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.      

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。     

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。     

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。     

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...     

舱外航天服手套的工效问题

为提高舱外航天服手套的工效,分析了影响其工效的主要因素:手指皮肤温度低于15.6℃会使工效明显下降,压力总是对手套工效有显著的影响,形状结构使手套工效存在±50%的差别,好的材料能改善手套关节点的特性.提出解决手套工效的关键在于处理好手套的形状和结构.从舱外航天服手套的设计、制作和增加辅助装置等几个方面探讨了提高工效的方法.并从力量、疲劳、灵活性、触觉、活动范围和舒适性六个方面介绍了评价手套工效的方法.     

航天服关节力矩的数学模型

航天服关节力矩特性的数学表述是预测航天员出舱(EVA)作业强度、评估航天员疲劳度、规划EVA活动路径的重要基础。首先,分析了关节力矩的特性,提出建立数学模型的要求,阐述了Jiles-Atherton磁滞模型原理,以及磁滞模型与关节力矩特性的相合性。其次,利用模拟退火算法的思想对遗传算法进行了改进,并基于MATLAB软件实现。最终,对EVA航天服腕关节和肩关节力矩进行仿真,得到关节力矩在特定活动角度下的数学模型。仿真结果表明,针对关节力矩迟滞特性所得的关节力矩数学模型,能够更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可以更便捷地用于航天服工效学等相关研究领域。     

基于有限元方法的航天服平褶式关节建模

关节的灵活性能是航天服改进设计的一个重要方向,平褶式关节是一类典型的航天服软关节。为全面了解平褶式关节的活动特性,利用有限元方法构建了平褶式关节的仿真模型,该模型能够反映关节的主要材料和结构特征,计算得到了关节的阻力矩-角度关系。为验证模型,开展了关节原理样件的阻力矩测量,分析了模型误差的来源。比较了有限元方法和经典分析方法,并进一步讨论了平褶式关节阻力矩的组成。结果表明,有限元模型能够反映关节弯曲运动的基本特征,尽管关节运动初期和伸展运动后期阻力矩计算的准确性还有待提高,但与经典分析方法相比具有显著的优势。此外,结合模型结果分析得到平褶式关节阻力矩由压缩气体、材料摩擦以及结构的弹性变形引起。     

航天服隔热材料技术研究进展

为明确我国未来航天服被动热防护技术的应用发展方向,结合国内外在用近地轨道航天服隔热材料技术的发展现状和先进航天服隔热材料的设计需求,对先进航天服隔热材料的相关研究进行了评述.目前,多层隔热组件是在近地轨道和月面等高真空环境下隔热效果最理想的材料,但为提高服装的活动性能和对空间环境的适应能力,需作进一步改进.纤维类材料在航天服隔热应用方面具有传统优势,但在面向火星任务为代表的低真空环境的深空探测中,未能达到热导率和材料厚度相结合的隔热目标;气凝胶类材料具有较低的热导率,在火星大气环境下具有最好的隔热性能,但无法规避粉尘污染及机械耐久性等问题.研究具有更细纤维尺度和特殊空隙结构的纤维种类,制备具有柔韧耐久特质的有机气凝胶材料,探索具有不同技术优势的材料的组合应用,将成为解决未来先进航天服隔热问题的主要途径.     

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。