飞机人机工程设计

1、飞机座舱人机工效设计摘要：当今社会、科学发展离不开人机工程学的进步。人、机、环境构成了人机工 程学的三要素，其之间的相互关系构成了人机工程学的主要研究内容。而航空产 品的复杂性特点对人机工程学提出了更高的要求。本文从飞机环境控制出发结合 具体事例研究飞机的人机工程设计问题，尤其是座舱压力控制、成员安全保障问 题。关键字：人机工程学 飞行环境 座舱 压力控制自第一次产业革命以来，人类的劳动即进入了机器时代，人的劳 动作业在复杂程度和负荷量上均有了很大变化，人、机器，及他们所 处的环境相应构成了一个更加复杂的系统。在这复杂系统的运作过程 中，为解决这些问题，人们进行了一些探索、研究，如早期总结提出

2、 的Weber法则、Bloch法则等。随着科学技术的发展与人类社会的进步， 人-机器-环境三元素构成的系统也愈加复杂庞大。如何处理人与机器、 机器与环境、环境与人以及三者结合的关系，如何从这样的系统中获 得最高的效能实现最大的安全等问题便成了人们关注的问题，因此针 对这些方面人们进行了更加深入细致的研究探索。在这一过程中提出 的理论、实验手段等便逐渐形成了一门崭新的科学一一人机工程学。对这一新兴的边缘科学，钱学深等前辈给出了科学的定义“人” 是指作为工作主体的人，指参与系统工程的作业者；“机”是指人所 控制的一切对象，是指与人处于同一系统中与人交换信息、能量和物 质，并为人借以实现系统目标的物

3、的总称；“环境”是指人、机共处 的外部条件或特定工作条件。人机工程学即是采用人体科学与现代科 学的理论与方法，正确处理这三者关系研究三者最优组合的科学。就 航空界而言，其主要是研究飞行环境下，飞行员或成员与飞机之间的 相互关系。其研究内容包括七个方面：人的因素与人的特性研究、机 器的特性研究、环境的特性研究、人机关系的研究、人-环境关系的 研究、机-环境关系的研究、人-机-环境系统总体性能的研究。就航空界而言，人机工程学的研究显得尤为重要。飞机驾驶舱内 有一、二百个仪表、按钮、把杆、信号灯，驾驶员要依靠眼、耳与手 的感觉去获得外界与仪表的信息，然后迅速做出判断，并立即通过 手、脚等运动器官进行

4、正确操纵，这是相当困难的作业过程。同时飞 机所处的高空、高速、低温等环境也是相当复杂的，这对飞机的性能、 飞行员素质已有很高的要求。结合我们的专业特点，我们小组主要针 对飞机的环境控制系统进行了仔细的讨论和学习。飞机环境控制系统， 是飞机主要的子系统之一，其主要涉及飞机对座舱压力、温度、湿度 等的调节与控制，以为乘客或电子设备提供必要而适宜的环境。在各 项指标中最为重要的便是压力指标，其不仅影响乘客的舒适性，更直 接关乎成员的生命安全。飞机在大多数时间都处于高空飞行状态。短航线的飞机一般在 6000米至9600米飞行，长航线的飞机一般在8000米至12600米 飞行，现在的普通民航客机最高飞行

5、高度不会超过12600米，有一 些公务机的飞行高度可以达到15000米。如，波音757-200飞机最 高飞行高度为11280米，波音777-200飞机最高飞行高度可达15000米。由于重力的原因，大气压力的分布在海拔高度上是呈指数递减的，可大致表现为下图:由此可知，在飞机处于正常飞行状态时，其外界的大气压力是远小于地面气压的。而为了保证乘客的安全60和舒适，旅客机、运输机的座舱高度可在-0.33km之间进行选择，一般定为2.4km。其原因是2.4km是作长时120100804020005101520间飞行不会因轻度缺氧而过度疲劳的最大高度，3km是逐渐加重缺氧的起始高度。对军用机而言，座舱高度

6、则取在8km以下。另外，压力的变化速度过快也会使人体感到不适。这是由于耳咽管的特点所造成的：当耳内压力较外界压力大时，由于耳咽管的作用可迅速泄压，是内外压力平衡；而当耳外压力较大时，除了吞咽、打哈欠等动作外，耳咽管不易打开。这就导致了当外界增压很快时，耳膜两侧压力不能立即平衡，使人感觉不适、疼痛直至破裂。所以，对于旅客机、运输机，压力降低速度每秒不超过21.342.7Pa；压力增加速度每秒不超过1821.3Pa。如波音707客机，座舱压力增加速度给定值为18.3Pa/s；压力降低速度给定值为30.4Pa/s。对歼击机、轰炸机，压力降低速度每秒不超过0.671.33kPa ；压力增加速度每秒不超

