基于工效学的航天服设计体系研究

基于工效学的航天服设计体系研究

天衣用于保护空间环境和颅内压缩性对人体的损害，不应对穿着造成不良的衣服起到损害。其中的工效学问题虽已得到相应解决,但缺乏工效学的理论指导与运用,从而影响服装设计的科学性与效率。Абрамов等在专著里首次运用了工效学(亦称功效学),但在服装设计中没有系统地应用工效学的概念。本文试图对这些学科性内容加以明确与完善。航天服工效学是研究服装结构与服内环境工效的学科,其基本内容:一是通过人体测量,提供外壳形态学设计尺寸,解决不舒适性、不适体性与空间性,并改善对人体产生的心理生理影响;二是关节活动必需的力学要求,解决姿态和活动性能,减少人体费力、疲劳与耗能,并由此而引起的心理生理障碍;三是通过服装工程学(包括环境控制)解决服内环境(温度等)对工效的影响。人体测量学在航天服尺寸设计上的运用航天服尺寸设计体系利用人体静态测量获得的数据,制成国家的基础标准,然后再针对航天员的具体情况,制定航天服尺寸设计标准。现已建立了5种航天服尺寸设计体系。定做按每个人实测尺寸进行单件制作。虽然在合身和活动性方面较好,但不经济,仅适应于航天员数量少的载人航天初期阶段。5种型号尺寸体系苏/俄的软型(织物)航天服采用该体系。表1中航天服型号尺寸取胸围的1/2。表2是52号航天服的长度类尺寸表。这些高度类别又细分为6个分档。按这两个标准尺寸表,即可选定适于各自的航天服。例如,某一航天员的胸围为104cm,身高为175cm,下肢为80cm,上肢为98cm,躯干为95cm(身高-下肢长)时,由两个表可得出结论,该航天员应选定的航天服尺寸是52号(航天服尺寸号,表1)-Ⅳ(身长号,表2)-5(躯干号,表2)-3(裤长号,表2)-5(袖长号,表2)。通用与选用相结合的尺寸体系服装的胴体部位只有一个尺寸,大家通用,袖子与裤子则根据自身的尺寸,选用标准表2上的尺寸。苏/俄“和平”号空间站服采用该体系。定做与选用相结合的尺寸体系服装胴体定做,袖子与裤子则选用标准表上的尺寸。美国阿波罗服采用该体系。国际性尺寸大体系针对国际人员参加美国航天飞机飞行的趋势增加,制定了适用于各国志愿者选用的航天服大体系,提供了世界人口尺寸范围的标准。办法是抓两头带中间,即以美国白种与黑种人男性的尺寸代表世界上属于大号身材,以日本女性代表小号身材的尺寸。服装功能模块方面的测量改善在进行外壳形态学的设计时,需要在人体静态测量值的基础上,放大尺寸,进行动态测量,即在外壳与体表面(实际是内衣)之间保留一定的间隙(空气层),以满足如下两方面的工效学要求。一是功能性放大。满足穿脱方便、舒适性好(无局部刺激性)、呼吸与活动自如、不干扰或限制人体的活动。为确定放大量,单纯依靠静态的人体测量尺寸已不能满足要求,尚须知道人体的动态尺寸,即知道静动二者测量之差值。如在深吸气时的动态测量值使胸围改变3.1~4.6%,这相当于5cm。二是结构性放大。服装的胴体呈园筒状,其直径是按胸围尺寸制定的,从而使腹部多余一定空间,可用于安置通风管道和电信接头以及仪器等。全身也要考虑安置通风管道的放大尺寸。体围的变化在太空失重条件下,由于脊柱减少压缩而伸长,致使身高增加(约3%)。由于体液的一部分移向上身与头部,相应部位的体围有所改变。由于体液丧失,身体总质量减少3%~4%。这些人体尺寸的改变,应运用人体测量学在服装结构设计上得到体现。人体力学是航天服活动结构设计的重要内容之一舱内空间布局、舱门和通道直径尺寸等的确定,对航天服容积具有限制性要求。在充气加压状态,其膨胀度不得超过该要求。人体力学在航天服活动结构设计上的运用人体力学是研究人体活动与在各种力学作业条件下活动能力的专业。