飛機(jī)人機(jī)工程設(shè)計

1、飛機(jī)座艙人機(jī)工效設(shè)計摘要：當(dāng)今社會、科學(xué)發(fā)展離不開人機(jī)工程學(xué)的進(jìn)步。人、機(jī)、環(huán)境構(gòu)成了人機(jī)工 程學(xué)的三要素，其之間的相互關(guān)系構(gòu)成了人機(jī)工程學(xué)的主要研究內(nèi)容。而航空產(chǎn) 品的復(fù)雜性特點(diǎn)對人機(jī)工程學(xué)提出了更高的要求。本文從飛機(jī)環(huán)境控制出發(fā)結(jié)合 具體事例研究飛機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計問題，尤其是座艙壓力控制、成員安全保障問 題。關(guān)鍵字：人機(jī)工程學(xué) 飛行環(huán)境 座艙 壓力控制自第一次產(chǎn)業(yè)革命以來，人類的勞動即進(jìn)入了機(jī)器時代，人的勞 動作業(yè)在復(fù)雜程度和負(fù)荷量上均有了很大變化，人、機(jī)器，及他們所 處的環(huán)境相應(yīng)構(gòu)成了一個更加復(fù)雜的系統(tǒng)。在這復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)作過程 中，為解決這些問題，人們進(jìn)行了一些探索、研究，如早期總結(jié)提出

2、 的Weber法則、Bloch法則等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人類社會的進(jìn)步， 人-機(jī)器-環(huán)境三元素構(gòu)成的系統(tǒng)也愈加復(fù)雜龐大。如何處理人與機(jī)器、 機(jī)器與環(huán)境、環(huán)境與人以及三者結(jié)合的關(guān)系，如何從這樣的系統(tǒng)中獲 得最高的效能實(shí)現(xiàn)最大的安全等問題便成了人們關(guān)注的問題，因此針 對這些方面人們進(jìn)行了更加深入細(xì)致的研究探索。在這一過程中提出 的理論、實(shí)驗(yàn)手段等便逐漸形成了一門嶄新的科學(xué)一一人機(jī)工程學(xué)。對這一新興的邊緣科學(xué)，錢學(xué)深等前輩給出了科學(xué)的定義“人” 是指作為工作主體的人，指參與系統(tǒng)工程的作業(yè)者；“機(jī)”是指人所 控制的一切對象，是指與人處于同一系統(tǒng)中與人交換信息、能量和物 質(zhì)，并為人借以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的物

3、的總稱；“環(huán)境”是指人、機(jī)共處 的外部條件或特定工作條件。人機(jī)工程學(xué)即是采用人體科學(xué)與現(xiàn)代科 學(xué)的理論與方法，正確處理這三者關(guān)系研究三者最優(yōu)組合的科學(xué)。就 航空界而言，其主要是研究飛行環(huán)境下，飛行員或成員與飛機(jī)之間的 相互關(guān)系。其研究內(nèi)容包括七個方面：人的因素與人的特性研究、機(jī) 器的特性研究、環(huán)境的特性研究、人機(jī)關(guān)系的研究、人-環(huán)境關(guān)系的 研究、機(jī)-環(huán)境關(guān)系的研究、人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究。就航空界而言，人機(jī)工程學(xué)的研究顯得尤為重要。飛機(jī)駕駛艙內(nèi) 有一、二百個儀表、按鈕、把桿、信號燈，駕駛員要依靠眼、耳與手 的感覺去獲得外界與儀表的信息，然后迅速做出判斷，并立即通過 手、腳等運(yùn)動器官進(jìn)行

4、正確操縱，這是相當(dāng)困難的作業(yè)過程。同時飛 機(jī)所處的高空、高速、低溫等環(huán)境也是相當(dāng)復(fù)雜的，這對飛機(jī)的性能、 飛行員素質(zhì)已有很高的要求。結(jié)合我們的專業(yè)特點(diǎn)，我們小組主要針 對飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行了仔細(xì)的討論和學(xué)習(xí)。飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)， 是飛機(jī)主要的子系統(tǒng)之一，其主要涉及飛機(jī)對座艙壓力、溫度、濕度 等的調(diào)節(jié)與控制，以為乘客或電子設(shè)備提供必要而適宜的環(huán)境。在各 項(xiàng)指標(biāo)中最為重要的便是壓力指標(biāo)，其不僅影響乘客的舒適性，更直 接關(guān)乎成員的生命安全。飛機(jī)在大多數(shù)時間都處于高空飛行狀態(tài)。短航線的飛機(jī)一般在 6000米至9600米飛行，長航線的飛機(jī)一般在8000米至12600米 飛行，現(xiàn)在的普通民航客機(jī)最高飛行

