人因工程在航天技術(shù)中的應(yīng)用

1、人因工程在航天技術(shù)中的應(yīng)用摘要航空航天中的人因工程學(xué)運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)、生理學(xué)和生物力學(xué)等研究手 段和方法，綜合研究人體結(jié)構(gòu)、功能、心理工程學(xué)和生物力學(xué)等問題，借以 設(shè)計(jì)能使操縱員發(fā)揮最大效能的飛行器，特別是飛機(jī)駕駛艙和飛船指揮艙的 設(shè)計(jì)。這一學(xué)科研究的主要內(nèi)容是：人體特性測(cè)量、人-機(jī)（飛行器）系統(tǒng)設(shè) 計(jì)、人-機(jī)界面設(shè)計(jì)。本論文詳細(xì)介紹了如何利用人體特性測(cè)量、人 -機(jī)（飛行器）系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 人-機(jī)界面設(shè)計(jì)來(lái)把人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，來(lái)提供舒適的工作環(huán) 境（合適的溫度、濕度、壓力、大氣成分和照明），以提高操縱員的工作效 率。同時(shí)，艙內(nèi)顏色、光強(qiáng)和氣味等對(duì)飛行員和航天員的身體與心理也有影 響。人-

2、機(jī)界面設(shè)計(jì)人與飛行器進(jìn)行信息交換的界面是顯示器和操縱器。 在設(shè)計(jì)顯示器時(shí)，須充分考慮人感覺系統(tǒng)的能力，避免感覺的信息量太大， 尤其是視覺顯示量。解決的途徑有：根據(jù)人感覺系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)多種感覺 通道顯示器和混合顯示器，如聽覺指示器、觸覺感受器和多通道顯示器等； 把大量?jī)x表同時(shí)顯示的方式改為按時(shí)間順序顯示需要信息的方式；用計(jì)算機(jī)輔助預(yù)處理大量信息，選擇少量關(guān)鍵的信息加以顯示。隨著電子計(jì)算機(jī)在航空航天活動(dòng)中的應(yīng)用， 航空航天人機(jī)工程學(xué)的研究 重點(diǎn)是充分利用機(jī)載計(jì)算機(jī)的功能，使飛行人員和航天員與計(jì)算機(jī)更好地配 合起來(lái)并具有充分的靈活性。關(guān)鍵詞：人因工程，航空航天，人體測(cè)量學(xué)，人機(jī)界面目錄 TOC o

3、1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 第1章緒論1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1論文研究背景與意義 1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.2人因工程學(xué)發(fā)展的原因 1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3論文研究?jī)?nèi)容3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 第2章載人航天器的座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 HYPERLINK l book

4、mark22 o Current Document 2.1意義 4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.2人機(jī)界面布局方式的演變 42.2.1以航天員視區(qū)分布為基礎(chǔ)的空分制布局 42.2.2基于電子顯示儀表時(shí)分制顯示的多功能綜合布局 .5 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.3乘員艙的結(jié)構(gòu)布局 6 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 第3章 載人航天飛行任務(wù)中照明設(shè)計(jì)中的人因 7 HYPERLINK l bookmark54 o Current

5、 Document 3.1照明在航天任務(wù)中的重要性 7 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 3.2照明設(shè)計(jì)指標(biāo)8 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 3.3航天器艙內(nèi)外照明的設(shè)計(jì) 103.3.1艙內(nèi)照明 103.3.2艙外照明設(shè)計(jì)11 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 第4章結(jié)論與前景13 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 參考文獻(xiàn)14第1章緒論1.1論文研究背景與意義人類是萬(wàn)物之靈，人類在認(rèn)識(shí)自然改

6、造自然中衍生、進(jìn)化、發(fā)展，也在 這一過程中不斷認(rèn)識(shí)自己。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展工具和機(jī)器不斷改進(jìn)提高， 加上人本身的復(fù)雜性導(dǎo)致人機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，其安全問題和效率問題日益 突出，由此誕生了人因工程學(xué)這門新型綜合性學(xué)科。它由工效學(xué)發(fā)展而來(lái)， 解決人機(jī)系統(tǒng)在特定任務(wù)特定環(huán)境中人機(jī)關(guān)系 （機(jī)適應(yīng)人、人適應(yīng)機(jī)）問題， 達(dá)到安全、舒適和高效的目的。當(dāng)前，航天人因工程研究的重點(diǎn)包括航天員能力特性、航天器人機(jī)界面 及人機(jī)交互、人系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)與評(píng)估、人員選訓(xùn)及人因可靠性四個(gè)研究方向， 涵蓋包括心理學(xué)、生物力學(xué)、腦與認(rèn)知、人工控制、交互技術(shù)、人系統(tǒng)建模 仿真等多學(xué)科領(lǐng)域。我國(guó)自1968年成立宇宙醫(yī)學(xué)及工程研究所（航

