飛機(jī)腳蹬舒適性設(shè)計(jì)

蔣黃滔，程太明

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機(jī)腳蹬是飛行員控制飛機(jī)方向舵和剎車的重要操縱機(jī)構(gòu)。當(dāng)飛行員前后蹬腳蹬，驅(qū)使腳蹬沿飛機(jī)機(jī)體軸線前后移動(dòng)時(shí)，控制的是飛機(jī)的方向舵；當(dāng)飛行員下壓腳尖，驅(qū)使腳蹬踏板繞腳蹬踏板轉(zhuǎn)軸向下旋轉(zhuǎn)時(shí)，控制的是飛機(jī)對(duì)應(yīng)的左側(cè)或右側(cè)剎車。同時(shí)，飛機(jī)腳蹬也是飛行員維持坐姿的重要支撐部件。因此，飛機(jī)腳蹬不僅需要放置在距離飛行員座椅合適的位置，還需要設(shè)置合適的前后調(diào)節(jié)量，以滿足不同人體尺寸飛行員的使用需求。

在某型飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，邀請(qǐng)了多名不同身高飛行員對(duì)兩型現(xiàn)有飛機(jī)腳蹬舒適性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)分析不同身高飛行員主觀感受產(chǎn)生的原因，得出了飛機(jī)腳蹬舒適性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。

1 試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在I 型飛機(jī)和II 型飛機(jī)上開(kāi)展，兩型飛機(jī)均使用彈射角17°、背靠角13°、座面角8°的彈射座椅，座椅上下調(diào)節(jié)量均為60mm，座椅上下調(diào)節(jié)區(qū)域的中央位置稱為“座椅中立位置參考點(diǎn)”。

I 型飛機(jī)和II 型飛機(jī)腳蹬行程均為±50mm，當(dāng)腳蹬無(wú)外力作用時(shí)，腳蹬在自身回中力作用下停留的位置稱為“腳蹬中立位置”，腳蹬和飛行員腳底的接觸點(diǎn)為腳蹬參考點(diǎn)。I 型飛機(jī)和II 型飛機(jī)腳蹬中立位置參考點(diǎn)處于同一高度。I 型飛機(jī)腳蹬中立位置參考點(diǎn)距座椅中立位置參考點(diǎn)水平距離為875mm；II 型飛機(jī)腳蹬中立位置參考點(diǎn)距座椅中立位置參考點(diǎn)水平距離為950mm。

I 型飛機(jī)腳蹬前后調(diào)節(jié)量為±50mm，II 型為±70mm。

1.2 受測(cè)人員

本次測(cè)試中，受測(cè)飛行員均為男性，飛行經(jīng)驗(yàn)均在200 小時(shí)以上，飛行員身高見(jiàn)表1。

表1 受測(cè)飛行員身高表

1.3 測(cè)試結(jié)果

飛行員分別在I、II 型飛機(jī)上將座椅調(diào)節(jié)至合適高度，對(duì)腳蹬蹬舵操作和剎車操作進(jìn)行測(cè)試，各飛行員對(duì)I、II 型飛機(jī)腳蹬描述如下：

飛行員A：II 型機(jī)腳蹬調(diào)至最后則剛好合適，若身高更矮的飛行員受測(cè)，腳蹬會(huì)有蹬不到底的問(wèn)題。

飛行員B：II 型機(jī)腳蹬向前調(diào)節(jié)接近最前，蹬舵舒適，身高185cm 的飛行員使用問(wèn)題不大。

飛行員C：II 型機(jī)腳蹬很容易調(diào)整到舒適點(diǎn)，I 型機(jī)座椅擋腿板會(huì)擱腳。

飛行員D：II 型機(jī)腳蹬調(diào)好后，感覺(jué)座椅比I 型機(jī)更靠下，看I 型機(jī)平顯要低頭看，II 型機(jī)平顯則平視，感覺(jué)很舒適。

