搜索
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——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和舒适，旅客机、运输机的座舱高度可在-0.3~3km之间进行选择，一般定为2.4km。其原因是2.4km是作长时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21.3~42.7Pa；压力增加速度每秒不超过18~21.3Pa。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0.67~1.33kPa；压力增加速度每秒不超过0.40~0.67kPa。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。另一02040608010012001020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。目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0.67kPa/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。1.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。2.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，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。3.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。4.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)直接准备阶段，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，即进行座舱压力自动调节、故障自动巡检和通告，从及手动备份操作、飞机着陆场高度和压力变化速率自动调节。避免示例中的故障再次发生。对于乘客而言，如果出现高空意外，可以通过调压动作，缓解伤害：捏住鼻子，鼓起嘴巴，将气体往两耳方向压，或者不停地做吞咽动作。以最大程度降低事故对自身的伤害。参考文献：【1】毕宏哲，庄达民主编《航空人机工程计算机仿真》2010年版【2】寿荣中，何慧珊编著《飞行器环境控制》2004年版