罗 漫，张晓萍，吴程程，夏 明

(中国商飞北京民用飞机技术研究中心，北京 102200)

引言

在民用飞机的设计理念中，过去常关注飞机安全性、经济性等因素，随着时代和技术的发展，越来越多的旅客选择航空出行，民用飞机要接受航空公司和乘客的最终检验，了解机组、乘客乘坐体验感愈来愈受到关注。客舱是乘客乘机出行的主要活动空间，是飞机中乘客舒适性的重要关联环境，改善飞机舱室的舒适性成为提升飞机竞争力的一项重要指标[1]。

客舱舒适性的影响因素众多，客舱内一些总体参数如行李箱尺寸、座椅尺寸、客舱高度、舷窗尺寸等的相互连带关系，除考虑适航和技术的约束外，更重要的是考虑人机功效原理，以设计出更符合人体工程学、更为舒适的客舱。当前国内外研究者针对客舱舒适性问题开展了大量测试调研工作[2-5]，包括空气问题、相对湿度、座舱压力以及二氧化碳浓度等，但较少有针对舷窗视野的舒适性评价研究。在民用飞机客舱中，舷窗位于飞机机身两侧，为客舱提供辅助采光。由于飞机是一个狭小封闭空间，飞机舷窗是乘客了解机外情况的唯一路径，特别是在载客量大的远程飞机中，舷窗是除了客舱座椅、客舱环境、娱乐系统之外的最重要的影响乘客舒适性的外部因素。合理的舷窗设计能给乘客一个舒适的视觉和视野效果，减少乘客的心理负担，增加乘客的舒适性。

针对舒适性评价方法主要分为主观评价与客观评价两种，其中主观评价方法是指利用各种主观量表、调查问卷或访谈等形式来获取被试者的主观舒适性评价[6]，舷窗舒适性验证若利用纯物理舱段进行评估，舱段价格昂贵且耗费时间和人力。本文利用半物理仿真的混合现实技术进行舷窗舒适性验证，借助CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)沉浸式虚拟现实显示系统，开发了一种舷窗人因因素分析评估方法，并开展舒适性验证，以获得最佳舒适度的客舱舷窗设计特征，对民机客舱舷窗设计具有较高的工程应用价值。

1 机型参数

针对某机型开展客舱舷窗设计及舒适性验证工作，该常规布局客机翼展约30.0 m，主轮距约6.0 m，机身长度35.0 m。外形如图1所示，采用超临界后掠下单翼、流线形机头、等值段机身及蜂腰式后机身，安装正常式尾翼及双发翼吊发动机，前三点式起落架。

图1 某型客机外形示意图Fig.1 A type of civil aviation configuration

2 客舱舷窗设计

2.1 主要设计原则

客舱舷窗包括透明材料、框架、遮阳板等，主要安装在休息室、厨房、盥洗室、衣帽间等区域。客舱舷窗设计过程中的主要原则包括[7-9]：

1)客舱舷窗布置在飞机机身结构框和长桁交纵的隔断之间，通常不打断结构的连续性，舷窗间距由机身框距决定。综合考虑舷窗的尺寸和位置与机身框、长桁的总体布置紧密相关；

2)舷窗的尺寸和位置应使尽可能多的乘客有较好的外部视角，在满足舒适性的条件下，应与机身总体结构布置相协调，尽可能对机身结构的影响最小。

2.2 乘客视野人因设计

人的视觉特性在空间设计中尤其是作业空间的布局设计中是重要的因素之一，飞机舷窗的重要功能是满足乘客观看机外的视野要求，视野范围是舷窗设计时需要考虑的主要因素[10]。在上述设计原则的基础上，舷窗尺寸和位置最重要的需要考虑到基于乘客视野的人因设计，这主要与靠近客舱舱壁的乘客坐姿眼高、视野范围和座椅尺寸有关[11-13]。

在乘客视野人因设计过程中，由于设计对象的使用群体是面向全球市场的机型，因此采用基于BS EN ISO 3411:2007《土方机械司机的身材尺寸与司机的最小活动空间》的国际标准人体尺寸，考虑到舷窗的人因设计主要考虑到乘客的舒适性，无特殊的作业要求，因此对该标准取5百分位至95百分位的人体数据，以满足大部分人群的要求。

乘客视野的确定根据上下左右的视线偏移角度来确定，其中乘客垂直平面视野根据MIL-STD-1472F《军事装备和设施的人机工程设计准则》在垂直面内正常视线是向下15°。人体眼球转动的最优视角是正常视线向上和向下各偏移15°，即0°和-30°之间。乘客在水平面内的视野根据NASA/SP-2010-3407/REV1《人整合设计手册》确定，人体头部旋转的角度最大值为73°，眼球转动的最优视角是向左和向右各偏移15°。

2.3 舷窗设计结果

客舱舷窗在垂直平面的视野应可以满足5百分位到95百分位的人在靠近窗户的座位上以水平直视至向下30°观察机身外部，根据机身剖面形状及座椅布置，可确定靠侧窗旅客的位置。当座椅高度选择较高值，选择95百分位人群的坐姿眼高时，人的眼高为h1，舷窗上沿高度取h2；当座椅高度选择较低值，选择5百分位人群的坐姿眼高时，人的眼高为h3，眼线向下30 °高度为h4，舷窗下沿高度取h5。垂直平面的尺寸定义如图2所示。

