民用飛機(jī)駕駛艙布置設(shè)計(jì)方法研究

金浙峰 張垠博 劉海燕 袁 霄 孟 華 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

民用飛機(jī)駕駛艙布置設(shè)計(jì)方法研究

金浙峰 張垠博 劉海燕 袁 霄 孟 華 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

在當(dāng)今民用飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)過程中，普遍公認(rèn)的理念為“以人為中心”的駕駛艙設(shè)計(jì)理念，而駕駛艙布置設(shè)計(jì)要踐行“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念，就需要在國內(nèi)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)初期，探索一種能體現(xiàn)“以人為中心”的駕駛艙布置方法。主要以“設(shè)計(jì)眼位”為基準(zhǔn)，以飛行員生理極限、認(rèn)知特性和個(gè)體差異作為可達(dá)性、可視性設(shè)計(jì)參數(shù)的依據(jù)，探索出一種能用于設(shè)計(jì)初期指導(dǎo)駕駛艙布置過程中主要設(shè)計(jì)參數(shù)的制定方法。

民用飛機(jī)；駕駛艙；布置

0 引言

在當(dāng)今民用飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)過程中，普遍公認(rèn)的理念為“以人為中心”的駕駛艙設(shè)計(jì)理念，而駕駛艙布置則是“以人為中心”的駕駛艙設(shè)計(jì)理念的具體貫徹。在國內(nèi)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)初期，需要探索一種能體現(xiàn)“以人為中心”駕駛艙設(shè)計(jì)理念的駕駛艙布置設(shè)計(jì)方法。本文主要以“設(shè)計(jì)眼位”為基準(zhǔn)，以飛行員生理極限、認(rèn)知特性和個(gè)體差異作為可達(dá)性、可視性設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，探索出一種能用于指導(dǎo)駕駛艙初期布置設(shè)計(jì)主要特征參數(shù)的確定方法。本文探索的駕駛艙布置設(shè)計(jì)方法是在遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和適航規(guī)章的基礎(chǔ)上，結(jié)合型號(hào)研制駕駛艙布置設(shè)計(jì)過程中遇到的具體問題以及針對(duì)具體問題所進(jìn)行的方案調(diào)整與優(yōu)化為背景提出的。闡述了駕駛艙布置設(shè)計(jì)過程、總體參數(shù)及重要控制器件(以儀表板、側(cè)桿、風(fēng)擋作為典型為例)參數(shù)選取、確定與測(cè)試方法，經(jīng)過飛機(jī)型號(hào)驗(yàn)證，按照本方法所述內(nèi)容開展駕駛艙布置設(shè)計(jì)，可以有效避免駕駛艙方案設(shè)計(jì)初期和取證過程駕駛艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)不合理導(dǎo)致重大工程更改等問題，高效完成駕駛艙布置設(shè)計(jì)。

1 術(shù)語和定義

1.1 設(shè)計(jì)眼位(DEP)

單眼理論位置是基于第50百分位數(shù)的駕駛員在其座椅處于自然位置和處于1g的飛行條件下、允許內(nèi)部和外部觀察并位于駕駛員中心線的眼睛位置。

1.2 座椅參考點(diǎn)(SRP)

在座椅中心線上，由座椅背切線和座椅底切線的交點(diǎn)確定的一個(gè)點(diǎn)。

1.3 舒適坐姿

身體軀干后傾一定角度能使人體感受到放松的坐姿，如圖1所示。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)坐姿

身體軀干垂直于椅面的坐姿，如圖2所示。

2 駕駛艙布置設(shè)計(jì)流程

駕駛艙布置設(shè)計(jì)流程圖詳如圖3所示。

3 駕駛艙布置設(shè)計(jì)參數(shù)制定方法

根據(jù)“以人為中心”的駕駛艙設(shè)計(jì)理念，駕駛艙布置時(shí)所有設(shè)備的布置都將以設(shè)計(jì)眼位為基準(zhǔn)進(jìn)行布置。在民用飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)初期，以“設(shè)計(jì)眼位”為基準(zhǔn)，以飛行員生理極限、認(rèn)知特性和個(gè)體差異為可達(dá)性、可視性設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)，開展駕駛艙布置設(shè)計(jì)工作。本文主要對(duì)流程圖中的設(shè)計(jì)眼位的定義方法以及駕駛艙內(nèi)主要的特征對(duì)象(如風(fēng)擋、地板、主要大部件、主要操縱手柄等)相對(duì)設(shè)計(jì)眼位的具體參數(shù)定義方法進(jìn)行了描述。

