舱外航天服在消防员出舱活动中的应用

舱外航天服在消防员出舱活动中的应用

0eva为管理制度提供了严格依据1965年3月18日，苏联箭术手列昂诺夫完成了第一次飞行试验，公布了在舱外执行计划任务的能力。同时,通过在轨飞行经历分析、中性浮力水槽与模拟飞行实验,以及舱外航天服与EVA工具的工程测试等途径,对航天员的舱外工作能力及其局限性也有了更多了解,为人类的如太空设施建造和空间资源开发等活动提供了深厚的科学基础。除早期少量的探险和空间适应性体验外,绝大多数EVA均为航天器设备组装、维修和科学实验等太空作业活动。EVA中,舱外航天服是保障航天员生命安全和完成任务所必需的装备,因此美国、前苏联/俄罗斯和其他欲进行载人航天活动的国家及机构对航天服研制都极为重视。从技术发展的角度来看,美国在航天飞机、俄罗斯在和平号飞船及国际空间站EVA中使用的舱外航天服均属第三代产品,是当代最先进的EVA个体防护作业装备。EVA也是我国载人航天技术的一个重要目标。使设计的舱外航天服符合航天员的工作特性,保证出舱作业的安全可靠性,是实现这一目标的前提。为此,本文就舱外航天服的工效学设计问题进行了分析。1对工效学和质量方面的要求航天员EVA一般在轨道高度300～600km的范围内进行。在此高度上,空间环境十分恶劣,高真空、太阳辐射、深冷、微流星体以及日益增加的空间碎片、离子辐射等,都会对人体产生直接的危害。为保障出舱航天员的生命安全和健康,需要一种能使其与外部环境隔绝的密闭式舱外航天服和与之配套的生命保障装置。美、俄使用的典型舱外航天服总体技术指标与参数见表1。现代舱外航天服应具备的基本功能有:a)防止空间环境有害因素对人体造成危害,保证航天员的生命安全与健康。b)为航天员创造服装内微小气候环境,满足人体生理卫生学要求,保障人体正常的生命活动。c)可进行航天员人体生理信息监测、装备工作状态参数测控、信息显示与故障报警。d)备用应急供氧,当舱外航天服装备在EVA中出现意外故障时,可保证航天员安全返回航天器。e)易于穿脱,其拟人形结构、头盔面窗视觉工作能力及关节结构活动功能可满足失重条件下的人体工效学和舱外操作任务工效学要求。f)可与其他出舱航天员、航天器及地面监控中心进行无线电遥测通信(语音、数据)。因此,舱外航天服设计应充分考虑以下因素:a)减压病的影响就利于舱外操作来说,航天服内的压力应尽可能低,以提高航天员的活动性或手套的最大灵巧性和灵敏触觉,在数小时的EVA中不产生疲劳。俄、美使用的舱外航天服的服装内压力为30～40kPa,航天员在EVA之前需从1个大气压的舱内环境过渡到航天服的低气压环境,这就存在引起减压病的危险。一般,减压病可通过出舱前的吸氧排氮,以及航天员的选拔和训练来避免。b)服装内压力与关节活动性的优化关系航天服内的压力越低,就越利于航天员的操作,但压力过低将引发航天员的减压病,因此存在一个最利于生命健康与工效的服装压力范围。研究表明,未来航天服内的压力可增至62.05kPa。在此压力下可减少或消除EVA前吸纯氧的必要性,从而降低成本和发生减压病的危险。但为保持航天员操作的灵活性,需考虑增加一些便于操作的辅助装置。c)对大气成分的要求为使航天员能保持良好的工作状态,在舱外航天服内的大气中必须含充足的氧,且污染气体量保持在舒适和毒性限值以下。因此在确定大气成分时,必须了解人体对氧过多和缺氧的反应。长时间处在过高的氧分压下会引起氧过多症,而在过低的氧分压下则会造成缺氧,其表现是疲劳,视觉与听觉功能减退,判断能力受到影响。因此,大气成分也是保障航天员工效的一项重要因素。d)对人体尺寸的要求航天员群体的人体测量学参数对EVA航天服设计非常重要。这些参数包括身体各部位的尺寸、关节活动性、活动范围、中性体位、头部活动范围和视野等。舱外航天服外壳为一拟人形状,在考虑服装内压力选择和环境防护能力的前提下,应尽可能保证其在执行各种任务时具有高度的活动性、灵巧性和舒适性。适宜的设计参数既可让航天员穿着舒服,还能使EVA的效率最高。e)微重力环境对操作工效的影响包括两个方面:一是微重力对尺寸的影响,在空间飞行的最初2d中航天员的身高会增长3%;二是由于需用手进行各种复杂的操作,身体的各关节须保持足够的灵巧性和灵活性,同时使用适当的脚限制装置,使人体获得足够的支撑和着力点。另外,在微重力环境中保持身体的中性体位最节省体力,并能长期维持。任何与身体中性姿态相反的动作都很难持续,且可能导致疲劳和不适。2腕部与肢体的结构由以上可知,舱外航天服对EVA各种操作的适应性在很大程度上取决于其活动性能,而航天员操作的精确性则与手套腕部与手部的活动性、触觉灵敏性和防护性有关。