羅 漫，張曉萍，吳程程，夏 明

(中國商飛北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京 102200)

引言

在民用飛機的設(shè)計理念中，過去常關(guān)注飛機安全性、經(jīng)濟性等因素，隨著時代和技術(shù)的發(fā)展，越來越多的旅客選擇航空出行，民用飛機要接受航空公司和乘客的最終檢驗，了解機組、乘客乘坐體驗感愈來愈受到關(guān)注。客艙是乘客乘機出行的主要活動空間，是飛機中乘客舒適性的重要關(guān)聯(lián)環(huán)境，改善飛機艙室的舒適性成為提升飛機競爭力的一項重要指標(biāo)[1]。

客艙舒適性的影響因素眾多，客艙內(nèi)一些總體參數(shù)如行李箱尺寸、座椅尺寸、客艙高度、舷窗尺寸等的相互連帶關(guān)系，除考慮適航和技術(shù)的約束外，更重要的是考慮人機功效原理，以設(shè)計出更符合人體工程學(xué)、更為舒適的客艙。當(dāng)前國內(nèi)外研究者針對客艙舒適性問題開展了大量測試調(diào)研工作[2-5]，包括空氣問題、相對濕度、座艙壓力以及二氧化碳濃度等，但較少有針對舷窗視野的舒適性評價研究。在民用飛機客艙中，舷窗位于飛機機身兩側(cè)，為客艙提供輔助采光。由于飛機是一個狹小封閉空間，飛機舷窗是乘客了解機外情況的唯一路徑，特別是在載客量大的遠程飛機中，舷窗是除了客艙座椅、客艙環(huán)境、娛樂系統(tǒng)之外的最重要的影響乘客舒適性的外部因素。合理的舷窗設(shè)計能給乘客一個舒適的視覺和視野效果，減少乘客的心理負(fù)擔(dān)，增加乘客的舒適性。

針對舒適性評價方法主要分為主觀評價與客觀評價兩種，其中主觀評價方法是指利用各種主觀量表、調(diào)查問卷或訪談等形式來獲取被試者的主觀舒適性評價[6]，舷窗舒適性驗證若利用純物理艙段進行評估，艙段價格昂貴且耗費時間和人力。本文利用半物理仿真的混合現(xiàn)實技術(shù)進行舷窗舒適性驗證，借助CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)沉浸式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，開發(fā)了一種舷窗人因因素分析評估方法，并開展舒適性驗證，以獲得最佳舒適度的客艙舷窗設(shè)計特征，對民機客艙舷窗設(shè)計具有較高的工程應(yīng)用價值。

1 機型參數(shù)

針對某機型開展客艙舷窗設(shè)計及舒適性驗證工作，該常規(guī)布局客機翼展約30.0 m，主輪距約6.0 m，機身長度35.0 m。外形如圖1所示，采用超臨界后掠下單翼、流線形機頭、等值段機身及蜂腰式后機身，安裝正常式尾翼及雙發(fā)翼吊發(fā)動機，前三點式起落架。

圖1 某型客機外形示意圖Fig.1 A type of civil aviation configuration

2 客艙舷窗設(shè)計

2.1 主要設(shè)計原則

客艙舷窗包括透明材料、框架、遮陽板等，主要安裝在休息室、廚房、盥洗室、衣帽間等區(qū)域?？团撓洗霸O(shè)計過程中的主要原則包括[7-9]：

1)客艙舷窗布置在飛機機身結(jié)構(gòu)框和長桁交縱的隔斷之間，通常不打斷結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，舷窗間距由機身框距決定。綜合考慮舷窗的尺寸和位置與機身框、長桁的總體布置緊密相關(guān)；

2)舷窗的尺寸和位置應(yīng)使盡可能多的乘客有較好的外部視角，在滿足舒適性的條件下，應(yīng)與機身總體結(jié)構(gòu)布置相協(xié)調(diào)，盡可能對機身結(jié)構(gòu)的影響最小。

2.2 乘客視野人因設(shè)計

人的視覺特性在空間設(shè)計中尤其是作業(yè)空間的布局設(shè)計中是重要的因素之一，飛機舷窗的重要功能是滿足乘客觀看機外的視野要求，視野范圍是舷窗設(shè)計時需要考慮的主要因素[10]。在上述設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，舷窗尺寸和位置最重要的需要考慮到基于乘客視野的人因設(shè)計，這主要與靠近客艙艙壁的乘客坐姿眼高、視野范圍和座椅尺寸有關(guān)[11-13]。

