【《飞机座椅适航结构及舒适性设计浅析》8900字（论文）】

飞机座椅适航结构及舒适性设计研究摘要：在人类空中旅行越来越频繁的今天，民用飞机已逐步成为一种主要运输工具，而座椅，作为民用飞机中最重要的组成部件，提高它的安全性，多功能性是当务之急。因此，如何设计出更加安全舒适、具有良好人机工程学性能的新型飞机座椅已引起人们广泛关注。同时提出一些改进意见及建议，以期能给今后国内飞机座椅的设计提供参考。希望我们的飞机座椅能够茁壮成长，近期内之有其强势市场。关键词：飞机座椅；适航性；安全性；舒适性目录TOC\o"1-3"\h\u10025一、绪论 3261731.2适航验证技术在中国的发展 3219091.3飞机座椅结构适航研究概述 4149161.4适航条款对飞机座椅设计的要求 427561.5主要研究内容 46538二、飞机座椅的适航结构设计要求 5144892.1概述 5216922.2飞机座椅的构成 5169152.3飞机座椅结构设计要求 6275782.3.1座椅/约束系统的设计要求 6135512.3.2座椅材料与连接形式的选择 7300202.3.3座椅强度要求 821783三、飞机座椅安全性及舒适性设计要求 9135973.1安全带的设计 9124723.2吸能技术 9236323.3阻燃技术 9271373.4强度试验技术 1031833.5舒适性设计要求 103028四、飞机座椅发展展望 1115882五、总结 1110474参考文献 1227573致谢 13

一、绪论1.1研究背景在中国经济迅猛发展的今天，人们出门所选择的交通方式是多种多样的，有着快速，舒适等特点、便捷的飞机便成为首选。因此，如何设计出更加安全舒适、具有良好人机工程学性能的新型飞机座椅已引起人们广泛关注。国内对于航空领域的关注程度也是比较高，据我国民用航空资料，2014—2018年间民航旅客运输量以每年10%左右的速度递增，2018年，全行业旅客运输量为6.12亿，国产新入机426架飞机截止2019年2月份，中国共有4161架民航飞机。近年来，由于社会环境变化及人民生活水平提高等因素影响，民航业进入快速发展期，航空运输总量快速增长。民航市场渐趋成熟，各家航空公司之间的竞争日趋激烈，旅客身体健康，舒适安逸、安全问题与机上服务一样更加引人注意。随着社会发展，人们越来越注重生活质量，而作为影响乘客舒适度的一个因素就是空中乘务人员所提供给旅客的体验感，因此，如何提高服务质量成为了当今机场管理中最主要的内容之一。据21世纪经济报道，旅客航班服务需求研究结果见图1-1，从饼图上就能看得出来，客舱娱乐所占比例比较大。因此，如何提高旅客乘坐飞机的舒适度已经成为了航空公司发展过程当中必须要解决的关键问题之一。Blok与Vink合作，通过考察与访谈乘客，就飞机客舱舒适性进行研究，研究显示，机上娱乐设备中有关机上服务的内容十分重要地存在，特别适合长途飞行5个小时以上的旅客使用，同时也说明许多旅客都注意到了这个问题。因此本文将着重讨论如何设计出更加符合人们需要的飞机座舱娱乐系统以及其在提高乘坐舒适度方面发挥的作用。座椅可以让乘客感觉舒适并获得更好的体验感，同时也能提高乘客的舒适度，因此在座椅方面需要不断地进行改进以满足不同人群的使用要求。尽管座椅在设计上一直在改进，但是仍有不足，对旅客身体健康造成了损害。1.2适航验证技术在中国的发展自20世纪90年代以来，我国的Y11B,Y8F,Y12,Y7,NSA,MA600,ARJ21-700等飞机型号。