蔣黃滔，程太明

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機腳蹬是飛行員控制飛機方向舵和剎車的重要操縱機構。當飛行員前后蹬腳蹬，驅使腳蹬沿飛機機體軸線前后移動時，控制的是飛機的方向舵；當飛行員下壓腳尖，驅使腳蹬踏板繞腳蹬踏板轉軸向下旋轉時，控制的是飛機對應的左側或右側剎車。同時，飛機腳蹬也是飛行員維持坐姿的重要支撐部件。因此，飛機腳蹬不僅需要放置在距離飛行員座椅合適的位置，還需要設置合適的前后調(diào)節(jié)量，以滿足不同人體尺寸飛行員的使用需求。

在某型飛機設計過程中，邀請了多名不同身高飛行員對兩型現(xiàn)有飛機腳蹬舒適性進行評估。通過分析不同身高飛行員主觀感受產(chǎn)生的原因，得出了飛機腳蹬舒適性設計的關鍵設計要求。

1 試驗情況

1.1 試驗條件

試驗在I 型飛機和II 型飛機上開展，兩型飛機均使用彈射角17°、背靠角13°、座面角8°的彈射座椅，座椅上下調(diào)節(jié)量均為60mm，座椅上下調(diào)節(jié)區(qū)域的中央位置稱為“座椅中立位置參考點”。

I 型飛機和II 型飛機腳蹬行程均為±50mm，當腳蹬無外力作用時，腳蹬在自身回中力作用下停留的位置稱為“腳蹬中立位置”，腳蹬和飛行員腳底的接觸點為腳蹬參考點。I 型飛機和II 型飛機腳蹬中立位置參考點處于同一高度。I 型飛機腳蹬中立位置參考點距座椅中立位置參考點水平距離為875mm；II 型飛機腳蹬中立位置參考點距座椅中立位置參考點水平距離為950mm。

I 型飛機腳蹬前后調(diào)節(jié)量為±50mm，II 型為±70mm。

1.2 受測人員

本次測試中，受測飛行員均為男性，飛行經(jīng)驗均在200 小時以上，飛行員身高見表1。

表1 受測飛行員身高表

1.3 測試結果

飛行員分別在I、II 型飛機上將座椅調(diào)節(jié)至合適高度，對腳蹬蹬舵操作和剎車操作進行測試，各飛行員對I、II 型飛機腳蹬描述如下：

飛行員A：II 型機腳蹬調(diào)至最后則剛好合適，若身高更矮的飛行員受測，腳蹬會有蹬不到底的問題。

飛行員B：II 型機腳蹬向前調(diào)節(jié)接近最前，蹬舵舒適，身高185cm 的飛行員使用問題不大。

飛行員C：II 型機腳蹬很容易調(diào)整到舒適點，I 型機座椅擋腿板會擱腳。

飛行員D：II 型機腳蹬調(diào)好后，感覺座椅比I 型機更靠下，看I 型機平顯要低頭看，II 型機平顯則平視，感覺很舒適。

飛行員E：I、II 型機腳蹬均可。

1.4 測試結果初步分析

根據(jù)GJB4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》[1]，見表2。忽略飛行員下肢尺寸分布差異，可近似將身高170cm 的飛行員A 作為第50 百分位數(shù)飛行員人體尺寸（171.0cm）代表；身高178cm、178cm、180cm 的飛行員B、C、D 作為第95 百分位數(shù)飛行員人體尺寸（179.8cm）代表；飛行員E 介于兩者之間。

表2 中國男性飛行員人體數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（部分）

因此，可以將飛行員原始描述轉化為以下表述：

1）對于第50 百分位數(shù)人體尺寸飛行員，II 型機腳蹬調(diào)至最后位置，該尺寸飛行員處于最舒適狀態(tài)，如該位置更向前則會導致無法操縱蹬舵全行程；

2）對于第95 百分位數(shù)人體尺寸飛行員，II 型機腳蹬容易調(diào)整到舒適點，且接近最前調(diào)節(jié)位置令人舒適；

3）對于第95 百分位數(shù)人體尺寸飛行員，I 型機腳蹬調(diào)至最前位置令人不夠舒適；

4）對于第50 百分位數(shù)體尺寸飛行員，I 型機腳蹬位置仍令人舒適。

2 飛行員腳蹬舒適性尺寸鏈分析

飛行員腳蹬使用舒適，即要使飛行員蹬舵全行程過程中關節(jié)角度合適、發(fā)力順暢、不受結構限制，向前蹬舵能至全部行程，向回蹬舵不致腿部過于蜷縮導致肌肉疲勞，以及在剎車時能有效發(fā)力。

