本文關鍵詞：新興的人機與環(huán)境工程技術科學，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

2002年10月　

第28卷第5期北京航空航天大學學報

JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsOctober　2002Vol.28　No15

新興的人機與環(huán)境工程技術科學

王　�！　∮嘟ㄗ妗　∏f達民　　林貴平

(北京航空航天大學飛行器設計與應用力學系)

　　摘　　　要:圍繞人2機2環(huán)境系統(tǒng)、飛行器環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)、環(huán)境模擬

技術、空氣調節(jié)技術4個方面,對國內外人機與環(huán)境工程科學研究進展情況作了綜述;著重介紹了人2機2環(huán)境系統(tǒng)的計算機仿真、ECS制冷系統(tǒng)、航天器的生命保障系統(tǒng)、地面、空中及空間環(huán)境模擬技術、空氣調節(jié)技術的最新發(fā)展方向和需要進一步研究的問題等,以期進一步推動該技術學科的研究和發(fā)展.

關　鍵　詞:人機工程;環(huán)境控制;環(huán)境模擬;空氣調節(jié)中圖分類號:TB18

文獻標識碼:A　　　　文章編號:100125965(2002)0520503209

　　人機與環(huán)境工程是隨著人類活動范圍的不斷擴大,生活及工作質量要求的不斷提高和科學技

術的進步而在20世紀80年代形成并發(fā)展起來的一門多學科交叉的綜合性工程技術科學,涉及生理學、心理學、醫(yī)學、力學(固體、流體)、熱學、電學等多門學科和自動控制、計算機、仿真、真空及計量等多項技術.,人、統(tǒng)),研究人、、相互的關系、高效及經濟為目標的優(yōu)化組合.根據(jù)研究對象和側重面的不同,人機與環(huán)境工程可分為如下分支學科:

1)人機工程學.主要研究人及機器的特性、人與機器的關系和人、機器及人機系統(tǒng)對環(huán)境的適應性;

2)飛行器(飛機及航天器)環(huán)境控制及生命保障技術.研究能創(chuàng)造適合人、機器及人機系統(tǒng)安全、舒適、高效和經濟的生活及工作的微環(huán)境技術及與之有關的防護技術;

3)環(huán)境模擬技術.研究人、機及人機系統(tǒng)所能遇到的各種自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境的人工復現(xiàn)技術和模擬環(huán)境下的試驗技術,用以研究及考核人、機及人機系統(tǒng)的環(huán)境適應性和可靠性,檢驗和評價人機2環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學模型和仿真結果的正確性.

分,見圖1所示[1].

1)人的特性研究.研究人的工作能力、體力負荷、;法;人的數(shù)學模型(控制

圖1　人2機2環(huán)境模型和決策模型)等.

系統(tǒng)研究內容2)機器特性研究.

研究機器特性及其建模技術.

3)環(huán)境特性研究.研究人機共處的環(huán)境特性及其建模技術.

4)人2機關系研究.研究靜態(tài)人2機關系,如作業(yè)域的布局與設計等;動態(tài)人2機關系,如人機功能分配、人機界面設計及評價等;多媒體技術在人2機關系中的應用,如將人體測量數(shù)據(jù)生成動態(tài)人體模型,結合計算機輔助設計生成的艙室布局,動態(tài)顯示人的最佳作業(yè)域和視野范圍.

5)人2環(huán)關系研究.研究環(huán)境因素對人的影響,個體防護及救生方案的研究等.

6)機2環(huán)關系研究.研究人機工程相關的機2環(huán)關系及特性.

7)人2機2環(huán)境系統(tǒng)總體性能研究.人2機2環(huán)境系統(tǒng)總體數(shù)學模型建模技術及理論研究;全數(shù)學模擬、半物理模擬和全物理模擬技術的研究;總體性能(安全、高效、經濟)的分析、設計和評價等.

1　人2機2環(huán)境系統(tǒng)工程

1.1　人2機2環(huán)境系統(tǒng)研究內容

人2機2環(huán)境系統(tǒng)研究內容包括以下幾個部

　收稿日期:2002206225

　作者簡介:王　浚(1935-),男,山西孝義人,院士,100083,北京.