3.1 設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)(DEP)

駕駛艙布置時(shí)將以正駕駛員設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)初期，可以假定一個(gè)點(diǎn)作為設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)，此點(diǎn)將作為風(fēng)擋、地板、座椅參考點(diǎn)等基本參考數(shù)據(jù)的依據(jù)，也將作為駕駛艙大部件以及主要控制器件位置確定的基礎(chǔ)，艙內(nèi)所有尺寸也以此作為參照。

正副駕駛員的設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)橫向距離與飛行員手臂的可達(dá)范圍、中央操縱臺(tái)的初步評(píng)估尺寸有關(guān)，間距需保證能對(duì)中央操縱臺(tái)上的設(shè)備可達(dá)。

3.2 座椅參考點(diǎn)(SRP)距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)位置

根據(jù)第50百分位數(shù)駕駛員舒適坐姿來確定。

(1)

式中：Hs為座椅SRP點(diǎn)距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)垂直距離；He50為第50百分位數(shù)駕駛員坐姿眼高；Hc50為第50百分位數(shù)駕駛員舒適坐姿設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)坐姿設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)的垂直差距；Dc為衣服厚度。

(2)

式中：Ls為SRP點(diǎn)距設(shè)計(jì)眼位水平距離；Le50為第50百分位數(shù)駕駛員眼突枕突距；Lc50為第50百分位數(shù)駕駛員舒適坐姿眼位點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)坐姿眼位點(diǎn)的前后差距；Dc為衣服厚度。

3.3 地板距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)位置

根據(jù)第50百分位數(shù)駕駛員舒適坐姿來確定，舒適坐姿小腿與身體基本平行。

(3)

式中：Hf為駕駛艙地板距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)高度；Hs為座椅SRP點(diǎn)距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)垂直距離；Hx50為第50百分位數(shù)駕駛員坐姿小腿加足高；α1為座椅后背傾角(椅背與垂直線的夾角)；Hx50×cosα1為第50百分位數(shù)駕駛員舒適坐姿小腿加足高；Ds為鞋跟厚度。

3.4 儀表板距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)位置

儀表板安裝位置需要考慮駕駛員視覺特性，儀表板上控制部分還需考慮駕駛員可達(dá)要求。

(4)

式中：Lp為距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)水平位置；Lua5為第5百分位數(shù)駕駛員上肢長(zhǎng)度；Dsh5為第5百分位數(shù)駕駛員背肩峰距；Le5為第5百分位數(shù)駕駛員眼突枕突距。

考慮人體肩部的活動(dòng)性，可以增加適當(dāng)?shù)男拚俊?/p>

距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)垂直位置由外部視界要求決定，頂部邊緣在各個(gè)方位應(yīng)低于外視界中下視界要求，下邊緣由膝部活動(dòng)空間限制，寬度應(yīng)與機(jī)頭外形布局協(xié)調(diào)。

顯示界面與駕駛員視線夾角至少為45°，如圖4所示。

人體舒適坐姿時(shí)觀察顯示界面的視錐軸線低于水平視線約20°～25°，傾角為與地面成65°～70°夾角。

3.5 側(cè)桿(手握處)距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)位置

根據(jù)第5百分位數(shù)駕駛員上肢長(zhǎng)度和側(cè)桿操縱姿勢(shì)確定。操縱側(cè)桿的示意圖如圖5所示。

側(cè)桿距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)的Z方向的距離為：

式中：

Wsp為側(cè)桿距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)的Z方向的距離；

Whw5為第5百分位數(shù)駕駛員肩寬；

Lua5為第5百分位數(shù)駕駛員上臂長(zhǎng)；

LLa5為第5百分位數(shù)駕駛員前臂加手功能前伸長(zhǎng)；

θ6，θ7定義如圖6所示。

側(cè)桿距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)的X方向的距離為：

(6)