根據(jù)人機工效學統(tǒng)計結果，在標準姿勢下，人體下肢大腿軸線與椅面夾角α 的舒適角度為5°～20°[2，4]，大腿軸線與小腿軸線夾角β 的舒適角度為95°～135°[2-4]，大腿軸線與軀體軸夾角γ 的舒適角度為95°～135°[2]。且β 角大于160°時，腳蹬出力會急劇下降[2]。

在彈射座椅的特殊坐姿下，飛行員舒適感受與標準姿勢舒適度有一定區(qū)別。為進一步分析飛行員對不同腳蹬舒適性評價的機理，根據(jù)飛行員人體統(tǒng)計數(shù)據(jù)構建飛行員腳蹬舒適性分析尺寸鏈，如圖1 所示。

圖1 腳蹬舒適性尺寸鏈分析圖

根據(jù)飛行員表述1），第50 百分位數(shù)飛行員在II型機腳蹬調(diào)整至最后位置，該尺寸處于最舒適狀態(tài)；即從腳蹬蹬至前極限位置到腳蹬蹬至后極限位置過程中，飛行員全行程可操縱且關節(jié)角度舒適。

假定第50 百分位數(shù)飛行員座椅調(diào)整至中立位置，通過尺寸鏈分析，蹬舵過程中α 角從-3.7°到12.4°（同時γ 角從98.7°到82.6°），β 角從116.1°到148.4°；腳蹬中位時，α 角5.9°，β 角129.4°，γ 角89.1°，見圖2。從尺寸鏈分析可知，I 型機可將腳蹬調(diào)整至中立位置與II 型機調(diào)整至最后位置重合，印證了表述4）。

圖2 第50 百分位數(shù)飛行員II 型機腳蹬舒適性尺寸鏈分析

根據(jù)表述2），第95 百分位數(shù)飛行員在腳蹬調(diào)節(jié)至接近最前位置時舒適。假定第95 百分位數(shù)飛行員座椅調(diào)整至最低位置，通過尺寸鏈分析，蹬舵過程中，α 角從-6.3°到13.4°（同時γ 角從101.3°到81.6°），β角從122.2°到159.5°；腳蹬中位時，α 角5.7°，β 角136.5°，γ 角89.3°，見圖3。

圖3 第95 百分位數(shù)飛行員II 型機腳蹬舒適性尺寸鏈分析

根據(jù)表述3），第95 百分位數(shù)飛行員在I 型機腳蹬最前調(diào)節(jié)位置不夠舒適。通過尺寸鏈分析，此時大腿軸線和座椅椅面夾角為18.9°，大腿軸線和軀體軸夾角76.1°，大腿軸線和小腿軸線夾角為111.4°，見圖4。

圖4 I 型機不舒適尺寸鏈圖

由以上分析可得，對于彈射角17°、背靠角13°、座面角8°的彈射座椅，向回蹬舵時，α 角小于13.4°、γ角大于81.6°時，飛行員感覺舒適，而α 角大于19°、γ角小于76°時，飛行員感受不舒適；向前蹬舵時，椅面處于中立位置，α 角小于-3.7°（大腿輪廓與椅面前緣距離約8.6mm），椅面處于最下位置，α 角小于-6.3°（大腿輪廓與椅面前緣距離約10.2mm）時蹬不到底，或β角大于160°時蹬不到底。座椅處于中立位置，腳蹬也處于中立調(diào)節(jié)位置時，飛行員感覺最舒適姿勢的α 角為5.7°和5.9°，β 角為129.4°和136.5°，γ 角為89.1°和89.3°。

實際測量飛行員蹬舵下肢各角度舒適范圍的結果要大于人機工效學標準情況下測量的各關節(jié)舒適性范圍，這是否是飛行員群體特殊性和座椅特異性造成的？

進一步分析差異產(chǎn)生原因，考慮腳蹬使用工況，飛行員長期使用姿勢為腳蹬放置于中立位置腳蹬上或腳置于地板上；蹬舵至最前和最后位置均為短時使用。因此，飛行員蹬舵中立位置各關節(jié)角度應貼近人機工效學標準情況下測量的各關節(jié)舒適性范圍，這與實測中立位置角度情況相符；而蹬舵至最前和最后位置感覺舒適角度為短時發(fā)力可接受的舒適角度，應作為舒適性設計的補充設計要求。

