航空座椅中心曲线量化设计研究

王 振

（湖北航宇嘉泰飞机设备有限公司,湖北 襄阳 441000）

一般而言，座椅的舒适性内在主要体现在人在长时间的坐姿下不会感到很疲劳。按照人机工程学原理，人类的最佳坐姿是135度的坐姿，能保持其脊椎形状，减轻脊椎压力。座椅的舒适性外在因素则涉及多方面，如座面材料以及压力、温度等。

航空座椅的发展趋势是“需要更加人性化地考虑到在机人员对舒适性的需求，增加座椅功能的多样性，让不同喜好和生活习惯的在机人员都能拥有一个愉快的旅途”。但是，航空座椅不同于普通座椅，符合适航规章是其设计的首要且必要的条件，其次才考虑其他设计因素。对航空座椅日益增长的舒适性需求与座椅适航要求必然会导致航空座椅舒适性设计的不足或天然缺陷，这是掣肘航空座椅舒适性的内在因素。目前由于航空座椅垫材料选择范围有限，外在因素对航空座椅的舒适性影响十分有限，且能够在设计过程中规避[1]。

多种因素的影响下，航空座椅舒适性设计主要采用验证修改的设计方法，即样机完成后测试不同姿态下座椅各部位的受力情况，根据结果和反馈对座椅形状、高度等进行改进，如此循环，直到各项测试数据达到舒适性要求。这是一个漫长且缓慢的验证过程。

基于以上原因，笔者认为影响航空座椅舒适性的主要因素仍是航空座椅设计本身，如座椅背部曲面支撑、座椅角度、座面曲面等。改善舒适性的根本方法需从源头入手，从座椅设计初始阶段解决舒适性问题[2]。

1 航空座椅设计基础

《Performance Standard for Seats in Civil Rotorcraft,Transport Aircraft,and General Aviation Aircraft》一文详细解释了航空座椅的设计，如图1所示。图中的SRP（座椅参考点）是座椅设计初期就必须定义的一个关键点位，它是坐垫压缩后的中心基准线与由75～80kg的乘员乘坐后形成的背部切线的交点[3]。航空座椅的后续设计均是基于此点展开。SRP是决定航空座椅乘坐舒适性、操作方便性、手伸及性等特性的基准点。CRP（坐垫参考点）是坐垫背垫未压缩前的中心线交点，图1中未标注。“H-point”是指人体模型两个骸关节连线的中点，是二维人体模板上躯干线与大腿中心线的交点。“Floor water line（地板水平线）”一般是指航空座椅地脚螺柱的上表面。

图1 航空座椅基本原理图

2 人体背部脊椎曲线与靠背曲线关联

通常座椅靠背是通过背部泡沫的挤压变形来实现人体背部脊椎曲线的合理支撑，以此保证座椅的舒适性。然而航空座椅对重量十分敏感，以往的厚重泡沫靠背日渐被淘汰，取而代之的是轻薄型靠背。特别是采用碳纤维材料的航空座椅，其坐面依然采用相对厚的泡沫，不做过多的曲面设计即能保证坐得舒适，背面则采用碳纤维材料，依靠靠背曲面来支撑人体，其舒适性的主要决定因素就是座椅侧面靠背曲线。

由于轻薄型的航空座椅设计靠背时就定义了基本的人体背部曲线，然后通过样椅测试反复修改，若在座椅设计之初就将舒适的人体曲线融入其中，必将大大减少反复验证修改的工作。

结合实际工作，处理肩胛骨左右两点和尾骨左右两点均可在外观造型上保证对人体的支撑。这里可以简化处理，将肩胛骨左右两点重合并合并成一个点，然后映射到背部脊椎曲线上，并同样处理人体脊椎两侧的各个受力点。这样处理的目的是确保人体背部脊椎曲线与座椅背部曲线完全贴合，理论上就能保证无论座椅处于何种后倾角度，人体背部脊椎曲线都能够得到座椅的良好支撑，以保证舒适的乘坐体验[4]。

随机定义人体背部脊椎曲线上的某一点为（X，Y），以航空座椅前地脚螺柱上表面中心为坐标原点（0，0），H-point定义为（XH，YH），CRP点定义为（x，y），以上各点与座椅各处的对应关系如图2所示。

图2 人体背部脊椎曲线坐标体系

人体测量点（X，Y）的计算公式为：

X=XH+H*cosβ+L*sinβ；

Y=YH+H*sinβ-L*cosβ；

其中H是指人体模型H-point到人体测量点正对的人体躯干线长度；L是指人体测量点到人体躯干线的垂直距离。

XH和YH是人体模型H-point在坐标体系中的横纵坐标值，其计算公式为：

XH=x+△x-127+97/tanβ；

YH=y-△y+97；

其中α为航空座椅座面倾角，θ为航空座椅靠背倾角；β=π-θ；△x为坐垫压缩变形量，航空座椅泡沫压缩率一般为60%，经验值为△x=25；△y为背垫压缩变形量，航空座椅泡沫压缩率一般为60%，经验值△y=10.2。

这样通过上述的计算公式就能将人体背部脊椎曲线上的任意一点与航空座椅靠背中心曲线相对应，通过相关的人体尺寸计算，就能绘制出不同角度下的人体背部曲线，并应用到座椅设计上[5]。

3 靠背曲线模拟

从舒适性的角度出发，座椅的舒适性主要由8个受力点提供，分别是头部枕骨受力点1个、肩胛骨受力点左右2个、腰椎骨受力点1个、尾骨受力点左右2个、大腿髌骨受力点左右2个，如图3所示。

图3 座椅对人体的关键受力点

8个受力点对应着座椅的8个位置，座椅设计时能够在这8个受力点提供合适的支撑就能保证乘客乘坐的舒适性[6]。

因航空座椅设计还需要考虑外观等问题，航空座椅的靠背和坐垫不会完全按照人体曲线进行设计，而是主要考虑和确定与人体接触的受力点。取肩胛骨受力点、尾骨受力点、腰椎骨受力点、头部枕骨受力点共4个点为人体脊椎的主要受力点，在文献SAE AS8049中查询相关H和L数据如表1所示。

结合前文的理论公式，计算出各个点位对应的数值，然后以航空座椅前地脚螺柱上表面的中心为坐标原点，在CATIA中绘制不同百分位人群的靠背曲线，如图4所示。

表1 不同百分位人群的部分人体数据

图4 不同百分位人群背部曲线

后期结合座椅的使用人群和具体的工程数据，选取某一百分位人群的模拟曲线或是融合三者的背部曲线进行后续的靠背曲面设计。

4 小结

将50%人群的模拟曲线放置在现有的成熟航空座椅中，曲线与航空座椅靠背中心曲线基本吻合[7]。理论上，在人体数据充沛的前提下，使用上述的理论模型可以在座椅上完全模拟出人体背部脊椎曲线，给航空座椅的舒适性研究提供了一定的理论支撑，但仍存在以下不足：人体背部是三维曲面，上述理论模型仅解决了人体脊椎曲线与座椅的关系，人体脊椎两侧面的关键受力点仍未与座椅建立联系；中国人体数据年代久远，用GB-10000-88中的数据建立的模拟曲线不能满足当下国人对座椅的舒适性需求；模型中的泡沫压缩变形量使用的是经验值，尚无有效手段验证其合理性，理论曲线存在一定的误差。