飛行員E：I、II 型機(jī)腳蹬均可。

1.4 測(cè)試結(jié)果初步分析

根據(jù)GJB4856-2003《中國(guó)男性飛行員人體尺寸》[1]，見(jiàn)表2。忽略飛行員下肢尺寸分布差異，可近似將身高170cm 的飛行員A 作為第50 百分位數(shù)飛行員人體尺寸（171.0cm）代表；身高178cm、178cm、180cm 的飛行員B、C、D 作為第95 百分位數(shù)飛行員人體尺寸（179.8cm）代表；飛行員E 介于兩者之間。

表2 中國(guó)男性飛行員人體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（部分）

因此，可以將飛行員原始描述轉(zhuǎn)化為以下表述：

1）對(duì)于第50 百分位數(shù)人體尺寸飛行員，II 型機(jī)腳蹬調(diào)至最后位置，該尺寸飛行員處于最舒適狀態(tài)，如該位置更向前則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法操縱蹬舵全行程；

2）對(duì)于第95 百分位數(shù)人體尺寸飛行員，II 型機(jī)腳蹬容易調(diào)整到舒適點(diǎn)，且接近最前調(diào)節(jié)位置令人舒適；

3）對(duì)于第95 百分位數(shù)人體尺寸飛行員，I 型機(jī)腳蹬調(diào)至最前位置令人不夠舒適；

4）對(duì)于第50 百分位數(shù)體尺寸飛行員，I 型機(jī)腳蹬位置仍令人舒適。

2 飛行員腳蹬舒適性尺寸鏈分析

飛行員腳蹬使用舒適，即要使飛行員蹬舵全行程過(guò)程中關(guān)節(jié)角度合適、發(fā)力順暢、不受結(jié)構(gòu)限制，向前蹬舵能至全部行程，向回蹬舵不致腿部過(guò)于蜷縮導(dǎo)致肌肉疲勞，以及在剎車時(shí)能有效發(fā)力。

根據(jù)人機(jī)工效學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)下，人體下肢大腿軸線與椅面夾角α 的舒適角度為5°～20°[2，4]，大腿軸線與小腿軸線夾角β 的舒適角度為95°～135°[2-4]，大腿軸線與軀體軸夾角γ 的舒適角度為95°～135°[2]。且β 角大于160°時(shí)，腳蹬出力會(huì)急劇下降[2]。

在彈射座椅的特殊坐姿下，飛行員舒適感受與標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)舒適度有一定區(qū)別。為進(jìn)一步分析飛行員對(duì)不同腳蹬舒適性評(píng)價(jià)的機(jī)理，根據(jù)飛行員人體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建飛行員腳蹬舒適性分析尺寸鏈，如圖1 所示。

圖1 腳蹬舒適性尺寸鏈分析圖

根據(jù)飛行員表述1），第50 百分位數(shù)飛行員在II型機(jī)腳蹬調(diào)整至最后位置，該尺寸處于最舒適狀態(tài)；即從腳蹬蹬至前極限位置到腳蹬蹬至后極限位置過(guò)程中，飛行員全行程可操縱且關(guān)節(jié)角度舒適。

假定第50 百分位數(shù)飛行員座椅調(diào)整至中立位置，通過(guò)尺寸鏈分析，蹬舵過(guò)程中α 角從-3.7°到12.4°（同時(shí)γ 角從98.7°到82.6°），β 角從116.1°到148.4°；腳蹬中位時(shí)，α 角5.9°，β 角129.4°，γ 角89.1°，見(jiàn)圖2。從尺寸鏈分析可知，I 型機(jī)可將腳蹬調(diào)整至中立位置與II 型機(jī)調(diào)整至最后位置重合，印證了表述4）。

圖2 第50 百分位數(shù)飛行員II 型機(jī)腳蹬舒適性尺寸鏈分析

根據(jù)表述2），第95 百分位數(shù)飛行員在腳蹬調(diào)節(jié)至接近最前位置時(shí)舒適。假定第95 百分位數(shù)飛行員座椅調(diào)整至最低位置，通過(guò)尺寸鏈分析，蹬舵過(guò)程中，α 角從-6.3°到13.4°（同時(shí)γ 角從101.3°到81.6°），β角從122.2°到159.5°；腳蹬中位時(shí)，α 角5.7°，β 角136.5°，γ 角89.3°，見(jiàn)圖3。

