空间尘粒静电除尘模块设计与试验验证

针对航天员在轨出舱活动归舱时可能将空间环境中的污染物携带进入空间站内的风险,研究通过等离子体环境对空间尘粒荷电,并对被荷电尘粒进行静电场集尘(electrostatic field precipitation,EFP)。首先分析空间尘粒的静电荷电与静电吸附机理,进行前端尘粒荷电计算;然后引入多依奇(Deutsch)捕集效率模型,以影响EFP模块捕集效率的关键参数——风速、结构参数和激励电压为对象进行仿真研究,确定了EFP模块的参数设计;最后对按照设计参数加工的EFP模块进行试验验证,结果表明该模块的尘粒捕集效率可达85%以上,满足了对空间尘粒亚高效过滤清除的需求,可为空间尘粒清除装置的进一步开发提供参考。

空间站机械臂研究

空间极端环境下,大多数舱外活动必须借助于机械臂.机械臂是国际空间站的主要组成部分,其对空间站的在轨组装、外部维修以及运行起着至关重要的作用,同时机械臂可以减少航天员在舱外的工作时间和频率.通过对国际空间站成员国关于机械臂研究概况的介绍,包括航天飞机机械臂、空间站机械臂、欧洲机械臂、日本实验舱机械臂以及德国机械臂,为中国空间机械臂的设计提供参考.

“神舟七号”飞船热控分系统设计和在轨性能评估

针对出舱活动飞船热控设计难点,简要介绍了其热控方案,并对热控分系统在轨飞行数据进行了深入分析,综合评估其在轨工作性能。飞行试验表明,飞船在待发及上升段、自主运行段、出舱活动段、返回再入段,热控分系统均具有良好的温度调控能力和适应能力,整船仪器设备温度及密封舱空气温湿度均满足指标要求。

神舟七号飞船单相热控流体回路在轨性能评价

重点介绍了神舟七号出舱活动飞船热控单相流体回路主要技术方案,包括组成与流程设计、内外回路工质优选及回路控制方案等,并对流体回路系统在轨工作性能和温度控制数据进行分析和综合评价,飞行试验表明流体回路在待发段、自主运行段、出舱活动段、返回再入段均具有良好的温度调控能力和适应能力,温度控制精度和系统散热能力均满足指标要求。最后总结了神舟飞船流体回路的创新之处与待改进方面。

航天员舱外活动计算机动态仿真

详细阐述了应用计算多刚体系统动力学仿真航天员舱外活动EVA(Extra Vehicular Activity)的步骤。介绍了多刚体统系动力学的中Kane方法的基本原理,分析了Kane方法应用在EVA仿真中的可行性,介绍了反向运动学和反向动力学的基本概念。选取STS-63飞行中的一次任务,在对其进行适当简化的基础上,建立了航天员7节段6自由度的人体模型,利用Kane方法和反向运动学和反向动力学对模型进行了求解。对结果进行了分析,并得出了结论。

基于VC平台的虚拟人运动分析软件

常用Jack分析软件在失重状态下无法实现对动作的复杂动力学分析和计算。针对该问题,提出一种虚拟人运动分析软件设计方法。依据人体的基本结构和动态特征,结合刚体运动学和机器人学技术,将虚拟人划分成15个体段,使各体段简化为匀质刚体,并建立多刚体动力学模型,应用机器人Denavit-Hartenberg分析方法进行虚拟人的建模和分析,在此基础上,采用标准C语言形式编写虚拟人的运动学和动力学分析算法,利用OpenGL工具开发可视化仿真界面建立虚拟人的三维仿真场景。通过虚拟人飘浮出舱动作的运动仿真验证了平台的可行性和较好的人机交互性。

人服系统上肢交互生物力学仿真模型

目的通过建立人-舱外服上肢交互生物力学仿真模型计算穿着舱外服后航天员上肢关节力矩和肌肉力,满足出舱活动风险评估的需求。方法分别建立舱外服手臂的刚体运动学模型和关节阻尼力矩迟滞模型以描述舱外服关节的运动和力学特性。通过对舱外航天服肘部和人体肘部位置进行约束实现人体和舱外服手臂之间的运动学耦合,利用虚拟反作用力元实现两者之间的动力学耦合,在反向运动生物力学架构下建立一体化仿真模型。利用该模型对宇航员穿着加压、未加压舱外服和不穿着舱外服3种工况下肘弯曲/伸展进行仿真案例分析。结果3种工况下肱二头肌的预测肌肉激活和积分肌电的相关性分别为0.86、0.71、0.65,肱三头肌对应的相关性分别为0.75、0.61、0.60,采用预测肌肉激活和积分肌电的一致性定性验证了模型的正确性,利用舱外服肘关节阻尼力矩与人体肘关节肌肉承受力矩之间的一致性验证了模型的合理性。结论该人服系统上肢交互生物力学仿真模型能有效计算航天员穿着舱外服后的上肢关节力矩和肌肉力,且仿真结果和实验表明,加压后舱外服关节阻尼力矩造成较大的人体关节力矩和肌肉负荷,为航天员出舱活动中的体力负荷和骨肌风险评估提供方法学支撑。

神舟七号飞船气闸舱热试验方法

简要介绍了神舟七号出舱活动飞船气闸舱单舱热试验(包括热平衡试验和泄复压热试验)情况,分别给出了试验技术状态、试验工况、试验过程及典型的试验结果等,重点论述了舱段级热试验所采取的通风对流换热模拟、流体回路换热模拟、固体传热边界模拟的关键技术。将试验结果与飞行遥测数据进行了比对分析,两者一致性很好,表明所采取的热边界模拟方法合理正确,舱段级热试验获得了成功,达到了缩短研制周期、节约研制经费的预期目的。

