载人航天飞船舱内外照明工效学设计研究

载人航天飞船舱内外照明工效学设计研究

1控制系统的设计在军官完成飞行任务的过程中，很多操作都需要在视觉观察之后进行控制和决策。为此,就应该从硬件上提供相应的照明装置,并通过照明的工效学设计满足人的观察要求。因为良好的照明会创造一个视觉环境,使航天员能够看见目标、在舱内安全地自由移动、同时能有效、精确、安全地完成视觉工作作业而不引起不适当的视觉疲劳和不舒适,从而保障完成任务的成功率。在工程的实现方面,载人飞行任务中的照明设计包括舱内照明与舱外照明设计两部分的内容,其所处的气候环境有接近1个常压的舱内大气环境,也有舱外的真空环境。因此,硬件的设计应考虑可靠性、冗余性与高质量的标准,这些要求对飞行过程中照明系统的选用影响很大。此外,尽管在作业面上提供足够照度是必须的,但很多时候可见度还取决于光线是如何分布的、光源与(工作面)表面的颜色特性和照明系统的眩光水平。因而要针对舱内外不同的工作场所和作业类型来确定照度、不舒适眩光限制水平和光源的最低显色指数等要求。同时,在地面条件下,也应着力研究建立基于空间飞行环境条件下的照明实验系统,为照明工效学要求提供技术支撑。2地面照明实际效果载人飞行过程中最优的照明设计是综合考虑了飞行乘组的视觉敏锐度、飞船供电以及重量限制等方面的要求,为此,可参考国外比较权威的照明工程学会(IlluminationEngineeringSociety)所编写的相关手册,需要指出的是,这些报告中的照明设计内容主要是地面条件下的照明工效学设计标准,没有对照明的功耗、重量及尺寸大小提出过限制。所以,在设计载人空间飞行时的照明系统时,应参考已经过飞行验证的数据。很明显,空间飞行中的照明环境设计应该在视觉效能及舒适的照明环境同功耗及重量分配之间取得一个平衡。例如,对一般任务的照度应在107.1lx至267.8lx之间,而对于精细操作的任务,照度要求须在321.4lx至375lx之间。图1说明了照度水平变化同人的视觉技能之间的对应关系,照明工效学研究表明,飞行过程中的照明系统要考虑子任务的监视效果需要、照明固定装置的类型、固定位置和光源的强度要求。2.1照明系统参数的确定进行照明工效学设计的目标主要是为了维持航天员为完成操作任务的视适应性,视适应性主要是指当航天员处于不同照明水平的环境中时其视觉维持良好的视觉敏锐度。因此,照明系统的参数的确定主要根据下面因素:(1)观察任务所需人的视力分析。(2)舱内的照明空间尺寸与需要的效能。(3)舱内、外照明的关系。(4)航天员作业疲劳程度。(5)照明系统的最优性能与可靠性的关系。总之,空间飞行过程中照明系统的设计分为舱内照明与舱外照明两部分,前者提供航天员在飞船内部进行操作活动(如舱内维修、空间整理、控制与监视、进行相关实验等)时所需的环境光,后者提供航天员进行舱外活动、交会对接、载荷停靠以及光学跟踪时所需的人工光。2.2加强物理特性不同的表面材料对光的反射特性不一样,例如,平滑有光泽的表面、仪表的棱面以及舷窗玻璃能产生镜面与漫反射而导致在被照目标的表面上产生眩光与模糊,因此这些表面的漫反射等物理特性非常重要。对控制台而言,反射系数的推荐值为25%~45%,天花板与墙面的反射系数60%~80%,地板则为30%~40%。同时,所有的镜面应有防漫反射的措施。视场环境的亮度比对照明光源的强度影响很大,如果视场环境的亮度比在3∶1至5∶1之间,那么人眼在该环境中能够适应很长时间。当亮度比值增加时,需要增大光源的光通量以防止航天员的眼刺激与视疲劳。所以,如果设计的照明系统照度值较低时,被照表面应选用符合规定的反射系数的材料,同时光源的位置也应安放合适,理想的照度值可参考表1中的要求。