7、天醫(yī)學(xué) 工程研究所）起，不斷推進(jìn)人因工程在載人航天工程中的應(yīng)用發(fā)展。經(jīng)過 22年載人航天飛行實(shí)踐，我國(guó)航天人因工程研究緊貼工程研制實(shí)際，面向 任務(wù)需求開展了人的能力特性規(guī)律、人機(jī)交互控制、工效學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)和方法 學(xué)研究，取得了大量的成果，首次在國(guó)際著名期刊科學(xué)上以?？问郊?中向國(guó)際學(xué)術(shù)界介紹了我國(guó)航天人因研究成果，產(chǎn)生廣泛影響。與此同時(shí)， 還建立了符合工程實(shí)際的基本有效的管理模式，有力保障了載人航天任務(wù)的成功。1.2人因工程學(xué)發(fā)展的原因進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用， 操作系統(tǒng)對(duì)人的要求越來(lái)越高，系統(tǒng)中考慮人的因素也顯得越來(lái)越重要。特 別是美國(guó)三里島核電站事件的

8、發(fā)生， 對(duì)人因工程學(xué)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作 用。1979年3月28日凌晨4點(diǎn)，在美國(guó)賓夕法尼亞洲哈里斯柏格附近的三 里島核電站，一個(gè)臨時(shí)的障礙引起該核電站一號(hào)機(jī)組供水系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng) 關(guān)閉。在零點(diǎn)幾秒之后，系統(tǒng)中建立的預(yù)備保險(xiǎn)系統(tǒng)開始正常工作，提供新 的供水系統(tǒng)。緊接著四個(gè)關(guān)鍵性的錯(cuò)誤一起發(fā)生了，以從末有過的事實(shí)證明 人在復(fù)雜系統(tǒng)中的表現(xiàn)是多么重要。第一個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生在故障發(fā)生之前。預(yù)備供水系統(tǒng)的管道被維修工人關(guān)閉 了。而這個(gè)維修工人從此就沒有上班。結(jié)果是核反應(yīng)中心由于得不到循環(huán)冷 水的供應(yīng)以排除它的熱量。溫度開始升高，并把周圍的冷水變成蒸汽。壓力 迅速升高。但是預(yù)備保險(xiǎn)系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。圓形棒下

9、降到反應(yīng)堆使核反應(yīng)程序放 慢。壓力釋放閘打開了以釋放在主冷卻系統(tǒng)中產(chǎn)生的蒸汽。當(dāng)壓力下降到低 于警戒水平后，自動(dòng)釋放閘收到了關(guān)閉的信號(hào)。正像在一個(gè)熱循環(huán)系統(tǒng)中當(dāng) 屋內(nèi)溫度達(dá)到了一定的溫度時(shí)，熱循環(huán)系統(tǒng)就自行關(guān)閉一樣。在這時(shí)，第二 個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生了。由于閘門失靈，這個(gè)閘門并沒有關(guān)閉。在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的一分鐘之內(nèi)，三里島核電站的操作人員正在試圖從無(wú)數(shù) 的紅燈，警報(bào)中猜測(cè)到底發(fā)生了什么事。雖然根據(jù)他們過去受訓(xùn)的經(jīng)驗(yàn)他們 對(duì)事故有一個(gè)大概的了解，但有一個(gè)信號(hào)使他們誤入歧途。壓力釋放顯示器 顯示的是命令狀態(tài)，而不是實(shí)際狀態(tài)。操作人員以為壓力釋放閘是關(guān)閉的。 這是第三個(gè)關(guān)鍵性的錯(cuò)誤。同時(shí)，預(yù)備的自動(dòng)保險(xiǎn)系統(tǒng)繼續(xù)工

10、作。一個(gè)緊急水泵自動(dòng)打開，開始向 系統(tǒng)提供系統(tǒng)急需的冷卻劑。在這里，操作人員做出了一個(gè)決定使也許是一 個(gè)小事故變成了大災(zāi)難。由于屏幕顯示壓力已經(jīng)很高，釋放閘已經(jīng)關(guān)閉，操 作人員決定自己而不是用機(jī)器來(lái)控制系統(tǒng)。他們把緊急水泵關(guān)閉了。這個(gè)決 定是基于操作人員的推測(cè)系統(tǒng)中的冷卻劑太多了而不是太少了。反應(yīng)堆得不到急需的冷卻劑，事故很快就到了不可收拾的地步。事故的調(diào)查表明：第一，不是某一個(gè)失誤，錯(cuò)誤，事件或機(jī)器失靈導(dǎo)致 這場(chǎng)事故。這場(chǎng)事故是由許多因素共同引起的。第二，人的錯(cuò)誤是在許多不 同的方面的，從操作人員錯(cuò)誤地把緊急冷卻劑關(guān)閉到設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)閘門的顯示器時(shí)告訴人們應(yīng)當(dāng)做什么，而不是閘門當(dāng)時(shí)的狀態(tài)。第三