其中我国对民机飞机运12进行了物资适航验证，取得了一些经验。1987-1990年，英国适航当局CAA正在对运12飞机进行适航审查，材料专业最终被录取，符合性验证的重点是材料的标准、材料性能数据的管理和材料供应商的控制。经对以上机型进行适航验证，取得如下体会。适航性材料要求，必须执行经过规定程序审批的标准化技术文件（至少应为企业级）。国内材料，特种工艺、理化检测专业目前正式标准（企标，航标，国军标，国标，等等）尚不配套，单个标准的内容还存在不足，有必要加大标准制定与修订力度。（3）用于设计的材料性能数据应具有统计学基础（A基值、B基值）。我国手册的资料来源较为繁杂，要强化自测数据。（4）要强化材料供应来源质量控制，把型号主承制商质量保证体系向材料供应商拓展。尽管以上民机所适用的物资，随着机型的适航审查，在材料应用方面获得一些经验，但是绝大多数关键材料都是国外牌号或进口的，国内牌号材料很少能按中国民用航空规章（CCAR）适航要求进行符合性验证，目前，还需要进行大量材料适航满足性验证技术的研究工作。1.3飞机座椅结构适航研究概述航空座椅始终是局方工作的焦点，国内外民航管理当局对航空座椅的适航规章，咨询通告等、技术标准和其他系列文件体系。在这些法规中涉及到飞机上使用的各类座椅以及相关附件，而航空座椅也被认为是影响飞行安全的重要因素之一。根据1980年全部民用航空事故的调查显示，客机事故死伤乘员60%为坠机后航空座椅损坏造成乘员受到碰撞所致，表明当时座椅无法承受失事后负荷。乘客椅是民用飞机重要的安全附件之一，它可以保护飞行员免受来自空中的冲击而不会造成损伤。中航工业飞机强度研究所（623所）有水平滑台系统，垂直坠撞系统，能进行适航条款所规定的动态座椅试验。嘉泰公司及623所均有适航当局批准之动态座椅测试验证能力，然而，乘员/座椅约束系统的动态特性分析方法及数值仿真技术还没有获得突破性进展，尚没有能力通过分析方法为座椅适航批准提供支撑。1.4适航条款对飞机座椅设计的要求TSO项目适航批准主要通过两种途径：随着航空器型号的合格审定，一并予以核准（即“随机批准”）。在获得技术标准所要求的工程批准书（TSOA）之后，才对航空器型号进行装机批准。由于机载设备的特殊性，对其进行审查是必要且重要的。经这种方法认可的旅客座椅只能在这种航空器内使用，具有很大局限性。1.5主要研究内容飞机座椅位置调整及标准操作程序对于飞行员的安全及操作飞机均有较大影响。随着社会经济水平的提高和航空事业的不断发展，人们越来越关注飞机乘坐者的舒适性问题，因此需要对座椅系统的设计进行深入研究。文章首先对飞机座椅这一概念进行简要说明，寻找最近国内外飞机座椅适航研究动态，本论文将以已学基础理论与专业知识为依据，特别考察了旅客乘机时最经常发生的3种行为所引起的最舒适静态坐姿和最佳压力值，并以之为借鉴，设计了座椅优化方案。同时也对如何改善座舱环境、提高舒适性提出一些建议。二、飞机座椅的适航结构设计要求2.1概述在飞机上，旅客座椅既是不可缺少的构成装置，还直接关系到客舱安全问题。随着社会经济水平的提高和航空事业的不断发展，人们越来越关注飞机乘坐者的舒适性问题，因此需要对座椅系统的设计进行深入研究。即通过在乘客座位上布置一些具有一定强度的支撑构件来达到承载作用。即乘客座椅在承受极限载荷时，由旅客座椅组成的主要结构基本不会发生永久变形，仍保留原来造型。当乘客乘坐时，这种情况就会发生改变。在以上极限载荷下，受载荷方向以前进和侧向最为危险。