航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究

肩法兰是航天服影响人体上肢活动的关键部分,为分析其对上躯干结构和航天服工效性能的影响,依据人体上肢运动学建立了上肢可达域运动学模型,再通过分析肩法兰对上肢活动的影响,建立了肩法兰与上肢活动的相关性数学模型。开展了肩法兰与上肢活动相关性实验,将模型计算的肩法兰对人体上肢活动的影响和实验测试结果进行了对比,包括上肢活动空间的外观形态、体积及截面面积等,模型计算结果与实验测试结果相近,说明所建立的肩法兰与人体上肢活动相关性模型可有效地计算肩法兰对上肢活动的影响。研究成果为未来肩法兰的优化设计以及航天服工效性能的改进提供了参考。     

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。     

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。     

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...     

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。     

航天服软式上躯干主动适体方法

上躯干结构是航天服的基础部件,对服装的适体性具有直接影响。上躯干的适体性设计分为被动适体和主动适体,其中主动适体可实现软式上躯干结构的形态调节,获得最大程度的适体效果。应用Stewart平台原理开展软式上躯干主动适体方法研究。首先,探讨分析了Stewart平台的特点与运动学;其次,将Stewart平台控制原理应用于软式上躯干主动适体设计,提出了针对肩法兰的主动适体方法;再次,分析了主动适体方法的运动学,建立了主动适体方法的数学模型,并通过模型计算了主动适体方法的性能;最后,搭建了软式上躯干主动适体样机,开展了主动适体方法实验。研究结果表明,建立的针对肩法兰的软式上躯干结构主动适体方法可以有效地调节肩法兰的空间位置、角度,满足上躯干的主动适体要求,证明了应用Stewart平台建立主动适体方法的可行性。研究结果为未来航天服的适体性设计提供了参考。     

漫谈航天员的衣食问题

航天员的衣、食是一项复杂的工程。他们在舱内活动时需穿舱内航天服,舱外活动时又要穿舱外航天服以保证出舱的生命安全。俄罗斯与美国的舱外航天服在外观上相似,但性能差异很大。由于航天员生活在特殊的环境中,为了保证其身体健康,所以航天食品与众不同,吃饭的方式与地面也不同     

舱外航天通风系统传热分析

简单介绍了舱外航天通风系统的结构、功能,分析了通风气体、液冷通风系统及环境间的换热过程,给出了通风系统传热数学模型。通过舱外航天液冷通风系统与人体的联合热生理实验对该模型进行了验证。为舱外航天服通风系统的设计提供了依据。     

基于随动机器人的舱内/外航天服手臂测试方法

 提出了一种新的方法用于测量中国舱内和舱外航天服的关节力学特性。测量原理基于机器人运动学、静力学和动力学。首先,建立了随动机器人的运动学模型,然后根据航天服特殊的机械结构同时建立了舱内和舱外航天服手臂通用的运动学模型;其次,针对包含有柔性关节的舱内和舱外航天服手臂给出了求解其运动学逆运算的方法;最后,根据航天服手臂末端的力矩、位置和姿态信息计算出航天服关节的阻尼力矩。实验结果和SGI工作站上的仿真证明了该测量方法的正确性和有效性。     

舱外航天服天线设计及仿真验证

为提高未来新型舱外航天服天线的性能,解决将天线层与服装热防护层共形和使馈电网络适应舱外环境温度的问题,提出采用织物振子天线形式作为舱外航天服天线整体方案,从天线层结构和馈电网络两方面对舱外航天服天线进行结构设计。根据舱外航天服天线安装位置,建立了相应的仿真模型,采用天线辐射体、热防护层及服装整体一体化电磁仿真技术,对其增益覆盖性进行分析。仿真结果表明:背包方案的舱外航天服天线全向性和增益覆盖性性能较好,增益在-12dBi时收发天线的覆盖性可以达到90%以上。     

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。     

舱外航天服内流场及温度场仿真分析

为验证舱外航天服内空间布局和通风管路设计,利用飞天舱外航天服数值模型和标准人体模型,通过流体力学仿真软件STAR-CCM+分析计算,研究了航天服通风流场和温度场分布,获取了服内流线和温度云图.仿真分析结果表明:舱外航天服内流场整体流畅,上下肢通风流量比为3:2;面部通风流线平稳且分布均匀,可有效防止面窗起雾;头部至四肢...     

“飞天”舱外航天服的研制

2008年9月27日,我国研制的"飞天"舱外航天服在首次空间出舱活动中圆满完成任务,标志着我国已突破掌握空间出舱活动的核心技术。扼要介绍"飞天"舱外航天服的系统方案与组成,突破的主要关键技术,达到的技术性能及其技术特征,并对后续发展进行前瞻性分析。     

人工神经网络技术在舱外航天服自动温控系统中的应用

介绍了舱外航天服手动温度控制存在的问题,分析了已有的航天服自动温控方案。采用人工神经网络的反向传播算法,以氧气的消耗量、全身出汗量、心率、液冷服的出口水温及出入口的水温差等５个参数作为输入,以液冷服冷却水的入口温度为输出,建立了舱外航天服的自动温控系统的人工神经网络模型。并讨论了反向传播算法及网络构造。结果表明,人工神经网络技术为解决舱外航天服自动温度控制提供了一条新途径。     

舱外航天服生命保障冷电联储系统性能分析

 基于质子膜燃料电池(PEMFC)和热驱制冷,提出一种舱外航天服冷电联储方法,根据热力学总能理论,通过能量的梯级利用和不同形式的能量联产来实现舱外航天服生命保障系统冷电联储、能源转化和环境控制一体化。对舱外航天服生命保障冷电联储系统进行了热力学分析,表明本文舱外航天服生命保障系统冷电联储方案与传统方案相比,能达到减少航天员出舱活动携带物品种类和提高能源利用率的目的。并重点对冷电联储系统储氢冷却器相关参数的选取对系统一次能源利用率及系统整体质量的影响进行分析,结果表明LaNi₅和LmNi_4.9Sn_0.1较适合用于本文提出的舱外航天服生命保障冷电联储系统。     

舱外航天服手套加热方案探讨

 针对舱外作业中航天员常常因手冷而不得不提前回舱的情况,提出了主动加热的方法。利用边界元法以边界点上未知函数满足积分方程为基础进行近似计算的特点,建立了手部和舱外航天服手套温度场三维计算模型,通过模拟试验件验证了模型。模型针对航天员处于太阳和地球辐射阴面时提出了舱外航天服手套主动加热的优化方案,并通过模拟试验件验证加热方法合理。     

舱外航天服自动温控技术回顾与展望

舱外航天服自动温控技术能为航天员节省因频繁调节温控手柄而消耗的体力和精力,从而提高舱外工作效率.简述了舱外服自动温控系统的构成,综述了人体热调节模型和代谢率模型的研究进展,总结了出舱活动期间代谢率的测算方法及各自的优缺点;回顾了舱外服自动温控方案的研究历程及其结果,评述了已有控制策略的优劣,目前俄罗斯研制的海鹰-MKC...     

出舱活动之门

大家知道,太空的高真空、高洁净、强辐射等环境对人体来说是一个致命的环境,人一旦暴露在太空中将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤等危险。所以,人要离开航天器进入开放的太空,必须使用复杂的出舱活动系统硬件,它包括气闸舱或舱门、舱外航天服和生命保障系统、载人机动装置、出舱活动用的特制工具等。要进行太空行走首先要通过气闸舱,如果直接打开舱门出舱,会出现多种问题,     

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。     

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...