针对航天失重环境下人体活动与力学特征以及航天服活动结构对人体的干扰程度,再按人体力学要求进行服装设计。考察服装在使用过程中所注意的部位航天员在执行舱内、特别是舱外任务中,需要完成多方位的灵活性极强的动作。航天员在3个坐标平面上需要经常进行多种动作。如在额状面上外展与内收;在冠状面上,离开矢状面,身向侧转,或者向着矢状面,身向中间转;身体各部分之间或伸展或弯曲;面向下,或向上、向后;身体绕轴线转动,或部分的拉长;身体向前方或向后方。表3为完成7种任务时各关节活动的估计数。执行大型空间望远镜任务(安装与检修等),需要活动的关节最多(全参加)。腕部活动同手的活动分不开。手的动作需要腕关节灵活配合,手指的有些动作也需要腕关节。航天员在航天器周围执行任务时,常常需要利用扶手或把手移动身躯。肘关节特别适用于线性或横向可达到距离的一些任务。腰部活动在执行检修大型空间望远镜任务中起重要作用。如:当脚被固定时,清洁望远镜的较低部分;从腿上的口袋里取工具;回收零散的工具和卫星组件等。图1显示了因服装腰部不能弯曲,只好采用如图所示的臀部弯曲。臀部活动在舱内外执行任务中,经常会遇到下肢内收外展、转动(向侧面或中间)与弯曲(股骨向上抬高,小腿向下弯曲动作)等。膝部活动用于航天员脚被固定时,为了发挥最大的能力,如:跪着搬动货物或穿着航天服就近活动等。踝部活动性的要求比较局限。当飞船返回或下降时,脚被固定,为完成飞船用脚控制,均需踝关节具有良好活动性。系变化的影响航天员在空间(舱外)执行复杂而又艰难的任务时,需要具有一定的力量与力距。在太空无重力环境,会产生人体重心、力量、姿态、视景、稳定性和工作模式等一系变化。其中在人体力学方面尽管物体没有重量,但固有质量依然存在,搬运起来仍需要一定力量。肌肉所能达到的最大力矩也明显降低,只有地面上静止状态最大力矩的66.6%。设计航天服的基本要求之一是体现省力与节能的人体力学要求,应将活动部位的阻力降到最低限度,借以减少肌肉力(能量)的消耗。航天服工效学发展现状在地球重力下人体坐、立、行、跳均能保持正常的状态(或体位)。这是由神经-肌肉-骨骼系统同平衡器官调节完成的。在空间失重状态下,这一套灵活的调节机制完全失灵。身高增加,会导致相关部位的相对位置改变;克服重力的肌肉张力被解除会使人体转变为失重特征的自然姿态。航天服外壳结构设计,必须适应这些人体力学生理基础的改变。针对如上所述的航天员在天上作业时各关节动作特征,以及失重所引起的肌肉系统和姿态调节控制系统的特有改变,在运用人体力学(俄、美均称为生物力学)要求的基础上,制定了相应的航天服设计规范,为服装具有良好活动性能提供了标准依据。表4分别是美国航天飞机舱外服和俄国“和平”号空间站海鹰-DMA服关节不同活动型式的部分实测值。这些数据同设计规范略有差别,表明在服装结构上的实现有一定难度。航天服工效学发展现状现在使用的航天服美国与苏/俄两个航天大国正在使用的舱外航天服,经过37年来的改进与提高,已能满足短时间(8h以内)执行任务的工效学要求,解决了舒适性、适体性、空间性、一般的活动性以及有关的心理生理障碍。在太空舱外穿着又笨又硬的航天服,航天员可以完成难度较大的动作,如:航天员完成了修复高难度的哈勃望远镜等。但按高标准要求,活动性能尚有缺欠,安全性也存在问题。为了保证良好的活动性能,服内环境的氧气压力只能限于0.23~0.40大气压力,低于预防高空减压病的安全限(0.5大气压力以上)。最新型高性能航天服该类型航天服已发展到数种类型,如:AX系列服、AES服与ZPS服等。这些类型服由于在活动关节的结构方面采用了等容结构等先进技术与工艺,取得了突破性进展.其突出的优点是:工作压力高(1/2大气压力以上,55.2kPa),可彻底预防减压病;