圖3 第95 百分位數(shù)飛行員II 型機(jī)腳蹬舒適性尺寸鏈分析

根據(jù)表述3），第95 百分位數(shù)飛行員在I 型機(jī)腳蹬最前調(diào)節(jié)位置不夠舒適。通過(guò)尺寸鏈分析，此時(shí)大腿軸線和座椅椅面夾角為18.9°，大腿軸線和軀體軸夾角76.1°，大腿軸線和小腿軸線夾角為111.4°，見(jiàn)圖4。

圖4 I 型機(jī)不舒適尺寸鏈圖

由以上分析可得，對(duì)于彈射角17°、背靠角13°、座面角8°的彈射座椅，向回蹬舵時(shí)，α 角小于13.4°、γ角大于81.6°時(shí)，飛行員感覺(jué)舒適，而α 角大于19°、γ角小于76°時(shí)，飛行員感受不舒適；向前蹬舵時(shí)，椅面處于中立位置，α 角小于-3.7°（大腿輪廓與椅面前緣距離約8.6mm），椅面處于最下位置，α 角小于-6.3°（大腿輪廓與椅面前緣距離約10.2mm）時(shí)蹬不到底，或β角大于160°時(shí)蹬不到底。座椅處于中立位置，腳蹬也處于中立調(diào)節(jié)位置時(shí)，飛行員感覺(jué)最舒適姿勢(shì)的α 角為5.7°和5.9°，β 角為129.4°和136.5°，γ 角為89.1°和89.3°。

實(shí)際測(cè)量飛行員蹬舵下肢各角度舒適范圍的結(jié)果要大于人機(jī)工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)情況下測(cè)量的各關(guān)節(jié)舒適性范圍，這是否是飛行員群體特殊性和座椅特異性造成的？

進(jìn)一步分析差異產(chǎn)生原因，考慮腳蹬使用工況，飛行員長(zhǎng)期使用姿勢(shì)為腳蹬放置于中立位置腳蹬上或腳置于地板上；蹬舵至最前和最后位置均為短時(shí)使用。因此，飛行員蹬舵中立位置各關(guān)節(jié)角度應(yīng)貼近人機(jī)工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)情況下測(cè)量的各關(guān)節(jié)舒適性范圍，這與實(shí)測(cè)中立位置角度情況相符；而蹬舵至最前和最后位置感覺(jué)舒適角度為短時(shí)發(fā)力可接受的舒適角度，應(yīng)作為舒適性設(shè)計(jì)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)要求。

3 腳蹬舒適性設(shè)計(jì)要求

在GJB35B-2008《殲(強(qiáng))擊機(jī)座艙幾何尺寸》[5]中對(duì)腳蹬位置規(guī)定為：“腳蹬的最前調(diào)節(jié)位置，當(dāng)座椅調(diào)到最下位置時(shí)，腳蹬中心點(diǎn)距座椅參考點(diǎn)的水平直線距離應(yīng)不大于1030mm，此時(shí)腳蹬應(yīng)處于蹬在最前位置。腳蹬的最后調(diào)節(jié)位置，當(dāng)座椅調(diào)到最上位置時(shí)，腳蹬中心點(diǎn)距座椅參考點(diǎn)的水平直線距離應(yīng)不大于935mm，此時(shí)腳蹬應(yīng)處于蹬在最前位置?！边@是從可達(dá)性進(jìn)行考慮，以保證腳蹬設(shè)計(jì)與飛行員蹬腿可達(dá)區(qū)域匹配。

根據(jù)飛行員反饋可以看出，I 型機(jī)雖然滿足國(guó)軍標(biāo)要求，但對(duì)于大尺寸飛行員舒適性不足，主要體現(xiàn)在回蹬腳蹬時(shí)大腿軸線與軀干軸線夾角過(guò)小；不僅如此，飛行員受座椅座面角和高度影響，往往不能使下肢完全蹬直，蹬腿可達(dá)性小于人體尺寸測(cè)量值。