利用Kane方法进行航天员舱外活动仿真

阐述了计算机动态仿真航天员舱外活动 (ExtraVehicularActivity ,EVA)的必要性 ,分析了国外航天员运动仿真的现状 ,给出了应用计算多刚体系统动力学对航天员舱外活动进行仿真的详细步骤。建立了具体的仿真方法 ,考虑了反向运动学、反向动力学等 ,反向动力学采用Kane方法。选取典型的EVA ,在对其进行适当简化的基础上 ,得出了描述该EVA系统运动的 7节段 6自由度动力学方程 ,对该EVA进行了仿真计算 ,并对结果进行了分析。

OpenGL在航天员舱外活动仿真中的应用

简要阐述了进行航天员EVA(ExtraVehicularActivity)仿真的必要性和实现步骤。介绍了OpenGL的基本概念。在详细阐述了Kane方法、反向运动学以及反向动力学的基础上,给出了具体的实现仿真的算法。选取STS-63飞行中的航天员操纵大质量载荷为仿真对象,在做了适当简化的基础上,得到了7节段6自由度的航天员人体模型。对模型进行了求解,用OpenGL根据结果实现了EVA的动画显示。对求解结果和动画序列进行了分析,得出了结论。

中国载人航天医学工程学发展的过去、现在与未来

基于中国载人航天医学工程研究在不同的发展阶段所开展的工作 ,总结了航天医学工程学科的形成与发展的过程。探讨了航天医学工程学各骨干学科之间在体系内相互依存、相互影响、相互配合、相互渗透的关系。结合我国载人航天后续任务的开展 ,明确了航天医学工程学的发展方向和需要开展研究的内容。为了搞好后续任务 ,提出了航天医学工程教学、科研与型号任务相互促进 ,共促发展的学科建设方向。

载人航天在轨维修舱外电动工具的发展与思考(下)

手枪型电动工具是载人航天开展在轨维修任务等舱外活动必不可少的电动工具之一。梳理舱外活动用手枪型电动工具的扭矩控制器、动力总成、外壳、机构润滑、电控、人机界面及锂离子电池等模块化技术,概括舱外电动工具的持续优化的设计理念,介绍了舱外活动测试与地面验证的专用工具及设施,探讨了舱外电动工具在功能性能协调、空间环境防护、锂电池安全防护、机构润滑以及地面验证试验等方面的研制难点与研究方向,最后对舱外电动工具的未来发展趋势进行展望。

载人航天在轨维修舱外电动工具的发展与思考(上)

舱外电动工具是航天员为空间站等大型航天器实施在轨维修,保证航天器长寿命运行的必要工具。概述了舱外电动工具的研究背景与工作环境;介绍了早期空间电动工具的发展;分析了以哈勃望远镜、国际空间站等航天任务所使用的舱外电动工具的技术特点;总结了舱外电动工具的发展与研究方向,提出中国开展舱外电动工具相关研究应关注维修任务体系与工具的统筹规范、工具的高可靠性设计方法等,并应加强模块化手枪型电动工具的研究。

载人航天工程的后续目标与航天医学工程的研究方向

以载人航天为任务背景的航天医学工程学科在中国载人航天工程中发挥了重要的作用并得到了迅速发展。在此基础上 ,根据工程后续的 3个目标 :1 )突破航天员出舱活动技术 ,验证航天员的舱外作业能力 ;2 )突破飞船与空间目标飞行器的交会对接技术 ;3)建立一定规模的空间实验室 ,著者提出了航天医学工程研究在航天员选拔训练 ,工程设计的医学、工效学要求与评价 ,航天员医监医保与航天医学研究 ,航天器环境控制与生命保障技术研究 ,出舱活动与交会对接的相关技术研究和训练与试验模拟技术研究等领域的研究方向和重点。

航天员出舱充放电效应及防护技术研究

针对低轨等离子体环境下航天员出舱活动(EVA)受到充放电效应的威胁,调研了国际空间站在轨运行等离子体环境、空间站的结构特点及空间站充电和电位状态,重点分析了航天员EVA工况和舱外机动单元(EMU)的结构特点。结合人体电学参数,引入低轨等离子体环境空间站-航天员-EMU静电充放电模型,探讨了空间站不同结构电位对航天员EVA的充放电效应,分析了航天员EVA中的充放电防护方法,为未来我国航天员长时间出舱作业提供充放电效应防护设计理论与技术支持,最后针对我国空间站航天员EVA充放电效应的防护研究提出了若干建议。

空间舱外机动装置发展综述

介绍了国外几种主要空间舱外机动装置的特点和性能 ,比较分析了系绳、机械、喷气机动等舱外机动装置的特点。认为小型的喷气机动装置 (SAFER)

航天服关节力矩的数学模型

航天服关节力矩特性的数学表述是预测航天员出舱(EVA)作业强度、评估航天员疲劳度、规划EVA活动路径的重要基础。首先,分析了关节力矩的特性,提出建立数学模型的要求,阐述了Jiles-Atherton磁滞模型原理,以及磁滞模型与关节力矩特性的相合性。其次,利用模拟退火算法的思想对遗传算法进行了改进,并基于MATLAB软件实现。最终,对EVA航天服腕关节和肩关节力矩进行仿真,得到关节力矩在特定活动角度下的数学模型。仿真结果表明,针对关节力矩迟滞特性所得的关节力矩数学模型,能够更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可以更便捷地用于航天服工效学等相关研究领域。