人因工程在航天技术中的应用

I人因工程在航天技术中的应用摘要航空航天中的人因工程学运用人体测量学、生理学和生物力学等研究手段和方法，综合研究人体结构、功能、心理工程学和生物力学等问题，借以设计能使操纵员发挥最大效能的飞行器，特别是飞机驾驶舱和飞船指挥舱的设计。这一学科研究的主要内容是:人体特性测量、人-机（飞行器）系统设计、人-机界面设计。本论文详细介绍了如何利用人体特性测量、人-机（飞行器）系统设计、人-机界面设计来把人和机器的优点有机地结合起来，来提供舒适的工作环境（合适的温度、湿度、压力、大气成分和照明），以提高操纵员的工作效率。同时，舱内颜色、光强和气味等对飞行员和航天员的身体与心理也有影响。人-机界面设计人与飞行器进行信息交换的界面是显示器和操纵器。在设计显示器时，须充分考虑人感觉系统的能力，避免感觉的信息量太大，尤其是视觉显示量。解决的途径有：①根据人感觉系统的特点设计多种感觉通道显示器和混合显示器，如听觉指示器、触觉感受器和多通道显示器等；②把大量仪表同时显示的方式改为按时间顺序显示需要信息的方式；③用计算机辅助预处理大量信息，选择少量关键的信息加以显示。随着电子计算机在航空航天活动中的应用，航空航天人机工程学的研究重点是充分利用机载计算机的功能，使飞行人员和航天员与计算机更好地配合起来并具有充分的灵活性。关键词：人因工程，航空航天，人体测量学，人机界面II目录第1章绪论..................................................................................................1§1.1论文研究背景与意义.............................1§1.2人因工程学发展的原因...........................1§1.3论文研究内容...................................3第2章载人航天器的座舱结构设计.............................................................4§2.1意义.............................................4§2.2人机界面布局方式的演变..........................4§2.2.1以航天员视区分布为基础的空分制布局..........4§2.2.2基于电子显示仪表时分制显示的多功能综合布局..5§2.3乘员舱的结构布局.................................6第3章载人航天飞行任务中照明设计中的人因..........................................7§3.1照明在航天任务中的重要性.........................7§3.2照明设计指标.....................................8§3.3航天器舱内外照明的设计........................10§3.3.1舱内照明...................................10§3.3.2舱外照明设计...............................11第4章结论与前景.....................................................................................13参考文献......................................................................................................141第1章绪论§1.1论文研究背景与意义人类是万物之灵，人类在认识自然改造自然中衍生、进化、发展，也在这一过程中不断认识自己。随着科学技术的发展工具和机器不断改进提高，加上人本身的复杂性导致人机系统越来越复杂，其安全问题和效率问题日益突出，由此诞生了人因工程学这门新型综合性学科。它由工效学发展而来，解决人机系统在特定任务特定环境中人机关系（机适应人、人适应机）问题，达到安全、舒适和高效的目的。当前，航天人因工程研究的重点包括航天员能力特性、航天器人机界面及人机交互、人系统整合设计与评估、人员选训及人因可靠性四个研究方向，涵盖包括心理学、生物力学、脑与认知、人工控制、交互技术、人系统建模仿真等多学科领域。我国自1968年成立宇宙医学及工程研究所（航天医学工程研究所）起，不断推进人因工程在载人航天工程中的应用发展。经过22年载人航天飞行实践，我国航天人因工程研究紧贴工程研制实际，面向任务需求开展了人的能力特性规律、人机交互控制、工效学评价技术和方法学研究，取得了大量的成果，首次在国际著名期刊《科学》上以专刊形式集中向国际学术界介绍了我国航天人因研究成果，产生广泛影响。与此同时，还建立了符合工程实际的基本有效的管理模式，有力保障了载人航天任务的成功。§1.2人因工程学发展的原因进入20世纪70年代以后，随着电子技术的进步和计算机的广泛应用，操作系统对人的要求越来越高，系统中考虑人的因素也显得越来越重要。特别是美国三里岛核电站事件的发生，对人因工程学的发展起了很大的推动作用。1979年3月28日凌晨4点，在美国宾夕法尼亚洲哈里斯柏格附近的三2里岛核电站，一个临时的障碍引起该核电站一号机组供水系统和发动机自动关闭。在零点几秒之后，系统中建立的预备保险系统开始正常工作，提供新的供水系统。紧接着四个关键性的错误一起发生了，以从末有过的事实证明人在复杂系统中的表现是多么重要。第一个错误发生在故障发生之前。预备供水系统的管道被维修工人关闭了。而这个维修工人从此就没有上班。结果是核反应中心由于得不到循环冷水的供应以排除它的热量。温度开始升高，并把周围的冷水变成蒸汽。压力迅速升高。但是预备保险系统继续正常工作。