带褶皱的等张力体航天服软关节设计与实验

面向未来行星表面探测任务,航天服的活动性能需要进一步提高。为此,应改进航天服软关节的结构形式。根据等张力体形状内部承压时不存在周向应力的理论,在该曲面周向上加入褶片结构,设计出了带褶皱的等张力体关节,使之能够沿周向弯曲或伸展。为验证关节性能,利用柔性单自由度关节测量设备,进行了多次加卸载和不同运动范围的力矩特性研究,分析了关节的几何形态、等容性以及主应力状态,并将该关节与无褶皱的等张力体关节和平褶式关节进行了比较,最后讨论了关节的优化方向。结果表明,在测试的0°~80°范围内,关节力矩较小,最大容积变化为1.6%。关节弯曲时,等张力体曲面上周向应力仍可忽略不计。首次加载与之后的加载有一定的差异,而不同的运动范围对关节活动性能无影响。与其他两种关节形式比较,带褶皱等张力体关节在几何尺寸、运动形态和活动性能上都具有一定的优势。此外,该关节可在结构和材料方面进一步优化。     

Self-perspiration garment for extravehicular activity improves skin cooling effects without raising humidity

Introduction

The current U.S. extravehicular activity (EVA) suit in space includes liquid cooling and ventilation garment (LCVG) to control thermal condition. Tubes knitted in LCVG for flowing water interrupt evaporation of perspiration, and astronauts feel discomfort. In the present study, we hypothesized that a self-perspiration garment would effectively lower the skin temperature without raising humidity in the garment. Thus, we developed and examined the effects of the garment.

Methods

Eight healthy subjects were studied with a cyclic ergometer of 30, 60 90 and 120 W loading for 3 min each. Skin temperature and humidity on the back were measured continuously. Subjects wore and tested three types of garments i.e., a spandex wear without any cooling device (Normal), a simulated LCVG (s-LCVG) or the spandex wear knitted a vinyl tube for flowing water, and the spandex wear with a tube, which flows water and self-perspiration with oozing water for evaporative cooling (SPEC).

Results

All measurements were reached to steady state 2–3 min after the setting. The s-LCVG decreased skin temperature 0.39±0.14 °C during 12 min of cooling. With SPEC, skin temperature did not decrease significantly until 6–9 min after starting the cooling. However, the temperature decreased rapidly and significantly after that, and finally decreased 1.59±0.32 °C. Humidity in the SPEC was significantly lower than that in s-LCVG.

Discussion

SPEC was effective for lowering skin temperature without raising humidity in the garment. The concept is expected to use as a better cooling system during EVA.     

基于冷热电一体化的舱外航天服生命保障系统性能

基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和热驱制冷,提出一种舱外航天服生命保障系统冷热电一体化方案.在分别建立金属储氢装置、PEMFC、热驱制冷系统和辐射散热器数学模型的基础上,利用冷热电一体化的热力学分析理论和方法进行了典型案例的计算,并重点分析了核心构件热驱制冷装置的参数对舱外航天服生命保障系统性能的影响.与传统的冷热电分产舱外航天服生命保障系统比较,该系统仅消耗84.6g氢气,且不需要向空间排放工质,能源利用率高达85.29%,在工质消耗与能源利用率上有较大的优势.      

舱外航天服热试验外热流模拟方法研究

出舱行走所必需的舱外航天服具有复杂外表面形状,其空间外热流极其复杂。文章对舱外航天服在热试验中所采用的外热流模拟方法进行了对比分析研究,结合航天服的特点对热试验中外热流模拟的方式进行了探讨, 论证了用接触式电加热片及红外加热笼两种外热流施加方式的可行性,并通过分析的手段对不同热试验方法中施加的热流和太空中的热流大小及分布进行了对比。     