其工效学设计的重点是对运动区域的影响特性(活动范围、可达区域)、力学特性(各种力和力矩)、活动特性(完成各种操作的可能性)、疲劳特性(可用肌电测量统计人工作能力的动力学特性)、触觉灵敏度特性(根据物体的形状和大小判别),以及舒适性(主观评价整体不适感及局部不适感)等。2.1安全绳漂浮状态a)使航天服各部位的尺寸、关节活动性、活动范围、中性体位、头部活动范围、视野等与航天员的身体要求相适应,如图1所示。b)根据航天服内的压力和环境防护能力,尽可能保证对各种任务都具有较高的活动性、灵巧性和舒适性。c)设计航天服关节活动性和力矩时,对肩关节、肘关节和腕关节,需要内收/外展或弯曲/伸展数据;对腰椎关节、髋关节、膝关节、踝关节和指关节,则仅需弯曲/伸展数据。航天员在系安全绳自由漂浮状态下的最大可施力与持续时间为:线性力为4.4N时可持续4.5s,线性力为22.2N时可持续2.1s,线性力为44.5N时可持续1.4s。d)戴航天手套时的操作灵活性应接近裸手操作,出舱航天手套必须提供抓握能力及各手指与拇指的相对运动能力(对握能力)。2.2面窗组件结构舱外航天服头盔一般为半球面,以轻金属框架结构与硬式躯干实现气密连接。其工效学问题有:a)面窗组件(包括压力防护面窗和可调式太阳滤光镜)须保证良好的视野、视觉和隔热;面窗应不结雾。b)航天头盔的面窗、出舱面窗组件护目镜的光学性能应能使航天员的眼睛免受太阳等太空辐射的危害。2.3单元存储单元舱外航天服的显示器分为两类:一是报警显示器,以声音或各种颜色的灯光来表示不同危险级别,相应的工效学参数有报警声的频率、周期以及灯光的颜色、持续时间等;二是液晶数码单元显示器,用于确保航天员在各种照明状态下能感知舱外航天服的必需信息。因此,被显示信息与显示背景应有足够的对比度,相应的工效学参数有显示器的亮度、对比度、颜色编码和色对比等。2.4脚限制器设计要求舱外航天服的靴子尺寸应根据航天员群体的人体而定。靴子是航天员着舱外服时与脚限制器的主要接口,为保证能充分施力且安全可靠,需要对脚限制器的设计进行工效学研究。其主要要求有:便于着加压服航天员靴子的进/出,且适应各种靴子尺寸;可根据规定的动作移走靴子;能承受航天员施加的负荷等。3工效学仿真研究中性浮力水槽、舱外航天服和EVA工具的工程测试等都是舱外服工效学研究的重要手段。但在当前条件下,计算机模型与动力学仿真是舱外航天服前期总体设计最合适的工具。与相应的物理仿真相比,舱外航天服的计算机仿真有许多优点。如,能在6个自由度的方向准确复现舱外服的施力和取放、工作的固有时间以及工作空间的局限性等,不仅能节省时间和经费,而且可反复修改。20世纪90年代以来,一些科研机构和NASA等开展了新一代舱外航天服的工效学仿真研究,其重点是利用虚拟航天员模型,使设计人员在设计早期就能对航天服的人体工程因素进行评估,解决航天员的可达性、舱外服关节的施力扭矩、操作力量估测,以及体力消耗预测等工效学问题。目前可用的软件有JACK,ERGO,SAFEWORKS,RAMSIS、MannequinPro和Poser等。当前,舱外航天服仿真研究中的一个问题是航天服弯曲时关节处扭矩模型尚不完善。由于现代舱外航天服是随航天员移动,使用背包和定量容积关节来降低运动阻力,因此关节扭矩对舱外任务完成质量的影响至关重要。它是舱外航天服关节的位置与速率的非线性函数,设计不当会使航天员产生较大的代谢消耗。目前,可用于航天服关节活动扭矩建模的有数学模型(如磁滞模型)和物理模型两种,分别如图2,3所示。根据舱外航天服关节的几何形状和材料预测关节的角度与扭矩的相互关系,能提供关节设计的工效学参数。舱外航天服工作的包络区域也是工效学仿真研究的重点,它是指航天员在穿着航天服条件下舒适工作时的三维可达空间区域。航天员EVA时的最佳包络范围如图1所示。计划EVA任务或设计EVA区域,关键是根据确定的脚限制器预先获知航天员是否可达工作站。目前,以航天员中心线为中心的柱面体常用于工作包络区的分析,而中心线则可通过实测确定。NASA的最新研究结果表明,现时的工作包络区可能并不准确,因为航天员着舱外服时某些区域可能为不可视。根据模型算得的包络区域和NASA柱面包络区的比较如图4所示。根据航天服的扭矩-角度模型计算时,所得工作包络区的差异会较大。4重力条件下的工效设计航天服是防碎片和微小陨石撞击、防辐射、防极端温度和减少太空真空影响所必需的装备,同时,它还要提供人类生存所必需的内