[科普中国]-机舱设计

机舱设计的系统工程观点

机舱即是一个系统，由许多互相作用，互相依赖又互相矛盾的部分和方方面面结合而成，是一个有特定功能的有机整体。系统工程就是对系统的方方面面进行分析、了解、查明它们之间的关系、在系统中的地位、各自的能力和限度，对系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用等进行组织管理的技术。系统对于它所从属的更大的系统来说又是一个子系统，例如机舱是飞机的一部分，而飞机又是运输系统或国防武器系统的一部分等等。但因为人在完成飞行任务中有举足轻重的地位，所以作为人一机交往中心的机舱，其设计问题特别复杂，重要性特别大，成千上万的相互关系和矛盾都要照顾妥贴，求得最佳方案。例如军用飞机的性能要求机舱尽量小、尽量轻，但为了飞行员能操纵、工作和感到舒适又要求机舱足够地大，和人体的特点、能力相适应；空气动力学要求机舱外形尽量平滑、流线型，而为了保障飞行员对机舱外面的观察又要求有起码角度的风档等等，这样的例子不胜枚举。

采用系统工程方法，主要的步骤包括：①对系统提出要求；②根据要求设计系统；③评价设计方案；④修改要求；⑤再设计。为了求得最佳方案，这几个步骤不可能一次就完成，而需要多次反复循环和评价改进不可。评价的标准固然包括技术合理，经济合算，研制周期短，运转协调等等，但现今最受重视和技术上亟待发展的是航空工效学的评价。一架飞机性能再高，技术再先进，飞机机舱的总体布局、显示器和控制器设计和选配不适于人的使用，也会使整个系统的工效学水平下降，甚至影响飞行员的安全。尤其在飞机制成之后，再发现不当之处，事后的修改将极其困难和复杂。因此，设计机舱时，航空工效学中最重要的原则是从设计一开始就必须考虑人的因素，在设计中反映出来，并贯穿始终。1

机舱设计准备阶段机舱设计的第一步，或者说是准备阶段，是明确下列事项或进行下列调查及资料的准备：

(一)飞行的目的、任务及有关事项与目的有关的还有飞行距离、飞行员的人数、飞行速度及高度等项。

(二)飞行员的任务分析飞行员在机舱中驾驶和执勤的全过程，是否有的阶段过于单调，致使精神涣散或过分紧张，应接不暇；工作负荷是否超过飞行员承受水平；这些问题不仅在模拟试验阶段应予鉴定，在设计之初即应分析和估计，包括哪些任务应由人来承担，哪些任务应由机器承担等等。

(三)有关设计的要求和制约事项

要全面地考虑各方面的要求，分清主次，寻求能兼顾各方面的解决方案。例如空气动力特性带来的机身形状和风档角度间矛盾的解决，机舱空间和重量的限制，仪表装备的选择，乘员数的确定以及紧急脱离机舱的方式等事项的探讨。

(四)航空工效学的标准查阅、遵循和分析研究

例如我国机舱设计方面的军用标准有：GJB35-85歼击机座舱基本尺寸；GJB19-84歼击机座椅基本尺寸等。

一旦明确了机舱设计的目的，并且具备了必要的资料，就完成了设计工作的第一步，以后便是按前述的步骤循环往复，直到符合航空工效学的要求为止。这种验证、改进(再设计)、再验证的多次循环，逐步向理想的或可以被接受的设计逼近的过程，正是系统工程的特点之一。1

机舱设计阶段飞机机舱设计的实际步骤从图1中可以看出多次循环的轴心就是使人-机关系，特别是工作负荷，接近航空工效学的要求。

图1为机舱设计流程图，表示从需求到认可直至生产的信息流程。简言之，首先是确定拟议中的系统在使用时如何操作。其次是确定飞行员将执行的任务。第三步是分析飞行员工作负荷与时问安排。这些步骤将重复进行，直到预测的工作负荷可以被飞行员接受，并能在要求的时间内完成任务为止。此时，下一步的工作是形成详细的硬件和软件设计，然后再次进行工作负荷分析。通过进行器械模拟、任务模拟或飞行试验，以证实预测的工作负荷，并据此对设计细节作改动。下面对图1各步骤加以解释1：

(一)需要

根据拟议中的机舱要求，确定什么是飞行员需要做的，从而明确目前机舱所不具备的性能或需要改进的地方。例如，飞行员可能需要在一种恶劣气候或能见度差的情况下进行着陆的方法。也可由用户、买方根据具体情况提出新的需要。

