艙外航天服在消防員出艙活動中的應用

0eva為管理制度提供了嚴格依據1965年3月18日，蘇聯箭術手列昂諾夫完成了第一次飛行試驗，公布了在艙外執行計劃任務的能力。同時,通過在軌飛行經歷分析、中性浮力水槽與模擬飛行實驗,以及艙外航天服與EVA工具的工程測試等途徑,對航天員的艙外工作能力及其局限性也有了更多了解,為人類的如太空設施建造和空間資源開發等活動提供了深厚的科學基礎。除早期少量的探險和空間適應性體驗外,絕大多數EVA均為航天器設備組裝、維修和科學實驗等太空作業活動。EVA中,艙外航天服是保障航天員生命安全和完成任務所必需的裝備,因此美國、前蘇聯/俄羅斯和其他欲進行載人航天活動的國家及機構對航天服研制都極為重視。從技術發展的角度來看,美國在航天飛機、俄羅斯在和平號飛船及國際空間站EVA中使用的艙外航天服均屬第三代產品,是當代最先進的EVA個體防護作業裝備。EVA也是我國載人航天技術的一個重要目標。使設計的艙外航天服符合航天員的工作特性,保證出艙作業的安全可靠性,是實現這一目標的前提。為此,本文就艙外航天服的工效學設計問題進行了分析。1對工效學和質量方面的要求航天員EVA一般在軌道高度300～600km的范圍內進行。在此高度上,空間環境十分惡劣,高真空、太陽輻射、深冷、微流星體以及日益增加的空間碎片、離子輻射等,都會對人體產生直接的危害。為保障出艙航天員的生命安全和健康,需要一種能使其與外部環境隔絕的密閉式艙外航天服和與之配套的生命保障裝置。美、俄使用的典型艙外航天服總體技術指標與參數見表1。現代艙外航天服應具備的基本功能有:a)防止空間環境有害因素對人體造成危害,保證航天員的生命安全與健康。b)為航天員創造服裝內微小氣候環境,滿足人體生理衛生學要求,保障人體正常的生命活動。c)可進行航天員人體生理信息監測、裝備工作狀態參數測控、信息顯示與故障報警。d)備用應急供氧,當艙外航天服裝備在EVA中出現意外故障時,可保證航天員安全返回航天器。e)易于穿脫,其擬人形結構、頭盔面窗視覺工作能力及關節結構活動功能可滿足失重條件下的人體工效學和艙外操作任務工效學要求。f)可與其他出艙航天員、航天器及地面監控中心進行無線電遙測通信(語音、數據)。因此,艙外航天服設計應充分考慮以下因素:a)減壓病的影響就利于艙外操作來說,航天服內的壓力應盡可能低,以提高航天員的活動性或手套的最大靈巧性和靈敏觸覺,在數小時的EVA中不產生疲勞。俄、美使用的艙外航天服的服裝內壓力為30～40kPa,航天員在EVA之前需從1個大氣壓的艙內環境過渡到航天服的低氣壓環境,這就存在引起減壓病的危險。一般,減壓病可通過出艙前的吸氧排氮,以及航天員的選拔和訓練來避免。b)服裝內壓力與關節活動性的優化關系航天服內的壓力越低,就越利于航天員的操作,但壓力過低將引發航天員的減壓病,因此存在一個最利于生命健康與工效的服裝壓力范圍。研究表明,未來航天服內的壓力可增至62.05kPa。在此壓力下可減少或消除EVA前吸純氧的必要性,從而降低成本和發生減壓病的危險。但為保持航天員操作的靈活性,需考慮增加一些便于操作的輔助裝置。c)對大氣成分的要求為使航天員能保持良好的工作狀態,在艙外航天服內的大氣中必須含充足的氧,且污染氣體量保持在舒適和毒性限值以下。因此在確定大氣成分時,必須了解人體對氧過多和缺氧的反應。長時間處在過高的氧分壓下會引起氧過多癥,而在過低的氧分壓下則會造成缺氧,其表現是疲勞,視覺與聽覺功能減退,判斷能力受到影響。因此,大氣成分也是保障航天員工效的一項重要因素。d)對人體尺寸的要求航天員群體的人體測量學參數對EVA航天服設計非常重要。這些參數包括身體各部位的尺寸、關節活動性、活動范圍、中性體位、頭部活動范圍和視野等。艙外航天服外殼為一擬人形狀,在考慮服裝內壓力選擇和環境防護能力的前提下,應盡可能保證其在執行各種任務時具有高度的活動性、靈巧性和舒適性。適宜的設計參數既可讓航天員穿著舒服,還能使EVA的效率最高。e)微重力環境對操作工效的影響包括兩個方面:一是微重力對尺寸的影響,在空間飛行的最初2d中航天員的身高會增長3%;二是由于需用手進行各種復雜的操作,身體的各關節須保持足夠的靈巧性和靈活性,同時使用適當的腳限制裝置,使人體獲得足夠的支撐和著力點。另外,在微重力環境中保持身體的中性體位最節省體力,并能長期維持。任何與身體中性姿態相反的動作都很難持續,且可能導致疲勞和不適。2腕部與肢體的結構由以上可知,艙外航天服對EVA各種操作的適應性在很大程度上取決于其活動性能,而航天員操作的精確性則與手套腕部與手部的活動性、觸覺靈敏性和防護性有關。