为了保证乘客乘坐舒适性及安全性，目前对于旅客座椅的静强度要求已经达到了很高的水平。单纯满足静强度要求，行业内称之为9g或静态座椅以提高失事情况下旅客生存率，美国联邦航空局在民用客机上不断引进并实施对旅客座椅提出的一系列较高要求。这些新的要求都会导致对飞机座椅设计提出更高标准的挑战。旅客座椅若达到动强度的要求，业界称之为16g座椅或动态座椅。美国联邦航空局提出的要求只是把旅客座椅的强度要求提高，由过去9g静强度增加到16g动强度。而且对于座椅导轨的需求也未做任何改善。因此对于乘客来说其舒适性会有较大影响。同时表明，座椅必须具有吸收能量，同时对于座椅转移到导轨上的能量也减少了，由此避免了导轨的损伤。2.2飞机座椅的构成飞机客舱内的旅客多为休息，电子娱乐和读书等活动，视环境和服务的不同、座位排列差异，通常分头等舱、公务舱、经济舱。这些新的要求都会导致对飞机座椅设计提出更高标准的挑战。在客舱位置方面，经济舱通常位于机身的中部到后部，并将头等舱布置于飞机的正面，飞机正面比较光滑，体验起来也更舒服，与此同时，座椅设计与座位排列方式也存在很大差异，经济舱内座椅形式构造比较单一，个人空间亦较小。另外由于乘坐人员众多，因此对座椅的要求也更高，除了满足基本的使用要求外，还要保证其安全性，即座椅必须有足够的安全系数来保护旅客不受伤害。随级别升高，座椅的大小及间距亦在不断增大，安全性能和舒适性都得到了相应的改善，对服务的要求也提高了一个档次。本文从人机工程学角度出发，结合国内实际情况，对头等舱、公务舱内座椅布局进行分析研究，为今后同类座椅布置提供一定借鉴意义。由图2-1和图2-2可见，座椅主要包括骨架，椅面，背靠，扶手等、餐桌板和IFE显示器，头等舱座椅不但个人空间足够大，而且不受外界干扰，座椅具有强大功能性能，靠背倾角连1800都可以调节，利于旅客入睡。反之，经济舱则因某些条件所限，旅客无法按照个人的需要做出很大的调整，最多仅以坐姿或者少量座椅结构调整就能获得舒适感。本文对飞机上常见座椅及附件的设计原则、结构特点等方面进行了分析研究，结合人体工程学理论，针对不同人群的生理特征，提出相应的设计方案。以健康和舒适为出发点，对飞机乘客座椅内固定组件的合理优化布置提供了依据，让它符合多数旅客的要求，减轻人眼睛疲劳，对脊柱造成伤害，从而改善了使用舒适性。图2-1经济舱图2-2商务舱2.3飞机座椅结构设计要求2.3.1座椅/约束系统的设计要求座椅是机械设备，属技术标准规定(TSO)项目。因此其动态适航试验标准涉及两个方面:技术标准规定和飞机适航标准的有关规章条款。即TSO-C127A(旋翼航空器和运输类飞机座椅系统)及引用的SAEAS8049B“民用旋翼机和运输机的座椅性能标准”和FAR25.562应急着陆动力情况要求。关于座椅系统动态试验方面的其它资料都包括在AC20-137《旋翼航空器(正常类和运输类)座椅约束系统与乘员约束的动态评估》,AC23.562-1《23部飞机座椅/约束系统和乘员保护的动态试验》及AC25.562-1B《运输类飞机座椅约束系统和乘员保护的动态评估》里。如果要取得TSOA是不需要符合以上AC文件的要求，但是，申请座椅的装机批准时，任何座椅系统都要满足这些AC的标准才有资格装机。SAEAS8049B宇航标准(AS)规定了在民用旋翼机、运输机和通用航空飞机中乘客和机组成员座椅的最低性能标准、鉴定要求及记录文件的最低要求。其目的是使座椅在正常工作载荷条件下到达舒适耐用和保护乘员的作用。