飞机脚蹬舒适性设计

蒋黄滔，程太明

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飞机脚蹬是飞行员控制飞机方向舵和刹车的重要操纵机构。当飞行员前后蹬脚蹬，驱使脚蹬沿飞机机体轴线前后移动时，控制的是飞机的方向舵；当飞行员下压脚尖，驱使脚蹬踏板绕脚蹬踏板转轴向下旋转时，控制的是飞机对应的左侧或右侧刹车。同时，飞机脚蹬也是飞行员维持坐姿的重要支撑部件。因此，飞机脚蹬不仅需要放置在距离飞行员座椅合适的位置，还需要设置合适的前后调节量，以满足不同人体尺寸飞行员的使用需求。

在某型飞机设计过程中，邀请了多名不同身高飞行员对两型现有飞机脚蹬舒适性进行评估。通过分析不同身高飞行员主观感受产生的原因，得出了飞机脚蹬舒适性设计的关键设计要求。

1 试验情况

1.1 试验条件

试验在I 型飞机和II 型飞机上开展，两型飞机均使用弹射角17°、背靠角13°、座面角8°的弹射座椅，座椅上下调节量均为60mm，座椅上下调节区域的中央位置称为“座椅中立位置参考点”。

I 型飞机和II 型飞机脚蹬行程均为±50mm，当脚蹬无外力作用时，脚蹬在自身回中力作用下停留的位置称为“脚蹬中立位置”，脚蹬和飞行员脚底的接触点为脚蹬参考点。I 型飞机和II 型飞机脚蹬中立位置参考点处于同一高度。I 型飞机脚蹬中立位置参考点距座椅中立位置参考点水平距离为875mm；II 型飞机脚蹬中立位置参考点距座椅中立位置参考点水平距离为950mm。

I 型飞机脚蹬前后调节量为±50mm，II 型为±70mm。

1.2 受测人员

本次测试中，受测飞行员均为男性，飞行经验均在200 小时以上，飞行员身高见表1。

表1 受测飞行员身高表

1.3 测试结果

飞行员分别在I、II 型飞机上将座椅调节至合适高度，对脚蹬蹬舵操作和刹车操作进行测试，各飞行员对I、II 型飞机脚蹬描述如下：

飞行员A：II 型机脚蹬调至最后则刚好合适，若身高更矮的飞行员受测，脚蹬会有蹬不到底的问题。

飞行员B：II 型机脚蹬向前调节接近最前，蹬舵舒适，身高185cm 的飞行员使用问题不大。

飞行员C：II 型机脚蹬很容易调整到舒适点，I 型机座椅挡腿板会搁脚。

飞行员D：II 型机脚蹬调好后，感觉座椅比I 型机更靠下，看I 型机平显要低头看，II 型机平显则平视，感觉很舒适。

飞行员E：I、II 型机脚蹬均可。

1.4 测试结果初步分析

根据GJB4856-2003《中国男性飞行员人体尺寸》[1]，见表2。忽略飞行员下肢尺寸分布差异，可近似将身高170cm 的飞行员A 作为第50 百分位数飞行员人体尺寸（171.0cm）代表；身高178cm、178cm、180cm 的飞行员B、C、D 作为第95 百分位数飞行员人体尺寸（179.8cm）代表；飞行员E 介于两者之间。

表2 中国男性飞行员人体数据统计表（部分）

因此，可以将飞行员原始描述转化为以下表述：

1）对于第50 百分位数人体尺寸飞行员，II 型机脚蹬调至最后位置，该尺寸飞行员处于最舒适状态，如该位置更向前则会导致无法操纵蹬舵全行程；

2）对于第95 百分位数人体尺寸飞行员，II 型机脚蹬容易调整到舒适点，且接近最前调节位置令人舒适；

3）对于第95 百分位数人体尺寸飞行员，I 型机脚蹬调至最前位置令人不够舒适；

4）对于第50 百分位数体尺寸飞行员，I 型机脚蹬位置仍令人舒适。

2 飞行员脚蹬舒适性尺寸链分析

飞行员脚蹬使用舒适，即要使飞行员蹬舵全行程过程中关节角度合适、发力顺畅、不受结构限制，向前蹬舵能至全部行程，向回蹬舵不致腿部过于蜷缩导致肌肉疲劳，以及在刹车时能有效发力。

