1、快速、低成本的通用飛機座艙設計方法摘要：隨著通用航空產業(yè)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)投入到通用飛機的研發(fā)工作 中，市場競爭也愈演愈烈，如何在可控的周期和成本內研發(fā)出一款符合市場定位 的通用飛機成為各個企業(yè)的關鍵。本文對某型通用飛機座艙系統(tǒng)的設計流程、設 計方法、設計思路進行總結。關鍵詞：通用飛機；低成本；座艙設計1座艙系統(tǒng)設計要求1.1技術要求a）座椅布局；b）符合人機功效的座艙布局設計；c）符合人機功效的駕駛員座椅設計；d）滿足5%到99.5%人群的使用；e）座椅采用抗墜毀設計；f）為乘員提供舒適和安全的座艙布局。1.2適航要求23.561應急著陸情況總則；23.562應急著陸動態(tài)要求；23.77

2、1駕駛艙；23.773駕駛艙 視界；23.777駕駛艙操縱器件；23.779駕駛艙操縱器件的動作和效果；23.781駕駛艙操縱手 柄形狀；23.785座椅、臥鋪、擔架、安全帶和肩帶等。2系統(tǒng)概述座艙系統(tǒng)設計主要包括座艙布局設計和座椅設計兩部分內容。兩者設計相互結合。2.1座艙布局設計座艙布局設計包括所有結合人機工效的座艙內操縱器件布局設計，如駕駛桿和腳蹬的中 立位置、運動行程，座椅的中立參考位置和調節(jié)行程，儀表板布局，發(fā)動機操縱桿以及艙內 其他操縱器件的布局設計。詳細包括：a）駕駛桿中立位置和運動行程；b）腳蹬中立位置、運動行程和調節(jié)行程；c）座椅中立參考位置、調節(jié)行程；d）儀表板位置和布局；

3、e）發(fā)動機操縱桿位置、行程和手柄形狀；f）停機剎車開關位置和手柄形狀；g）艙門上扶手位置和艙內把手的位置；h）系統(tǒng)開關控制板位置和尺寸；i）艙內環(huán)控風口的位置；j）襟翼開關板的尺寸和位置；k）乘員周圍空間需求（頭部碰撞等）；l）安全帶位置和安裝位置；m）艙門位置、尺寸和座艙進出。2.2座椅設計座椅設計結合座艙人機功效要求，通過座艙試驗得出座椅的調節(jié)軌跡，并在試驗迭代中 對座椅的調節(jié)形式進行設計驗證。3設計流程型號初始階段采用座艙物理模型（Mockup）的設計方法進行座艙設計，采用制造座椅 Mockup的方法進行座椅設計。相對于我們以前使用的參考相關座艙設計標準、結合3D軟件 人模仿真的設計方法

4、，更加真實的體現人的主觀感受。座艙是面向人的功效設計，座艙設計 標準中相關參考數據與具體飛機實際布局情況的偏差、軟件中的人體模型無法表達出自己的 真實感受，這些都會限制座艙設計的效果。而在設計初期就使用座艙物理模型的設計方法， 則可以在較低的成本下，將座艙的設計初步效果展現給飛機的潛在操縱者，進行多輪模擬試 驗，并獲知他們的主觀感受建議，然后結合試驗者的建議，進行權衡和迭代設計，最終完成 適應于盡可能大范圍人群的座艙設計。3.1座艙設計流程座艙物理樣機采用以下設計流程：明確設計輸入條件（包括設計要求），根據相關設計 輸入，進行第一代座艙物理模型（Mockup）的建立，采用低成本的木板作為座艙的

5、主要結構 材料，選取一定比例設計目標范圍內人群進行初次座艙試驗，結合試驗情況，對座艙物理模 型進行改進，并進行迭代試驗，直到座艙物理樣機適應于大范圍人群。然后形成座艙物理樣 機的相關設計輸出，為后續(xù)工作提供輸入。3.1.1座艙Mockup設計輸入a）機型設計人群范圍目標，（如選擇滿足5%的中國女性1480mm到99.5%的美國男性 1960mm人群范圍為設計目標）；b）外部視界要求；（下視界11）c）機身外形尺寸（座艙長度、寬度、高度），機翼位置等初步參數；d）座艙概念布局方案（如幾座、各座位乘員的初步定義，腳蹬采用固定的還是可調節(jié) 的？懸掛式還是地板支撐式？采用中央駕駛盤還是側桿等概念布局）