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1.2　人2機2環(huán)境系統(tǒng)計算機仿真

定量地描述人體的熱調節(jié)過程.北航人機與環(huán)境工程研究所結合國家863計劃對艙外航天服進行

了數(shù)值模擬[4].1.3　信息顯示/控制的人機工程設計與評定

在人機系統(tǒng)操作中,人從外界接收到信息,經過中樞加工后,一般都要轉化為操作反應,進而實現(xiàn)系統(tǒng)的控制.信息顯示/控制系統(tǒng)工作的效率和可靠性在很大程度上取決于兩個方面:一是要從系統(tǒng)整體角度,而不是僅從顯示對比度、顏色、亮度等個別影響因素角度去完成信息顯示/控制人機界面(接口)的工效設計和評定;二是如何保證人的信息獲取與人的效應器輸出速度和準確性的最佳匹配.

對信息顯示/控制的評定內容主要有以下幾個方面:

1)用反應時間及準確度評估顯示器布局工效Card提出了由人的知覺系統(tǒng)、認知系統(tǒng)和運動系統(tǒng)構成的情報處理模型.各系統(tǒng)的單位處理時間分別為τp,τc和τm,Τ(1)pcτm緊密相關[1].北航人機與環(huán)境工程研究所開展的對目標拾取運動的研究中對Fitts提出的公式進行了修正[1].

2)用眼睛運動分析評估顯示器布局工效作業(yè)人員在特定環(huán)境中操作和管理復雜系統(tǒng)和機械設備時,分析眼睛的運動就可知道人在操作時如何分配注意力.同時了解儀表、屏幕以及外景如何設計和合理分配才能獲得最好的人機交互,既減輕操作人員的工作負擔,又避免出錯,切實提高人機工效.北航人機與環(huán)境工程研究所結合“211”工程建設開展了采用眼動儀對眼睛運動的分析研究[5].另外國外將視覺追蹤用于顯示/控制器布局、將人眼作為控制器的研究取得突破性進展,圖3是其人眼控制操作計算機的實驗照片

.

將計算機仿真技術用于實際工程問題的定量分析、科學設計及評價,必將提高人2機2環(huán)境系統(tǒng)工程的設計效率、及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤、縮短設計周期、降低研制費用.在航空航天等高科技領域,還涉及很多使用常規(guī)技術無法實現(xiàn)或代價過大的實驗過程,如航天員在失重狀態(tài)下的艙外作業(yè).美國在制定修復哈勃望遠鏡計劃時曾先用計算機模擬失重狀態(tài)下航天員作業(yè)過程及作業(yè)姿態(tài)、再讓航天員依據(jù)該作業(yè)過程及作業(yè)姿態(tài)在中性水槽下練習訓練.當航天員完全熟悉并掌握該作業(yè)過程后才被送入太空實行修復任務,結果圓滿完成了任務.1.2.1　人2機系統(tǒng)計算機仿真

人機系統(tǒng)計算機仿真主要包括設備的計算機輔助設計、人體模型的建立及對所建人機系統(tǒng)模型進行工效分析及評定等.對不同的作業(yè)任務和對象,所需建立的人體模型的內涵有很大的不同.如英國諾丁漢大學開發(fā)的SAMMIE[1]系統(tǒng)能進行工作范圍測試、干涉檢查、視域檢測、姿態(tài)評估和平衡計算.美國CALSPAN公司[2]開發(fā)的CAL23D1.2.2　人2人2設計、模擬與控制等.

影響人機工效的環(huán)境主要有光環(huán)境(照明、色彩)、聲環(huán)境、振動、熱環(huán)境、空氣質量和電磁環(huán)境等.對于航空航天特殊作業(yè)環(huán)境還涉及到低壓、缺氧、超重與失重和救生等問題.

圖2為北航人機與環(huán)境工程研究所采用貼體網格技術結合二方程式模型模擬的飛機座艙氣流分布[3].

Yale大學John.B.Price基礎實驗室同NASA的Johnson宇航中心合作研究人體熱調節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型,Buchburg和Harrh將人體熱調節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型和外部調溫裝置(水冷服)進行了聯(lián)合研究.航天員艙外宇航服設計中人體熱平衡計算就是基于不斷完善的人體熱調節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型進行的.目前,采用負反饋控制的人體熱調節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型能

圖2　飛機座艙氣流分布圖3　人眼控制操作計算機

第5期　　　　　　　　　　　　王　浚等:新興的人機與環(huán)境工程技術科學505

用了三輪升壓式低壓除水系統(tǒng).