11、，也許是最重要 的，大量的信息和復(fù)雜的顯示形式超過了操作人員內(nèi)在的，有限的能力，如 注意力，記憶力，決策能力等。因此在三里島事件中與在其他事件中一樣， 雖然人的錯(cuò)誤是事故的直接原因，操作人員本身并沒有什么過錯(cuò)，而是系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)受到責(zé)備，因?yàn)樗麄兘o了操作人員無(wú)法勝任的工作。人因工程發(fā)展的第二個(gè)原因是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初期，當(dāng)美國(guó)蘋果公司的 Mac上采用視窗顯示。而 Mac令人們忽然發(fā)現(xiàn)，以前電腦 操作的成千上萬(wàn)條指令原來(lái)不需要背誦，只需要點(diǎn)一點(diǎn)鼠標(biāo)就行了。它了解 了人的記憶力的缺陷和視覺的優(yōu)點(diǎn)，然后揚(yáng)計(jì)算機(jī)之長(zhǎng)，克操作者之短，使 機(jī)器適應(yīng)于人，而不是像傳統(tǒng)的讓人適應(yīng)于機(jī)器。人因

12、工程發(fā)展的第三個(gè)原因是隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，人的價(jià)值越來(lái)越 高，各種人身傷亡事故中，對(duì)人的賠償金額也越來(lái)越高。事故發(fā)生之后，到 底是誰(shuí)的責(zé)任，律師們?cè)絹?lái)越希望借助于人因工程專家的觀點(diǎn)來(lái)判斷事故的 真實(shí)原因，這就對(duì)人因工程產(chǎn)生了巨大的需求和促進(jìn)作用。人因工程發(fā)展的第四個(gè)原因是人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高。最初，人因 工程主要是應(yīng)用到工作場(chǎng)所。現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)，在家庭和休閑中也涉及人因工 程的內(nèi)容。在家里學(xué)習(xí)時(shí)的座椅與辦公室的座椅的設(shè)計(jì)要求是相同的或相似 的，炒菜灶臺(tái)的高低與工廠站著裝配時(shí)工作面的高低差別不大。1.3論文研究?jī)?nèi)容運(yùn)用人因工程學(xué)的原理與方法詳細(xì)分析了在載人航天器中的座艙結(jié)構(gòu)、 人機(jī)界面設(shè)計(jì)、以

13、及宇航員在太空中生活的設(shè)計(jì)思路與成果。宇航員在艙內(nèi)作業(yè)以及艙外作業(yè)即太空中作業(yè)如交會(huì)對(duì)接任務(wù)中的燈 光設(shè)計(jì)，以符合人因工程學(xué)原理。第2章載人航天器的座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1意義乘員艙是航天員生活和工作的場(chǎng)所，對(duì)它進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局工效學(xué)研究（針 對(duì)空間飛行條件下人的特性和任務(wù)要求，對(duì)艙內(nèi)部件和儀表的位置按一定原 則進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之合理布置在乘員艙空間內(nèi)）的目的是充分發(fā)揮航天員的工作 效率,以確保系統(tǒng)的安全可靠。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，乘員艙結(jié)構(gòu)布局工效學(xué)設(shè)計(jì)是 載人航天器總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，并且如何進(jìn)行最佳的乘員艙結(jié)構(gòu)布局 工效學(xué)設(shè)計(jì)，已成為載人航天特別是中、長(zhǎng)期載人航天飛行中進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)解決的重要問題

14、。2.2人機(jī)界面布局方式的演變?nèi)缟纤?，乘員艙結(jié)構(gòu)布局的工效學(xué)設(shè)計(jì)是關(guān)系到提高航天員工效、減 輕工作負(fù)荷的重要課題。研究表明:人獲取的信息大約70 %80 %來(lái)自視覺。 在與外界隔絕的乘員艙內(nèi)，航天員得到飛行信息的主要途徑之一是觀察儀表 顯示器。因此，載人航天器儀表的發(fā)展對(duì)乘員艙結(jié)構(gòu)布局的演變具有重大影 響。另外，由于開關(guān)、按鈕、操作桿之類的控制器是航天員進(jìn)行姿態(tài)控制等 飛行操作的手段，它們都隨著儀表板布局方式的確定而確定。因此，可以認(rèn)為，儀表板的布局決定了座艙布局方式。2.2.1以航天員視區(qū)分布為基礎(chǔ)的空分制布局70年代以前，美國(guó)、前蘇聯(lián)的載人航天器大多采用機(jī)電式儀表 ，其乘員艙 的布局一般