其对座椅/乘员/约束系统在联邦航空条例(14CFR)第23,25,27或29部中公布的静态极限载荷和动态冲击试验条件下保护乘员的验证试验和评估判据进行了规定。AC25.562-1B咨询通告(AC)对运输类飞机座椅的动态试验提供了可接受的资料和指导。提供了试验程序背景和讨论，还论述了进行这些试验所必须的试验设备和试验设施。本咨询通报所描述的试验为标准试验程序，通常是符合性验证的最低试验要求。标准化程序可以在不同试验设施上得到相同的试验结果。这些试验设施可以是不同的类型，2.3.2座椅材料与连接形式的选择民航座椅支架和底架材质应多用较轻金属制成，从而使飞机减重，提高飞机载客量也就更安全。其中最常见的就是经济舱，其乘坐人数多，且大部分为商务旅客。在座椅坐垫上应选用软质材料，此外还应指出必须防火。材料为设计提供了物质基础，人们使用了某些手段和办法，对材料进行加工，使其塑造为可视或可触碰的实体，并有外形，并且将其转化为有使用价值的产品。材料的创新与应用不仅可以丰富产品形式，而且还能提升产品内涵，增强产品附加值，促进经济增长。材料的进步也从某种程度上促进着产品设计，给设计者更广阔的空间。在这些金属当中，以黑色金属为主。这些黑色金属包括铸铁、碳素钢及合金钢。有色金属包括铜、铝、锌、铅、锡以及银等等。有色金属以铜合金最为普遍、铝和铝合金。金属经过加工后可以改变其表面形状或使之形成各种图案。有色金属外观华丽，又有某些特殊的性质，所以，广泛用于装饰造型。各类塑料的性能各不相同，其最大的好处就是可以自由成型。用不同的原料制造出来的塑料制品具有各自独特的纹理或花纹，这就是塑料制品表面所表现出的质感。经过二次加工与改造，如通过涂装、热压印，可得到多种多样的肌理效果4。（1）座椅支架、底座、衬垫骨架及其他骨架座椅的基座与骨架在客运时担负着抵抗外界因素影响的力度，使用材料多采用组合焊接钢板，钢管，以达到减重的目的，还可与铝合金铆接组装，或者与FRP（强化塑料）等塑料整体成型品组装。这些部件在制造时需要考虑不同材质之间的匹配问题。(2)面料织物采用阻燃绕纯毛绒织物、阻燃性尼龙绒头面料，还是乙烯人造革的阻燃性材料，它们是高分子聚合物的一种，具有高聚物所共有的性能，例如，可分割性，弹性等、可塑性与绝缘性等等，很适合作为护面材料使用。这些部件在制造时需要考虑不同材质之间的匹配问题。座椅织物需要柔软舒适的面料、漂亮的外表，也需要更好的弹性，热稳定性和光稳定性。在保证这些性能前提下，还要尽可能地提高其透气性能。所述衬底材料采用维尼纶防水帆布、阻燃性本色细平布或粗麻布阻燃材料。这些材料均适合作为护面材料，特别是以丙纶为基体的织物。座椅护面也要具有足够撕裂强度，以免被尖硬物体刮擦或挤压，提前发生断裂现象；对人体皮肤无刺激性和过敏性等优点，而且其价格比较便宜。有一定抗腐蚀性和耐温性，且可确保长时间光照时不会变色；表面光滑平整，便于清洗和保养，以延长其使用寿命。容易清洗且洗后缩水量少。(3)填料采用用作衬垫的泡沫橡胶阻燃材料或者牛毛毡2号或者粗绒头石棉阻燃填料。（4）扶手及其他附件座椅表面装饰层采用了各种不同类型的涂料、塑料、橡胶、金属、纤维织物等多种材质的喷涂面以及涂层组合，使之成为一个整体。就民航座椅的设计而言，一定要尽可能地利用材料与技术，增加设计与制造精的确度，使手感舒服。座椅的表面要达到“无瑕疵”,“不变形”,“不磨损”,“无损伤”的效果。2.3.3座椅强度要求1动强度要求CCAR25的一些规定对座椅动强度设定了要求，涉及以下5个试验。