在乘客視野人因設(shè)計過程中，由于設(shè)計對象的使用群體是面向全球市場的機型，因此采用基于BS EN ISO 3411:2007《土方機械司機的身材尺寸與司機的最小活動空間》的國際標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸，考慮到舷窗的人因設(shè)計主要考慮到乘客的舒適性，無特殊的作業(yè)要求，因此對該標(biāo)準(zhǔn)取5百分位至95百分位的人體數(shù)據(jù)，以滿足大部分人群的要求。

乘客視野的確定根據(jù)上下左右的視線偏移角度來確定，其中乘客垂直平面視野根據(jù)MIL-STD-1472F《軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準(zhǔn)則》在垂直面內(nèi)正常視線是向下15°。人體眼球轉(zhuǎn)動的最優(yōu)視角是正常視線向上和向下各偏移15°，即0°和-30°之間。乘客在水平面內(nèi)的視野根據(jù)NASA/SP-2010-3407/REV1《人整合設(shè)計手冊》確定，人體頭部旋轉(zhuǎn)的角度最大值為73°，眼球轉(zhuǎn)動的最優(yōu)視角是向左和向右各偏移15°。

2.3 舷窗設(shè)計結(jié)果

客艙舷窗在垂直平面的視野應(yīng)可以滿足5百分位到95百分位的人在靠近窗戶的座位上以水平直視至向下30°觀察機身外部，根據(jù)機身剖面形狀及座椅布置，可確定靠側(cè)窗旅客的位置。當(dāng)座椅高度選擇較高值，選擇95百分位人群的坐姿眼高時，人的眼高為h1，舷窗上沿高度取h2；當(dāng)座椅高度選擇較低值，選擇5百分位人群的坐姿眼高時，人的眼高為h3，眼線向下30 °高度為h4，舷窗下沿高度取h5。垂直平面的尺寸定義如圖2所示。

圖2 舷窗垂直平面尺寸Fig.2 Vertical plane dimension of porthole

客艙舷窗在水平面的視野可以滿足靠近窗戶的乘客頭部旋轉(zhuǎn)73°的情況下，向左和向右各偏移15°，水平面的尺寸定義如圖3所示。

圖3 舷窗水平面尺寸Fig.3 Horizontal plane dimension of porthole

本研究中共設(shè)計了A、B、C三種不同的舷窗模型，主要參數(shù)如表1所示。

表1 舷窗模型尺寸Table 1 Dimensions of porthole models

3 舷窗舒適性驗證研究

3.1 基于CAVE系統(tǒng)的試驗環(huán)境

CAVE系統(tǒng)是通過多個屏幕搭建出一個洞穴式空間，在工業(yè)設(shè)計展示、以及數(shù)據(jù)可視化表現(xiàn)方面具有較大優(yōu)勢，具備較高的展示大規(guī)模畫面的能力[14，15]。本研究試驗環(huán)境采用中國商飛北研中心的CAVE沉浸式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)(圖4)，主要由五面十三通道硬幕立體投影顯示系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、渲染集群、中控、應(yīng)用軟件等組成，該系統(tǒng)是世界上第一個五面全玻璃的CAVE系統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助飛機設(shè)計開展工作，包括客艙選型、虛擬裝配、人機功效驗證等工作，該系統(tǒng)經(jīng)過驗證能夠?qū)π枰@示的數(shù)模進行1∶1的幾何還原。

圖4 商飛公司CAVE系統(tǒng)Fig.4 CAVE system of COMAC

舷窗舒適性驗證試驗將CATIA模型導(dǎo)入到CAVE系統(tǒng)中，經(jīng)過模型處理，材質(zhì)渲染、陰影處理、燈光模擬等達到展示的效果。三維全景模型包括飛機中部機身筒段、左側(cè)機翼及發(fā)動機、位于機翼上方的連續(xù)三個舷窗、舷窗附近的座椅、座椅上方行李箱及PSU、座椅盡頭的盥洗室模型，如圖5所示。