15、借鑒當(dāng)時(shí)通行的飛機(jī)座艙的 “T”形布局，即根據(jù)航天員任務(wù)特點(diǎn)， 確定與人員操作關(guān)系最重要的儀表，如全姿態(tài)儀、地平儀、飛行高度表等，構(gòu) 成基本儀表，將它們放在主視區(qū)，為了提醒航天員注意，通常用白線把它們框 起來(lái)。當(dāng)然，除此之外還有一些次要的飛行儀表，空分制布局在工效學(xué)研究中 所體現(xiàn)的主要特點(diǎn)是：信息顯示與操縱動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，便于判讀，易于理解。機(jī)電式儀表一般均為垂直刻度的帶式儀表，采用活動(dòng)刻度帶和固定參考基準(zhǔn)。沿縱向參考 基準(zhǔn)線顯示各種與飛行方向、滾轉(zhuǎn)等有關(guān)信息；沿橫向顯示各種偏航、俯仰、過載等有關(guān)。信息，這就便于觀察和相互參照，更重要的是，儀表顯示和操縱動(dòng) 作的方向與幅值都協(xié)調(diào)一致，有利于判讀掃

16、描和引入指引信息。航天員操縱信息來(lái)源廣泛，即它可以獲得儀表顯示的實(shí)時(shí)值和經(jīng)過 載人航天器系統(tǒng)的飛行指引計(jì)算機(jī)加工的指令值，據(jù)此來(lái)進(jìn)行操作，將能提高 工效及減輕工作負(fù)荷?？辗种撇季忠唤?jīng)確定，被顯示的信息也就隨著儀表的位置固定后其 顯示位置也不會(huì)改變。因此，便于航天員熟悉、判讀以及儀表板的標(biāo)準(zhǔn)化。ORight time and altitude displayfill altitude displayo*guiding geographical position showingpush-buttoricontrol unit圖2-1飛機(jī)儀表盤的空分制布局2.2.2基于電子顯示儀表時(shí)分制顯示的多功能

17、綜合布局飛行操作任務(wù)的日趨增多和復(fù)雜，使得與使用機(jī)電式儀表相對(duì)應(yīng)的空分 制布局的缺陷也愈發(fā)凸現(xiàn)。例如，它隨著機(jī)械顯示儀表數(shù)量的不斷增多而越 來(lái)越擁擠不堪。其次，空分制專用的機(jī)械顯示儀表始終占據(jù)固定位置，利用率 不高，還會(huì)分散航天員的注意力。此外，機(jī)械顯示元件占有固定空間，所以其顯 示的隱現(xiàn)和轉(zhuǎn)換困難，位移受機(jī)械限制，特別是在復(fù)雜任務(wù)工況的條件下，空 分制布局必將限制機(jī)電式儀表的信息容量、靈活性和功能。隨著電子和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，70年代后期，電子顯示儀表進(jìn)入了工程實(shí)用階段，例如 當(dāng)時(shí)的“聯(lián)盟”號(hào)飛船和“天空實(shí)驗(yàn)室”都廣泛使用電子顯示儀表，大大改變了顯示內(nèi)容的靈活性，它可以根據(jù)特定的飛行

18、任務(wù)和飛行階段，分成若干典 型的工作狀態(tài)。每一個(gè)工作狀態(tài)僅顯示此階段航天員操作需要的幾種信息，亦即時(shí)分制顯示，其主要優(yōu)點(diǎn)是：電子顯示儀表能夠一表多用，即具有多種功能，這樣大大減少了儀表數(shù)量和占用儀表板的空間，可緩和儀表板擁擠的矛盾，并且只將航天員在不同 飛行階段或不同情況下所需的各種信息實(shí)時(shí)地綜合顯示在12個(gè)畫面上,避免了無(wú)關(guān)信息顯示的干擾和縮小感知信息的現(xiàn)場(chǎng)，從而提高判讀工效。電子顯示儀表分系統(tǒng)是利用船載計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸總線、電子顯示器和多功能鍵盤，使各種設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)信息數(shù)字化，按時(shí)分制原則(根據(jù)實(shí)時(shí)需要的先后，匯總傳輸)進(jìn)行綜合顯示和控制的。因此它能夠?qū)⑼瑯拥?信息同時(shí)多路傳輸顯示，

19、利用多功能鍵盤實(shí)現(xiàn)集中控制，可減少和簡(jiǎn)化操作動(dòng) 作，減輕操作負(fù)荷和提高操作精度。具有較好的功能擴(kuò)充性，例如使得有可能在不增加硬件復(fù)雜性的前提下,應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)來(lái)完成航天員的某些工作。另外，語(yǔ)音控制是近年來(lái)發(fā)展的飛行自動(dòng)化方面的一項(xiàng)新技術(shù)，它采用語(yǔ)言識(shí)別技術(shù)，通過使計(jì)算 機(jī)理解人所發(fā)出的語(yǔ)言指令來(lái)操作被控對(duì)象。這樣的功能擴(kuò)充不僅可以減輕 航天員操作的體力負(fù)荷，而且也能縮短人的反應(yīng)時(shí)。電子顯示儀表的光學(xué)字符形式靈活多樣，可用編程方法實(shí)現(xiàn)任意的 字符形式，有利于提高航天員的操作工效。正是由于電子顯示儀表具有這樣一些突出的優(yōu)點(diǎn)，它們已成為目前乘員艙內(nèi)的主要顯示儀表，而使傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表逐漸退居次

