太空行走趣谈

继神五、神六之后,又一个令人振奋的消息传来,今年9月,神舟七号上天了。对于中国航天来说,这次神七的发射也具有开创性的意义,它不仅标志着中国载人航天第二步的开始,也是中国航天员第一次走出飞船,实现舱外活动。人们通常将舱外活动形象地比喻为太空行走,这是一种更为通俗的说法。对于太空行走,人们或许会提出一些问题:为什么要进行太空行走?它有危险吗?航天员是如何走出飞船进入太空的?航天员     

人体下肢行走运动特征及肌肉肌腱参数研究

为了提高舱外航天服运动性能,保证航天员舱外活动的灵活性与舒适性,从生物学出发,以人体行走为例,研究了下肢膝关节运动特征及肌肉肌腱参数。首先从解剖学角度对人体下肢肌骨模型进行分析,其次对人体下肢关节的运动学、肌肉肌腱参数与动力学特征等进行研究,最后分析下肢膝关节力矩、角加速度与关节惯量的关系。结果表明:人体下肢膝关节处于最大屈曲位时,关节角加速度几乎同时达到最大;内外侧腓肠肌与股直肌分别在支撑期与摆动期提供重要力量;行走运动中的人体膝关节力矩与角加速度未呈现较好线性关系,但关节惯量与周期(时间)序列可完成较好线性拟合。该结果可为太空环境下的相关研究及舱外航天服的设计提供一定参考。     

基于外骨骼技术的舱外作业下肢运动能力增强技术

针对未来航天活动中航天员面对的在复杂环境下携带大量载荷进行长时间、大范围舱外作业的需求对航天员舱外运动能力要求较高的背景,阐述了一种基于外骨骼技术的舱外作业下肢运动能力增强技术,介绍的外骨骼系统包括仿形机械结构分系统、执行机构分系统、能源分系统、感知分系统和控制分系统,还重点介绍了动力学分析与建模、运动状态和运动意图感知、实时控制等关键技术,并通过地面实验数据和仿真证明了这种方法的有效性。     

太空行走的训练

人类长期以来生活在重力环境里,而航天员在舱外执行各种任务时是处于一种微重力环境。在微重力环境下行走或工作可不是一件容易的事,当航天员按照地面的习惯来行走或操作时往往会用力过度,使自己飘离航天器或无法准确地完成操作。而且,在分析航天事故中,可以发现很多事故与航天员违反操作规程和训练不够有关。因此,为了更好地完成出舱任务,航天员在执     

气闸舱是怎样研制出来的

飞船研制的重中之重气闸舱的设计和改进是神舟七号飞船研制工作中的重中之重,也是我国航天员首次太空行走,突破航天员出舱活动技术的关键所在。在轨道舱兼作气闸舱的研制中,技术人员先后进行了出舱活动操作空间设计、扶手等限位助力保险装置设计、增大出舱活动通道设计、泄压复压功能设计、出舱活动通信功能设计、出舱活动操作显示界面设计、出舱活动照明摄像功能设计等多项技术创新,实现了气闸舱的功能要求。新设计的气闸舱的功能是:具有两次完整的泄载压力和恢复压力的功能,并配置了支持航天员空间出舱活动的设备设     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

舱外航天服-航天员下肢系统动力学建模与分析

针对未来月球、火星等地外星体表面探测对舱外航天服下肢系统活动性的需求,探讨了充压航天服对航天员下肢运动的影响,进行了航天服下肢系统自由度配置、航天服-航天员下肢系统的建模、运动学和动力学分析。首先,结合人体生理结构特点和工效学要求,配置了具有12个自由度的航天服下肢关节系统。然后采用DH参数法,对单腿6自由度系统进行了正逆运动学分析,并利用拉格朗日方法建立了人服系统的动力学方程。最后,以直立行走和上下楼梯模拟不同路况,定量分析了航天员在未着服、着服未充压和着服充压状态下髋关节、膝关节和踝关节的力矩变化。结果表明,航天服质量、转动惯量和关节阻力矩将增加航天员的活动负荷;不同路况下,下肢各关节的力矩受到不同影响。未来星表探测航天服设计时,合理确定航天服质量、关节结构形式是非常必要的。     

基于回收着陆段精细模型的飞船落点预报

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了回收着陆轨迹预报算法,分析比较了简化的三自由度动力学模型和精细的多体动力学模型的数值预报效果,并与“神舟八号”返回舱实时降落轨迹和实测落点位置进行了比较分析.结果表明,精细的伞-舱动力学模型为回收着陆气象风修正落点预报提供了更精确、更详细的信息,利用该模型预测返回降落轨迹和着陆落点位置,有助于减小飞船的搜救范围,缩短搜救时间.     

