航天员舱外行走的多体动力学与稳定性仿真

通过开展航天员舱外行走全过程的多体动力学建模、开发并应用基于MATLAB平台的航天员舱外行走动力学与姿态稳定性分析仿真软件,对航天员全过程行走的动力学特性、扰动力矩和飞船的相关总体参数对喷气次数、喷气冲量的影响、飞船受扰的姿态稳定性,以及航天员身体受飞船姿控发动机喷气作用时受扰特性等问题完成了初步的研究分析。     

太空行走四步曲

2008年9月27日,神舟七号航天员翟志刚首次出舱活动,成为中国太空行走第一人。那么,他是如何进行太空行走的呢?神舟七号航天员的具体出舱过程非常复杂,它分为4个阶段,时间跨度很长:在轨组装、检查与训练段约为14.5小时;出舱准备与过闸段约为5.25小时,舱外活动段约为30分钟;返回过闸段约为50分钟,其中最危险和最难的是舱外活动段。由这4个阶段衔接起来,才能完成出舱活动任务。在这4个阶段里,有很多的操作是很     

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。     

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     

舱外活动气闸技术综述

气闸(airlock)是舱外活动(EVA)系统的重要组成部分。综述载人航天器舱外活动气闸技术的发展与现状,以及航天员通过气闸出舱的准备事项。     

美轮美奂“飞天”衣

在神舟七号执行中国航天员首次太空行走任务过程中,最大的亮点之一就是翟志刚穿的我国自己研制的飞天舱外航天服。其质量为120千克,单套价值高达3000万元人民币,可靠系数为0.997,可支持至少4小时的舱外活动,能重复使用5次以上,服装气体泄漏率不大于2升/分钟;应急供氧时间不小于30分钟;平均散热量为300瓦。为满足航天员在太空活动的需要,飞天和美俄舱外航天服一样,具有供氧、温控、二氧化碳吸收等环境控制、生命保障与安全防护功能,具备信息采集传输、通信能力,同时能满足人机工效要求。该     

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...     

太空行走的“保护神”

太空环境是十分恶劣的,人根本无法在这种环境下生存:太空中没有氧气,航天员进入太空15秒内就会丧失意识;太空没有大气压力,体内的血液和体液会像煮开的水一样沸腾起来,人体的皮肤、组织和器官也像吹胀的气球向外鼓胀;太空中90分钟一昼夜的温度差非常大(-100℃～+250℃);同时,还有可怕的宇宙辐射,它可以使航天员患上可怕的放射病,甚至会危及生命。此外,太空垃圾中的碎片和流星体,随时可能像炮     

一种无源被动式人体低重力模拟系统的力学性能仿真分析

针对未来登陆月球或火星的航天员在地面进行低重力模拟训练的需要,设计了一种采用被动重力平衡技术的人体低重力模拟外骨骼系统,利用弹簧平行四边形机构实现对人体重力的补偿。首先,基于势能守恒原理设计了躯干重力平衡外骨骼和下肢重力平衡外骨骼;然后,通过人体生物力学仿真软件对外骨骼系统进行了仿真分析,分别在月球环境和地面穿戴外骨骼环境下进行了搬运重物和步行运动,并对比了运动时的地面反作用力、肌肉力等数据。仿真结果表明：该人体低重力模拟系统可以使受训者的关节和肌肉感受到失去部分重力载荷,能够较为准确地模拟低重力环境下的运动效果,具有可行性。     

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。     

“神舟七号”飞船新概念

2008年9月25日21:10,举世瞩目的中国第三艘载人飞船——神舟七号把翟志刚、刘伯明、景海鹏3名航天员送入太空,其中翟志刚实现了中国航天员的首次出舱。他们在成功完成了多项太空飞行任务后,于9月28日17:36安全返回地面,实现了准确入轨、正常运行、出舱圆满、健康返回4个目标。多项突破除继续神舟系列飞船进行飞行考核验证外,神舟七号此行有多项突破:     

