飞机脚蹬舒适性设计_蒋黄滔.pdf

教练机TRAINER教练机 2022.NO.40 引 言飞机脚蹬是飞行员控制飞机方向舵和刹车的重要操纵机构。当飞行员前后蹬脚蹬，驱使脚蹬沿飞机机体轴线前后移动时，控制的是飞机的方向舵；当飞行员下压脚尖，驱使脚蹬踏板绕脚蹬踏板转轴向下旋转时，控制的是飞机对应的左侧或右侧刹车。同时，飞机脚蹬也是飞行员维持坐姿的重要支撑部件。因此，飞机脚蹬不仅需要放置在距离飞行员座椅合适的位置，还需要设置合适的前后调节量，以满足不同人体尺寸飞行员的使用需求。在某型飞机设计过程中，邀请了多名不同身高飞行员对两型现有飞机脚蹬舒适性进行评估。通过分析不同身高飞行员主观感受产生的原因，得出了飞机脚蹬舒适性设计的关键设计要求。1 试验情况1.1试验条件试验在I型飞机和II型飞机上开展，两型飞机均使用弹射角17、背靠角13、座面角8的弹射座椅，座椅上下调节量均为60mm，座椅上下调节区域的中央位置称为“座椅中立位置参考点”。I型飞机和II型飞机脚蹬行程均为50mm，当脚蹬无外力作用时，脚蹬在自身回中力作用下停留的位置称为“脚蹬中立位置”，脚蹬和飞行员脚底的接触点为脚蹬参考点。I型飞机和II型飞机脚蹬中立位置参考点处于同一高度。I型飞机脚蹬中立位置参考点距座椅中立位置参考点水平距离为875mm；II型飞机脚蹬中立位置参考点距座椅中立位置参考点水平距离为950mm。飞机脚蹬舒适性设计蒋黄滔，程太明（航空工业洪都，江西 南昌，330024）摘要：飞机脚蹬位置不仅影响飞行员坐姿，也决定了飞行员控制方向舵和刹车的舒适性，对飞行员操纵具有重要影响。本文根据飞行员对两型飞机脚蹬使用舒适性的主观评估进行分析，总结出脚蹬舒适性设计的要点，对国军标中脚蹬设计要求进行了补充。提出了理想状态下的脚蹬舒适性设计参数，以及在一定座舱空间限制条件下的脚蹬舒适性设计思路，可为后续型号和其他同类型脚蹬设计提供参考。关键词：脚蹬布置；人机工效；舒适性Comfort Design on Aircraft PedalJiang Huangtao,Cheng Taiming(AVIC HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)Abstract:Pedal position on aircraft may affect not only pilots sitting position but also their comfort for applying rudder and brake;as a result,it plays an essential role on control by pilots.According to pilots subjective briefing on comfort after using two types of pedal,this paper analyzes and summarizes the design keypoints of pedal comfort to replenish the pedal design requirements in National/Military standard.It also putsforward the comfort design parameter of pedal in ideal state and comfort design thread of pedal within a certain cockpit space limit,which can provide reference for subsequent models of pedal and those in same type.Key words:Pedal layout;Man-machine work efficiency;Comfort48教练机 2022.NO.4I型飞机脚蹬前后调节量为50mm，II型为70mm。