為使腳蹬設(shè)計(jì)舒適，需要在國(guó)軍標(biāo)和通用人機(jī)工效學(xué)要求基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)情況提出更加精細(xì)的舒適性設(shè)計(jì)要求。根據(jù)分析結(jié)果，整理出腳蹬舒適性設(shè)計(jì)要求有：

1）對(duì)于不同人體尺寸飛行員和對(duì)應(yīng)座椅調(diào)節(jié)后高度，腳蹬調(diào)節(jié)范圍應(yīng)能保證在中立位置飛行員大腿軸線和座椅椅面夾角貼近5.8°；

2）腳蹬蹬舵前極限位置應(yīng)當(dāng)使大腿輪廓和座椅座面間隙不小于8mm，且大腿軸線和小腿軸線夾角不大于160°；

3）腳蹬蹬舵后極限位置應(yīng)當(dāng)使飛行員大腿軸線和座椅椅面夾角小于13.4°，不可超過(guò)19°。

根據(jù)第1 項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)于彈射角17°、背靠角13°、座面角8°的彈射座椅，第5 百分位數(shù)飛行員最舒適的腳蹬中位點(diǎn)距離座椅中立位置參考點(diǎn)水平距離為766mm，第50 百分位數(shù)飛行員的相應(yīng)距離為856mm，第95 百分位數(shù)飛行員的相應(yīng)距離為971mm，如圖5所示。最舒適的腳蹬應(yīng)布置在腳蹬中立位置參考點(diǎn)距離座椅中立位置參考點(diǎn)水平距離868.5mm 處，腳蹬前后調(diào)節(jié)范圍不小于102.5mm。此狀態(tài)下驗(yàn)證不同尺寸飛行員前蹬可達(dá)性和回蹬舒適性，均滿足要求2 和要求3。

圖5 理想狀態(tài)腳蹬布置圖

在座艙空間受限的情況下，則可根據(jù)要求2 確定第5 百分位數(shù)飛行員可達(dá)的腳蹬最遠(yuǎn)點(diǎn)，結(jié)合腳蹬運(yùn)動(dòng)行程，確定腳蹬調(diào)節(jié)的最后中立位置；根據(jù)要求3確定第95 百分位數(shù)飛行員回蹬舒適最近點(diǎn)，結(jié)合腳蹬運(yùn)動(dòng)行程，確定腳蹬調(diào)節(jié)的最前中立位置，如圖6所示。對(duì)于尺寸要求更嚴(yán)苛的座艙，可以選擇保證第5 百分位數(shù)飛行員腳蹬運(yùn)動(dòng)的部分行程，達(dá)到保證飛行安全的最低標(biāo)準(zhǔn)，可前移腳蹬調(diào)節(jié)的最后中立位置；或者增大第95 百分位數(shù)飛行員大腿軸線與座椅椅面之間夾角，犧牲部分舒適性，以后移腳蹬調(diào)節(jié)的最前中立位置。

圖6 腳蹬尺寸裁剪示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)飛行員對(duì)兩型飛機(jī)腳蹬使用舒適性的主觀評(píng)估進(jìn)行歸類，建立了腳蹬舒適性分析尺寸鏈，使用尺寸鏈對(duì)飛行員主觀評(píng)估內(nèi)容進(jìn)行了重現(xiàn)和分析，總結(jié)出腳蹬舒適性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，對(duì)國(guó)軍標(biāo)中腳蹬設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了補(bǔ)充。根據(jù)腳蹬設(shè)計(jì)要求提出了理想狀態(tài)和在一定限制條件下的腳蹬舒適性設(shè)計(jì)參數(shù)和裁剪設(shè)計(jì)思路，可以為后續(xù)型號(hào)和其他同類型腳蹬設(shè)計(jì)提供參考。

目前的研究對(duì)飛行員部分人體參數(shù)沒(méi)有實(shí)際測(cè)量，因此忽略飛行員下肢尺寸分布差異，這有待后續(xù)更多飛行員測(cè)試進(jìn)行補(bǔ)充；另外對(duì)于大腿軸線和座椅椅面/軀干軸線夾角的舒適性邊界目前只確定在13.4°至19°之間，其準(zhǔn)確邊界還需要進(jìn)一步測(cè)試和分析。