16g前进，14g下降动态冲击试验和最小值试验、最大排距及排间H1C实验也有头排座椅H1C实验。通过这些试验，我们发现对于一些特殊车型来说，其前排乘员有较大风险。其中头排座椅H1C试验，完全可通过增大头排距避免，按AC25规定，当经济舱相距42in，公务舱为45in，已经没有必要做这个试验了。对于尾箱位置处乘员防护结构上的相关研究还没有展开过，所以本文对其进行初步探讨，以便今后进一步开展相关试验工作。由于部分机型存在应急出口问题，所以有后排乘客被撞到的危险，这时就有必要加入相关H1C试验。2静强度要求CCAR25的一些规定对座椅静强度提出了要求，主要涉及到以下5个试验，前进，后退，上升和下降、侧向五个方面，分别开展了加载静力试验。其中前两个为静态试验，第三个为动态测试，第四个则是模态分析和疲劳寿命预测试验。静力实验中，载荷系数的选择至关重要，不仅需要考虑TS0和CCAR25的规定和其他要求，目标机型的飞行和地面载荷包线也应考虑在内。由于飞机上的结构和部件较多，所以不同型号之间也会存在一些差异，这就需要针对具体问题来选择合适的试验方法，以保证试验结果具有可比性。以使得座椅可应用的型号更广，因此，TS0检定时，应充分考虑各种型号的飞行情况和地面载荷包线情况，十分必要。三、飞机座椅安全性及舒适性设计要求3.1安全带的设计航空座椅设计时，安全带固定点的位置在约束系统设计中是一个非常重要的参数。其中前两个为静态试验，第三个为动态测试，第四个则是模态分析和疲劳寿命预测试验。此外，安全带固定点与座椅参考点之间的前向距离不应大于2inch（50.8mm）。这就意味着当乘客坐在飞机上或从座位上取下时，必须使安全带固定于人体头部下方。3.2吸能技术当飞机急剧减速坠地后，当飞行加速度变化时，旅客们将承受巨大冲击力。如果这种冲击作用超过了飞行员的耐受限度，就可能导致事故发生。当人体生理条件对冲击承受能力有限，这样巨大的冲击力，能给人体带来极大危害。因此人们希望有一种能够减缓或避免这种冲击发生的装置，以减轻飞行员因地面颠簸而带来的损伤程度。但是飞机比人体能经受住更多的冲击，由此，设计者联想到，转移人体受冲击能量的方法，即吸能技术。吸能技术应用于飞机上，可以减轻或避免乘员所受的撞击力。座椅结构吸能原理通常为机构位移量变化或通过机构变形来吸能。本文介绍了一种新型的客舱用具有缓冲功能的吸能装置——椅板式吸能器。吸能式乘客座椅椅腿结构上，安装可拉伸吸能器。当椅子在地面上滑行时，其底部会产生向上的力作用于吸能器。吸能器受拉后，可吸收从座椅传递到地板上的局部超载。又例如X型椅腿、N型椅腿等旅客座椅，通过椅腿直接形变以适应超载。这种方法不需要缓冲装置就可实现对乘员进行保护。它具有在碰撞的瞬间能经受双向载荷的优点，并且在座椅变形之后，水平位移量很小，这就使排距受到限制，本实用新型能够提高乘客发生撞击后紧急疏散的概率。由于人体与椅背接触面积大，故乘坐舒适性好。N腿座椅被撞击时，所述前腿弯斜杆与所述后椅腿围绕所述椅腿后方的连接点朝下旋转。由于椅腿与椅背之间存在间隙，因此前支撑板也随之向上翻转并向外张开。变形座椅依然比较水平，但是往前下移，让乘客保持适当坐姿。3.3阻燃技术与阻燃有关，主要分为两种类型的零件：（a）座椅结构总成；如果这种冲击作用超过了飞行员的耐受限度，就可能导致事故发生。（b）座椅坐垫。其中座椅材料是影响其阻燃性能的重要因素之一。座椅材料必须根据美国安邦航空局（FAA）发布的法规要求或我国民航局发布的法规要求来选用，这就是CCAA-25。