6、；e）航電系統(tǒng)初步選擇（主要需要顯示器的尺寸、其他設備的尺寸等信息，以確定儀表 板高度，關系到駕駛艙視界）；f）各系統(tǒng)所需操縱器件清單及相關尺寸（可根據系統(tǒng)方案情況逐步完善和調整更新）；g）座艙內操縱器件的行程和初步位置的確定；（腳蹬中立位置、行程和調節(jié)范圍，駕 駛桿中立位置、行程，座椅中立位置等參數），一般可參考已有型號經驗和相關座艙設計標 準。3.1.2座艙Mockup設計a）根據以上設計輸入條件，在3D軟件中（PTC Creo3.0）建立骨架模型（用簡單線條建 立骨架），包括人體尺寸骨架、操作器件示意、運動仿真等；b）根據骨架模型，開始設計飛機座艙布局關系，建立座艙結構裝配數模；主要體現

7、在 座艙結構零件模型的設計，考慮現有設備的實際能力；c）后期順著機身外形的確定，再次更新迭代座艙Mockup的設計。3.1.3座艙Mockup制造和調試a）選取材料和操作器件（駕駛桿、腳蹬和座椅）的簡單制造；座艙主結構和座椅均可 采用的MDF木板進行組裝，航電設備、發(fā)動機操縱桿等操縱器件采用3D打印機進行制造；b）座艙Mockup調試：完成組裝后，進行初步調試，確保操縱器件工作正常，座椅和 座艙結構安全。為了進一步體現座艙內的真實空間感受，后期在座艙Mockup上安裝了真實的機身內形 蒙皮。3.1.4座艙Mockup試驗完成座艙Mockup的制造和調試后，進行座艙試驗，具體流程如下：c）選取試

8、驗人群：根據周邊人員進行選?。▽儆谘邪l(fā)試驗，非正式），接近5%身高2 名，99.5%身高1名，50%身高3名，其他人高人數不限。選擇具有飛行經歷的人員進行測試。d）明確試驗內容和試驗方法；指導試驗者按規(guī)定動作進行操作，如進出座艙、調節(jié)座 椅和操縱器件到最優(yōu)位置、座艙可達性檢查、下視界測量等；e）采集試驗數據和記錄試驗者主觀評價；采用拍照的形式記錄下試驗者的座椅、駕駛 桿、腳蹬位置，記錄試驗者主觀評價感受；f）進行數據處理和分析；在電腦中對照片進行測量，獲得數據，并分析試驗者主觀感 受，進行權衡取舍，為下一步座艙模型優(yōu)化調整提供支撐；g）根據分析結果，對座艙模型進行優(yōu)化更改；h）再次進行迭代試驗

9、，直到座艙模型滿足盡可能多的人群。3.1.5試驗數據分析和總結通過拍照的方式對試驗情況進行記錄，導入三維軟件中進行測量，獲得數據，并結合測 試者相關反饋，進行分析總結，為下次試驗優(yōu)化提供輸入。3.1.6座艙Mockup改進根據分析結果進行討論，如座椅最高位置椅盆角度過大、腳蹬的行程過小等問題，確定 好更改方向，再次對座艙Mockup數模進行更改，重新制造生產；如果簡單的更改，可直接 現場動手。完成座艙Mockup改進后，再次邀請試驗者進行試驗。3.1.7座艙Mockup輸出通過座艙物理樣機試驗，得出座艙內操作器件間的相互關系，為各系統(tǒng)的初步設計提供 輸入，座艙設計的主要輸出有：a）駕駛桿的中立