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

客舱舷窗在水平面的视野可以满足靠近窗户的乘客头部旋转73°的情况下，向左和向右各偏移15°，水平面的尺寸定义如图3所示。

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

本研究中共设计了A、B、C三种不同的舷窗模型，主要参数如表1所示。

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

3 舷窗舒适性验证研究

3.1 基于CAVE系统的试验环境

CAVE系统是通过多个屏幕搭建出一个洞穴式空间，在工业设计展示、以及数据可视化表现方面具有较大优势，具备较高的展示大规模画面的能力[14，15]。本研究试验环境采用中国商飞北研中心的CAVE沉浸式虚拟现实显示系统(图4)，主要由五面十三通道硬幕立体投影显示系统、跟踪系统、渲染集群、中控、应用软件等组成，该系统是世界上第一个五面全玻璃的CAVE系统，利用虚拟现实技术帮助飞机设计开展工作，包括客舱选型、虚拟装配、人机功效验证等工作，该系统经过验证能够对需要显示的数模进行1∶1的几何还原。

图4 商飞公司CAVE系统Fig.4 CAVE system of COMAC

舷窗舒适性验证试验将CATIA模型导入到CAVE系统中，经过模型处理，材质渲染、阴影处理、灯光模拟等达到展示的效果。三维全景模型包括飞机中部机身筒段、左侧机翼及发动机、位于机翼上方的连续三个舷窗、舷窗附近的座椅、座椅上方行李箱及PSU、座椅尽头的盥洗室模型，如图5所示。

图5 三维全景模型Fig.5 3D panoramic model

本文选用三种舷窗模型A、B和C进行对比试验，三名观察者就坐于摆放在CAVE里的实体椅子上并佩戴视觉追踪眼镜，用于模拟乘客就坐于靠近客舱舱壁的座椅，并通过程序依此切换三个舷窗模型，该眼镜是光学摄像机对佩戴者的眼镜位置进行实时追踪，软件计算后显示相应位置的虚拟环境。由于飞机乘客的身高及坐高均不同，为保证试验客观性，通过视觉追踪眼睛将三名观察者的眼点高度调为一致，在试验过程中保证客观条件一致的情况下，比较了三名观察者的主观感受，观察者的试验状态如图6所示。

图6 三名观察者测试舷窗舒适性Fig.6 Three observers test porthole comfort

3.2 试验数据

做试验的眼点高度采用了模型A的设计眼高，共选取两个眼点高度：眼点1是95百分位人群坐在较高座椅时的眼点高度为h6，重点看上眼位的空间；眼点2是5百分位人群坐在较低座椅时的眼点高度为h7，重点看下眼位的空间。三个舷窗模型如图7所示，其中模型B比模型A外形更为短圆，模型C比模型A外形更为狭长，模型B的中心线高度介于模型A和C之间。

图7 三个舷窗模型Fig.7 Three porthole models

三名观察者在两个眼点高度下对三个舷窗模型的舒适性感受如表2～表4所示。

表2 观察者甲主观舒适性评价Table 2 Subjective comfort evaluation of observer A

表3 观察者乙主观舒适性评价Table 3 Subjective comfort evaluation of observer B

表4 观察者丙主观舒适性评价Table 4 Subjective comfort evaluation of observer C

3.3 试验分析

根据多个观察者对视野的主观舒适性评价，对各个舷窗模型的分析如下：

1)以眼点1观察舷窗上沿时，模型A的上沿合适，模型B上沿较低视野略受限，模型C上沿过高比较浪费；由于试验的眼点是模型A的设计眼点高度，且模型A的上沿高度介于模型B和C之间，因此观察者的主观评价结果符合客观情况。

2)以眼点2观察舷窗下沿时，模型C下沿受限最严重，尽管模型B的下沿高度同样高于模型A，但视野下沿却比模型A的视野更舒适。

3)以眼点1和眼点2观察舷窗左右侧时，模型C水平视野受限最严重，看远处有聚拢感，模型A其次，模型B最优，视野较为开阔；由于实际模型尺寸中B最宽，模型C最窄，因此试验结果符合客观情况。

根据观察者反馈的上述测试结果，模型C狭长形的舷窗视野舒适性不如模型B短圆形的舷窗；模型B即使下沿高度稍高，但宽度可以弥补向下的视野受限的不足；模型A的各个参数介于模型B和C之间，总体来看模型A和B的视野舒适性较为接近，均比模型C的设计更为合理。

4 结论

通过研究民机客舱舷窗对乘客外部视野效果的影响，基于CAVE系统开展仿真模拟，进行了舷窗尺寸及位置的人因设计,并将多种舷窗模型进行舒适性验证和对比分析。得到如下结论：

1)在同类机型的舷窗中，短圆形的舷窗比狭长形的舷窗带来的主观舒适性体验感更好，在考虑到机身总体布置和结构强度的情况，加大舷窗宽度是增加乘客舒适性的一种的方法；

2)本文提出的基于CAVE系统的舷窗人因设计和舒适性验证方法在设计的初步阶段即考虑到了舒适性因素并做了初步的验证，具有方案优化和指导作用，虚拟现实技术的运用能够节省时间和资金，对民机总体布置和客舱舒适性研究具有较高应用价值。