民機駕駛艙布局流程設計及應用

梁 爽，劉慶杰，聶 暾，何世偉，張 斌

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術中心，成都 610092)

民機駕駛艙布局流程設計及應用

梁 爽，劉慶杰，聶 暾，何世偉，張 斌

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術中心，成都 610092)

為減少民機駕駛艙設計迭代次數(shù)，提高設計質(zhì)量和效率，提出了一種民機駕駛艙布局的設計流程;結(jié)合適航要求和人機工效分析方法，對飛行員眼位、人體尺寸、內(nèi)部視界和外部視界、飛行員坐姿、座椅和腳蹬調(diào)節(jié)行程、中控臺尺寸及其它關鍵部件位置進行了分析和研究;最后，應用提出的民機駕駛艙布局流程進行了公務機駕駛艙布局設計;結(jié)果表明，設計的民機駕駛艙布局流程能夠快速實現(xiàn)預期設計目標，提高了設計效率，對民機駕駛艙設計具有指導意義。

駕駛艙；布局設計；人機工效；適航要求

0 引言

民機駕駛艙是飛行管理的人機交互節(jié)點，民機駕駛艙設備空間布局設計的宗旨是結(jié)合飛行員的生理和心理因素，規(guī)劃并協(xié)調(diào)各種顯示和控制設備布置和布局，使飛行員在不感到疲勞的情況下完成飛行任務[1]。由于飛機設計的迭代性和重復性，布局設計的方案會被反復修改優(yōu)化，因此，在設計的前期定義和梳理出合理的布局設計流程對減少迭代次數(shù)和提高設計效率和質(zhì)量顯得尤為重要。參考文獻[1-4]詳細論述了民機駕駛艙各設備位置和尺寸的確定以及空間布局設計的方法，但未涉及詳細的布局設計流程。

基于現(xiàn)代民用飛機駕駛艙布局設計的現(xiàn)狀，結(jié)合有關適航條款和人機工效分析方法，梳理并提出了詳細的駕駛艙布局設計流程。最后，應用提出的民機駕駛艙布局流程進行了公務機駕駛艙布局設計。

1 眼位點及視界設計

1.1 眼位點設計

飛行員設計眼位點是駕駛艙各種設備布局設計的基準點，一切設備的布局設計都圍繞其展開，設計眼位點的位置對駕駛艙的布局設計具有重要的影響。駕駛艙布局設計眼位基準點(C)采用文獻[1-2]中所述方法，即其Z方向離地板平面1 230 mm，X方向坐標為±508～±533 mm，Y方向距風擋曲面投影點的距離為500～600 mm，見圖1。

圖1 設計眼位點

確定設計眼位點時需要考慮的另一因素是保證飛行員頭部與飛機頂部具有至少25 cm的空間。

1.2 外視界分析

駕駛艙外視界需確保飛行員在目視飛行時能夠獲得足夠的外部目視信息，以便控制航跡，在起降階段，確保飛行員能看清跑道。在飛機構(gòu)型設計階段，視界分析實際上就是借助于某一標準視界圖，對風擋邊框曲線形成的視界進行分析，看其是否能滿足飛機起飛、著陸、地面滑行和巡航飛行狀態(tài)下的最小視界要求。

根據(jù)適航要求，飛行員外部視界分析遵循的規(guī)則是AS 580B，生成圖2所示的視界分析圖，視界分析圖包含了待分析的飛行員視界和標準視界，要確保飛行員的視界要包含大部分的標準視界。

圖2 典型視界分析圖

在起飛和降落階段，飛行員能看清翼尖對確保飛行安全尤為重要。因此在進行視界分析時，要確保飛行員設計眼位點與翼尖的連線位于駕駛艙風擋曲面之內(nèi)。

2 人體尺寸和坐姿設計

2.1 飛行員人體尺寸

飛行員的人體尺寸，直接影響到布局設計的各項定位尺寸和定形尺寸。當前，尚未有內(nèi)能夠覆蓋全人類人體尺寸的虛擬人體模型。采用將飛行員人體尺寸數(shù)據(jù)[5]設計成虛擬人體模型用于駕駛艙空間布局設計，見圖3。

圖3 虛擬人體模型

2.2 坐姿設計

設計坐姿是飛行員在飛行過程中長期保持的姿勢，設計坐姿的確定要使飛行員長期處于該姿勢時不感到疲勞為首先原則。設計坐姿決定了駕駛艙的一些重要尺寸參數(shù)，如腳蹬的調(diào)節(jié)行程，座椅椅背角。根據(jù)參考文獻[6],人腳踝和盆骨參考點連成的直線與水平線成25°夾角時，人體腿部可獲得最佳的舒適度和施以最大的操縱力。綜合考慮到人體舒適性和減小駕駛艙高度，椅背角取13°，見圖4。