3 腳蹬舒適性設計要求

在GJB35B-2008《殲(強)擊機座艙幾何尺寸》[5]中對腳蹬位置規(guī)定為：“腳蹬的最前調(diào)節(jié)位置，當座椅調(diào)到最下位置時，腳蹬中心點距座椅參考點的水平直線距離應不大于1030mm，此時腳蹬應處于蹬在最前位置。腳蹬的最后調(diào)節(jié)位置，當座椅調(diào)到最上位置時，腳蹬中心點距座椅參考點的水平直線距離應不大于935mm，此時腳蹬應處于蹬在最前位置。”這是從可達性進行考慮，以保證腳蹬設計與飛行員蹬腿可達區(qū)域匹配。

根據(jù)飛行員反饋可以看出，I 型機雖然滿足國軍標要求，但對于大尺寸飛行員舒適性不足，主要體現(xiàn)在回蹬腳蹬時大腿軸線與軀干軸線夾角過??；不僅如此，飛行員受座椅座面角和高度影響，往往不能使下肢完全蹬直，蹬腿可達性小于人體尺寸測量值。

為使腳蹬設計舒適，需要在國軍標和通用人機工效學要求基礎上，根據(jù)實測情況提出更加精細的舒適性設計要求。根據(jù)分析結果，整理出腳蹬舒適性設計要求有：

1）對于不同人體尺寸飛行員和對應座椅調(diào)節(jié)后高度，腳蹬調(diào)節(jié)范圍應能保證在中立位置飛行員大腿軸線和座椅椅面夾角貼近5.8°；

2）腳蹬蹬舵前極限位置應當使大腿輪廓和座椅座面間隙不小于8mm，且大腿軸線和小腿軸線夾角不大于160°；

3）腳蹬蹬舵后極限位置應當使飛行員大腿軸線和座椅椅面夾角小于13.4°，不可超過19°。

根據(jù)第1 項設計要求，對于彈射角17°、背靠角13°、座面角8°的彈射座椅，第5 百分位數(shù)飛行員最舒適的腳蹬中位點距離座椅中立位置參考點水平距離為766mm，第50 百分位數(shù)飛行員的相應距離為856mm，第95 百分位數(shù)飛行員的相應距離為971mm，如圖5所示。最舒適的腳蹬應布置在腳蹬中立位置參考點距離座椅中立位置參考點水平距離868.5mm 處，腳蹬前后調(diào)節(jié)范圍不小于102.5mm。此狀態(tài)下驗證不同尺寸飛行員前蹬可達性和回蹬舒適性，均滿足要求2 和要求3。

圖5 理想狀態(tài)腳蹬布置圖

在座艙空間受限的情況下，則可根據(jù)要求2 確定第5 百分位數(shù)飛行員可達的腳蹬最遠點，結合腳蹬運動行程，確定腳蹬調(diào)節(jié)的最后中立位置；根據(jù)要求3確定第95 百分位數(shù)飛行員回蹬舒適最近點，結合腳蹬運動行程，確定腳蹬調(diào)節(jié)的最前中立位置，如圖6所示。對于尺寸要求更嚴苛的座艙，可以選擇保證第5 百分位數(shù)飛行員腳蹬運動的部分行程，達到保證飛行安全的最低標準，可前移腳蹬調(diào)節(jié)的最后中立位置；或者增大第95 百分位數(shù)飛行員大腿軸線與座椅椅面之間夾角，犧牲部分舒適性，以后移腳蹬調(diào)節(jié)的最前中立位置。

圖6 腳蹬尺寸裁剪示意圖

4 結語

本文根據(jù)飛行員對兩型飛機腳蹬使用舒適性的主觀評估進行歸類，建立了腳蹬舒適性分析尺寸鏈，使用尺寸鏈對飛行員主觀評估內(nèi)容進行了重現(xiàn)和分析，總結出腳蹬舒適性設計的要點，對國軍標中腳蹬設計要求進行了補充。根據(jù)腳蹬設計要求提出了理想狀態(tài)和在一定限制條件下的腳蹬舒適性設計參數(shù)和裁剪設計思路，可以為后續(xù)型號和其他同類型腳蹬設計提供參考。

目前的研究對飛行員部分人體參數(shù)沒有實際測量，因此忽略飛行員下肢尺寸分布差異，這有待后續(xù)更多飛行員測試進行補充；另外對于大腿軸線和座椅椅面/軀干軸線夾角的舒適性邊界目前只確定在13.4°至19°之間，其準確邊界還需要進一步測試和分析。