20、要位置 ，并引起艙內(nèi) 儀表板布局發(fā)生根本性變化，突出的一點(diǎn)就是打破了以往的空分制布局特點(diǎn)，形成所謂的“多功能綜合布局乘員艙”。2.3乘員艙的結(jié)構(gòu)布局目前，在進(jìn)行乘員艙結(jié)構(gòu)布局工效學(xué)研究時(shí)，一般考慮航天員人體測(cè)量學(xué) 的靜態(tài)數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)尺寸)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(功能尺寸)，大多數(shù)情況下，因?yàn)橐紤]身 體各部位的關(guān)聯(lián)與影響，從而必須基于功能尺寸作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于 空間飛行條件的限制，它又要比地面環(huán)境中考慮更多一層的因素。總之，其研究集中在：座艙的基本尺寸的工效學(xué)設(shè)計(jì)，與飛機(jī)座艙比較類似，都以人體測(cè)量 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但由于空間失重及其它環(huán)境因素的影響，又具有自己的特點(diǎn)。例 如，失重使人取中線體位，穿航天服

21、引起的肢體活動(dòng)范圍減小 ，并且微重力條 件下人體運(yùn)動(dòng)方式為漂浮而不是立姿行走等等。針對(duì)這些特性，國(guó)外已發(fā)布 的基本數(shù)據(jù)是：由于著航天服，設(shè)計(jì)的人體基本尺寸應(yīng)增加 4 %5 % ,特別是 特殊要求的艙外活動(dòng)航天服時(shí),這個(gè)比例可達(dá)20 %30 %。最終乘員艙幾何尺寸應(yīng)至少使第5百分位數(shù)至第95百分位數(shù)的航天員便于操作和保證第1百分位數(shù)至第99百分位數(shù)的航天員均能安全操作及應(yīng)急逃逸。（2）航天員操作可達(dá)性的工效學(xué)研究，所有的控制裝置應(yīng)是航天員在正 常操作位置上可達(dá)的，其布置和選取要考慮在各種應(yīng)急過載條件下的操作能力。此外，儀表和顯示器的顯示面要盡量垂直于操作者的正常視線，兩者夾角（視角）不小于45（

22、3）顯示器排列和安裝的工效學(xué)，須防止由于其周邊對(duì)光線的反射而影響對(duì)其它儀表的判讀，如有必要可采取屏蔽和濾光等技術(shù)措施來(lái)確保對(duì)所有 儀表的判讀。并且在控制裝置位于它所控制的儀表附近時(shí)，則這些裝置的排列,應(yīng)使得在操作它們時(shí)，手不會(huì)影響對(duì)儀表的觀察。同時(shí)，對(duì)由于錯(cuò)誤或不當(dāng) 心的操作與動(dòng)作（如誤觸、誤碰）會(huì)引起重大事故的控制裝置，須提供防差錯(cuò)設(shè) 計(jì)。此外，功能上相關(guān)的儀表、顯示器與控制件，應(yīng)排列在一起，與顯示器有關(guān) 的控制裝置要力求布在靠近顯示器的位置。并且，使用頻繁的顯示器須安排 在最佳視區(qū)內(nèi)和最容易接近的位置上。對(duì)于最佳視區(qū)的確定，一般認(rèn)為:在有操縱的條件下，前方（尤其前面中左區(qū)域）目標(biāo)發(fā)現(xiàn)較快，

23、其次是左右方，后方最 差。（4）觀察窗的工效學(xué)設(shè)計(jì)，能夠獲得光學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)良的觀察窗（如舷窗與光 學(xué)瞄準(zhǔn)鏡），使航天員可以用視覺觀察艙外環(huán)境，便于飛行操作任務(wù)的完成。第3章 載人航天飛行任務(wù)中照明設(shè)計(jì)中的人因3.1照明在航天任務(wù)中的重要性在航天員完成飛行任務(wù)的過程中，有許多操作需要其通過視覺觀察后再 進(jìn)行控制決策。為此，就應(yīng)該從硬件上提供相應(yīng)的照明裝置，并通過照明的 工效學(xué)設(shè)計(jì)滿足人的觀察要求。因?yàn)榱己玫恼彰鲿?huì)創(chuàng)造一個(gè)視覺環(huán)境，使航 天員能夠看見目標(biāo)、在艙內(nèi)安全地自由移動(dòng)、同時(shí)能有效、精確、安全地完成視覺工作作業(yè)而不引起不適當(dāng)?shù)囊曈X疲勞和不舒適，從而保障完成任務(wù)的成功率。在工程的實(shí)現(xiàn)方面，載人飛行