圖4 飛行員設計坐姿

設計坐姿的確定除了上述兩個角度參數(shù)之外，其他姿態(tài)參數(shù)的確定應以飛行員獲得最大的人體舒適度為準則進行設計。

3 駕駛艙設備布局設計

3.1 腳蹬和座椅調(diào)節(jié)行程設計

腳蹬和座椅的設計應能滿足不同身材飛行員的駕駛需要。航向調(diào)節(jié)行程的確定采用的方法是將5%人體百分位的日本女性和95%人體百分位的美國男性的設計眼位點航向位置重合，同時將其姿態(tài)調(diào)節(jié)為設計姿態(tài)，兩個人體模型腳踝之間的縱向距離為航向調(diào)節(jié)行程；高度調(diào)節(jié)行程的確定是將兩個人體模型的設計眼位點的高度位置重合，兩個人體模型臀部與座椅接觸面之間的高度距離為高度方向調(diào)節(jié)行程，見圖5。

圖5 調(diào)節(jié)行程的確定

高度方向調(diào)節(jié)行程主要通過調(diào)節(jié)座椅高度實現(xiàn)，航向方向調(diào)節(jié)行程主要通過同時調(diào)節(jié)腳蹬和座椅的航向位置實現(xiàn)。

3.2 座椅幾何設計

飛行員座椅的形狀和尺寸直接影響到飛行過程中的舒適性。座椅設計的幾何參數(shù)[7]主要包括椅背角、座椅高度、寬度等。其中座椅高度的設計要結(jié)合高度調(diào)節(jié)行程確定，椅背角的確定要綜合考慮座艙高度對飛機阻力的影響和飛行員的舒適度，座椅的寬度尺寸取決于所采用的人體模型臀部寬度尺寸并加上一定的間隙。

3.3 儀表板和中控臺位置與尺寸

儀表板主要用于布置主要顯示單元(PDU)、多功能顯示單元(MDU)和次級顯示單元(SFD)等顯示設備，中控臺主要用于布置油門桿、鍵盤、鼠標等控制設備。儀表板在飛機對稱平面上應保證飛行員具有至少18°的下視角，同時儀表板的與飛行員的腿部之間具有150～200 mm的空間。中控臺寬度和長度尺寸主要取決于方便飛行員上下座椅。

3.4 頂板的布置

駕駛艙頂板主要用于布置各類航電顯示及控制設備，主導頂板各類顯示及控制器布置的人機工效準側(cè)主要是可達性和可見性。上肢可達性分析[8]是駕駛艙工效評定中的主要項目之一，在設計的不同階段必須對駕駛艙設計方案進行上肢可達性分析，檢查操縱設備是否位于人體模型上肢可達包絡線范圍之內(nèi)?？梢娦苑治鍪菣z查顯示設備是否位于人體模型視野窗口之內(nèi)，用于檢查飛行員的內(nèi)部視界是否滿足要求，見圖6。

圖6 人體模型上肢可達包絡面和視野窗口

在進行可見性分析時對重要的顯示設備要位于最佳的視界范圍內(nèi)，即飛行員的雙眼視界之內(nèi)，對一般的顯示設備限于空間限制要求時，位于單眼視界內(nèi)即可。

3.5 側(cè)桿和油門桿位置

側(cè)桿和油門桿是飛行過程最為重要的操縱裝置，必須對其進行快速上肢評價[9]分析，確保飛行員長時間使用時不易感到疲勞?？焖偕现u價分析通過分析人員的上肢作業(yè)姿勢、運動次數(shù)和肌肉受力情況等，采用評分的方式表明當前作業(yè)姿勢是否容易疲勞，以及作業(yè)姿勢是否需要改進。對側(cè)桿和油門桿這類關鍵的操縱設備，應確?？焖偕现u價得分小于或等于2分。同時由于該方法只是評價姿勢的舒適度以及合理性，不涉及人體尺寸的參數(shù)，因此，還需采用可達性分析確保側(cè)桿和油門桿位于上肢可達包絡面之內(nèi)。

3.6 其他設備的布置

除了上述設備，收放起落架操縱桿，應急放沖壓渦輪按鈕等設備也需要在方案設計階段確定，用于這類設備相對于側(cè)桿和油門桿使用頻率相對較低，因此主導這類設備布置的人機工效準側(cè)是可達性和可見性，布置時還要考慮到極端的情況，如收放起落架操縱桿布置在副駕駛員一側(cè)時，要保證機長右手的可達性。

