产生的混淆感觉。马赫通过在旋转椅上安装条纹圆柱体，并驱动受试者产生整体运动，通过测量以受试者为参照的目标位移，研究视觉、前庭相互作用。作为研究角和线性相对运动错觉现象的开拓者，马赫首先认识到周边视觉对于运动错觉的重要性，之后欧洲许多著名的科学家如浦肯野和埃瓦尔德等在此期间也进行了类似的工作。罗伯特·巴拉内是20世纪初另一位需要特别提及的前庭研究科学家，他设计了卡路里眼球震颤、位置性眼球震颤等许多常用的前庭筛查试验，并研究了前庭眼反射涉及的大脑路径。1913年，被授予诺贝尔生理学或医学奖，在空间定向障碍研究方面做出了重大贡献的罗伯特·巴拉内，他发明的巴拉内椅（图1-1）至今仍然是地面空间定向能力训练科目的主要内容。
在初步探索阶段的后期，第一次和第二次世界大战爆发，大量航空兵的加入极大地促进了飞行人员和研究人员对空间定向障碍的感知与研究。尽管在此之前，实验研究已经发现了多种产生空间定向障碍的原因，但关于飞行员如何通过训练和利用飞行仪表来克服这些问题仍然存在困惑并存在许多争议。
世界各地的许多航空医务人员和科学家通过对第一次世界大战期间飞行员飞行经历的调查进一步认识到，前庭功能在空中具有重要作用并存在诸多问题。最初的研究重点为前庭功能筛查，一些国家开始使用各种设备和测试方法筛选适合飞行的飞行员。美国的戴维·迈尔斯使用巴氏转椅的另一种样式，又称为琼斯巴拉内椅
（图1-2）进行飞行测试。美国人还发明了一种三轴交互式装置称为拉格尔斯定向器
（图1-3），虽然也用作筛选装置，但更重要的是它成为一系列飞行模拟器的鼻祖。该设备的改良版成为第一个获得专利的飞行模拟器，后被林克飞行公司（后来的辛格-林克公司）的埃德温·林克收购。姿势平衡和其他平衡试验可作为筛选飞行员的主要标准，但“长时旋转停止后眼震时间间隔长度”这项动眼测量指标并不能预测哪些飞行员以后会受到空间定向障碍干扰。美国陆军航空公司（后改为美国陆军航空兵，最终成为美国空军）要求旋转后眼震在16～36 s，这导致许多候选飞行员遭到淘汰。然而，这些被淘汰的飞行员后来加入了其他航空兵部队并成为优秀的飞行员。这些相悖的结果促使研究人员进一步探索空间定向障碍的规律与对抗方法。
荷兰航空医师范·沃尔芬·帕尔特对飞行过程中遇到的空间定向障碍，包括躯体旋动错觉、躯体重力错觉和压力性眩晕等问题进行了详细描述，并尝试将其产生的原因区分为由前庭系统引起和涉及压力感问题。在他的描述中，带坡度转弯时的躯体重力错觉表现为从转弯中心发出的离心力与重力结合时，飞行员产生的认为飞机可能正在进行大角度转弯的错觉。进而得出了研究结论，即使是最熟练的飞行员，空间定向也需要视觉参与。尽管范·沃尔芬·帕尔特在一定程度上支持使用前庭功能筛查，但他也肯定了飞行仪表在保持空间定向方面的价值。美国陆军航空公司的约翰·麦克塞斯更加强调了飞行仪表在飞行过程中的作用。然而，飞行仪表在20世纪20年代仍处于相对的初级阶段，关于飞行仪表的应用价值当时存在很大争议。斯佩里陀螺仪公司的埃尔默·斯佩里于20世纪10年代发明了第一台现代飞行仪表，它由船舶上的转弯指示器改良而来。事实上，在当时许多飞行员仍然认为如果具备良好的心理素质和直觉判断力，没有飞行仪表并不影响飞行，因此移除驾驶舱操控台或覆盖仪表十分常见。飞行过程中的空间定向十分复杂，如果飞行员在飞行中未能找到一些外部的参照点来获得平衡感或位置感，飞行几乎不可能顺利进行。如果没有天地线、光或其他任何参照物，飞行员仅根据驾驶舱内的仪表显示数据并不能够准确判断飞机的位置。当光线消失时，飞行员可以用仪表飞行约15 min，但如果在20 min内没有看到参考点，就可能会开始迷失方向并完全失去平衡感。这些论述充分肯定了仪表在飞行中的作用，同时也承认单靠仪表存在的局限性。