(二)任务

必须审查飞机的总目标，以便弄清某一特殊需要与飞机总目标的关系。例如，在恶劣气候或能见度差的情况下，飞机需要着陆多少次，如果只是偶尔着陆，某种解决方法就够了，如果着陆次数多，就需要另一种不同的方法。

(三)拟定内外环境中诸事件的时间序列

应该记录未来飞机使用中发生的典型事件，并描述所有预计会发生的事件，还应对事件发生的时间和持续时间作出判断，即飞机完成动作任务的时间和情况，以便判断在执行任务的某一特定时刻的环境或时间紧迫情形。

(四)确定飞行员的职能及职能要求

在需要、任务和时间方案基础上，人的因素工程师应该确定需要执行的功能与对系统的要求。例如，飞行员要完成导航任务，对罗盘的数量和必须的精度要有要求，飞行员才能了解所需的信息。

(五)职能的时间序列的作用

根据确定的功能，应重新回顾前面拟定的诸事件的时间序列，把任务分别归拢到前面确认的事件中去，这就开始了把需要与任务分析中所提到的要求转变为具体工作的过程，研究时间够不够用。

(六)人-机职能分工

应对飞行人员与机器的分工作出决定。根据是前面的完成任务情况的分析，还应考虑到发展某一系统的费用，及发生故障时给飞行员带来的困难和后果。

(七)机舱系统的概念设计

提出机舱初步设计方案和任务将如何执行，这包括硬件的类型与格局，以及自动化系统的操作。方案的确定需多次重复才得以完善。

(八)工作清单

对罗列的各项工作进行评价，研究其对完成职能的作用，能否在指定时间内完成，再一次进行功能分析。

(九)粗略的工作分析

按工作清单中的工作，重新拟定时间序列，逐分钟的登记，借以评价时间的利用及工作负荷有无矛盾，有无过度工作负荷。

(十)详细的工作分析

若发现工作负荷过度，可按时间序列逐分钟的研究工作安排，经详细研究之后重新安排工作。

(十一)工作负荷的预测

根据对某项工作的认知、听觉、视觉和神经活动的要求，进行详细的工作分析，做出工作负荷的预测，如超负荷，应回到6、7步骤，修改设计，6~11各步骤可能要执行多次，直到预测的工作负荷可接受为止。

(十二)信息及操纵要求

根据飞行员执行任务的需要，研究信息量及操纵动作是否过大。

(十三)机舱布局

机舱总体布局可同时按两条路线进行设计：①按机身总设计安排操纵和显示装置，②按人体测量尺寸安排弹射救生系统。

(十四)操纵/显示设计

按7项将设计具体化，如用多功能显示器的“清单”提取信息，要按2，4、7、8项设计，此时需要弄清飞行员需做什么，需要什么信息、有哪些同时做的动作。

(十五)机舱设计与其他方面的关系

例如，在机舱内进行维修应保证很方便。

(十六)部分任务的模拟

对那些新设计的装置和方法，研究工作负荷问题，可通过部分任务的模拟试验，来看实际与原设计意图是否相符。

(十七)机舱详细设计

此时可交付机舱、硬件安装、显示器或操纵装置，座椅等的蓝图，以便完成或组装研制周期长的项目。

(十八)显示器和操纵器的详细设计

在完成部分任务模拟以后，明确了对显示器和操纵器的要求，以及需要改进的方面，此时，应公布最后定案的显示器和操纵器的设计。

(十九)实验要求

人的因素工程师应根据最初的“需要”和“任务”检查总的设计，确定工作负荷和完成任务的要点，批准设计，拟定实验计划。

(二十)模拟的要求

详细的操纵器、显示器设计、执行任务方案和实验要求可以决定需要模拟舱项目，逼真度的要求，收集什么实验数据。

(二十一)任务模拟

在模拟器上进行任务模拟，或阶段性的任务模拟，以评价设计的优劣。

(二十二)飞行试验

样品设备或关键性的安全项目应在飞行试验中运行，这可在试验台上的飞机或在飞机的真实飞行试验中完成。

(二十三)生产设计

一旦完成模拟与飞行试验之后，可能还需要对机舱设计进行改进，即有创见的飞行员对设计可能提出明确的意见，这种修改有利于制定有充分依据的生产定型设计。1