舱外航天服除湿装置除湿及再生特性

在舱外航天服环境控制与生命保障系统中,除湿装置能够对介质气体中湿气进行去除,可有效提高CO_(2)分压传感器的测量灵敏度。为适应舱外航天服的使用模式、出舱时间,同时延长除湿装置在舱外航天服中的使用次数,提出了使用舱外航天服氧瓶剩余氧气进行硅胶吹扫再生的方法,为分析除湿装置的除湿特性、再生特性以及使用模式对其性能影响,首先对比了氯化钙、变色硅胶和细孔硅胶等干燥剂的物理特性和除湿性能;其次,采用纯氧吹扫的方式对变色硅胶进行了除湿再生试验研究;最后,对比分析了除湿装置使用模式对其除湿性能的影响特性。试验结果表明:CaCl_(2)颗粒的除湿效果优于变色硅胶,但吸湿后CaCl_(2)干燥剂会出现坍塌短路的现象;在相同试验条件下,变色硅胶的连续除湿时间为32 h,而细孔硅胶的连续除湿时间为23 h;除湿过程经过暂停后,除湿特性发生变化,间断模式的出口绝对湿度随着除湿时间的增加而有所增大,并且高于正常模式下的出口绝对湿度。变色硅胶的物理特性稳定且在满足除湿要求下的除湿时间较长,更适用于该系统中的除湿装置;且变色硅胶经过纯氧吹扫后可循环使用,具备多次除湿功能;间断模式会造成硅胶内部含水量的重新分配,降低除湿装置内硅胶的整体吸湿能力。本研究为舱外航天服环境控制与生命保障系统中除湿装置干燥剂的选择以及再生特性的优化提供了基础数据和理论指导。

舱外航天服下肢关节阻力矩迟滞特性研究与建模分析

舱外航天服关节阻力矩是评价航天服工效性能以及规划航天员出舱作业任务的重要指标。为研究航天服关节阻力矩的迟滞特性,首先总结了关节阻力矩的产生原因,得到了下肢关节阻力矩与运动角度之间的迟滞关系。其次,采用了Jiles-Atherton模型去描述关节阻力矩的迟滞特性,同时在实际关节阻力矩数据的基础上,提出了一种模拟退火-粒子群优化算法去辨识Jiles-Atherton模型参数。最后,与改进型粒子群算法相比,所设计的模拟退火-粒子群优化算法收敛速度分别提高了15.58%和10.91%,计算精度提高了29.31%和11.77%,且对未知关节阻力矩预测误差分别减小了10.89%/25.73%和0.96%/22.2%,验证了设计算法的有效性。另外,根据建模误差特点设计了误差补偿函数,所辨识的Jiles-Atherton模型在误差补偿后对未知关节阻力矩预测误差进一步减小了46.49%/10.95%。计算所得模型可为后续舱外航天服关节助力技术研究提供理论依据。

美国新一代舱外航天服便携式生命保障系统的研究进展

针对后空间站时代深空探测、登陆月球、火星任务目标,美国于21世纪初开启了新一代舱外航天服(xEMU)的研发工作。介绍了在新的任务背景下,新一代舱外天服便携式生命保障系统的发展情况,重点分析了xEMU便携式生命保障系统在设计思路、功能结构等方面的特点。此外,还介绍了膜蒸发技术、快循环固态胺等关键单机技术的发展历程,及其在新一代便携式生命保障系统中的应用情况。相关研究可为我国新一代舱外航天服便携式生命保障系统的研制提供参考。

中国载人航天器环境控制与生命保障技术研究

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验,进行了"神舟"飞船环控生保分系统的研制,并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。本文主要介绍了上述过程环控生保系统技术的研究进展,并分析了环控生保系统的技术特点。

基于舱外航天服手套基础性工效评价的人体力学指标优选研究

目的探索科学而实用的舱外航天服手套基础性工效评价的人体力学优选指标。方法从人体力学的力量、疲劳、感知觉、活动范围和灵活性5项指标(28项测定指标)对13名青年大学生(6女7男)进行了裸手与戴手套(舱外航天手套模拟件)的手动作业工效研究,并结合人体知识运用统计学方法对5项指标的测试指标进行了优选处理。结果可用握力代表力量,以主观疲劳与行为下降代表疲劳,以内收/外展、弯曲/伸展与旋转代表活动范围,形状感知代表感知觉,拧螺母打结代表灵活性。结论本文结果可为舱外航天手套的评价和性能改善提供基础性资料,具有一定实际意义和应用价值。