5、高度不會超過12600米，有一 些公務(wù)機(jī)的飛行高度可以達(dá)到15000米。如，波音757-200飛機(jī)最 高飛行高度為11280米，波音777-200飛機(jī)最高飛行高度可達(dá)15000米。由于重力的原因，大氣壓力的分布在海拔高度上是呈指數(shù)遞減的，可大致表現(xiàn)為下圖:由此可知，在飛機(jī)處于正常飛行狀態(tài)時，其外界的大氣壓力是遠(yuǎn)小于地面氣壓的。而為了保證乘客的安全60和舒適，旅客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的座艙高度可在-0.33km之間進(jìn)行選擇，一般定為2.4km。其原因是2.4km是作長時120100804020005101520間飛行不會因輕度缺氧而過度疲勞的最大高度，3km是逐漸加重缺氧的起始高度。對軍用機(jī)而言，座艙高度

6、則取在8km以下。另外，壓力的變化速度過快也會使人體感到不適。這是由于耳咽管的特點(diǎn)所造成的：當(dāng)耳內(nèi)壓力較外界壓力大時，由于耳咽管的作用可迅速泄壓，是內(nèi)外壓力平衡；而當(dāng)耳外壓力較大時，除了吞咽、打哈欠等動作外，耳咽管不易打開。這就導(dǎo)致了當(dāng)外界增壓很快時，耳膜兩側(cè)壓力不能立即平衡，使人感覺不適、疼痛直至破裂。所以，對于旅客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)，壓力降低速度每秒不超過21.342.7Pa；壓力增加速度每秒不超過1821.3Pa。如波音707客機(jī)，座艙壓力增加速度給定值為18.3Pa/s；壓力降低速度給定值為30.4Pa/s。對殲擊機(jī)、轟炸機(jī)，壓力降低速度每秒不超過0.671.33kPa ；壓力增加速度每秒不超

7、過0.400.67kPa。針對人體對于大氣壓力的要求，以及飛機(jī)制造上的經(jīng)濟(jì)性原則， 我們規(guī)范了飛行過程中座艙內(nèi)壓力隨海拔高度變化的規(guī)律。旅客機(jī)有 兩種座艙壓力制度。第一種是先以相當(dāng)于海平面的絕對壓力保持到某 一高度，然后又與外界大氣壓保持等壓差變化至飛機(jī)設(shè)計高度。另一 種是座艙從一開始就按某一曲線變化，直至飛機(jī)設(shè)計高度。戰(zhàn)斗機(jī)的 壓力制度有三種，其內(nèi)容不在此具體論述。座艙的壓力控制主要部件是座艙壓力調(diào)節(jié)器，它通常由控制機(jī)構(gòu) 和排氣活門兩部分組成。日前國內(nèi)大多數(shù)軍用和民用飛機(jī)所采用的是 氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)器，但隨著對飛機(jī)性能要求的提高，傳統(tǒng)的座艙 壓力調(diào)節(jié)器已不能很好的滿足飛行員的生理要求和飛行

8、要求。對座艙 壓力調(diào)節(jié)器的研究、改進(jìn)和創(chuàng)新，是飛機(jī)設(shè)計師致力從事的工作。氣 動轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)飛行速度變化時對座艙壓力的調(diào)節(jié)以及氣容對座艙壓 力變化速率的調(diào)節(jié)等功能是改進(jìn)的關(guān)鍵。根據(jù)對人體生理學(xué)的研究， 飛機(jī)進(jìn)行機(jī)動飛行時，座艙壓力增長速率不應(yīng)超過0.67 kPa/s，壓力 降低速率不應(yīng)超過1.33kPa/s，尋找新型座艙壓力調(diào)節(jié)器，使飛行員在 空中能夠更好地進(jìn)行飛行訓(xùn)練或完成高難度的任務(wù)，保證飛機(jī)在飛行 時能夠自動調(diào)節(jié)座艙壓力并限制座艙壓力變化速率，提供更舒適的壓 力環(huán)境。案例分析機(jī)艙失壓在軍用和民用飛行中并不罕見，全世界每年大概會出現(xiàn) 50起左右的失壓事件。大部分情況下，機(jī)組人員都能及時采取應(yīng)對

9、措 施，避免乘客遭受傷害。但機(jī)艙失壓依然是世界空難史上眾多事故的罪魁。如2007年11月17日維珍藍(lán)航空波音737布里斯班附近客艙失壓事故。事故梗概2007年11月17日，一架維珍藍(lán)航空公司波音737-700客機(jī)從澳 大利亞庫倫加塔黃金海岸機(jī)場飛往墨爾本，機(jī)上載有145名乘客和6 名機(jī)組人員，從庫倫加塔起飛爬升至高度31800英尺時，客艙壓力急 劇下降，機(jī)組人員戴上氧氣面罩并實(shí)施緊急下降。飛機(jī)隨即改航布里 斯班安全著陸。事故經(jīng)過在未使用發(fā)動機(jī)引氣的情況下，飛機(jī)從庫倫加塔起飛。起飛加速 過程中，地速達(dá)到約27節(jié)時，機(jī)組收到主警告以及右側(cè)發(fā)動機(jī)“引 氣跳開”的琥珀色指示。機(jī)長當(dāng)時負(fù)責(zé)飛行操縱，他決

