人體測量學在飛機駕駛艙設計中的應用

張偉

(中航通飛研究院,廣東珠海 519040)

人體測量學在飛機駕駛艙設計中的應用

張偉

(中航通飛研究院,廣東珠海 519040)

人體測量學作為人為因素的一個重要組成部分,在飛機設計尤其是在飛機的駕駛艙設計中應用廣泛。本文參考國內外有關文獻,分別從人體測量學在駕駛艙可達性設計、舒適性設計和維修性等方面進行討論和分析,展示了其基本的應用。

人體測量學人為因素駕駛艙可達性

1 引言

人體測量學是指用科學的方法測量和收集人體物理特性,并將其應用到系統、設備、產品和人機環境等的設計中[1]。是人為因素的重要組成部分。

這些物理特性包括身高、體重、可達范圍、力量數據以及舒適度評價等。

人體跟產品、系統是不一樣的,人體是不能設計的,因此,在類似駕駛艙這樣的產品或人機環境設計中,設計人員必須充分考慮人體測量學的要求,使得設計出的飛機系統、環境都能夠適應人體的尺寸需求。

2 人體數據的修正與選擇

2.1 人體數據的修正

常見的人體測量項目如圖1所示(限于篇幅未列全),但是這些測量數據不能直接應用于設計,首先是因為這些數據的測量有其年份,一般這個年份既不同于產品設計時間,也不同于產品使用時間;其次是因為這些數據是用裸身來測量的,所以在設計時必須考慮服裝、鞋帽等著裝對數據的影響;再次是因為不同人種、不同年齡段、不同性別之間的數據差異也很大,在產品設計時必須予以取舍或兼顧。由于本文所用數據取自GJB 4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》[2],人種、年齡段與大眾的人體數據相比,取樣的范圍要窄很多,因此這些因素對數據的影響較小,可以不予考慮。

2.1.1 年份對數據的修正

GJB 4856數據的測量時間是2000年7月,根據統計結果,中國人近年來的平均身高增長量為26mm/10年,所以如果設計當下使用的產品,在身高上的修正量就達到39mm,如果像飛機這種長設計周期的產品,就要考慮到飛機投入運行的時間,使之能夠符合飛機投入市場時的人體尺寸要求。

按照FAA的標準[1],著裝對于操縱間隙的影響較大,因此,在計算機組人員尺寸時,需要考慮著裝的因素。FAA將著裝分為輕便著裝,中等著裝和重裝三種類型。表1給出了中等著裝對人體尺寸的影響。

2.2 人體數據的選擇

按照CCAR 25.777(C)條款規定,“操縱器件相對于駕駛員座椅的位置和布局,必須使任何身高158至190厘米的最小飛行機組成員就座并系緊安全帶和肩帶(如果裝有)時,每個操縱器件可無阻擋地作全行程運動,而不受駕駛艙結構或最小飛行機組成員衣著的干擾。”[3]

因此,駕駛艙設計時,應至少滿足最低和最高身高這兩個極限值及其所對應的其他身體尺寸。由《中國男性飛行員人體尺寸》[2]可知,人體尺寸的分布基本滿足正交分布,可以根據標準差和第50百分比的數據計算出其他百分比的數據。

3 人體測量學在駕駛艙可達性設計中的應用

駕駛艙的可達性不僅包含對各操縱器件的無障礙的可操作,還包括對內外部視界的可達。在進行操縱器件的可達性分析時,需要對可達方式進行定義,因為不同的可達方式其可達包線不同,所需要的可達力也不同。而在對視界的可達性進行分析和設計時,則需要把重點放在對設計眼位的選擇上。實際上,這兩者又是相互關聯,相互影響的。下面分別就兩方面進行說明。

3.1 操縱器件的可達性分析

駕駛艙設計中需要用到手的可達方式主要是對按鈕的按壓、對開關的撥動、對旋鈕的轉動、對開關等的拉拔提、對油門桿等的推拉和對駕駛盤的推拉與旋轉等。需要用到腳的可達方式主要是對腳蹬的踩踏。

3.1.1 手的可達性

2.創造性地提出建設服務型、創新型馬克思主義執政黨。報告提出要“建設學習型、服務型、創新型的馬克思主義執政黨”［1］，具有突出的創新性。

手的可達方式主要是通過手指、手指與手指、手指與手掌、手掌等的觸碰、抓取、握取、拉拔、推等動作來實現對駕駛艙器件的操縱。

其中,只需要指尖可達的方式可達范圍(3.17-3.20)最大為722mm。根據HFDS[1]的統計結果,指尖可達范圍比需要指關節操作的方式大70mm,比全手掌操作的方式大125mm,分別為652mm和597mm。

同時,就同一種動作而言,也會因為距離人體上下、左右、前后的距離不同而使可達范圍不同。可以在不同的尺寸位置分別對人體做橫切和縱切來詳細判斷手的可達性,如圖2所示,(均為第50百分比人體尺寸的抓取動作)。這些曲線都是在對大量人體尺寸精確測量和統計的基礎上得到的。如果將剖面進一步增加,則可以形成一只手對可操縱范圍的包絡體,這也是CATIA人機功效學模塊中可達性分析的原理。

操作器件除應在駕駛員的可達包線內,還應保證駕駛員能夠以合適的力對其進行操作,以減少駕駛員疲勞負荷,提高安全性水平。例如,按鈕的操作力應在2.8至11.3N范圍內。用于前輪轉彎操縱的手輪,一般是由手腕和手指運動來操作的,由其負荷應小于22N。用于起落架收放操縱的手柄的操作力應在4.5至45N之間。