24、任務(wù)中的照明設(shè)計(jì)包括艙內(nèi)照明與艙 外照明設(shè)計(jì)兩部分的內(nèi)容，其所處的氣候環(huán)境有接近1個(gè)常壓的艙內(nèi)大氣環(huán) 境，也有艙外的真空環(huán)境。因此，硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可靠性、冗余性與高質(zhì) 量的標(biāo)準(zhǔn)，這些要求對(duì)飛行過程中照明系統(tǒng)的選用影響很大。此外，盡管在 作業(yè)面上提供足夠照度是必須的，但很多時(shí)候可見度還取決于光線是如何分 布的、光源與(工作面)表面的顏色特性和照明系統(tǒng)的眩光水平。因而要針對(duì) 艙內(nèi)外不同的工作場(chǎng)所和作業(yè)類型來(lái)確定照度、不舒適眩光限制水平和光源 的最低顯色指數(shù)等要求。同時(shí)，在地面條件下，也應(yīng)著力研究建立基于空間 飛行環(huán)境條件下的照明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為照明工效學(xué)要求提供技術(shù)支撐。3.2照明設(shè)計(jì)指標(biāo)同地面照明

25、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考依據(jù)一樣， 載人航天飛行過程中照明設(shè)計(jì)亦 參考國(guó)際照明委員會(huì)所發(fā)布的照明標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還考慮許多人體視覺工效學(xué)特性參數(shù)，比如視知覺能力和作業(yè)特性屬性，它們決定航天員的視覺技能素質(zhì)， 從而決定了其工作效能水平。另外，在某些情況下改進(jìn)這些影響因素能夠提 高工作效能而不用提高照度。例如提高作業(yè)對(duì)比度，用最新視覺放大器把作 業(yè)放大以及提供帶有指向性局部照明功能的特殊照明系統(tǒng)?？傊?，為了保證 有一個(gè)良好的空間飛行過程中的工作場(chǎng)所，照明不僅僅只是提供好的作業(yè)可 見度，讓航天員感覺輕松并且舒適地完成相關(guān)操作任務(wù)至關(guān)重要。因此，照 明必須滿足環(huán)境對(duì)照明質(zhì)量和數(shù)量的要求，即確保：視覺舒適性，航天員感覺

26、到舒適。視覺功效，航天員在困難條件和長(zhǎng)時(shí)間工作中，也能夠快速、準(zhǔn)確的 完成視覺作業(yè)。視覺安全，能夠看見艙內(nèi)外作業(yè)目標(biāo)周圍附近的物體，防止誤操作或發(fā)現(xiàn)異常情況。為滿足這些要求，必須考慮以下有關(guān)光環(huán)境的特性參數(shù)：(1)亮度分布在作業(yè)場(chǎng)所視野內(nèi)的亮度分布與航天員眼睛的適應(yīng)水平密切相關(guān)，從而會(huì)影響作業(yè)可見度。良好平衡的適應(yīng)亮度可以增進(jìn)人的視覺敏銳度(視力)、對(duì)比靈敏度以及眼睛功能的效率(例如調(diào)視、會(huì)聚、瞳孔收縮、眼球運(yùn)動(dòng)， 等等)等方面的視覺效能。此外，視野內(nèi)不同的亮度分布也影響人的視覺舒 適度，因而應(yīng)當(dāng)避免可能引起眩光的過高亮度、會(huì)由于眼睛不斷的適應(yīng)性調(diào) 節(jié)引起視疲勞的過高的亮度對(duì)比、 會(huì)造成混沌陰

27、暗和無(wú)刺激性的工作環(huán)境的 過低的亮度和亮度對(duì)比等現(xiàn)象的發(fā)生。一般來(lái)講，光源的亮度分布是由被照 目標(biāo)表面上的照度和表面反射比決定的。在照明設(shè)計(jì)中，一個(gè)常壓環(huán)境時(shí)天 花板的推薦反射比為 0.60.9、墻面0.30.8、工作面0.20.6、地板0.1 0.5。照度作業(yè)面及其周圍區(qū)域的照度和照度分布對(duì)航天員如何迅速、安全、舒適 地理解和進(jìn)行視覺作業(yè)有著主要影響。對(duì)于不知道指定區(qū)域的空間而言，可 能出現(xiàn)視覺作業(yè)的區(qū)域都可認(rèn)為是作業(yè)區(qū)域。在工程設(shè)計(jì)上，所采用的照度 值指維持照度值，是提供航天員作業(yè)時(shí)的視覺安全和視覺功效所必需考慮的 指標(biāo)，它主要考慮了視覺作業(yè)的要求、安全性、人的心理生理因素(例如視覺舒適度