2　飛行器環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)

飛行器是飛機(在近地較稠密大氣層中飛行)和航天器(在遠地軌道及空間飛行)的總稱,它們在飛行中會遇到復雜多變的外部環(huán)境.飛機飛行時,外界大氣的壓力、溫度、濕度、氧分壓和其他參數(shù)均在很寬范圍內變化;航天器飛行于高真空、超低溫、強太陽輻照(軌道飛行)、微及零重力、強離子輻射和其他的空間環(huán)境下.飛行器的座艙和環(huán)境控制系統(tǒng)為人員和設備所在的有限空間創(chuàng)造一個微環(huán)境,控制其中的各種參數(shù)(壓力、溫度、氧濃度、氣流組織、空氣質量等)在適于人和設備生存和工作的范圍內[6].2.1　飛機環(huán)境控制系統(tǒng)

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)主要由引氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、座艙壓力調節(jié)系統(tǒng)、溫度調節(jié)系統(tǒng)等組成.2.1.1　制冷系統(tǒng)

環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)中的制冷系統(tǒng)主要有兩大類型:蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣循環(huán)制冷系統(tǒng).由于飛機上空氣制冷的綜合優(yōu)勢,目前航線上和絕大部分作戰(zhàn)飛機都采用空氣循環(huán)制冷系統(tǒng),主要有4種形式:

1)簡單式(2),低壓除水或高壓除水;

3)三輪升壓式(渦輪2壓氣機2風扇式),低壓除水或高壓除水;

4)四輪升壓式(渦輪2壓氣機2渦輪2風扇式),高壓除水,又稱冷凝循環(huán)制冷系統(tǒng).

我國早期的軍用機環(huán)境控制系統(tǒng)主要是采用簡單式(渦輪2風扇式),如殲6、殲7.在20世紀80年代研制出升壓式渦輪、高壓除水系統(tǒng)的樣機(兩輪升壓式),目前已在殲10等型號機上應用.國外軍用機目前采用較多的是兩輪升壓式或三輪升壓式的環(huán)境控制系統(tǒng)[6].

三輪升壓式高壓除水系統(tǒng)是目前采用的高性能制冷系統(tǒng),能量利用效率最高.它可以充分利用渦輪的制冷能力和回流部分座艙空氣,與低壓除水系統(tǒng)相比可以節(jié)省30%左右的發(fā)動機壓氣機引氣量,除水效率提高10%～15%.

盡管低壓除水系統(tǒng)引氣量較大,水分離器的維修工作量亦大,但與高壓除水系統(tǒng)相比它有系統(tǒng)附件少,重量輕,價格低,工作可靠性高等優(yōu)點.為了降低飛機價格,同時由于ECS技術的進步,MD295,7372600,7372700等近期出廠的飛機都選

今后飛機ECS的制冷系統(tǒng)將普遍采用三輪升壓式高壓除水系統(tǒng)或三輪升壓式低壓除水系統(tǒng).兩種系統(tǒng)各有優(yōu)、缺點,可按飛機實際情況選取.圖4和圖5為其系統(tǒng)原理圖

.

圖4　三輪升壓式高壓除水圖5　三輪升壓式低壓除水

2.1.2　控制技術

已經發(fā)展了第2代綜合數(shù)字式控制系統(tǒng),把ECS的各子系統(tǒng)(如引氣、制冷、加熱、座艙壓力調節(jié)等系統(tǒng))在功能上和結構上綜合起來,并通過數(shù)據(jù)總線(DataBus)與機上其它系統(tǒng)綜合,使用多變量控制技術和綜合控制系統(tǒng).,并、壽命長、無需維護等優(yōu)點,是今后制冷系統(tǒng)中首選的渦輪冷卻器[8],[9].2.1.4　發(fā)展方向

目前世界上正在進行研制的新環(huán)境控制系統(tǒng)很多,例如:閉式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、閉式蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)、部分閉式空氣循環(huán)系統(tǒng)、全電驅動的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)等.但是真正能裝備在旅客機上還需要一定的時間.同時由于從舒適性的要求,旅客機新鮮空氣的供應量需要進一步增大,目前的開式空氣循環(huán)制冷形式仍具有較大優(yōu)勢,因此今后若干年內飛機上仍以目前使用的開式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)為主.