根据人机工效学统计结果，在标准姿势下，人体下肢大腿轴线与椅面夹角α 的舒适角度为5°～20°[2，4]，大腿轴线与小腿轴线夹角β 的舒适角度为95°～135°[2-4]，大腿轴线与躯体轴夹角γ 的舒适角度为95°～135°[2]。且β 角大于160°时，脚蹬出力会急剧下降[2]。

在弹射座椅的特殊坐姿下，飞行员舒适感受与标准姿势舒适度有一定区别。为进一步分析飞行员对不同脚蹬舒适性评价的机理，根据飞行员人体统计数据构建飞行员脚蹬舒适性分析尺寸链，如图1 所示。

图1 脚蹬舒适性尺寸链分析图

根据飞行员表述1），第50 百分位数飞行员在II型机脚蹬调整至最后位置，该尺寸处于最舒适状态；即从脚蹬蹬至前极限位置到脚蹬蹬至后极限位置过程中，飞行员全行程可操纵且关节角度舒适。

假定第50 百分位数飞行员座椅调整至中立位置，通过尺寸链分析，蹬舵过程中α 角从-3.7°到12.4°（同时γ 角从98.7°到82.6°），β 角从116.1°到148.4°；脚蹬中位时，α 角5.9°，β 角129.4°，γ 角89.1°，见图2。从尺寸链分析可知，I 型机可将脚蹬调整至中立位置与II 型机调整至最后位置重合，印证了表述4）。

图2 第50 百分位数飞行员II 型机脚蹬舒适性尺寸链分析

根据表述2），第95 百分位数飞行员在脚蹬调节至接近最前位置时舒适。假定第95 百分位数飞行员座椅调整至最低位置，通过尺寸链分析，蹬舵过程中，α 角从-6.3°到13.4°（同时γ 角从101.3°到81.6°），β角从122.2°到159.5°；脚蹬中位时，α 角5.7°，β 角136.5°，γ 角89.3°，见图3。

图3 第95 百分位数飞行员II 型机脚蹬舒适性尺寸链分析

根据表述3），第95 百分位数飞行员在I 型机脚蹬最前调节位置不够舒适。通过尺寸链分析，此时大腿轴线和座椅椅面夹角为18.9°，大腿轴线和躯体轴夹角76.1°，大腿轴线和小腿轴线夹角为111.4°，见图4。

图4 I 型机不舒适尺寸链图

由以上分析可得，对于弹射角17°、背靠角13°、座面角8°的弹射座椅，向回蹬舵时，α 角小于13.4°、γ角大于81.6°时，飞行员感觉舒适，而α 角大于19°、γ角小于76°时，飞行员感受不舒适；向前蹬舵时，椅面处于中立位置，α 角小于-3.7°（大腿轮廓与椅面前缘距离约8.6mm），椅面处于最下位置，α 角小于-6.3°（大腿轮廓与椅面前缘距离约10.2mm）时蹬不到底，或β角大于160°时蹬不到底。座椅处于中立位置，脚蹬也处于中立调节位置时，飞行员感觉最舒适姿势的α 角为5.7°和5.9°，β 角为129.4°和136.5°，γ 角为89.1°和89.3°。

实际测量飞行员蹬舵下肢各角度舒适范围的结果要大于人机工效学标准情况下测量的各关节舒适性范围，这是否是飞行员群体特殊性和座椅特异性造成的？

进一步分析差异产生原因，考虑脚蹬使用工况，飞行员长期使用姿势为脚蹬放置于中立位置脚蹬上或脚置于地板上；蹬舵至最前和最后位置均为短时使用。因此，飞行员蹬舵中立位置各关节角度应贴近人机工效学标准情况下测量的各关节舒适性范围，这与实测中立位置角度情况相符；而蹬舵至最前和最后位置感觉舒适角度为短时发力可接受的舒适角度，应作为舒适性设计的补充设计要求。