因此人们希望有一种能够减缓或避免这种冲击发生的装置，以减轻飞行员因地面颠簸而带来的损伤程度。在符合要求情况下，尽量做到轻巧。因此，目前国内大部分航空公司都采用铝合金座椅垫替代传统的塑料座椅垫。在材料技术不断进步的今天，国内外多家座椅制造商及研究专家，已经将复合材料广泛应用于飞机座椅制造之中。特别是国外一些先进的航空企业采用了碳纤维增强热塑性塑料作为座椅的骨架。例如比利时Feronyl军用飞机座椅制造公司就选择聚醚醚铜（PEEK）替代座椅上镁合金件。由于这种新型合金是用一种特殊工艺制成的。PEEK的特点是强度高，可燃性低、毒气排放少，重量轻于金属。因此它是一种理想的飞机座椅材料。又如采用PPS作为碳纤维增强物的基体材料，与铝材相比较，它能减轻40—50%的体重，并节约成本20~25%。另外，这种复合材料还可用作车辆和其它工业设备上的结构件。荷兰DTC公司已完成了使用该材料生产全套座位部件。飞机座椅垫最初使用的原料为聚氨酷块状泡沫而不是阻燃。随着人们对安全要求日益提高，航空事故频频发生，因此，飞机座椅垫用聚氨酯泡沫塑料成为首选材料之一。目前国外已经开始使用低燃点的无卤阻燃剂来代替传统的溴系或磷系类阻燃剂。飞机座椅垫泡沫芯采用FPUF，所以FPUF的阻燃处理就显得格外重要。目前国内尚无相关产品标准出台，且国外也未见有关这方面的报道。在过去10年中，无卤阻燃FPUF在国内外进行了广泛的研究，并且证实了使用抑烟性能良好的复合阻燃剂对聚氨酷软泡沫进行阻燃是必然趋势。3.4强度试验技术在适航标准方面，座椅强度以座椅主结构静力强度为主，座椅动力强度次之。随着人们对安全要求日益提高，航空事故频频发生，因此，飞机座椅垫用聚氨酯泡沫塑料成为首选材料之一。强度是航空座椅能否达到适航性要求的一个重要技术指标，因此，航空座椅在设计上必需符合FAA发布的TSO-C39b及§25.561·§25·785规定。我国在该条款上已做了大量研究工作并制定出相关规定。随着科技的进步，才能让飞机更安全，修正案进一步规定了§25.562应急着陆的动力要求，这一要求技术上是比较复杂的，仍然有一些问题需要解决。为此，我们研制了一种可在空中模拟飞机起落架缓冲装置冲击载荷作用下地面测试座椅静强度的方法。其中，以设置动态试验设备为主，进行了座椅动强度的动态试验。3.5舒适性设计要求飞机乘客座椅的设计通常要遵循如下原则：（1）座椅主要大小须符合人体大小，因人体差异性，人可通过调整座椅靠背的角度来实现、扶手和腰靠，以满足不同人的需求。因此，座椅的高度和宽度等都要能够调整到合适的位置上，才能达到理想的舒适程度。但是对某些无法调整的座椅，它的几何尺寸确定对于座椅舒适性是极为重要的。（2）座椅必须能够让旅客容易地变换坐姿；（3）靠背部分（尤其是腰靠）可以紧贴人体背部，以便提供足够的支持，分担压力。四、飞机座椅发展展望在科学技术飞速发展的今天，航空技术亦在高速发展，与此相关，飞机座椅技术研究也已成为重点。目前国内民航市场上出现了不少座椅舒适度不高的问题，严重影响着旅客乘坐的安全性。据研究发现，今后航空座椅的开发具有以下特点：（1）对安全因素进行了更系统的思考，大幅度降低了事故率，伤害率，以及研制适应提高安全标准的新技术等方面进行了研究，包括材料和结构等、保护装置和其他各方面，以增加座椅出行的安全性和遇危险应急功能。（2）更人性化，兼顾旅客舒适度需求，提高了座椅功能多样性，使偏好各异，生活习惯各异的旅客有了快乐的出行。（3）本实用新型更加广泛的兼顾了各类旅客，提高了座椅多样性