28、和舒適安寧感)以及經(jīng)濟(jì)性等因素。此外，如果視覺條件與一般假 設(shè)條件不同，照度值可以在照度等級(jí)上調(diào)整至少一個(gè)級(jí)別。當(dāng)出現(xiàn)作業(yè)呈現(xiàn) 特別低的對(duì)比度、視覺作業(yè)很嚴(yán)格、精細(xì)操作對(duì)任務(wù)的安全性極為重要等現(xiàn) 象時(shí)，則必須提高照度值。眩光眩光可分為不舒適眩光和失能眩光。眩光如果是由于特定表面的反射而 引起，則通常被稱之為光幕反射和反射眩光。在空間飛行過程中，限制眩光 對(duì)于避免錯(cuò)誤、疲勞和事故非常重要。失能眩光在艙活動(dòng)的照明中較普遍， 例如，遇上強(qiáng)太陽(yáng)光，或由射燈或大面積亮光源相對(duì)較暗的空間內(nèi)的目標(biāo)造 成失能眩光。在飛船艙內(nèi)的工作場(chǎng)所里，不舒適眩光常由于照明燈具或舷窗 直接造成。在設(shè)計(jì)上，只要滿足對(duì)不舒適眩光

29、的限制要求，失能眩光通常不 是大問題。方向性方向性的照明用作重點(diǎn)照亮擬觀察目標(biāo)、顯現(xiàn)材質(zhì)、改善航天員的觀感，同時(shí)對(duì)視覺作業(yè)的方向性照明也可改善其可見度?？梢杂谩霸煨土Ⅲw感”來(lái) 描述這個(gè)作用，其中造型指漫射光和直射光的平衡，工程上應(yīng)用表明它是艙 內(nèi)照明質(zhì)量的有效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。如果艙內(nèi)結(jié)構(gòu)特征、航天員以及其它裝船產(chǎn)品 被照亮并將外形、材質(zhì)清晰地呈現(xiàn)出來(lái)時(shí)，飛船艙內(nèi)空間的整體外貌就可大 大改善。但是，照明既不能太過直射，因?yàn)檫@樣會(huì)產(chǎn)生濃重的陰影；也不能 過分漫射，否則將會(huì)完全失去造型立體感效果，造成光環(huán)境平淡無(wú)奇。此外， 從一個(gè)特定方向照明可以顯示視覺作業(yè)內(nèi)部的細(xì)節(jié)，提高其能見度，使作業(yè) 更易執(zhí)行，對(duì)艙

30、外活動(dòng)中有精細(xì)操作的任務(wù)，定向照明十分重要。節(jié)能考慮照明裝置必須在不浪費(fèi)能源的條件下符合對(duì)特定艙內(nèi)、外作業(yè)或活動(dòng)的照明要求，但也不能為了減少能耗而簡(jiǎn)單地犧牲照明裝置的視覺方面特性。 因此，要求結(jié)合飛行任務(wù)，來(lái)考慮合適的照明方式、設(shè)備、控制系統(tǒng)和利用 可用的天然光。通過謹(jǐn)慎地選擇照明系統(tǒng)、使用自動(dòng)或人工開關(guān)或調(diào)光器可 以滿足這些限制。顏色特性燈(光源)的顏色外貌是指燈發(fā)射的光的表觀顏色(燈的色 品)，可以用光源的相關(guān)色溫來(lái)描述。色溫的選擇基于照度、室內(nèi)和周圍環(huán)境中物品的顏色、周圍氣候和應(yīng)用場(chǎng)所。通常在溫暖氣候條件下冷光的色溫 更受歡迎，而寒冷氣候條件下暖光的色溫更受歡迎。為了對(duì)光源的顯色特性 提

31、供一個(gè)客觀的指標(biāo)，引入了一般顯色指數(shù)Ra，最大的Ra值是100。Ra越小，顏色顯現(xiàn)的質(zhì)量越低，Ra小于80的燈不得用于人們長(zhǎng)時(shí)期工作或停留 的艙內(nèi)空間。 3.3航天器艙內(nèi)外照明的設(shè)計(jì) 3.3.1艙內(nèi)照明飛船艙內(nèi)照明最合適的光源為熒光燈，不光是因?yàn)樗庑Ц?3040Lm/ w)，而且輻射出的溫度也較低，因而對(duì)環(huán)控生保系統(tǒng)的熱載荷影響較小。 光源外表面的溫度很容易控制，以滿足航天員的接觸溫度45 C的要求。同時(shí)，光源燈泡也能制成白色或多種色溫，這樣能夠增強(qiáng)航天員的顏色敏感性。 艙內(nèi)航天員的生活與工作區(qū)的普通照明應(yīng)有中等強(qiáng)度的白光照明，并且如果任務(wù)需要，可提供輔助照明裝置。另外，照明燈具在整個(gè)工作區(qū)