圆形棒下降到反应堆使核反应程序放慢。压力释放闸打开了以释放在主冷却系统中产生的蒸汽。当压力下降到低于警戒水平后，自动释放闸收到了关闭的信号。正像在一个热循环系统中当屋内温度达到了一定的温度时，热循环系统就自行关闭一样。在这时，第二个错误发生了。由于闸门失灵，这个闸门并没有关闭。在发动机关闭的一分钟之内，三里岛核电站的操作人员正在试图从无数的红灯，警报中猜测到底发生了什么事。虽然根据他们过去受训的经验他们对事故有一个大概的了解，但有一个信号使他们误入歧途。压力释放显示器显示的是命令状态，而不是实际状态。操作人员以为压力释放闸是关闭的。这是第三个关键性的错误。同时，预备的自动保险系统继续工作。一个紧急水泵自动打开，开始向系统提供系统急需的冷却剂。在这里，操作人员做出了一个决定使也许是一个小事故变成了大灾难。由于屏幕显示压力已经很高，释放闸已经关闭，操作人员决定自己而不是用机器来控制系统。他们把紧急水泵关闭了。这个决定是基于操作人员的推测系统中的冷却剂太多了而不是太少了。反应堆得不到急需的冷却剂，事故很快就到了不可收拾的地步。事故的调查表明：第一，不是某一个失误，错误，事件或机器失灵导致这场事故。这场事故是由许多因素共同引起的。第二，人的错误是在许多不同的方面的，从操作人员错误地把紧急冷却剂关闭到设计人员设计闸门的显示器时告诉人们应当做什么，而不是闸门当时的状态。第三，也许是最重要的，大量的信息和复杂的显示形式超过了操作人员内在的，有限的能力，如注意力，记忆力，决策能力等。因此在三里岛事件中与在其他事件中一样，虽然人的错误是事故的直接原因，操作人员本身并没有什么过错，而是系统的设计者应当受到责备，因为他们给了操作人员无法胜任的工作。3人因工程发展的第二个原因是计算机的应用。20世纪80年代初期，当美国苹果公司的Mac上采用视窗显示。而Mac令人们忽然发现，以前电脑操作的成千上万条指令原来不需要背诵，只需要点一点鼠标就行了。它了解了人的记忆力的缺陷和视觉的优点，然后扬计算机之长，克操作者之短，使机器适应于人，而不是像传统的让人适应于机器。人因工程发展的第三个原因是随着人类社会的进步，人的价值越来越高，各种人身伤亡事故中，对人的赔偿金额也越来越高。事故发生之后，到底是谁的责任，律师们越来越希望借助于人因工程专家的观点来判断事故的真实原因，这就对人因工程产生了巨大的需求和促进作用。人因工程发展的第四个原因是人们对生活质量要求的提高。最初，人因工程主要是应用到工作场所。现在人们发现，在家庭和休闲中也涉及人因工程的内容。在家里学习时的座椅与办公室的座椅的设计要求是相同的或相似的，炒菜灶台的高低与工厂站着装配时工作面的高低差别不大。§1.3论文研究内容运用人因工程学的原理与方法详细分析了在载人航天器中的座舱结构、人机界面设计、以及宇航员在太空中生活的设计思路与成果。宇航员在舱内作业以及舱外作业即太空中作业如交会对接任务中的灯光设计，以符合人因工程学原理。4第2章载人航天器的座舱结构设计§2.1意义乘员舱是航天员生活和工作的场所,对它进行结构布局工效学研究(针对空间飞行条件下人的特性和任务要求,对舱内部件和仪表的位置按一定原则进行设计,使之合理布置在乘员舱空间内)的目的是充分发挥航天员的工作效率,以确保系统的安全可靠。根据国外经验,乘员舱结构布局工效学设计是载人航天器总体设计的一个重要环节,并且如何进行最佳的乘员舱结构布局工效学设计,已成为载人航天特别是中、长期载人航天飞行中进行系统结构设计时应解决的重要问题。§2.2人机界面布局方式的演变如上所述,乘员舱结构布局的工效学设计是关系到提高航天员工效、减轻工作负荷的重要课题。研究表明:人获取的信息大约70%～80%来自视觉。在与外界隔绝的乘员舱内,航天员得到飞行信息的主要途径之一是观察仪表显示器。因此,载人航天器仪表的发展对乘员舱结构布局的演变具有重大影响。另外，由于开关、按钮、操作杆之类的控制器是航天员进行姿态控制等飞行操作的手段，它们都随着仪表板布局方式的确定而确定。因此,可以认为,仪表板的布局决定了座舱布局方式。§2.2.1以航天员视区分布为基础的空分制布局70年代以前,美国、前苏联的载人航天器大多采用机电式仪表,其乘员舱的布局一般借鉴当时通行的飞机座舱的“T”形布局,即根据航天员任务特点,确定与人员操作关系最重要的仪表,如全姿态仪、地平仪、飞行高度表等,构成基本仪表,将它们放在主视区,为了提醒航天员注意,通常用白线把它们框起来。当然,除此之外还有一些次要的飞行仪表,空分制布局在工效学研究中所体现的主要特点是:5(1)信息显示与操纵动作协调一致,便于判读,易于理解。机电式仪表一般均为垂直刻度的带式仪表,采用活动刻度带和固定参考基准。沿纵向参考基准线显示各种与飞行方向、滚转等有关信息;沿横向显示各种偏航、俯仰、过载等有关。信息,这就便于观察和相互参照,更重要的是,仪表显示和操纵动作的方向与幅值都协调一致,有利于判读扫描和引入指引信息。(2)航天员操纵信息来源广泛,即它可以获得仪表显示的实时值和经过载人航天器系统的飞行指引计算机加工的指令值,据此来进行操作,将能提高工效及减轻工作负荷。(3)空分制布局一经确定,被显示的信息也就随着仪表的位置固定后其显示位置也不会改变。因此,便于航天员熟悉、判读以及仪表板的标准化。图2-1飞机仪表盘的空分制布局§2.2.2基于电子显示仪表时分制显示的多功能综合布局飞行操作任务的日趋增多和复杂,使得与使用机电式仪表相对应的空分制布局的缺陷也愈发凸现。例如,它随着机械显示仪表数量的不断增多而越来越拥挤不堪。其次,空分制专用的机械显示仪表始终占据固定位置,利用率不高,还会分散航天员的注意力。此外,机械显示元件占有固定空间,所以其显示的隐现和转换困难,位移受机械限制,特别是在复杂任务工况的条件下,空分制布局必将限制机电式仪表的信息容量、灵活性和功能。随着电子和计算机技术的进一步发展,70年代后期,电子显示仪表进入了工程实用阶段,例如当时的“联盟”号飞船和“天空