飞机座舱环境研究与发展

飞机座舱环境研究与发展

马建毅1  刘祚祺2

1海装西安局

2航空工业陕飞 陕西汉中 723000

摘要：驾驶舱是飞行员获取飞行信息、控制飞机、完成飞行任务的重要场所，其内饰布局设计影响飞行员的情景意识和决策能力，与飞行安全和效率有着非常密切的关系。

关键词：航空环境；控制技术；应用进展；

前言：即使对于载人舰载直升机,经过长时间的激烈飞行飞行员的体力和精神状态也不再处于最佳状态甚至有人受伤身体受伤这严重影响了舰船的成功。

一、航空环境控制技术研究

在冲击环境中人体所受载荷和变形与人体外形、关节活动范围及人体各运动段的惯性参数密切相关。由于人种差异的原因，其第50百分位的身高与体重参数与我国第95百分位成年男性的身高与体重大致相当，由于受座舱空间的限制，拔飞行员时对身高有较严格的标准要求。从头颈防护、腰背部防护、耳部防护、热防护、疲劳防护和空间定向等方面都需要进行更有针对性的研究，从而提供更为有效的防护救生装备。在起飞和着舰过程中舰载机飞行员在短时间内承受的过载较大。而相对于身体躯干而言，头颈部处于非固定状态，极易受短时横向过载的影响。而且舰载机一旦挂索失败，飞行员需立即复飞，因而会反复暴露环境，容易引发颈椎挥鞭伤、颈椎骨折、韧带撕裂、椎间盘退变等。舰载机飞行员在其职业生涯中会长期、反复暴露于该飞行环境，所以应该关注短时横向加速度对飞行员头颈部影响的累积效应。针对舰载机起飞、着舰的这一特点，可从两个方面考虑降低对舰载机飞行员头颈部的影响：1）头盔设计。起飞、着舰及复飞时的低频振动可能会导致头盔滑动偏心力矩作用于颈部，当超过耐限时可能引起颈部损伤，这就对舰载机飞行员头盔的重量和重心提出了更高要求。舰载机飞行员头盔要确保重量轻、重心距离偏距小。为了防止出现空间定向错觉盔装显示器需确保视野范围广，清晰度高，瞄准跟踪精准，无光学畸变和象差。2）头颈部防护装置。据美军资料报道，舰载机飞行员颈痛伤发生率较高，建议为舰载机飞行员弹射座椅配装专用的头颈部防护装置，在起飞和着舰过程中固定支撑头颈部从而降低舰载机飞行员头颈部的损伤概率。

     现役舰载机飞行员座椅背靠角选取不合理以及座椅背带系统的局限性可能是导致飞行员腰背部疼痛的主要原因，可从两个方面考虑降低对舰载机飞行员腰背部的影响：1）座椅背靠角。根据航天飞行的经验，对加速度最佳的座椅背靠角为 12°～15°。舰载机座椅背靠角的选取应根据航空生物动力学实验结果和飞行实践，从人机工效学方面选取最有利于对抗加速度的背靠角。2）座椅背带系统。现役舰载机座椅背带能够减弱拦阻载荷给飞行员

生理健康带来的不利影响，但是在实际操作中，背带的约束性仍有局限，飞行员的头部和四肢仍会产生定的位移。因此，建议改进舰载机飞行员座椅的背带系统，增强背带的约束性，减少飞行员头部、四肢与座舱设备的碰撞，对抗舰载机飞行环境中反复出现的横向加速度。  

舰载机飞行员耳部防护。舰载飞行员会长时间暴露于较强的工作环境噪声中。高强度、长期的噪声冲击会极大地威胁飞行员的耳部健康。因此，为减小噪声对飞行员耳部的影响，应为舰载机飞行员配备有源降噪耳罩，保护舰载机飞行员的听力。舰载机飞行员还会经常暴露于高温环境导致流汗。头部、耳部装备密闭性强，会导致大量汗水倒灌入舰载飞行员耳部，对其听力产生不良影响。因此，建议综合评估降噪和通风散热的需求，为舰载机飞行员耳罩选用散热性更好的材料。由于航行需要配备更多的个人防护装具，如其设计不合理可会加重舰载机飞行员的热负荷。因此，舰载机飞行员服装类个体防护装备较陆基飞行员，其散热性能要更好，要采用新材料，使舰载机飞行员的服装能够适应座舱内外冷、热、湿度环境的快速变化。同时在发生事故弹射离机后，要保证其在低温的水域环境内不失温，因此需要达到相应的平衡。为了减少振动对飞行员的影响，可以提供减震坐垫，动力减振器等防护装备，使飞行员处于更加舒适的环境中，同时也降低疲劳发生的几率。