對于戰(zhàn)斗機,隨著電子設備的迅速增多,耗功急劇增大,對ECS系統(tǒng)的耗能提出了高要求.由于蒸發(fā)制冷系統(tǒng)在較高使用溫度的高能效及在空中使用所遇到的技術問題得到解決,美國F22綜合戰(zhàn)斗機的ECS中采用了蒸發(fā)制冷.2.2　航天器的生命保障系統(tǒng)

載人航天器的生命保障系統(tǒng)由環(huán)境控制系統(tǒng),食物與水的供應以及廢物處理系統(tǒng)組成.

環(huán)境控制系統(tǒng)調節(jié)座艙和航天服內的壓力、溫度和濕度,并且控制艙內氣體成分,清除二氧化碳和微量污染成分,補充由于人體代謝消耗的氧

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及座艙的泄漏量.監(jiān)視儀器和自動控制系統(tǒng)是總的生命保障功能中不可缺少的部分.這些儀器用

于自動控制及為航天員監(jiān)視(包括醫(yī)監(jiān)設備)提供數(shù)據(jù)[7].

食物和水的供應,連同廢物的處理(包括大小便的處理),是維持航天員的健康,保持環(huán)境和個人衛(wèi)生所必不可少的.對于短時間近地軌道航天器,氧和水可以簡單地貯存在艙內貯箱中.對于星際航行器來說,必須回收人體代謝產物,如二氧化碳、呼氣中的水氣、汗液及尿等,再生成有用的氧和潔凈的水.圖6為俄羅斯“聯(lián)盟號”飛船的環(huán)控生保系統(tǒng)流程圖[10],[11]

.

時,能立即穿好并處于充氣加壓的密閉狀態(tài),以保證航天員不受低壓和缺氧的危害;

2)航天員在艙外空間作業(yè)時,由航天服給宇航員提供一個與外界隔絕、能保證密閉微小環(huán)境,不受空間環(huán)境因素的危害;

3)彈射離艙時,用以防止速壓、高空低溫的危害;降落到海上時,又可用來防寒抗浸、水上漂浮,保證航天員安全返回.

在載人航天器生命保障領域,我國起步較晚,但正在急起直追,目前已試制了用于宇宙飛船的整套生命保障系統(tǒng),并已在神州號系列飛船上進行了試飛.

3　環(huán)境模擬技術

隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步,人的生存和工作空間不斷擴大,對各類產品的需求量和質量要求不斷提高,因而對人的環(huán)境適應性和產.為此,需要進,并對產2000年元旦正2STD2810F代表了當前最新.據(jù)此,各國先后建立了各種類型和不同規(guī)模的環(huán)境模擬試驗設備.

環(huán)境模擬設備和環(huán)境試驗技術經歷了由單參數(shù)模擬到多參數(shù)模擬,從靜態(tài)模擬到動態(tài)模擬,從產品試驗到人機系統(tǒng)環(huán)境試驗的發(fā)展道路.當前的發(fā)展方向是:建立整機多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬設備和進行多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境試驗及人機系統(tǒng)環(huán)境試驗.

伴隨著環(huán)模設備和環(huán)境試驗技術的發(fā)展,吸取了多門學科(熱學、力學、電學、生物學、醫(yī)學和光學等)和多項技術(制冷、真空、空調、自動控制、計量等)的相關理論和方法,在實踐中逐漸形成了一門獨立的技術理論體系———環(huán)境模擬技術.它

1—管狀食品加熱器;2—獨立的CO2吸收器;3,4,18—氣體再

是一門綜合性的工程技術,主要研究各種自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境的人工復現(xiàn)技術和在模擬環(huán)境下的試驗技術.

3.1　環(huán)境和環(huán)境效應

生裝置;5,17—手動泵;6,10—冷凝水收集器;7,9—干燥器;

8—軌道艙;11—返回艙;12,13,16—熱交換器;14—液體流量

調節(jié)閥;15—輻射散熱器;19—安全閥;20—設備艙.

圖6　俄羅斯“聯(lián)盟號”飛船環(huán)控生保系統(tǒng)組成圖

人和產品無時無刻不處在各種復雜的自然和人工環(huán)境中,環(huán)境因素對人的生存及工作和產品的可靠性有重要影響.因此,研究各種環(huán)境的性質和特點,分析其對人類生活及工作,和對產品造成的影響有極其重大的現(xiàn)實意義.

