飞机驾驶舱总体设计研究
2019-06-11王纪清王雪萍
王纪清 王雪萍
摘 要：飞机驾驶舱是飞行员操纵飞机执行任务的工作环境，也是飞行员与飞机信息交互的唯一界面和手段，本文根据工程实际经验，对飞机驾驶舱设计宗旨进行论述，对设计准则进行梳理，并给出驾驶员设计眼位和视界、仪表板、操纵台、人机交互界面的设计思路、原则和考虑因素，可指导新机驾驶舱的设计，也可用于对现有飞机的驾驶舱改进优化。
关键词：飞机 驾驶舱 总体设计
中图分类号：V223 文献标识碼：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0005-02
飞机驾驶舱是机组人员与飞机进行人机交互的首要场所，其功用是保证飞行员能够获取足够的外部信息，并对飞机进行操纵，实现飞机安全飞行。驾驶舱设计的优劣不仅影响驾驶员的体力、心理和意识活动，而且直接影响作战效率和飞行安全。驾驶舱设计的特点：空间小，仪表多，安全性要求高。在有限的空间内布置众多的仪表，并考虑结构骨架的布置、人接受信息的规律、应急逃生等因素，必须通过合理布置和人机工效设计来提升机组操作效率和安全性。
1 飞机驾驶舱设计宗旨及设计内容
驾驶舱设计的宗旨是结合驾驶员的生理和心理特征，根据飞机的总体功能规划协调飞机的操纵、控制、导航和通信等机载系统设备的布局，使驾驶员以最小的工作负荷，迅速、准确地获取各种反映飞机工况的视觉、听觉和触觉信号，并作出正确的反应，操控飞机完成飞行任务。
驾驶舱总体设计的内容包括：设计准则确定、驾驶员设计眼位和视界的确定、驾驶舱总体布置、人机界面设计等。
2 飞机驾驶舱总体设计
2.1 设计准则
驾驶舱设计应符合CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》第25.777条、25.779条、第25.781条等条款的要求，以及GJB807-90《飞机仪表板布局》、GB/T13547-92《工作空间人体尺寸》、HB6153-1988《飞机座舱视野》、HB7496-2014《民用飞机驾驶舱视野要求》等标准的要求。
驾驶舱设计应满足人机工程学，人机界面设计可视可达的同时，应提高效率和舒适度，以便驾驶员能快速有效地控制各个系统。
应符合“静暗”的设计理念，即飞机处于正常飞行状态，则无相关“声”、“光”、“振”等告警反馈。目前主流的“静暗”设计理念有两种，一是建立在飞机各系统高度集成的基础上，人机操纵的自动化应用程度较高，采用不指示则不操作的理念进行系统设计，即各系统在正常工作的情况下，人机操纵界面不提示，不显示工作状态，一旦有任何提示音或亮灯均代表飞机没有处于正常状态或者系统已经出现故障;二是以人为中心，驾驶员按操作程序进行操作，人机界面使用带指示灯的按压开关，系统正常工作时，开关上有相应的白色字符指示系统正常工作，字符颜色显示效果柔和，当系统处于非正常状态时，开关上亮起醒目的颜色，如琥珀色、红色等，表明系统状态，引起机组重视。
显示器和控制器的布置需考虑使用频率、重要性、信息量等，以此来分配布置位置。
应使驾驶员具有良好的视界，以便其观察各类仪表信息，操控各器件，确保飞行安全。
仪表、开关、其它设施布置安装应设计成使机组人员在正常出入时对人体的可能伤害减至最少，同时应使误操作的可能性降至最低。
驾驶舱内装饰应充分考虑隔热、降噪、维护性等因素。
2.2 驾驶员设计眼位和视界
设计眼位是驾驶员处于正常驾驶状态，两眼之间连线的中点所在位置，是飞机设计过程中用于确定驾驶舱内部和外部视野以及驾驶舱几何尺寸的一个设计基准点。
眼位高度基准从飞机驾驶舱地板上表面起算，计算公式为Zc=H50%PC-H1g