10、定繼續(xù)起飛。 當(dāng)飛機(jī)爬升至離地高度900英尺時，自動駕駛接通，飛行人員發(fā)現(xiàn)無 法重置右側(cè)引氣系統(tǒng)，隨后按照僅使用左側(cè)引氣系統(tǒng)供應(yīng)飛機(jī)的空調(diào) 進(jìn)行了設(shè)置。在爬升過程中，一名乘務(wù)員通知駕駛艙機(jī)組人員說客艙 內(nèi)的溫度過高令人不舒服，副駕駛的回應(yīng)是將客艙調(diào)為較低的溫度并 將駕駛艙內(nèi)的溫度調(diào)高。機(jī)組人員決定以FL250的高度繼續(xù)飛往墨爾 本，這個高度比他們計劃的巡航高度低。起飛后17分鐘，機(jī)組人員 發(fā)現(xiàn)他們已進(jìn)入了結(jié)冰條件，于是決定爬升至FL350脫離結(jié)冰條件， 然而發(fā)動機(jī)和機(jī)翼的防冰系統(tǒng)都沒有打開。飛機(jī)從高度FL250飛往高度FL350，4分鐘后爬升至高度FL318, 機(jī)組人員發(fā)現(xiàn)“組件跳開”指示燈亮

11、，緊接著座艙壓力急劇下降，座 艙高度上升速率為2000英尺每分鐘，機(jī)組人員戴上氧氣面罩并使飛 機(jī)緊急下降至10000英尺。機(jī)組人員沒有立即通知乘客，他們希望能 夠在座艙高度上升至14000英尺之前將飛機(jī)降到14000英尺之下，然 而當(dāng)飛機(jī)降至FL143時，座艙高度已超過14000英尺，氧氣面罩自動 放下。左側(cè)空調(diào)系統(tǒng)跳開7分鐘后，飛機(jī)在10000英尺高度改平，然 后被放行降至8000英尺。機(jī)組人員現(xiàn)在開始執(zhí)行空調(diào)組件跳開異常 情況檢查單，并且能夠同時重置左側(cè)空調(diào)系統(tǒng)和右側(cè)引氣系統(tǒng)。之后 飛機(jī)改航布里斯班安全著陸。原因分析在未使用發(fā)動機(jī)引氣的起飛過程中，一個有缺陷的高壓級活門使 得飛機(jī)右引氣系統(tǒng)

12、中壓力增加，這觸發(fā)了系統(tǒng)的超壓電門跳開了右側(cè) 引氣。機(jī)組人員繼續(xù)飛行并爬升超過高度層FL250，這一最低設(shè)備清 單指定的單空調(diào)組件運(yùn)行的飛行上限。由于一個軟管的損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)熱交換器中空氣流通不暢，進(jìn)而 使得唯一運(yùn)行的左側(cè)空調(diào)組件跳開，結(jié)果造成客艙失壓。繼未使用發(fā) 動機(jī)引氣起飛后，飛行機(jī)組人員沒有按照補(bǔ)充程序重新配置引氣系統(tǒng) 控制，無意識的將右側(cè)機(jī)翼防冰與正常工作的引氣源隔離，將飛機(jī)置 于可能發(fā)生不對稱機(jī)翼結(jié)冰的風(fēng)險中。飛機(jī)在結(jié)冰的條件下運(yùn)行時， 飛行機(jī)組人員沒有激活飛機(jī)的發(fā)動機(jī)防冰系統(tǒng)，從而增加了發(fā)生發(fā)動 機(jī)結(jié)冰事件的風(fēng)險。機(jī)組人員表現(xiàn)出不符合機(jī)艙氧氣系統(tǒng)操作的知識，這增加了機(jī)艙 工作人員能力下降或乘客受傷害的風(fēng)險。安全建議飛機(jī)在飛行前必須做好安全檢查。（1）.預(yù)先準(zhǔn)備階段，執(zhí)行飛行 任務(wù)前一天必須熟悉航路，做好突發(fā)問題預(yù)案等方面的準(zhǔn)備。（2）百 接準(zhǔn)備階段，執(zhí)行飛行任務(wù)當(dāng)天，查看天氣、確定用油量、對飛機(jī)進(jìn) 行各項(xiàng)安全檢查。（3）飛行實(shí)施階段，等旅客進(jìn)入客機(jī)機(jī)艙后，進(jìn)行 起飛前檢查、準(zhǔn)備。研發(fā)先進(jìn)的壓力控制系統(tǒng)。使用集中控制式壓力調(diào)節(jié)器，將座艙壓力 調(diào)節(jié)和引氣控制組合為一體進(jìn)行集中控制，即進(jìn)行座