在飞行仪表认识与推广应用方面，另一位做出历史性重要贡献的人物是美陆军航空兵上尉威廉·奥克尔。作为一名经验丰富的飞行员，他曾驾驶飞机参与了斯佩里的第一个转向指示器的飞机应用研究。在一次前庭检测中，他经历了旋动错觉，并在有转弯指示器的情况下重复体验这一现象。这次体验使得奥克尔确信，仪表操作训练对飞行员能够正确地辨别出自身运动的真实方向至关重要。奥克尔将训练经验推广至所有机型的飞行员，即开展称为“盲”飞的仪表飞行。通过使用包含转向指示器的奥克尔盒子，他训练出了当时许多著名的飞行员。奥克尔还帮助包括美国邮政和泛美航空公司等许多飞行公司推行仪表培训计划，其中墨西哥分公司成为第一个在全天候情况下安全飞行的商业航空公司。1930年奥克尔为得克萨斯州圣安东尼奥市凯利和布鲁克斯菲尔德地区的美国空军飞行员开发的一项仪表飞行课程被称为“盲人学院”。 奥克尔还与卡尔·克兰合作，开展人类和鸽子蒙眼空间定位实验。克兰中尉是一名飞行员、工程师和发明家，在空间定向障碍研究方面有丰富的实践经验。奥克尔和克兰验证了谢弗特先前展示的人在被剥夺视觉时存在的“螺旋倾向”，并发现鸽子等鸟类飞行也需要视觉信息，如果没有了外界参照，也不能仅凭借感觉飞行。
在此期间，由古根海姆基金资助，埃尔默·斯佩里与美国的一批飞行员和科学家合作，设计出第一套仪表（图1-4），实现了全仪表飞行。此外，由麻省理工学院航空学博士詹姆斯·杜利特尔带领的科研团队研发出转弯和空速指示器，以及先进的无线电高度计和第一个人造水平仪。仪表的发展为后续的仪表暗舱飞行提供了条件。
1932年奥克尔和克兰出版了关于仪表飞行的第一本重要专著《盲飞的理论与实践》，这是仪表飞行历史上的另一个重要里程碑。该书描述了仪表飞行的历史、当时可用的主要仪表以及仪表飞行正确的培训和操作程序。书中介绍了一个新颖的综合图像飞行仪表，以及首次描述了基本T排列和根据功能将仪表分组的概念，还对维持空间定向与用于导航的仪表进行了区分。奥克尔和克兰提出了飞行中空间定向的一个重要定义，即“相对于包括重力在内的3个主坐标轴的位置调整或位置变化”。该定义与目前使用的标准定义相近。

图1-4　由古根海姆赞助的试验飞行座舱照片，并由杜利特尔中校在1929年完成第一次盲座舱飞行
发展仪表飞行来对抗空间定向障碍的做法直到1937年依然存在着争议，主要争议之一是关于人工水平线（姿态）在显示中的运动情况。早期的盲飞训练中采用的是詹姆斯·杜利特尔等设计和飞行操作的斯佩里人工水平线。这是一条与外部天地线同步移动的线，用于模拟通过驾驶舱玻璃观察的真实天地线，以 “内向外”的姿态显示。另一方面，奥克尔和克兰的综合飞行中显示的是一架微型飞机相对于稳定天地线的倾斜转弯和俯冲，为飞机的后面模拟训练，以 “外向内”姿态显示。因为奥克尔和克兰显示器的工程模型直到第二次世界大战才建成，整合了倾斜和俯冲信息的斯佩里人工水平线成为早期标准。“内向外”概念的优势受到一些学者的推崇，尽管在这个时期并没有进行两种姿态概念的正式比较。两次世界大战之间的航空实践面临的另一个严峻问题是仪表培训。一方面，仪表飞行手册写得不规范，令人难以理解；另一方面，大部分航空公司只是零星地使用仪表培训。此缺陷在“二战”初期的美国展现特别突出，当时大量飞行员匆忙投入战争，每天发生多达50次非作战事故。约瑟夫·达克沃斯上校认识到这个问题，并建议设立一所仪表夜校，训练所有飞行员使用仪表。他的建议促成了1943年得克萨斯州布莱恩菲尔德建立了第一个美军陆军航空兵飞行员仪表培训学校，因此在战争后期美军飞行员非战斗减员数量大幅减少。