式中，ZC表示设计眼位高;H50%表示第50百分位标准人身高;PC表示正坐眼位高与人体高的百分比数;H1g表示标准人体重统计值在1g飞行时的下沉量。
设计眼位横坐标根据中国人中等身材在飞机坐标中给出的定位尺寸为±533.4mm（最大值），推荐尺寸范围为：±507.5～±533.4mm[2]。
设计眼位纵坐标根据飞机设计手册第7册中的视界定义，规定设计眼位到风挡的水平距离范围为500～600mm，再根据已知的飞机机头模型即可初步确定。
视界设计应满足CCAR-25-R4第25.773条要求和HB7496-2014《民用飞机驾驶舱视野要求》。给驾驶员提供足够宽阔、清晰、不失真的视界，确保飞机在使用包线范围内能够安全地进行任何机动，包括滑行、起飞、进场和着陆。
2.3 驾驶舱总体布置
驾驶舱总体布置包括主仪表板和遮光罩的布置，左、中、右操纵台的布置，顶部操纵台的布置等。
主仪表板和遮光罩位于驾驶员正前方可达可视位置，主要为驾驶员提供各种飞行信息，使飞行员能够了解当前飞行状态，是驾驶员观察最为频繁的部位。设计时需满足内部视觉观察的要求，主要考虑设计眼位到主仪表板的距离、飞行员水平视线与主仪表板平面夹角、设计眼位到遮光罩距离、飞行员视界下边界等因素。
左、中、右操纵台布置时，其高度应便于驾驶员对其上的开关进行操作，宽度尺寸应不妨碍飞行员空间需求，以及应急逃生需求。
顶部操纵台布置时，主要考虑顶部操纵台前沿对飞行员视觉的影响，以及对机组活动空间的影响，以及飞行员操作的可达性和可视性。
2.4 人机界面设计
人机操作界面设计应遵循逻辑一致性、操作一致性、显示一致性原则。
（1）逻辑一致性。
目前，多数飞机操作界面大量使用了带指示灯的按压式开关，设计时应保持逻辑一致，当各系统正常工作，对应开关上的“接通”、“正常”字符指示灯应亮，当各系統处于非正常工作时，对应开关上的“断开”、“故障”、“关闭”字符指示灯亮。
（2）操作一致性。
操作一致性主要是使控制器件的操作属性表达的工作状态保持一致。人机界面常用控制器件包括扳动开关、旋转开关和按压开关等。
针对扳动开关，可统一要求向飞机飞行方向扳动或向上扳动为“接通”，反之则为“断开”，如果有三位开关，则中间位为“断开”，向飞机飞行方向扳动或向上扳动为常用位。
针对旋转开关，所有关断位置应置于功能标识线左侧，接通则需顺时针旋转，功能标识线一般采用“关断”-“自动”-“接通”顺时针设置及遵循类似法则设置多个位置。连续调节型旋钮则一律采用顺时针调节执行“增加”、“升高”等功能，逆时针调节则执行“减少”、“降低”等功能。
按压开关可统一采用带有指示灯的按压开关，开关被按压后，自动回到开关面的初始高度，但是开关上的“接通”或“断开”指示灯相应亮起，仅通过开关上的指示灯来辨别工作状态。
（3）显示一致性。
根据GJB 1006的要求，驾驶舱所有警告灯颜色应统一采用航空红，注意灯颜色统一采用航空黄，提示灯颜色统一采用航空绿。
3 验证
驾驶舱设计完成后，应在三维软件中建立三维模型，按照GJB4856-2003《中国男性飞行员人体尺寸》选取标准人进行仿真操作、检查人体活动空间、运动干涉情况、应急逃生、通风窗开启与关闭、设备的可达性和可视性以及维修性等。设计制造驾驶舱物理样机，进一步开展验证和改进工作。
4 结语
飞机驾驶舱设计不仅受到国外航空界的普遍重视，也是国内实施大型飞机发展战略形势下，自主研究的重要环节。目前国内飞机驾驶舱设计主要是在国外飞机驾驶舱基础上进行修改，并不完全适合中国机组人员。本文对飞机驾驶舱总体设计思路和要求进行了梳理和研究，为设计人员提供一定的技术借鉴和支持。
参考文献
[1] 张炜.民机驾驶舱人机一体化设计[M].西安：西北工业大学出版社，2015.
[2] 傅山.民用运输类飞机驾驶舱人为因素设计原则[M].上海：上海交通大学出版社，2013.