圖5 三維全景模型Fig.5 3D panoramic model

本文選用三種舷窗模型A、B和C進行對比試驗，三名觀察者就坐于擺放在CAVE里的實體椅子上并佩戴視覺追蹤眼鏡，用于模擬乘客就坐于靠近客艙艙壁的座椅，并通過程序依此切換三個舷窗模型，該眼鏡是光學(xué)攝像機對佩戴者的眼鏡位置進行實時追蹤，軟件計算后顯示相應(yīng)位置的虛擬環(huán)境。由于飛機乘客的身高及坐高均不同，為保證試驗客觀性，通過視覺追蹤眼睛將三名觀察者的眼點高度調(diào)為一致，在試驗過程中保證客觀條件一致的情況下，比較了三名觀察者的主觀感受，觀察者的試驗狀態(tài)如圖6所示。

圖6 三名觀察者測試舷窗舒適性Fig.6 Three observers test porthole comfort

3.2 試驗數(shù)據(jù)

做試驗的眼點高度采用了模型A的設(shè)計眼高，共選取兩個眼點高度：眼點1是95百分位人群坐在較高座椅時的眼點高度為h6，重點看上眼位的空間；眼點2是5百分位人群坐在較低座椅時的眼點高度為h7，重點看下眼位的空間。三個舷窗模型如圖7所示，其中模型B比模型A外形更為短圓，模型C比模型A外形更為狹長，模型B的中心線高度介于模型A和C之間。

圖7 三個舷窗模型Fig.7 Three porthole models

三名觀察者在兩個眼點高度下對三個舷窗模型的舒適性感受如表2～表4所示。

表2 觀察者甲主觀舒適性評價Table 2 Subjective comfort evaluation of observer A

表3 觀察者乙主觀舒適性評價Table 3 Subjective comfort evaluation of observer B

表4 觀察者丙主觀舒適性評價Table 4 Subjective comfort evaluation of observer C

3.3 試驗分析

根據(jù)多個觀察者對視野的主觀舒適性評價，對各個舷窗模型的分析如下：

1)以眼點1觀察舷窗上沿時，模型A的上沿合適，模型B上沿較低視野略受限，模型C上沿過高比較浪費；由于試驗的眼點是模型A的設(shè)計眼點高度，且模型A的上沿高度介于模型B和C之間，因此觀察者的主觀評價結(jié)果符合客觀情況。

2)以眼點2觀察舷窗下沿時，模型C下沿受限最嚴(yán)重，盡管模型B的下沿高度同樣高于模型A，但視野下沿卻比模型A的視野更舒適。

3)以眼點1和眼點2觀察舷窗左右側(cè)時，模型C水平視野受限最嚴(yán)重，看遠處有聚攏感，模型A其次，模型B最優(yōu)，視野較為開闊；由于實際模型尺寸中B最寬，模型C最窄，因此試驗結(jié)果符合客觀情況。

根據(jù)觀察者反饋的上述測試結(jié)果，模型C狹長形的舷窗視野舒適性不如模型B短圓形的舷窗；模型B即使下沿高度稍高，但寬度可以彌補向下的視野受限的不足；模型A的各個參數(shù)介于模型B和C之間，總體來看模型A和B的視野舒適性較為接近，均比模型C的設(shè)計更為合理。

4 結(jié)論

通過研究民機客艙舷窗對乘客外部視野效果的影響，基于CAVE系統(tǒng)開展仿真模擬，進行了舷窗尺寸及位置的人因設(shè)計,并將多種舷窗模型進行舒適性驗證和對比分析。得到如下結(jié)論：

1)在同類機型的舷窗中，短圓形的舷窗比狹長形的舷窗帶來的主觀舒適性體驗感更好，在考慮到機身總體布置和結(jié)構(gòu)強度的情況，加大舷窗寬度是增加乘客舒適性的一種的方法；

2)本文提出的基于CAVE系統(tǒng)的舷窗人因設(shè)計和舒適性驗證方法在設(shè)計的初步階段即考慮到了舒適性因素并做了初步的驗證，具有方案優(yōu)化和指導(dǎo)作用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用能夠節(jié)省時間和資金，對民機總體布置和客艙舒適性研究具有較高應(yīng)用價值。