危险的太空行走

在航天技术飞速发展的今天,太空行走已不算什么新鲜事了,尤其是美国和俄罗斯航天员,为了建造和修理空间站,经常出舱漫步,进行各种试验和维修工作,一呆就是几个小时,如履平地。其实,太空行走是风险很大的一项航天活动,因为太空环境非常恶劣:没有气压,没有氧气,阳光下温度高达120℃,背阴处温度低于零下100℃,还有大量的宇宙辐射。因此,在太空行走时必须使用     

航天员混合现实训练与支持技术研究

基于航天员地面单人便携训练、多人协同操作训练、空间在轨操作辅助支持以及远程协同支持等工程任务需要,开展混合现实训练与支持技术研究。设计了航天员混合现实训练与支持的工程实现总体技术框架,针对航天员地面训练环境、在轨任务环境以及远程支持环境等特殊因素,对混合现实头盔头部位姿实时估计技术、多人协同操作技术以及远程支持场景匹配等关键技术进行研究。试验验证和航天员体验表明,技术方法有效、用户体验良好,满足空间站航天员地面与长期在轨典型性训练和支持任务需求,提高了训练支持质量和效率。     

航天员低重力运动模拟训练方法与研究综述

针对主要应用于航天员模拟失重训练与低重力环境下的人体科学研究的低重力环境模拟方法,介绍了包括抛物线飞行、中性浮力水池、虚拟现实技术、悬吊式重力补偿系统以及新近出现的被动式外骨骼系统等在内的国内外模拟低重力环境主流方法的工作原理与利用这些方法开展的科学研究与工程应用,对这些方法的优缺点与适用条件进行了比较与分析。发现抛物线飞行的低重力模拟效果较好,但持续时间有限;中性浮力水池为低重力模拟训练提供了充足的空间,但液体阻力会影响训练的效果;虚拟现实技术无法提供对低重力的体感;气浮台与悬吊式重力补偿系统虽然能对航天员受到的重力进行补偿,但其结构对航天员的运动构成了一定的限制。提出研发低重力模拟功能完善、低重力模拟范围可调、多运动自由度、人机工效良好以及支持多人与人机协同训练的新一代低重力模拟系统,作为开展航天员低重力环境模拟训练和低重力人体运动生物力学实验研究的平台,以满足未来载人航天任务的需求。     

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。     

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。     

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。     

虚拟现实技术在空间站舱内定向训练中的应用

载人航天中,失重环境和结构复杂的空间站对航天员空间定向能力的影响极大,导致航天员可能出现空间失定向现象。针对在地面难以使用实物进行空间定向任务训练的问题,阐述了虚拟现实技术在空间定向训练中的应用,并对其特点进行了分析,设计了基于虚拟现实技术的空间定向训练系统提供飞行前的适应性训练,使航天员掌握依赖视觉信息进行空间定向的技能,为后续更为复杂的航天员空间操作任务提供新的训练方式。     

穿舱路径对空间站内航天员定向任务绩效影响的仿真试验研究

航天员在空间站内的不同舱段间穿行时常常会遇到失定向的问题。为了探究不同穿舱路径对航天员完成定向任务的影响,建立了多舱段的空间站虚拟环境,并开展试验,研究了不同穿舱路径中完成定向任务绩效的差异。结果表明:定向任务的绩效在不同种类的穿舱路径间具有显著差异,失重条件下运动方式的变化会造成定向任务绩效的下降。研究结果可以为航天员空间站内定向训练和空间站内导航辅助标识的设计提供参考。     

模拟失重条件下航天员旋转运动方法实验验证

航天员太空飞行中,需要改变自身位置与朝向以完成不同的作业任务,当其无法触碰到手脚限制器等借助物时,会涉及通过自身动作的转换产生人体旋转的问题。为此,首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人体动力学方程,据此提出能够使得人体转动的肢体操作方法,然后采用悬吊法模拟太空失重环境,对比不同控制方法产生的旋转作用效果,发现肢体旋转时与身体的夹角和肢体旋转速度是影响人体旋转完成时间和关节力矩的主要因素,最后结合推荐动作与实验结果提出空间姿态变换运动的操作建议。结果表明本文推荐动作有一定的优越性,对航天员处于太空中的自旋转运动具有实用意义。