1.2受测人员本次测试中，受测飞行员均为男性，飞行经验均在200小时以上，飞行员身高见表1。表1受测飞行员身高表身高（cm）飞行员A170飞行员B178飞行员C178飞行员D180飞行员E1751.3测试结果飞行员分别在I、II型飞机上将座椅调节至合适高度，对脚蹬蹬舵操作和刹车操作进行测试，各飞行员对I、II型飞机脚蹬描述如下：飞行员A：II型机脚蹬调至最后则刚好合适，若身高更矮的飞行员受测，脚蹬会有蹬不到底的问题。飞行员B：II型机脚蹬向前调节接近最前，蹬舵舒适，身高185cm的飞行员使用问题不大。飞行员C：II型机脚蹬很容易调整到舒适点，I型机座椅挡腿板会搁脚。飞行员D：II型机脚蹬调好后，感觉座椅比I型机更靠下，看I型机平显要低头看，II型机平显则平视，感觉很舒适。飞行员E：I、II型机脚蹬均可。1.4测试结果初步分析根据GJB4856-2003中国男性飞行员人体尺寸1，见表2。忽略飞行员下肢尺寸分布差异，可近似将身高170cm的飞行员A作为第50百分位数飞行员人体尺寸（171.0cm）代表；身高178cm、178cm、180cm的飞行员B、C、D作为第95百分位数飞行员人体尺寸（179.8cm）代表；飞行员E介于两者之间。表2中国男性飞行员人体数据统计表（部分）序号名称数据5%50%95%1飞行员身高1635171017982坐姿眼高II774.0810.5844.23坐姿大转子点高71.086.0102.04坐姿下肢长935.0979.010305大转子点高801.0847.0896.06膝高429.9456.0486.1因此，可以将飞行员原始描述转化为以下表述：1）对于第50百分位数人体尺寸飞行员，II型机脚蹬调至最后位置，该尺寸飞行员处于最舒适状态，如该位置更向前则会导致无法操纵蹬舵全行程；2）对于第95百分位数人体尺寸飞行员，II型机脚蹬容易调整到舒适点，且接近最前调节位置令人舒适；3）对于第95百分位数人体尺寸飞行员，I型机脚蹬调至最前位置令人不够舒适；4）对于第50百分位数体尺寸飞行员，I型机脚蹬位置仍令人舒适。2 飞行员脚蹬舒适性尺寸链分析飞行员脚蹬使用舒适，即要使飞行员蹬舵全行程过程中关节角度合适、发力顺畅、不受结构限制，向前蹬舵能至全部行程，向回蹬舵不致腿部过于蜷缩导致肌肉疲劳，以及在刹车时能有效发力。根据人机工效学统计结果，在标准姿势下，人体下肢大腿轴线与椅面夹角的舒适角度为5202，4，大腿轴线与小腿轴线夹角的舒适角度为951352-4，大腿轴线与躯体轴夹角的舒适角度为951352。且角大于160时，脚蹬出力会急剧下降2。在弹射座椅的特殊坐姿下，飞行员舒适感受与标准姿势舒适度有一定区别。为进一步分析飞行员对不同脚蹬舒适性评价的机理，根据飞行员人体统计数据构建飞行员脚蹬舒适性分析尺寸链，如图1所示。根据飞行员表述1），第50百分位数飞行员在II型机脚蹬调整至最后位置，该尺寸处于最舒适状态；即从脚蹬蹬至前极限位置到脚蹬蹬至后极限位置过程中，飞行员全行程可操纵且关节角度舒适。假定第50百分位数飞行员座椅调整至中立位置，通过尺寸链分析，蹬舵过程中角从-3.7到12.4（同时角从98.7到82.6），角从116.1到148.4；脚蹬中位时，角5.9，角129.4，角89.1，见图2。从尺寸链分析可知，I型机可将脚蹬调整至中立位置与II型机调整至最后位置重合，印证了表述4）。根据表述2），第95百分位数飞行员在脚蹬调节至接近最前位置时舒适。假定第95百分位数飞行员座椅调整至最低位置，通过尺寸链分析，蹬舵过程中，角从-6.3到13.4（同时角从101.3到81.6），角从122.2到159.5；脚蹬中位时，角5.7，角136.5，角89.3，见图3。根据表述3），第95百分位数飞行员在I型机脚蹬最前调节位置不够舒适。