航天员舱外活动安全绳虚拟现实操作仿真方法研究

为了解决航天员舱外活动虚拟现实训练仿真中安全绳的逼真仿真问题,分析了安全绳的结构组成和神七任务航天员出舱过程微重力下的安全绳变形规律,对安全绳采用质点-直线弹簧-弯曲弹簧模型建模,使用基于位置的仿真方法计算了安全绳的变形,给出了安全绳的仿真参数,建立了航天员舱外活动安全绳操作仿真系统。开展了受试者试验,仿真结果表明,仿真方法实时有效,可为航天员虚拟现实舱外维修仿真提供基础算法。     

一种航天员舱外活动用脚限位器的设计与分析

针对航天员开展舱外活动时与舱体的可靠连接和工作位姿的调节与固定这两个亟待解决的问题,提出了一种舱外活动用新型三关节便携式脚限位器的设计,阐述了其结构组成和工作原理,确定了其系统方案和技术参数;基于静力学和有限元分析,对设计进行了结构优化,利用ADAMS软件对该装置进行了运动学和动力学仿真分析,验证了该装置通过三个关节机构实现折叠状态和调节位姿的有效性,获得了主要关节位姿调节的运动学和动力学特性,为该装置的结构改进和优化奠定了基础。     

美国EMU与SAFER技术状态

美国航天飞机与国际空间站的舱外活动航天员装备由舱外移动单元(EMU)及简易EVA自救装置(SAFER)组成,其中EMU即舱外活动航天服系统,包括航天服组件(SSA)、生命保障系统(LSS)及EMU辅助设备;SAFER为简化的机动装置,用作航天员自救装置。此外,借助数字相机,SAFER也有可能用为检测工具。阐述微重力环境中美国舱外活动航天员装备的功能、组成以及相关技术的发展。     

载人飞船返回舱着水冲击问题研究进展

通过归纳一般物体入水冲击问题解析法和数值法的种类和发展,对载人飞船返回舱着水冲击问题进行了应用研究;重点对国内外工程上进行的返回舱着水实验进行了整理,并根据实验舱体的复杂程度将其分为模型实验和样机实验两类,指出分别使用刚性缩比模型、弹性缩比模型和样机进行着水实验时,成本、实验周期及其结果数据丰富程度递增的特点,指出了需要注意的弹性近似准确性和样机在不同实验工况下的适应性改造问题：同时对近年来研究较多的返回舱着水冲击问题的仿真分析方法进行了总结对比,讨论了其适用于任意舱体外形、任意姿态着水问题分析以及能够获得全过程详细动力学特性的优势。     

应用于舱外航天服的增强现实显示技术

针对航天员对任务环境信息感知能力的提升问题,介绍了目前舱外航天服显示技术的概念和发展现状.分析了航天员对显示信息的任务需求,比较了增强现实显示技术不同方案的特点,综述了近几十年国内外航天领域中舱外航天服显示技术的研究历程与发展现状;基于舱外航天服显示设备现状,探讨了不同显示技术方案的特点及问题.面对未来更加复杂繁重的太...     

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。     

新型CDMA技术在出舱通信中的应用分析

航天员出舱通信系统是舱外航天服的重要组成部分,为航天员的舱外活动提供支持。通过简要分析航天员出舱通信的需求及信道环境,提出一种采用ZCZ序列的新型CDMA技术通信方案,较传统CDMA系统实现更为简单,多用户和多媒体业务可扩展性强。仿真结果表明,新型CDMA技术可用于误码率要求较高的图像/高清视频等高速数据的传输,能满足未来航天员出舱通信系统的需求。     

舱外航天服的轨道空间外热流计算方法

分析了舱外航天服在轨道空间环境的辐射换热热流。采用蒙特卡罗(MonteCarlo)法,计算了航天服及飞船处于各种相对位置时,航天服对飞船的红外辐射角系数;航天服相对于地球位于各种位置时,航天服对地球的红外辐射角系数;在一定太阳照射方向下,飞船及地球对航天服的太阳反射角系数。与文献数据比较,证明此方法计算舱外航天服空间外热流适用性强,结果准确、可靠,能满足工程使用要求。     

基于气象风修正的返回舱落点快速预报方法

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了一种基于气象风漂移修正的返回舱落点快速预报方法,在"神舟八号"、"神舟九号"任务中进行了验证试验,并与现有返回舱落点预报方法进行了比较。结果表明,基于伞-舱多体动力学模型的气象风漂移修正量精度较现有方法提高了30%,利用该方法可快速准确预报返回舱着陆落点位置,有助于缩小飞船搜救范围,缩短搜救时间。     

非线性数值模拟柱面气膜密封动态特性

针对气膜密封研究中密封气膜动态特性分析难点问题,采用非线性数值模拟法对柱面气膜密封系统的动态特性进行研究[D].建立了柱面气膜密封系统的动力学模型,给出了基于有限元数值方法的瞬态气体雷诺方程（含时间项）与系统动力学方程的耦合求解流程和方法,数值仿真给出了柱面密封环的中心轨迹图、确定了一定转速下的临界无量纲质量、不同密封环无量纲质量时等量位移扰动下系统的响应图,分析了密封环无量纲质量对系统稳定性的影响.结果表明:光滑柱面气膜密封系统存在临界无量纲质量,临界时系统受扰后处于半频涡动状态,随着密封环无量纲质量的增加,受扰后系统收敛时间变长,稳定性变差.      

航天员舱内活动的分析及仿真

分析了自由态航天员的运动特性,对航天员在失重状态下的转体技术进行了仿真;根据人体力学的生理学基础,建立了航天员的力量分析模型;使用最优控制方法,对航天员在任务操作时的姿态进行了优化。     

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...