3视觉效能与照明设计同地面照明系统的设计参考依据一样,载人航天飞行过程中照明设计亦参考国际照明委员会所发布的照明标准,同时还考虑许多人体视觉工效学特性参数,比如视知觉能力和作业特性属性,它们决定航天员的视觉技能素质,从而决定了其工作效能水平。另外,在某些情况下改进这些影响因素能够提高工作效能而不用提高照度。例如提高作业对比度,用最新视觉放大器把作业放大以及提供带有指向性局部照明功能的特殊照明系统。总之,为了保证有一个良好的空间飞行过程中的工作场所,照明不仅仅只是提供好的作业可见度,让航天员感觉轻松并且舒适地完成相关操作任务至关重要。因此,照明必须满足环境对照明质量和数量的要求,即确保:(1)视觉舒适性,航天员感觉到舒适。(2)视觉功效,航天员在困难条件和长时间工作中,也能够快速、准确的完成视觉作业。(3)视觉安全,能够看见舱内外作业目标周围附近的物体,防止误操作或发现异常情况。为满足这些要求,必须考虑以下有关光环境的特性参数:(1)亮度分布在作业场所视野内的亮度分布与航天员眼睛的适应水平密切相关,从而会影响作业可见度。良好平衡的适应亮度可以增进人的视觉敏锐度(视力)、对比灵敏度以及眼睛功能的效率(例如调视、会聚、瞳孔收缩、眼球运动,等等)等方面的视觉效能。此外,视野内不同的亮度分布也影响人的视觉舒适度,因而应当避免可能引起眩光的过高亮度、会由于眼睛不断的适应性调节引起视疲劳的过高的亮度对比、会造成混沌阴暗和无刺激性的工作环境的过低的亮度和亮度对比等现象的发生。一般来讲,光源的亮度分布是由被照目标表面上的照度和表面反射比决定的。在照明设计中,一个常压环境时天花板的推荐反射比为0.6~0.9、墙面0.3~0.8、工作面0.2~0.6、地板0.1~0.5。(2)照度作业面及其周围区域的照度和照度分布对航天员如何迅速、安全、舒适地理解和进行视觉作业有着主要影响。对于不知道指定区域的空间而言,可能出现视觉作业的区域都可认为是作业区域。在工程设计上,所采用的照度值指维持照度值,是提供航天员作业时的视觉安全和视觉功效所必需考虑的指标,它主要考虑了视觉作业的要求、安全性、人的心理生理因素(例如视觉舒适度和舒适安宁感)以及经济性等因素。此外,如果视觉条件与一般假设条件不同,照度值可以在照度等级上调整至少一个级别。当出现作业呈现特别低的对比度、视觉作业很严格、精细操作对任务的安全性极为重要等现象时,则必须提高照度值。(3)眩光眩光可分为不舒适眩光和失能眩光。眩光如果是由于特定表面的反射而引起,则通常被称之为光幕反射和反射眩光。在空间飞行过程中,限制眩光对于避免错误、疲劳和事故非常重要。失能眩光在舱活动的照明中较普遍,例如,遇上强太阳光,或由射灯或大面积亮光源相对较暗的空间内的目标造成失能眩光。在飞船舱内的工作场所里,不舒适眩光常由于照明灯具或舷窗直接造成。在设计上,只要满足对不舒适眩光的限制要求,失能眩光通常不是大问题。(4)方向性方向性的照明用作重点照亮拟观察目标、显现材质、改善航天员的观感,同时对视觉作业的方向性照明也可改善其可见度。可以用“造型立体感”来描述这个作用,其中造型指漫射光和直射光的平衡,工程上应用表明它是舱内照明质量的有效评判标准。如果舱内结构特征、航天员以及其它装船产品被照亮并将外形、材质清晰地呈现出来时,飞船舱内空间的整体外貌就可大大改善。但是,照明既不能太过直射,因为这样会产生浓重的阴影;也不能过分漫射,否则将会完全失去造型立体感效果,造成光环境平淡无奇。此外,从一个特定方向照明可以显示视觉作业内部的细节,提高其能见度,使作业更易执行,对舱外活动中有精细操作的任务,定向照明十分重要。