3 脚蹬舒适性设计要求

在GJB35B-2008《歼(强)击机座舱几何尺寸》[5]中对脚蹬位置规定为：“脚蹬的最前调节位置，当座椅调到最下位置时，脚蹬中心点距座椅参考点的水平直线距离应不大于1030mm，此时脚蹬应处于蹬在最前位置。脚蹬的最后调节位置，当座椅调到最上位置时，脚蹬中心点距座椅参考点的水平直线距离应不大于935mm，此时脚蹬应处于蹬在最前位置。”这是从可达性进行考虑，以保证脚蹬设计与飞行员蹬腿可达区域匹配。

根据飞行员反馈可以看出，I 型机虽然满足国军标要求，但对于大尺寸飞行员舒适性不足，主要体现在回蹬脚蹬时大腿轴线与躯干轴线夹角过小；不仅如此，飞行员受座椅座面角和高度影响，往往不能使下肢完全蹬直，蹬腿可达性小于人体尺寸测量值。

为使脚蹬设计舒适，需要在国军标和通用人机工效学要求基础上，根据实测情况提出更加精细的舒适性设计要求。根据分析结果，整理出脚蹬舒适性设计要求有：

1）对于不同人体尺寸飞行员和对应座椅调节后高度，脚蹬调节范围应能保证在中立位置飞行员大腿轴线和座椅椅面夹角贴近5.8°；

2）脚蹬蹬舵前极限位置应当使大腿轮廓和座椅座面间隙不小于8mm，且大腿轴线和小腿轴线夹角不大于160°；

3）脚蹬蹬舵后极限位置应当使飞行员大腿轴线和座椅椅面夹角小于13.4°，不可超过19°。

根据第1 项设计要求，对于弹射角17°、背靠角13°、座面角8°的弹射座椅，第5 百分位数飞行员最舒适的脚蹬中位点距离座椅中立位置参考点水平距离为766mm，第50 百分位数飞行员的相应距离为856mm，第95 百分位数飞行员的相应距离为971mm，如图5所示。最舒适的脚蹬应布置在脚蹬中立位置参考点距离座椅中立位置参考点水平距离868.5mm 处，脚蹬前后调节范围不小于102.5mm。此状态下验证不同尺寸飞行员前蹬可达性和回蹬舒适性，均满足要求2 和要求3。

图5 理想状态脚蹬布置图

在座舱空间受限的情况下，则可根据要求2 确定第5 百分位数飞行员可达的脚蹬最远点，结合脚蹬运动行程，确定脚蹬调节的最后中立位置；根据要求3确定第95 百分位数飞行员回蹬舒适最近点，结合脚蹬运动行程，确定脚蹬调节的最前中立位置，如图6所示。对于尺寸要求更严苛的座舱，可以选择保证第5 百分位数飞行员脚蹬运动的部分行程，达到保证飞行安全的最低标准，可前移脚蹬调节的最后中立位置；或者增大第95 百分位数飞行员大腿轴线与座椅椅面之间夹角，牺牲部分舒适性，以后移脚蹬调节的最前中立位置。

图6 脚蹬尺寸裁剪示意图

4 结语

本文根据飞行员对两型飞机脚蹬使用舒适性的主观评估进行归类，建立了脚蹬舒适性分析尺寸链，使用尺寸链对飞行员主观评估内容进行了重现和分析，总结出脚蹬舒适性设计的要点，对国军标中脚蹬设计要求进行了补充。根据脚蹬设计要求提出了理想状态和在一定限制条件下的脚蹬舒适性设计参数和裁剪设计思路，可以为后续型号和其他同类型脚蹬设计提供参考。

目前的研究对飞行员部分人体参数没有实际测量，因此忽略飞行员下肢尺寸分布差异，这有待后续更多飞行员测试进行补充；另外对于大腿轴线和座椅椅面/躯干轴线夹角的舒适性边界目前只确定在13.4°至19°之间，其准确边界还需要进一步测试和分析。