環(huán)境種類繁多,分類不一,通常分為:氣候環(huán)

航天服是保證航天員在整個航行過程中生命

安全和執(zhí)行太空行走任務的一種個人防護裝備.其基本要求和主要用途[8]:

1)當座艙失壓而處于應急狀態(tài)(應急航行)

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境、力學環(huán)境、電磁環(huán)境和復合環(huán)境.氣候環(huán)境一般又分為地面環(huán)境、空中環(huán)境和空間環(huán)境.由于地面環(huán)境和空中環(huán)境的交融,按環(huán)境參數(shù)又可分為:溫度環(huán)境、壓力環(huán)境、濕熱環(huán)境、砂塵環(huán)境、煙霧環(huán)境、雨環(huán)境、霉菌環(huán)境和太陽輻照環(huán)境,以及多參數(shù)綜合環(huán)境等.

空間環(huán)境是個特殊的環(huán)境,相對獨立,通常包括:高真空環(huán)境、冷黑環(huán)境、微重力環(huán)境、高能帶電粒子環(huán)境、弱磁場環(huán)境、原子氧環(huán)境、微流星環(huán)境、空間碎片環(huán)境、等離子體環(huán)境和磁層亞爆環(huán)境等.

不同的環(huán)境對人和產品有不同的影響,但均使產品可靠性降低、人的工作能力下降甚至危及生命安全.

3.2　環(huán)境模擬的種類及設備3.2.1　地面環(huán)境模擬

16m×8m×8m,溫度范圍:常溫～+50℃,濕度可),太陽輻照度最大1kW/m2,到(85±5)%(≤40℃

模擬的最大風速120km/h.

當前地面環(huán)境模擬的主要發(fā)展方向是:

1)多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬.美國最新的MIL2STD2810F軍標規(guī)定了溫度/濕度/低氣壓/振

動四綜合環(huán)境試驗.

2)由于地面兵器的空運及機載使用,帶來傳統(tǒng)的地面兵器遭遇空中使用的特殊環(huán)境,如溫度沖擊、快速溫度變化和溫壓環(huán)境.3.2.2　空中環(huán)境模擬目前,空中環(huán)境模擬試驗主要有:飛機環(huán)境控制系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗和飛機發(fā)動機高空性能試驗.

飛機環(huán)控系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗模擬空中飛行時的外界大氣壓力和溫度,以及發(fā)動機壓氣機引氣參數(shù)和沖壓空氣參數(shù).圖9為中航603所用于環(huán)控系統(tǒng)及附件試驗的雙路熱動力試驗臺流程.

10.

,:模擬按照行任務包線與發(fā)動機工作狀態(tài)共同確定的壓氣機引氣參數(shù)變化及沖壓空氣參數(shù)變化.3.2.3　空間環(huán)境模擬

地面環(huán)境模擬設備主要有以下幾類:低溫環(huán)境模擬、高溫環(huán)境模擬、濕熱環(huán)境模擬、太陽輻照模擬、砂塵環(huán)境模擬、雨環(huán)境模擬、浸漬模擬、酸性環(huán)境模擬、爆炸性大氣環(huán)境模擬、積冰/凍雨環(huán)境模擬和霉菌環(huán)境模擬等.

圖7流程.該設備有1000m3,145m3和3室,設備.℃+80℃,1984.首次成功采用了空氣制冷.

圖8為某單位新建成的汽車空調整車熱環(huán)境模擬室流程.該設備試驗間尺寸L×W×H=

空間環(huán)境模擬試驗主要有:熱平衡試驗(載人及無人航天器),熱真空試驗(載人及無人航天器),載人航天器人機組合艙外活動的空間環(huán)境試

1—過濾器;2—進氣;3,21—消聲坑;4—補氣閥;5—補氣壓氣機;6—放氣閥;7—壓氣機;8—后冷卻器;9—穩(wěn)壓罐;10,15—干燥塔;11—水分離器;12—油過濾器;13—電爐;14—再生風機;16—回風閥;17—調壓閥;18,24—轉換器;19—回冷熱交換器;20—調溫閥;22—氣動儀表氣源;23—渦輪;25—1000m3環(huán)境室;26—45m3環(huán)境室;27—145m3環(huán)境室.

圖7　華陰試驗場高低溫環(huán)境室流程

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