(5)节能考虑照明装置必须在不浪费能源的条件下符合对特定舱内、外作业或活动的照明要求,但也不能为了减少能耗而简单地牺牲照明装置的视觉方面特性。因此,要求结合飞行任务,来考虑合适的照明方式、设备、控制系统和利用可用的天然光。通过谨慎地选择照明系统、使用自动或人工开关或调光器可以满足这些限制。(6)颜色特性灯(光源)的颜色外貌是指灯发射的光的表观颜色(灯的色品),可以用光源的相关色温来描述。色温的选择基于照度、室内和周围环境中物品的颜色、周围气候和应用场所。通常在温暖气候条件下冷光的色温更受欢迎,而寒冷气候条件下暖光的色温更受欢迎。为了对光源的显色特性提供一个客观的指标,引入了一般显色指数Ra,最大的Ra值是100。Ra越小,颜色显现的质量越低,Ra小于80的灯不得用于人们长时期工作或停留的舱内空间。4内部和外部照明的设计4.1东北部专区热仪照明系统飞船舱内照明最合适的光源为荧光灯,不光是它光效高(30~40lm/W),而且辐射出的温度也较低,因而对环控生保系统的热载荷影响较小。光源外表面的温度很容易控制,以满足航天员的接触温度45℃的要求。同时,光源灯泡也能制成白色或多种色温,这样能够增强航天员的颜色敏感性。舱内航天员的生活与工作区的普通照明应有中等强度的白光照明,并且如果任务需要,可提供辅助照明装置。另外,照明灯具在整个工作区以同一散射强度覆盖,飞船舱内照明照度的推荐值见表2所示。舱内照明系统两大关键设计问题是热控制与汞污染,光源热量的产生、传播与能量的散发均在舱内空间内进行,而汞污染主要由灯具造成,例如,如果灯泡破裂,灯泡中的物质就会进入舱内环境,生成汞蒸气而造成污染。4.2eva照明系统的应用对外活动工作站随着载人航天技术的发展,在大多数飞行任务中,需要向夜间舱外作业任务(如航天员舱外活动、载荷装卸、跟踪、飞行器交会与对接等)提供人工照明装置。与舱内照明设计相比,必须考虑满足照明环境的低亮度比、小眩光的要求。由于舱外的真空环境,也不存在光的散射特性,因而,被照物体表面的反射特性对舱外照明效果的影响很大。(1)舱外活动工作站,在舱外活动工作站点的照明设计建议使用泛光照明(floodlight)方法。对于常规的照明来说,除泛光照明外,亦可选择定向光。普通EVA照明的种类与范围见表3所示,舱外活动工作台的最小照度则如4。(2)交会对接操作,航天员完成交会对接或载荷装卸停靠的监视任务时,需要了解清楚有关距离、接近面、目标飞行器的方向以及相对方向等方向的确切信息。在工程实践上有好几类照明装置可供使用,对于长距离的目标搜索,可以用闪烁的白光。在远距离的情况下,一个闪烁的灯柱比一个稳定的光柱要容易被发现,并且该灯应安放在目标飞行器(装有载荷)的对接轴的方向上。此外,亦应仔细地考虑照明灯的光锥,进行优化设计,以利于航天员的发现。飞行经验表明,跟踪灯的强度大约为晴朗夜空中星星亮度的3倍。最后的对接或载荷装卸需要精细的对准、准确地定位、良好的观察,同时,只有当目标呈现3维立体状态时,航天员所获得的信息比较全面。因此,人工的泛光灯十分必要。它可安装在跟踪飞船上的某个位置,以照亮接触面或目标载荷。同时,其强度必须合适,使航天员获得一个较好的视觉敏锐度。5飞行照明方案设计(1)总体来讲,在载人航天飞行任务中照明装置的照度水平不应超过地面条件下轮船或商用舱室的照度值。根据工效学要求而进行设计的飞船舱内外照明装置能够保障航天员工作或生活时获得一个最优的照明环境,即航天员有一个良好的视觉敏锐度、被照目标表面的反射系数合理、光源光线散射适当,并且其功耗与重量均符合规定的要求。(2)照明工效学设计的主要作用是探讨、分析、