通过尺寸链分析，此时大腿轴线和座椅椅面夹角为18.9，大腿轴线和躯体轴夹专题研究49教练机TRAINER教练机 2022.NO.4脚蹬中立位蹬舵至最后生姿大转子点膝关节中立位置蹬舵至最前小腿轴线大腿轴线座椅椅面座椅中立位置参考点89.15.9129.4鞋底厚度座椅靠背线脚蹬中立位蹬舵至最前脚蹬中立位蹬舵至最前蹬至最前膝关节生姿大转子点座椅椅面大腿轴线座椅中立位置参考点小腿轴线159.56.3101.3鞋底厚度座椅靠背线脚蹬中立位蹬舵至最后座椅中立位置参考点座椅椅面大腿轴线生姿大转子点膝关节蹬至最后小腿轴线122.281.613.4鞋底厚度座椅靠背线脚蹬中立位蹬舵至最后脚蹬中立位蹬舵至最前图1脚蹬舒适性尺寸链分析图蹬舵至最前蹬舵至最后蹬至最前膝关节生姿大转子点座椅椅面大腿轴线座椅中立位置参考点膝高小腿轴线148.43.798.7生姿大转子点膝关节中立位置蹬舵至最前蹬舵至最后小腿轴线膝高大腿轴线座椅椅面座椅中立位置参考点89.15.9129.4座椅中立位置参考点座椅椅面大腿轴线生姿大转子点膝关节蹬至最后蹬舵至最前蹬舵至最后小腿轴线膝高116.182.612.4图2第50百分位数飞行员II型机脚蹬舒适性尺寸链分析角76.1，大腿轴线和小腿轴线夹角为111.4，见图4。座椅中立位置参考点座椅椅面大腿轴线生姿大转子点膝关节小腿轴线121.416.118.9座椅靠背线脚蹬中立位蹬舵至最后脚蹬中立位蹬舵至最前图4 I型机不舒适尺寸链图由以上分析可得，对于弹射角17、背靠角13、座面角8的弹射座椅，向回蹬舵时，角小于13.4、角大于81.6时，飞行员感觉舒适，而角大于19、角小于76时，飞行员感受不舒适；向前蹬舵时，椅面处于中立位置，角小于-3.7（大腿轮廓与椅面前缘距离约8.6mm），椅面处于最下位置，角小于-6.3（大腿轮廓与椅面前缘距离约10.2mm）时蹬不到底，或角大于160时蹬不到底。座椅处于中立位置，脚蹬也处于中立调节位置时，飞行员感觉最舒适姿势的角为5.7和5.9，角为129.4和136.5，角为89.1和89.3。实际测量飞行员蹬舵下肢各角度舒适范围的结果要大于人机工效学标准情况下测量的各关节舒适性范围，这是否是飞行员群体特殊性和座椅特异性造图3第95百分位数飞行员II型机脚蹬舒适性尺寸链分析50教练机 2022.NO.4成的？进一步分析差异产生原因，考虑脚蹬使用工况，飞行员长期使用姿势为脚蹬放置于中立位置脚蹬上或脚置于地板上；蹬舵至最前和最后位置均为短时使用。因此，飞行员蹬舵中立位置各关节角度应贴近人机工效学标准情况下测量的各关节舒适性范围，这与实测中立位置角度情况相符；而蹬舵至最前和最后位置感觉舒适角度为短时发力可接受的舒适角度，应作为舒适性设计的补充设计要求。3 脚蹬舒适性设计要求在GJB35B-2008歼(强)击机座舱几何尺寸5中对脚蹬位置规定为：“脚蹬的最前调节位置，当座椅调到最下位置时，脚蹬中心点距座椅参考点的水平直线距离应不大于1030mm，此时脚蹬应处于蹬在最前位置。脚蹬的最后调节位置，当座椅调到最上位置时，脚蹬中心点距座椅参考点的水平直线距离应不大于935mm，此时脚蹬应处于蹬在最前位置。”这是从可达性进行考虑，以保证脚蹬设计与飞行员蹬腿可达区域匹配。根据飞行员反馈可以看出，I型机虽然满足国军标要求，但对于大尺寸飞行员舒适性不足，主要体现在回蹬脚蹬时大腿轴线与躯干轴线夹角过小；不仅如此，飞行员受座椅座面角和高度影响，往往不能使下肢完全蹬直，蹬腿可达性小于人体尺寸测量值。为使脚蹬设计舒适，需要在国军标和通用人机工效学要求基础上，根据实测情况提出更加精细的舒适性设计要求。根据分析结果，整理出脚蹬舒适性设计要求有：1）对于不同人体尺寸飞行员和对应座椅调节后高度，脚蹬调节范围应能保证在中立位置飞行员大腿轴线和座椅椅面夹角贴近5.8；2）脚蹬蹬舵前极限位置应当使大腿轮廓和座椅座面间隙不小于8mm，且大腿轴线和小腿轴线夹角不大于160；3）脚蹬蹬舵后极限位置应当使飞行员大腿轴线和座椅椅面夹角小于13.4，不可超过19。根据第1项设计要求，对于弹射角17、背靠角13、座面角8的弹射座椅，第5百分位数飞行员最舒适的脚蹬中位点距离座椅中立位置参考点水