式中：

Lsp為側(cè)桿距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)X方向的距離；

Le5為第5百分位數(shù)駕駛員眼突枕突距；

或者為：

θ1，θ4，θ5定義如圖6所示。

側(cè)桿距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)Y方向的距離為：

(8)

式中：

Hsp為側(cè)桿距設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)Y方向的距離；

He5為第5百分位數(shù)駕駛員坐姿眼高；

Hsh5為第5百分位數(shù)駕駛員坐姿肩高。

3.6 平視顯示器(HUD)位置

根據(jù)第50百分位數(shù)駕駛員視野要求確定。平視顯示器中心位置應(yīng)位于駕駛員水平視線上，平顯收起時(shí)應(yīng)不遮擋外視野。

3.7 前風(fēng)擋相對(duì)設(shè)計(jì)眼位的位置

前風(fēng)擋與設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)水平視線交點(diǎn)距離，平面風(fēng)擋一般為500mm～600mm左右，雙曲面風(fēng)擋較此數(shù)值略大。

3.8 風(fēng)擋與駕駛員視線最小夾角

考慮到風(fēng)擋玻璃的透光性和折光問題，風(fēng)擋玻璃與駕駛員下視線之間的夾角γ(即掠射角或入射余角，γ取其值的大小與風(fēng)擋玻璃的透光、折光等光學(xué)性能有關(guān))應(yīng)滿足折光要求，如果駕駛員下視角為θDV，則可以求出風(fēng)擋玻璃的傾斜角β應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(9)

在給定下視角θDV的情況下，根據(jù)式(9)獲得風(fēng)擋玻璃的設(shè)計(jì)傾斜角β。如圖6所示。

3.9 內(nèi)視界

必須使任一駕駛員在其工作位置沿飛行航跡向前觀察時(shí)，盡可能少偏移正常姿勢(shì)和視線，即可看清供他使用的每個(gè)飛行、導(dǎo)航和動(dòng)力裝置儀表。

考慮到儀表板不受外界光線干擾，其上設(shè)有遮光罩，自設(shè)計(jì)眼位至遮光罩頂部以上是前方向外視界，從3.10節(jié)可知，遮光罩頂部應(yīng)至少位于水平標(biāo)準(zhǔn)視線以下17°。

主飛行顯示區(qū)應(yīng)該位于主視區(qū)范圍內(nèi)。

從飛機(jī)設(shè)計(jì)眼位觀察儀表板時(shí)，儀表板上任何儀表、控制裝置和燈光裝置都應(yīng)是易于觀察和辨認(rèn)的。

重要的和使用頻率高的儀表應(yīng)不超過頭轉(zhuǎn)動(dòng)的最大視區(qū)，盡量位于最優(yōu)視區(qū)。

飛行中需要操作但使用頻率不太高的儀表(如側(cè)顯)不超過頭眼轉(zhuǎn)動(dòng)的最大視區(qū)。

人眼最優(yōu)視區(qū)與最佳視區(qū)參見MIL-STD-1472G“FIGURE 25. Vertical and horizontal visual fields”。

3.10 外部視界

駕駛艙外視界必須保證飛機(jī)在各種狀態(tài)具有足夠的視野，理論最小視界范圍見表1和圖7規(guī)定所示。

表1 駕駛員理論最小視界

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，對(duì)于每個(gè)具體的飛機(jī)構(gòu)型，其實(shí)際需要的視界范圍都是在標(biāo)準(zhǔn)視界的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和修正，主要考慮以下幾個(gè)方面。

1)進(jìn)場(chǎng)速度和飛機(jī)姿態(tài)角

如圖8所示，駕駛員對(duì)零方位視界下視角為：

(10)

式中：

θDV為駕駛員對(duì)零方位視界下視角(Down Vision)；

θPA為飛機(jī)的姿態(tài)角(Pitch Angle)；

C為飛機(jī)在姿態(tài)角為θPA時(shí)，設(shè)計(jì)眼位和主起落架輪胎最低點(diǎn)之間的垂直距離，此參數(shù)為飛機(jī)的固有特征；