7、过0.400.67kPa。针对人体对于大气压力的要求，以及飞机制造上的经济性原则， 我们规范了飞行过程中座舱内压力随海拔高度变化的规律。旅客机有 两种座舱压力制度。第一种是先以相当于海平面的绝对压力保持到某 一高度，然后又与外界大气压保持等压差变化至飞机设计高度。另一 种是座舱从一开始就按某一曲线变化，直至飞机设计高度。战斗机的 压力制度有三种，其内容不在此具体论述。座舱的压力控制主要部件是座舱压力调节器，它通常由控制机构 和排气活门两部分组成。日前国内大多数军用和民用飞机所采用的是 气动式座舱压力调节器，但随着对飞机性能要求的提高，传统的座舱 压力调节器已不能很好的满足飞行员的生理要求和飞行

8、要求。对座舱 压力调节器的研究、改进和创新，是飞机设计师致力从事的工作。气 动转换器实现飞行速度变化时对座舱压力的调节以及气容对座舱压 力变化速率的调节等功能是改进的关键。根据对人体生理学的研究， 飞机进行机动飞行时，座舱压力增长速率不应超过0.67 kPa/s，压力 降低速率不应超过1.33kPa/s，寻找新型座舱压力调节器，使飞行员在 空中能够更好地进行飞行训练或完成高难度的任务，保证飞机在飞行 时能够自动调节座舱压力并限制座舱压力变化速率，提供更舒适的压 力环境。案例分析机舱失压在军用和民用飞行中并不罕见，全世界每年大概会出现 50起左右的失压事件。大部分情况下，机组人员都能及时采取应对

9、措 施，避免乘客遭受伤害。但机舱失压依然是世界空难史上众多事故的罪魁。如2007年11月17日维珍蓝航空波音737布里斯班附近客舱失压事故。事故梗概2007年11月17日，一架维珍蓝航空公司波音737-700客机从澳 大利亚库伦加塔黄金海岸机场飞往墨尔本，机上载有145名乘客和6 名机组人员，从库伦加塔起飞爬升至高度31800英尺时，客舱压力急 剧下降，机组人员戴上氧气面罩并实施紧急下降。飞机随即改航布里 斯班安全着陆。事故经过在未使用发动机引气的情况下，飞机从库伦加塔起飞。起飞加速 过程中，地速达到约27节时，机组收到主警告以及右侧发动机“引 气跳开”的琥珀色指示。机长当时负责飞行操纵，他决

10、定继续起飞。 当飞机爬升至离地高度900英尺时，自动驾驶接通，飞行人员发现无 法重置右侧引气系统，随后按照仅使用左侧引气系统供应飞机的空调 进行了设置。在爬升过程中，一名乘务员通知驾驶舱机组人员说客舱 内的温度过高令人不舒服，副驾驶的回应是将客舱调为较低的温度并 将驾驶舱内的温度调高。机组人员决定以FL250的高度继续飞往墨尔 本，这个高度比他们计划的巡航高度低。起飞后17分钟，机组人员 发现他们已进入了结冰条件，于是决定爬升至FL350脱离结冰条件， 然而发动机和机翼的防冰系统都没有打开。飞机从高度FL250飞往高度FL350，4分钟后爬升至高度FL318, 机组人员发现“组件跳开”指示灯亮

11、，紧接着座舱压力急剧下降，座 舱高度上升速率为2000英尺每分钟，机组人员戴上氧气面罩并使飞 机紧急下降至10000英尺。机组人员没有立即通知乘客，他们希望能 够在座舱高度上升至14000英尺之前将飞机降到14000英尺之下，然 而当飞机降至FL143时，座舱高度已超过14000英尺，氧气面罩自动 放下。左侧空调系统跳开7分钟后，飞机在10000英尺高度改平，然 后被放行降至8000英尺。机组人员现在开始执行空调组件跳开异常 情况检查单，并且能够同时重置左侧空调系统和右侧引气系统。之后 飞机改航布里斯班安全着陆。原因分析在未使用发动机引气的起飞过程中，一个有缺陷的高压级活门使 得飞机右引气系统

12、中压力增加，这触发了系统的超压电门跳开了右侧 引气。机组人员继续飞行并爬升超过高度层FL250，这一最低设备清 单指定的单空调组件运行的飞行上限。由于一个软管的损坏而导致系统热交换器中空气流通不畅，进而 使得唯一运行的左侧空调组件跳开，结果造成客舱失压。继未使用发 动机引气起飞后，飞行机组人员没有按照补充程序重新配置引气系统 控制，无意识的将右侧机翼防冰与正常工作的引气源隔离，将飞机置 于可能发生不对称机翼结冰的风险中。飞机在结冰的条件下运行时， 飞行机组人员没有激活飞机的发动机防冰系统，从而增加了发生发动 机结冰事件的风险。机组人员表现出不符合机舱氧气系统操作的知识，这增加了机舱 工作人员能力下降或乘客受伤害的风险。安全建议飞机在飞行前必须做好安全检查。（1）.预先准备阶段，执行飞行 任务前一天必须熟悉航路，做好突发问题预案等方面的准备。（2）百 接准备阶段，执行飞行任务当天，查看天气、确定用油量、对飞机进 行各项安全检查。（3）飞行实施阶段，等旅客进入客机机舱后，进行 起飞前检查、准备。研发先进的压力控制系统。使用集中控制式压力调节器，将座舱压力 调节和引气控制组合为一体进行集中控制，即进行座