舱外航天服关节阻力矩测量与建模方法研究

目的探索更为精准的舱外航天服关节阻力矩测量和建模方法,为人-服交互运动生物力学仿真建立舱外航天服力学约束。方法分析国内外现有的关节阻力矩测量技术利弊,提出了自驱动式等速测量舱外航天服关节阻力矩的方法,并应用于服装内部有人和无人工况;采用NNOPM(RBF神经网络优化的Preisach迟滞模型)预测阻力矩随运动轨迹的变化,并与测量结果对比验证。结果内部无人和有人工况下的舱外航天服肘关节的阻力矩差异较大,肩关节的阻力矩差异较小。模型预测结果与实验测量结果一致。结论自驱动式等速测量方法和NNOPM能有效用于舱外航天服关节阻力矩的测量和建模。

基于暖体假人代谢模拟的“飞天”舱外服热防护特性试验研究

目的确定在轨空间环境下的舱外服整体系统的极限隔热能力(漏热率),验证系统被动热防护结构设计的正确性、合理性及特定防护结构的性能。方法通过空间外热流仿真计算确定轨道出舱活动可能经历的极限热工况和极限外热流,采用红外笼和液氮模拟舱外服的空间热流和热沉;用暖体假人模拟舱外服内人体代谢和温度控制。结果采用上述方法构建了人-舱外服-外热真空环境试验系统;通过对真空无热沉、冷黑背景和不同外热流施加的热状态比较、外部散热控制法和暖体假人热补偿法的比较,形成了验证和评估系统热防护性能的综合技术方法。对飞天舱外航天服在模拟内外部热环境下进行了极限热防护性能测试和评估。结论对试验精度进行的分析表明试验结果具有很好的测试精度,能够对舱外服热防护性能进行验证和评估。

基于人体模型的舱外航天服热系统分析与计算

分析了舱外航天服空间换热的特点,对“空间环境-舱外航天服-人体”热系统进行了传热分析,利用Visual C++6.0及OpenGL技术进行了三维人体模型的构造,对人体体表温度的计算结果进行了三维图形显示.结合人体热调节模型建立了“空间环境-舱外航天服-人体”热系统仿真技术,分析了航天员在不同代谢模式、被动热防护状态及液冷、通风系统控制情况下的热状态,确定了各代谢活动水平下航天员达到舒适状态时液冷、通风系统的工作条件,利用暖体假人试验结果对系统仿真进行了验证,结果表明二者吻合很好,本项目具有很好的工程应用价值.

苏/俄舱外航天服技术的进展

苏/俄载人飞船("上升"号与"联盟"号)航天服是软式的,由舱内压力服演变而来,不仅用于短时间的舱外活动,而且作为航天员舱内防护与应急救生使用。月球"海鹰"服原计划用于苏联月球使命的指令长在轨使用。1972年月球项目中止后,在月球"海鹰"服的基础上,经不断改进,形成"海鹰"系列舱外航天服,用于"礼炮"号与"和平"号空间站。自2001年起,"海鹰"-M与美国航天服EMU(舱外移动单元)一起在国际空间站使用。"海鹰"系列的第5个型号,"海鹰"-MK,已于2008年9月运抵国际空间站,还有两套"海鹰"-MK将于2009年抵达国际空间站。"海鹰"-MK是世界上第一种应用内置计算机的智能化航天服,它将在国际空间站上逐步取代"海鹰"-M,投入使用。阐述"海鹰"系列航天服的技术进展,特别是"海鹰"-M与"海鹰"-MK的技术状态。

舱外航天服上肢主动助力外骨骼建模与仿真

目的为消除舱外航天服关节阻尼力矩对航天员舱外作业的影响,设计一种舱外航天服主动助力上肢外骨骼方案。方法上肢外骨骼关节采用串联弹性体(rotary series elastic actuator,RSEA);分别建立人体和航天服间接触力、舱外航天服关节阻尼、上肢外骨骼动力学模型;按照人在回路控制系统原理,提出关节力控制策略和外骨骼力控方法,并进行仿真实验。结果仿真表明:助力外骨骼可将航天服肩关节阻尼力矩从39.5Nm减小到0.45Nm,可将肘关节阻尼力矩从9.8Nm减小到0.1Nm。结论该舱外航天服上肢主动助力外骨骼能够显著减少人体受到的阻尼力矩,有利于降低航天员体力消耗,延长舱外作业时间。

舱外航天服空间热流分析计算

进行了舱外航天服的被动热防护性设计,了解其空间辐射换热及空间热流.分析了舱外航天服空间热交换的特点及其真空屏蔽绝热层的隔热性能,确定了航天服、地球、飞船及太阳照射方向的4种典型相对位置关系,对各相对位置下航天服的空间辐射外热流进行了分析,并建立了空间热流的计算方法,对航天服表面最大得热与漏热进行了求解.最终计算结果表明:航天服被动热防护性能对空间热流的影响很大.进行被动热防护设计首先应提高隔热性能,并适当减小表面太阳辐射吸收率与表面黑度的比值.