RVR為進(jìn)近時(shí)跑道的可視距離(Runway Visual Range)，此數(shù)值不得小于366mm(1 200ft)；

V為可見跑道部分，此數(shù)值為按照飛機(jī)進(jìn)近時(shí)的速度，3s時(shí)間內(nèi)能飛過的水平距離。

2)機(jī)翼翼尖位置

為了提高安全性，每側(cè)駕駛員后視界應(yīng)該能看到各自所在后側(cè)面機(jī)翼翼尖，如圖9所示。

駕駛員所需的后視角θBV的取值與以下幾個(gè)設(shè)計(jì)參量有關(guān)：

(1)駕駛員設(shè)計(jì)眼位(XDEP，ZDEP)；

(2)機(jī)翼相對(duì)于機(jī)身的安裝位置(Xwing)；

(3)機(jī)翼半展長(zhǎng)(l/2)；

(4)機(jī)翼前緣后掠角(χ)。

在以上設(shè)計(jì)參量確定后，就可根據(jù)幾何關(guān)系得到所需的駕駛員后視界角θBV，其值大小可由式(11)計(jì)算得到：

(11)

4 結(jié)語

本文主要以“設(shè)計(jì)眼位”為基準(zhǔn)，以飛行員生理極限、認(rèn)知特性和個(gè)體差異作為可達(dá)性、可視性設(shè)計(jì)參數(shù)的依據(jù)，探索出能用于設(shè)計(jì)初期指導(dǎo)駕駛艙

布置過程中主要設(shè)計(jì)參數(shù)制定的一種方法，可用于指導(dǎo)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)初期駕駛艙布置設(shè)計(jì)工作。

本文提出的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)應(yīng)用于大型客機(jī)和寬體飛機(jī)等型號(hào)的設(shè)計(jì)工作，證明本方法是可行的，應(yīng)用的結(jié)果主要體現(xiàn)在型號(hào)的設(shè)計(jì)方案中，有效推進(jìn)了型號(hào)研制工作。

[1] Vicki Ahlstrom, Kelly Longo. Human Factors Design Standard (HFDS) For Acquisition of Commercial Off-The-Shelf Subsystems, Non-Developmental Items, and Developmental Systems[S]. DOT/FAA/CT-03/05.2003.

[2] U.S. Army Aviation and Missile Command[J]. Human Engineering,1999.

[3] Federal Aviation Administration. Pilot Compartment View Design Considerations[S]. ANM-110,1993.

[4] Society of Automotive Engineers[Z]. Pilot Visibility from the Flight Deck,1989.

[5] 程不時(shí).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第5冊(cè)：民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

Research on Design Method of Civil Aircraft Cockpit Layout

JIN Zhefeng ZHANG Yinbo LIU Haiyan YUAN Xiao MENG Hua

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

Human-Centered design philosophy has been accepted by Civil Transport Aircraft scopes. Flight deck layout can carry out the human-centered design philosophy. Now we need probe into one method of flight deck layout which can incarnate the human-centered design philosophy. This article provides one method which can be used for guiding flight deck layout by “design eye point” and according to accessibility and visuality of the pilots’ physiological limits, the cognitive characteristics and individual difference.

civil aircraft; flight deck; layout

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.003

V223+.1

A

金浙峰 男，碩士，高工。主要研究方向：航空駕駛艙集成技術(shù)； E-mail：jinzhefeng@comac.cc

張垠博 男，碩士，高工。主要研究方向：航空駕駛艙集成技術(shù)；E-mail：zhangyinbo@comac.cc

劉海燕 女，碩士，高工。主要研究方向：航空駕駛艙集成技術(shù)；E-mail：liuhaiyan@comac.cc

袁 霄 男，碩士，工程師。主要研究方向：航空人機(jī)環(huán)境；E-mail：yuanxiao@comac.cc

孟 華 男，碩士，工程師。主要研究方向：航空駕駛艙集成技術(shù)；E-mail：menghua@comac.cc