32、以同一散射 強(qiáng)度覆蓋，飛船艙內(nèi)照明照度的推薦值見下表所示。艙內(nèi)照明系統(tǒng)兩大關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題是熱控制與汞污染，光源熱量的產(chǎn)生、 傳播與能量的散發(fā)均在艙內(nèi)空間內(nèi)進(jìn)行，而汞污染主要由燈具造成，例如， 如果燈泡破裂，燈泡中的物質(zhì)就會(huì)進(jìn)入艙內(nèi)環(huán)境，生成汞蒸氣而造成污染。表3-3飛船艙內(nèi)照明推薦值任務(wù)區(qū)照度任務(wù)區(qū)照度任務(wù)區(qū)照度通用108起居室215工作臺(tái)323通道區(qū)54閱讀538維修269艙門108娛樂323控制器215扶手108廚房215安裝269扶梯108進(jìn)餐269書寫323儲(chǔ)藏區(qū)108食物準(zhǔn)備323制表323個(gè)人衛(wèi)生108伊朗維護(hù)215維護(hù)323整飾269外科手術(shù)1076正向面板215淋浴269鍛煉32

33、3負(fù)向面板54閱讀323夜間照明21睡覺54 3.3.2艙外照明設(shè)計(jì)隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，在大多數(shù)飛行任務(wù)中，需要向夜間艙外作業(yè) 任務(wù)(如航天員艙外活動(dòng)、載荷裝卸、跟蹤、飛行器交會(huì)與對(duì)接等)提供人工照明裝置。與艙內(nèi)照明設(shè)計(jì)相比，必須考慮滿足照明環(huán)境的低亮度比、小眩 光的要求。由于艙外的真空環(huán)境，也不存在光的散射特性，因而，被照物體 表面的反射特性對(duì)艙外照明效果的影響很大。艙外活動(dòng)工作站，在艙外活動(dòng)工作站點(diǎn)的照明設(shè)計(jì)建議使用泛光照明 (floodlight)方法。對(duì)于常規(guī)的照明來(lái)說，除泛光照明外，亦可選擇定向光。交會(huì)對(duì)接操作，航天員完成交會(huì)對(duì)接或載荷裝卸?？康谋O(jiān)視任務(wù)時(shí)，需要了解清楚有關(guān)距離、

34、接近面、目標(biāo)飛行器的方向以及相對(duì)方向等方向的 確切信息。在工程實(shí)踐上有好幾類照明裝置可供使用，對(duì)于長(zhǎng)距離的目標(biāo)搜 索，可以用閃爍的白光。在遠(yuǎn)距離的情況下，一個(gè)閃爍的燈柱比一個(gè)穩(wěn)定的 光柱要容易被發(fā)現(xiàn)，并且該燈應(yīng)安放在目標(biāo)飛行器(裝有載荷)的對(duì)接軸的方向上。此外，亦應(yīng)仔細(xì)地考慮照明燈的光錐，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以利于航天員 的發(fā)現(xiàn)。飛行經(jīng)驗(yàn)表明，跟蹤燈的強(qiáng)度大約為晴朗夜空中星星亮度的3倍。最后的對(duì)接或載荷裝卸需要精細(xì)的對(duì)準(zhǔn)、準(zhǔn)確地定位、良好的觀察，同時(shí)， 只有當(dāng)目標(biāo)呈現(xiàn)3維立體狀態(tài)時(shí)，航天員所獲得的信息比較全面。因此，人工的泛光燈十分必要。它可安裝在跟蹤飛船上的某個(gè)位置，以照亮接觸面或目標(biāo)載荷。同時(shí)，

35、其強(qiáng)度必須合適，使航天員獲得一個(gè)較好的視覺敏銳度。表3-4艙外活動(dòng)的最低照明設(shè)計(jì)最低照明水平EVA 任務(wù)foot-candleLx（fc） TOC o 1-5 h z 為衛(wèi)星修理或輸送貨物，航天員移像工作地點(diǎn)55110520航天員在貨艙或工作站定位衛(wèi)星21520EVA衛(wèi)星服務(wù)，用手工工具進(jìn)行簡(jiǎn)單、非危險(xiǎn)性修理任32530務(wù)EVA衛(wèi)星服務(wù)，使用新的且復(fù)雜的工具但無(wú)危險(xiǎn)性54050EVA衛(wèi)星服務(wù)，使用復(fù)雜的工具且具有危險(xiǎn)性81075第4章結(jié)論與前景當(dāng)前，航天人因工程研究的重點(diǎn)包括航天員能力特性、航天器人機(jī)界面 及人機(jī)交互、人系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)與評(píng)估、人員選訓(xùn)及人因可靠性四個(gè)研究方向， 涵蓋包括心理學(xué)、生物力學(xué)、腦與認(rèn)知、人工控制、交互技術(shù)、人系統(tǒng)建模 仿真等多學(xué)科領(lǐng)域。我國(guó)自1968年成立宇宙醫(yī)學(xué)及工程研究所（航天醫(yī)學(xué) 工程研究所）起，不斷推進(jìn)人因工程在載人航天工程中的應(yīng)用發(fā)展。經(jīng)過 22年載人航天飛行實(shí)踐，我國(guó)航天人因工程研究緊貼工程研制實(shí)際，面向 任務(wù)需求開展了人的能力特性規(guī)律、人機(jī)交互控制、工效學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)和方法 學(xué)研究，取得了大量的成果，首次在