舱外航天服手套关节力学特性测试系统

根据机器人学原理,提出了基于测量机械手的舱外航天服手套关节力学特性测试系统的测量原理。设计了基于平行四边形连杆的外骨骼式测量机械手,该机械手刚度大,指节长度可调节,能够围绕航天服手套实现包络运动,且机械手可双向驱动。根据机械手的结构特点,建立了其运动学模型。针对舱外航天服手套柔性关节的转动特性建立了手套二自由度手指的数学模型。最后以基于高速浮点DSP的PCI控制卡为核心建立了测量机械手的控制系统。

主动加热对舱外航天服手套工效影响的试验研究

目的探讨对舱外航天服手套进行主动加热是否会对舱外手动作业的工效造成影响。方法分析了手套对工效的影响因素,从疲劳、力量、灵活性和感知感觉方面设计试验研究主动加热对手套工效的影响。结果1)加热片对力量没有影响;2)除个别人外,加热片对疲劳的影响为17%;3)拧螺母和夹大头针表明加热片对灵活性的影响较小;4)感知物体形状和距离表明加热片对感知感觉的影响较小。结论对试验数据分析证明所采用的主动加热方法合理,对工效影响很小。

训练用舱外航天服压力与通风供氧仿真设计与实现

训练用舱外航天服是航天员地面训练的重要设备之一。其中压力与通风供氧仿真是训练用舱外航天服研制成功地关键技术之一。详细介绍了压力与通风供氧仿真的设计与实现,最后通过实验验证设计与实现的正确性,成功模拟了舱外航天服使用环境中压力与通风供氧。

当代出舱活动技术发展

出舱活动技术有多种分类方法和广泛用途,并需使用气闸舱、舱外航天服等一些先进而复杂的硬件设备。40多年来,经过苏联/俄罗斯、美国等国的专家的不断开发,出舱活动技术已有了长足的发展。俄美两国在出舱活动系统方面各有特色,在出舱训练技术方面也各有千秋。中国航天员将进行首次出舱活动,成为世界上第3个完全独立实现出舱活动的国家。

神舟七号航天员出舱活动总体设计与飞行实践

航天员出舱活动总体设计,是决定任务的关键技术之一。围绕人、服、舱、失重和真空环境,解决复杂系统人机环境的医学工程难题,制定系统总体方案,实施医学综合防护,确保我国航天员穿着专门研制的"飞天"舱外航天服,安全、健康和高效地完成首次出舱活动任务,突破出舱活动技术。着重介绍航天员出舱活动任务分析、总体设计、出舱活动方案设计、系统集成与验证和飞行验证结果。

飞天舱外航天服适体性设计方法与验证

适体性是舱外航天服工效保障能力的基本要求。为确保出舱活动任务的顺利实施,开展了飞天舱外航天服适体性设计实践。根据飞天舱外航天服的结构构形,确定适体性设计原则,采用被动适体和主动适体融合设计;分析讨论了舱外航天服适体性设计因素,以身高等人体参数作为主要参考数据完成了适体性设计,并开展了无人、有人适体性验证试验。试验结果表明:飞天舱外航天服对人体匹配性良好,穿服平均时间147 s,脱服平均时间77 s,脱指量接近零,飞天舱外航天服适体性满足使用要求。

舱外航天服的工效学问题及其研究方法

阐述了舱外航天服在航天员出舱活动(EVA)过程中的作用、舱外航天服工效设计对保障航天员生命安全和EVA质量的意义,以及航天服设计必须考虑的各类因素。并在此基础上探讨了航天服设计研究的主要手段与方法,强调了现阶段利用虚拟人体进行舱外航天服工效学分析的可行性。

面向出舱活动的典型功能操作肌肉激活预测

面向出舱活动中航天员肌肉状态和体力负荷的风险评估,为了实现航天员肌肉激活的预测,开展了着常服和舱外服两种工况下不同操作位置的推、拉、提、压共8组典型功能操作实验,测试航天员最大施力能力的同时采集了肱二头肌长头、肱三头肌外侧头和三角肌前束的肌电信号。提出基于人-舱外服耦合运动生物力学模型预测着舱外服人体的肌肉激活,并预测了两种工况下8组典型功能操作的肌肉激活。通过预测结果和积分肌电值的相关性分析,验证了模型预测的有效性,为研究人-舱外服真实交互方式提供了新的方法学思路,对肌肉激活的预测为出舱活动任务规划提供了生理学依据。

空间站出舱活动分离救援技术研究

航天员进行出舱活动时,存在与空间站分离的可能性,涉及航天员安全。救援与空间站分离的航天员,是出舱活动必须考虑的问题。对此,总结了救援技术的发展历程,从人机能力及特性的角度,重点研究了救援的关键技术,包括分离可能性和分离状态分析、救援策略和机制确定、救援系统设计;提出现阶段应以航天员驾驶救援装置返回空间站为主,同时分析了人服特性对控制系统的影响,以及相关新技术的应用前景,指出救援技术的发展趋势是人机系统机动能力的整体提升,可为设计建造实际的救援装置提供思路。