10、位置，行程范圍；b）腳蹬中立位置，行程范圍，調節(jié)范圍；c）座椅的中立位置，調節(jié)范圍，運動軌跡曲線；d）儀表板的外形尺寸和儀表板上布置；e）發(fā)動機操縱桿、降落傘手柄的位置布置；f）艙門的開口尺寸（主要考慮人員進出）；g）艙門上駕駛桿扶手位置和尺寸；h）艙內把手形式和安裝位置；i）機身尺寸參考（座艙段長度、寬度和高度），用于確定機身外形調整；j）座艙布局圖。整個座艙的設計都圍繞在不斷升級更新的座艙物理樣機進行。首先建立第一代座艙物理 樣機，進行人群座艙試驗，根據試驗結果反饋到座艙物理樣機設計中，進行物理樣機調整， 再次進行座艙試驗，試驗數據表明初步滿足設計人群（可達、視界等），若不滿足則需要再 次

11、進行座艙物理樣機調整，直到滿足為止；座艙物理樣機可以達到座艙的相關參數，輸出給 專業(yè)。3.2座椅設計座椅的設計結合座艙物理樣機（Mockup）設計同步進行，主要體現在幾何外形設計和 調節(jié)機構設計兩方面。根據座艙物理樣機試驗情況，確定座椅的運動軌跡和大致空間尺寸。 然后進行座椅調節(jié)機構的設計選型，并應用到座椅模型中進行驗證，為后續(xù)座椅的數模設計 提供支撐。主要內容有：a）明確座椅運動軌跡和周圍空間；b）進行座椅調節(jié)機構設計，可以將設計想法一一實現在座椅模型上進行驗證，并選定 設計方案；c）將具有可調節(jié)的座椅結合座艙物理模型進行試驗；d）在座艙物理模型中協調座椅安全帶安裝形式和空間等；e）根據試驗

12、反饋進行迭代設計；f）將座椅模型設計轉化為POC裝機座椅設計。采用座椅模型的設計方法，可以盡可能早的將設計想法簡單制造出來，用來驗證原理的 可行性及暴露出未考慮到的問題，為后續(xù)裝機座椅的設計減少風險，同時結合座艙物理模型 試驗進行，使得座椅與座艙在人機功效方面更好結合。通過座椅模型確定了座椅的安裝位置、空間尺寸、椅背調節(jié)要求、座椅前后和高度方向 的調節(jié)范圍和調節(jié)形式，便可進行下一步POC裝機座椅的設計。3.3座艙Mockup迭代座艙Mockup從項目論證初期就開始進行，是一個持續(xù)迭代和更改完善的過程。一般會 經歷到4代或者更多。G1：簡單模擬主要用于初步體驗和了解Mockup的設計和制造流程；

13、G2：機身外形初步確定，即可根據實際座艙尺寸，簡單快速進行了設計和制造。主要用 來驗證可調節(jié)腳蹬范圍是否合適、座椅應如何調節(jié)、外部視界如何等方面。；G3：較完整的木制模型，各個系統(tǒng)在平行推進，機身結構、儀表板航電系統(tǒng)、腳蹬的調 節(jié)范圍和位置、駕駛桿機構的初步確定等，都反映在了 G3座艙Mockup中。G3經歷時間最 長，給出了全機座艙布局在POC階段的輸出，便于各個系統(tǒng)開展設計。G4：真實的座艙模型：G3的局限性（無法真實反映視野情況和座艙內部空間），決定 建立G4座艙Mockup。采用真實的機身結構，模擬出真實的座艙環(huán)境。G4 Mockup主要用于 PVI （人機交互界面）細節(jié)設計和內部裝飾設計。4小結座艙物理模型設計方法的好處有：a）較低成本的座艙模型可以盡最大可能避免后期因人機功效帶來的座艙內操縱器件位 置更改的巨大風險和成本、周期損失；b）為座艙外形設計提供輸入，避免后期因人機功效帶來的飛機座艙外形更改的風險；c）座艙設計中更加考慮潛在客戶的感受，使得客戶的感受在設計中能得以體現