随着科学技术的进步与发展，越来越多的新型材料走进人们的生活，但并非所有新型材料都适合飞机内饰制造及使用。根据飞机自身结构功能特点和适航要求，飞机内饰材料既需要满足质轻、阻燃、耐腐蚀、耐污染、抗老化等各方面的要求，又要考虑美观、易成型、易维护性等方面的因素。目前，常见的航空内饰材料可以分为金属材料和非金属材料，金属材料主要包含铝合金以及少量的钢铁，非金属材料包括纤维增强树脂基复合材料、高分子塑料、刚性泡沫、芳纶纸蜂窝、橡胶等。铝合金的重量比其他金属材料轻，强度比非金属材料好，加之其表面处理方式多样，用在飞机蒙皮、内部支架、舱门边缘、辅助部件和手柄等部位既美观又耐用。除了考虑内饰材料的性能及适航要求外，还要注意利用材料质感、色彩、肌理等特征来丰富飞机内饰的艺术感受。

   三、应用进展

飞机固有形态给内饰带来很多局限，空间局促促使机舱内总体布局相对紧凑，因此，对于内饰造型与总体布局的协调性要求也较高。虽然不同类型、不同用途的飞机内部结构和布局都存在较大差异，但造型设计基本原则大体上是一致的。要求飞机内饰所有造型设计都将以总体布局为基础，以实现各部分功能为目的而开展。再者人们需要在飞机内部操作飞机完成各项飞行活动，所以造型设计还必须符合人机工程相关要求，综合考虑人体尺寸、能力范围、动作方式、生理和心里特征等因素。需要特别注意的是，狭小的空间中应尽量避免较大起伏的造型装饰，装饰线条的使用要适度，因为繁杂的装饰线条在这样的空间中不但会给人带来拥挤感，还会令人感觉烦躁。在飞机内部结构生硬的部位，可适度增加弧形设计，一方面，弧形设计减少了尖角和硬边，可以避免人们因碰撞而受到伤害。另一方面，弧形设计柔和舒缓，从心理上也给人安全感。再者，弧形设计在视觉上能够使空间看起来更加宽敞。当然，并非不能使用刚毅的线条或形态，在充分考虑使用安全舒适因素的情况下，适度的使用能够使内饰造型显得生动灵活。

驾驶舱图片作为内饰布局设计的感性评价实验刺激物。为了便于设计特征提取和属性定义，所搜集的驾驶舱图片需遵循以下3个原则：①具有较高的清晰度；②具有统一的视角和尺度；③涵盖尽可能完整的设计要素。建立驾驶舱内饰布局设计特征与感性评价的映射关系，进一步探究内饰布局设计特征形成不同感性评价的原凶，预测驾驶舱内饰布局设计优化方向，从工程角度提出系统的优化设计知识。由知觉的拓扑性质决定，从整体到局部是普遍存在的脑认知规律，整体组织是知觉局部性质的基础。研究分别从整体层和细节层探索驾驶舱内饰布局设计特征的表征机理，驾驶舱空间密闭、触点密集、功能复杂集成，仅靠单一维度的数据无法综合、客观、准确地量化飞行员对内饰布局设计的感性评价。指标选取一方面要考虑对飞行员感性认知评价的表征效果，即所选数据指标能反映出飞行员对内饰布局设计的满意程度；另一方面还要考虑所采用的方法或仪器应避免干扰性和侵人性，从而影响飞行员的真实反馈。视眼动技术充分利用视觉认知机理，具有非常好的实验效度，记录个体在交互过程中的视觉注意模式，常用的眼动指标有注视时间、热区图、兴趣区等，已成为分析视觉感知特点、重现认知加工的重要研究工具。

结论: 在起降时飞行员的体位、头盔的改进、座椅背靠角设计、加速度的累加效应方面要开展针对性的研究，从而有效避免颈椎过伸伤，减少颈椎退变，提升舰载机飞行的安全性。利用新技术、新材料，提升我国舰载机防护救生装备的可靠性、稳定性和舒适性。

参考文献：

[1]孙功璋. 飞翼布局飞机控制/气动/隐身多学科优化设计. 北京航空航天大学学报, 2019, 35(11): 1357-1360.

[2]李春春. 英国雷神无人战斗机计划. 飞航导弹, 2018(7): 17-20.