其工效學設計的重點是對運動區域的影響特性(活動范圍、可達區域)、力學特性(各種力和力矩)、活動特性(完成各種操作的可能性)、疲勞特性(可用肌電測量統計人工作能力的動力學特性)、觸覺靈敏度特性(根據物體的形狀和大小判別),以及舒適性(主觀評價整體不適感及局部不適感)等。2.1安全繩漂浮狀態a)使航天服各部位的尺寸、關節活動性、活動范圍、中性體位、頭部活動范圍、視野等與航天員的身體要求相適應,如圖1所示。b)根據航天服內的壓力和環境防護能力,盡可能保證對各種任務都具有較高的活動性、靈巧性和舒適性。c)設計航天服關節活動性和力矩時,對肩關節、肘關節和腕關節,需要內收/外展或彎曲/伸展數據;對腰椎關節、髖關節、膝關節、踝關節和指關節,則僅需彎曲/伸展數據。航天員在系安全繩自由漂浮狀態下的最大可施力與持續時間為:線性力為4.4N時可持續4.5s,線性力為22.2N時可持續2.1s,線性力為44.5N時可持續1.4s。d)戴航天手套時的操作靈活性應接近裸手操作,出艙航天手套必須提供抓握能力及各手指與拇指的相對運動能力(對握能力)。2.2面窗組件結構艙外航天服頭盔一般為半球面,以輕金屬框架結構與硬式軀干實現氣密連接。其工效學問題有:a)面窗組件(包括壓力防護面窗和可調式太陽濾光鏡)須保證良好的視野、視覺和隔熱;面窗應不結霧。b)航天頭盔的面窗、出艙面窗組件護目鏡的光學性能應能使航天員的眼睛免受太陽等太空輻射的危害。2.3單元存儲單元艙外航天服的顯示器分為兩類:一是報警顯示器,以聲音或各種顏色的燈光來表示不同危險級別,相應的工效學參數有報警聲的頻率、周期以及燈光的顏色、持續時間等;二是液晶數碼單元顯示器,用于確保航天員在各種照明狀態下能感知艙外航天服的必需信息。因此,被顯示信息與顯示背景應有足夠的對比度,相應的工效學參數有顯示器的亮度、對比度、顏色編碼和色對比等。2.4腳限制器設計要求艙外航天服的靴子尺寸應根據航天員群體的人體而定。靴子是航天員著艙外服時與腳限制器的主要接口,為保證能充分施力且安全可靠,需要對腳限制器的設計進行工效學研究。其主要要求有:便于著加壓服航天員靴子的進/出,且適應各種靴子尺寸;可根據規定的動作移走靴子;能承受航天員施加的負荷等。3工效學仿真研究中性浮力水槽、艙外航天服和EVA工具的工程測試等都是艙外服工效學研究的重要手段。但在當前條件下,計算機模型與動力學仿真是艙外航天服前期總體設計最合適的工具。與相應的物理仿真相比,艙外航天服的計算機仿真有許多優點。如,能在6個自由度的方向準確復現艙外服的施力和取放、工作的固有時間以及工作空間的局限性等,不僅能節省時間和經費,而且可反復修改。20世紀90年代以來,一些科研機構和NASA等開展了新一代艙外航天服的工效學仿真研究,其重點是利用虛擬航天員模型,使設計人員在設計早期就能對航天服的人體工程因素進行評估,解決航天員的可達性、艙外服關節的施力扭矩、操作力量估測,以及體力消耗預測等工效學問題。目前可用的軟件有JACK,ERGO,SAFEWORKS,RAMSIS、MannequinPro和Poser等。當前,艙外航天服仿真研究中的一個問題是航天服彎曲時關節處扭矩模型尚不完善。由于現代艙外航天服是隨航天員移動,使用背包和定量容積關節來降低運動阻力,因此關節扭矩對艙外任務完成質量的影響至關重要。它是艙外航天服關節的位置與速率的非線性函數,設計不當會使航天員產生較大的代謝消耗。目前,可用于航天服關節活動扭矩建模的有數學模型(如磁滯模型)和物理模型兩種,分別如圖2,3所示。根據艙外航天服關節的幾何形狀和材料預測關節的角度與扭矩的相互關系,能提供關節設計的工效學參數。艙外航天服工作的包絡區域也是工效學仿真研究的重點,它是指航天員在穿著航天服條件下舒適工作時的三維可達空間區域。航天員EVA時的最佳包絡范圍如圖1所示。計劃EVA任務或設計EVA區域,關鍵是根據確定的腳限制器預先獲知航天員是否可達工作站。目前,以航天員中心線為中心的柱面體常用于工作包絡區的分析,而中心線則可通過實測確定。NASA的最新研究結果表明,現時的工作包絡區可能并不準確,因為航天員著艙外服時某些區域可能為不可視。根據模型算得的包絡區域和NASA柱面包絡區的比較如圖4所示。根據航天服的扭矩-角度模型計算時,所得工作包絡區的差異會較大。4重力條件下的工效設計航天服是防碎片和微小隕石撞擊、防輻射、防極端溫度和減少太空真空影響所必需的裝備,同時,它還要提供人類生存所必需的內