3.1.2 腳的可達性

腳產生的力的大小與下肢的位置、腿部膝關節的角度等姿勢和方向有關。下肢伸直時腳產生的力大于下肢彎曲時產生的力。腳產生的操縱力通常是以壓力形式出現的,壓力的大小與腳離開人體中心對稱線向外偏轉的程度有關。

為了達到最佳的可達效果,最好將所有的操作器件放置在第50百分比的人體可達的邊界之內,但這顯然是無法實現的。所以,必須根據操作器件的操作頻率,盡可能將使用頻率高的操作器件安排在該可達包絡范圍之內。

3.2 視界的可達性分析

圖1 坐姿測量項目

表1 著裝對人體尺寸的影響(單位:mm)

圖2 不同橫斷平面和縱斷平面上手的可達包線示例

駕駛艙的清晰視界主要是根據咨詢通告AC 25.773-1[4]的要求進行設計得到的錐形區域,并將錐形區域與飛機外形相交得到駕駛艙風擋的最小區域。外部視界與人體測量學關系不大,本文不作詳述。而內部視界,則主要是針對操縱器件以及各面板上的儀表的可視性而言。在對內部視界進行分析時,僅僅通過頭部的移動來改變視界,要求機組的軀干部分均保持直立,無轉動或者彎曲,并由安全帶束縛。頭部的運動包括如下三種方式:左右轉動、上下抬頭和低頭和左右偏轉。

圖3 全身出入通道

3.2.1 設計眼位的確定

不論是外部視界還是內部視界,與設計眼位的位置都息息相關。因此,在駕駛艙設計中,設計眼位是比較重要的設計基準之一。設計眼位在展向的值有個范圍,對于中程運輸機,平均值為650mm,對于輕型飛機則為350mm。因此,設計眼位的位置主要集中在航向和高度方向上。設計眼位的確定要在座椅參考點、駕駛艙頂部邊界、風擋、儀表板、操縱器件等因素中權衡。

3.2.2 儀表板的布置

運輸類飛機儀表板上主要布置有PFD、MFD和EICAS顯示器,要求駕駛員能夠舒服地看到,即防止駕駛員視覺疲勞,以減少由于人為因素導致的操作失誤。防止疲勞的措施包括很多,與人體測量學有關的有:

(1)眼睛與顯示器中心的連線應低于水平視線。最佳的視線應在水平視線下15度角至40度角之間。在該角度區域范圍內,將增加眼睛的聚光能力,同時能緩解頸部、肩部、前臂和腕部的肌肉緊張程度。

(2)眼睛與顯示器中心的連線最好垂直于顯示器平面,若不能垂直,則至少大于45度角。

(3)眼睛與顯示器之間的距離不應小于330mm(只需短時間觀察的可以放寬到250mm)。最遠距離取決于顯示的內容。當眼睛與顯示器之間的距離大于600mm時,需要對顯示內容(字體、符號等的大小)及顯示亮度進行調節以增加易讀性,一般應大于22弧分。

3.3 兩者間的相互影響

操縱器件的可達性與視界的可達性是相互聯系又相互制約的。例如,為了達到最佳的內部和外部視界,飛行員的眼位最好位于設計眼位上。但是由于人體尺寸的不同,如果設計時,保證身材較高的飛行員在設計眼位時的視界,就可能導致身材較矮的飛行員無法夠到腳蹬等飛行控制器件。因此,在駕駛艙設計時,對座椅、腳蹬等設置中立位置和可調節范圍就十分必要。需要說明的是,一般情況下,座椅的上下調節范圍,腳蹬的前后調節范圍都是一樣的,但并不是說,中立位置一定對應于第50百分比的人體尺寸,需要根據具體的數據,來選擇中立位置和調節范圍,否則可能導致有些調節范圍是無法使用的。

又如,波音737-800飛機的墊腳板厚度為70mm。其設計眼位距離地板高度在1200mm左右,最小和最大身材的飛行員的坐姿眼高分別為7 6 1 m m和8 9 6 m m,小腿加足高的長度分別為3 7 4 m m和477mm。為了保證達到設計眼位的高度,最佳的狀態莫過于座椅參考點中立位置距離地板422mm,上下分別可調節118mm。但是實際設計時,座椅的調節量很難達到118mm,一般情況下在上下各50mm左右。這將使得座椅向上調節至極限位置時,很可能導致腿腳的懸空。在腳下布置一定厚度的墊腳板,則可以增加飛行員的舒適性,降低駕駛疲勞。

4 人體數據在駕駛艙維護性設計中的應用

駕駛艙作為一個各系統的控制中心,各種線束、管路、桿系在駕駛艙地板下匯集,如果沒有良好的開敞性,則既不利于飛機的總裝,也不利于維護。

增開維護口蓋,設置維護通路是增強維護性的常用方法。對于飛機駕駛艙設計而言,在地板結構上設置可以供人進出的開口對于大型運輸類飛機是必須的。但是設置多大的開口合適,則是人體測量學的應用領域。圖3給出了常用的全身出入通道尺寸[5],按照輕裝和重裝、頂面/底面和側面進行了分類。

5 結語

本文通過對人體測量學在飛機駕駛艙可達性、舒適性和維修性等方面的簡要描述,說明了其在駕駛艙設計中的應用。

[1]Ahlstrom V,Longo K.Human Factors Design Standard. USA:Washington,2003.

[2]中國人民解放軍總裝備部.GJB 4856-2003中國男性飛行員人體尺寸,2003.

[3]中國民用航空局.CCAR-25-R4運輸類飛機適航標準,2011.

[4]FAA.AC 25.773-1 Pilot Compartment View Design Considerations.USA:Washington,1993.

[5]中國人民解放軍總裝備部.GJB 2873-1997軍事裝備和設施的人機工程設計準則,1997.