4 布局設計流程及應用實例

4.1 布局設計流程

綜合上述駕駛艙布局設計所需完成的項目和對應的人機工效分析準則和適航規(guī)章，提出駕駛艙布局設計流程如圖7所示。

圖7 民機駕駛艙布局設計流程

駕駛艙布局設計從確定飛行員設計眼位點開始，之后結(jié)合駕駛艙風擋外形進行視界分析。通過迭代設計修改風擋外形和調(diào)節(jié)飛行員設計眼位點尺寸，滿足適航規(guī)章對飛行員的視界要求之后，再選擇用于駕駛艙布局設計的人體模型尺寸并確定最佳施力狀態(tài)的設計坐姿，并根據(jù)駕駛艙要滿足的不同人體百分位飛行員的操縱需要，確定腳蹬和座椅的調(diào)節(jié)行程。在此之后，運用迭代設計的方法結(jié)合快速上肢評價、可達性、可見性等人機工效分析手段進行其他部件布局設計。

4.2 應用實例

應用提出的設計流程，結(jié)合適航要求和人機工效準則，某型公務機駕駛艙布局如圖8所示。

圖8 某公務機駕駛艙布局

該駕駛艙采用T型顯示布局設計，主要顯示設備為兩個PDU和兩個MDU，兩個PDU分別位于兩個飛行員前方的雙眼視界之內(nèi)，兩個MDU位于儀表板和中控臺的中間位置。主要操縱設備為側(cè)桿和油門桿，通過快速上肢評價分析得分均為2分，飛行員長期使用不易感到疲勞。經(jīng)CATIA二次開發(fā)程序[9]分析，駕駛艙視界滿足AS 580B要求并且風擋的外形滿足飛行員能看到翼尖的要求。腳蹬和座椅的調(diào)節(jié)行程按照5%人體百分位的日本女性和95%人體百分位的美國男性設計，滿足不同身材大小飛行員操縱飛機的需求。各主要的操縱設備，如應急放沖壓渦輪按鈕等均進行了可達性分析，確保其位于人體模型可達性包絡范圍之內(nèi)。由于采用了提出的設計流程，大大降低了設計迭代的次數(shù)，保證了駕駛艙布局滿足相應適航規(guī)章的要求和人機工效準則。

5 結(jié)束語

民機駕駛艙布局設計是一項綜合適航準則、人機工效分析的總體布置設計工作，具有迭代次數(shù)多、需綜合考慮空間限制、人機工效要求的特點。通過應用實例表明，采用提出的設計流程進行民機駕駛艙布局設計，可降低設計迭代的次數(shù)、提高設計質(zhì)量和效率。

[1] 《飛機設計手冊》總編委會. 飛機設計手冊第5冊(民用飛機總體設計)[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2005.

[2] 《飛機設計手冊》總編委會. 飛機設計手冊第7冊(民機構(gòu)型初步設計與推進系統(tǒng)一體設計)[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2000.

[3] Roskam J. Airplane Design, PartⅢ: Layout design of cockpit, fuselage, wing and empennage: cutways and inboard profiles[M]. Roskam Aviation and Engineering Corporation, 1987.

[4] 陳迎春,宋文濱,劉 洪.民用飛機總體設計[M].上海：上海交通大學出版社，2010.

[5] GJB36-85 飛行員人體側(cè)面樣板尺寸.

[6] Steve Daniels. AT-13 Ultra Green Airliner Concept Mechanical Flight Deck Design[D]. Cranfield University, 2014.

[7] Mohammad H. Sadraey. Aircraft Design：A Systems Engineering Approach[M]. John Wiley & Sons, Ltd, 2013.

[8] 王黎靜,袁修干,李銀霞,等. 軍用飛機駕駛艙中飛行員上肢可達性分析[J].北京航空航天大學學報, 2005, 31(1)：41-44.

[9] 張立博,袁修干. 飛機維修活動中的快速上肢評價[J].中國安全科學學報, 2004, 14(7)：34-37.

[10] 梁 爽,何世偉,陳 良. 基于CATIA二次開發(fā)的民機駕駛艙視界分析[J].飛機設計, 2013, 33(5)：78-80.

Process Design and Application of Civil Aircraft Flight Deck Placement

Liang Shuang，Liu Qingjie，Nie Tun, He Shiwei, Zhang Bin

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co., Ltd. Technical Center, Chengdu 610092, China)

To reduce iterative number and to improve efficiency and quality of flight deck placement design of civil aircraft, the design process of flight deck placement of civil aircraft was presented. In combination with the airworthiness requirements and ergonomics, the analysis and research of the design eye position of pilots, the dimensions of the manikin, internal field of vision, external field of vision, design sit pose of pilots, adjustable pitch of seats and pedals, dimensions of the pedestal and location of other critical components were conducted. In the end, placement design of business jet flight deck had been conducted by employing the method and it was revealed that the anticipated design goal could be rapidly achieved and the design efficiency had been improved. The design process was of great guidable significance for flight deck design of civil aircraft.

flight deck; placement design; ergonomics; airworthiness requirements

2016-04-07；

2016-06-21。

梁 爽(1982-)，男，四川自貢人，工學碩士，工程師，主要從事機飛機總體設計和隱身設計方向的研究。

1671-4598(2017)02-0153-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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