3种温度标准下的舱外航天服手套的工效评价试验研究

航天员在进行舱外作业时会受到低温的影响,规划航天服手套的温度工效标准具有重要作用。以力量、疲劳、感知感觉和协调性为工效评价指标,在中指指尖皮肤表面温度为常温、15.6℃和10℃3种温度下试验研究了低温环境对手套作业工效的影响。试验发现:①中指指尖皮肤表面温度控制在15.6℃时,工效受到的影响还不明显。在设计手套时,应保证中指指尖皮肤表面温度控制在15.6℃以上;②中指指尖皮肤表面温度在10℃左右工效受到的影响较为明显,其中感知感觉指标受到的影响较大,然后依次为疲劳、力量和协调性。舱外航天服手套的温度标准对于液冷通风服的设计也具有实用的参考意义。     

舱外活动系统述评

舱外活动（EVA）系统可分为3部分：1）航天员装备系统,包括舱外航天服（EVA航天服）、安全系绳和机动装置;2）空间支持系统,包括气闸、约束装置、EVA工具、在轨训练设施、遥控自动操作装置,以及表面运输工具;3）地面试验、训练与保障系统,包括减重／失重设施、热／真空试验舱、虚拟现实模拟系统、星体表面模拟场地,以及任务保障设施。文章阐述EVA系统的组成与功能,评述EVA技术现状及发展趋势。     

基于力矩比优化的航天员舱外活动仿真

提出了一种基于力矩比优化的航天员人体运动控制算法,该算法综合考虑了反向运动学、反向动力学以及人体工效学等因素,避免了单纯从动力学方面求解所带来的虚拟人体动画所隐含的力量冲突,提高了仿真结果的真实性和合理性。研究结果可为航天员舱外活动的设计和考察提供一定的理论指导和技术支持。     

主动航天服关节助力外骨骼结构设计及优化

为克服航天服关节阻尼力矩对宇航员未来太空作业、星表探测以及骨骼肌能恢复训练的影响，设计一种可应用于航天服的关节助力外骨骼方案。首先，结合航天服结构分析，研制了第一代关节助力外骨骼样机。其次，根据使用反馈对第一代外骨骼样机进行结构优化，初步确定第二代外骨骼样机的设计模型，利用有限元软件对负重状态下外骨骼样机进行静力学分析及模态分析。最后，进一步优化第二代外骨骼样机的结构尺寸，优化后的整体质量相较于优化前第二代及第一代样机分别下降了19.34%和40.03%，验证了外骨骼样机结构优化方案的可行性。研究结果为主动航天服结构动力学分析和控制系统开发提供理论依据。     

航天服肩法兰布局与上肢活动相关性试验

航天服上躯干结构的构成主要包括各个法兰环开口及包络面,在各个法兰开口中,肩法兰是与人体交互作用的关键部位。为探究肩法兰布局的各个设计因素与人体上肢活动的相关性,采用混合水平正交试验方法设计开展试验,利用极差、方差和回归分析等手段,以人体上肢单手操作空间(RVWOH)和双手操作空间(RVWTH)作为评价指标,对航天服肩法兰的4个设计因素进行分析。结果表明肩法兰布局4个设计因素中,角度γ是影响单、双手操作空间的主要因素,以下依次是角度α,内径d和左右肩法兰中心距l;方差分析表明4个因素都对单、双手操作空间有显著或非常显著的影响;单、双手操作空间与4个设计因素关系可以用回归方程表达。通过试验研究确定了航天服肩法兰布局与人体上肢活动的相关性,为其设计及优化提供了依据。     

舱外活动中航天员利用扶手移动的路径规划

航天员在舱外活动中,常常需要从一个工作点向另一个工作点移动.提出了一种用于搜寻两个工作点间最短通路的路径规划的方法.该方法利用人工智能中的启发式搜索A^*算法,在用栅格法对三维工作环境进行离散化的基础上,采用路径最短原则,完成了航天员在舱外活动中依靠扶手移动的路径规划.对一个例子进行了研究,并对结果进行了分析.规划的路径可为航天员舱外活动扶手的安装位置提供参考依据,以减少航天员舱外作业的工作时间、降低能量消耗以及提高航天员舱外作业的工作效率.