艙外航天服在消防員出艙活動(dòng)中的應(yīng)用

0eva為管理制度提供了嚴(yán)格依據(jù)1965年3月18日，蘇聯(lián)箭術(shù)手列昂諾夫完成了第一次飛行試驗(yàn)，公布了在艙外執(zhí)行計(jì)劃任務(wù)的能力。同時(shí),通過在軌飛行經(jīng)歷分析、中性浮力水槽與模擬飛行實(shí)驗(yàn),以及艙外航天服與EVA工具的工程測(cè)試等途徑,對(duì)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(shè)施建造和空間資源開發(fā)等活動(dòng)提供了深厚的科學(xué)基礎(chǔ)。除早期少量的探險(xiǎn)和空間適應(yīng)性體驗(yàn)外,絕大多數(shù)EVA均為航天器設(shè)備組裝、維修和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等太空作業(yè)活動(dòng)。EVA中,艙外航天服是保障航天員生命安全和完成任務(wù)所必需的裝備,因此美國(guó)、前蘇聯(lián)/俄羅斯和其他欲進(jìn)行載人航天活動(dòng)的國(guó)家及機(jī)構(gòu)對(duì)航天服研制都極為重視。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看,美國(guó)在航天飛機(jī)、俄羅斯在和平號(hào)飛船及國(guó)際空間站EVA中使用的艙外航天服均屬第三代產(chǎn)品,是當(dāng)代最先進(jìn)的EVA個(gè)體防護(hù)作業(yè)裝備。EVA也是我國(guó)載人航天技術(shù)的一個(gè)重要目標(biāo)。使設(shè)計(jì)的艙外航天服符合航天員的工作特性,保證出艙作業(yè)的安全可靠性,是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提。為此,本文就艙外航天服的工效學(xué)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了分析。1對(duì)工效學(xué)和質(zhì)量方面的要求航天員EVA一般在軌道高度300～600km的范圍內(nèi)進(jìn)行。在此高度上,空間環(huán)境十分惡劣,高真空、太陽(yáng)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(huì)對(duì)人體產(chǎn)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(huán)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(shù)指標(biāo)與參數(shù)見表1?，F(xiàn)代艙外航天服應(yīng)具備的基本功能有:a)防止空間環(huán)境有害因素對(duì)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(chuàng)造服裝內(nèi)微小氣候環(huán)境,滿足人體生理衛(wèi)生學(xué)要求,保障人體正常的生命活動(dòng)。c)可進(jìn)行航天員人體生理信息監(jiān)測(cè)、裝備工作狀態(tài)參數(shù)測(cè)控、信息顯示與故障報(bào)警。d)備用應(yīng)急供氧,當(dāng)艙外航天服裝備在EVA中出現(xiàn)意外故障時(shí),可保證航天員安全返回航天器。e)易于穿脫,其擬人形結(jié)構(gòu)、頭盔面窗視覺工作能力及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)活動(dòng)功能可滿足失重條件下的人體工效學(xué)和艙外操作任務(wù)工效學(xué)要求。f)可與其他出艙航天員、航天器及地面監(jiān)控中心進(jìn)行無(wú)線電遙測(cè)通信(語(yǔ)音、數(shù)據(jù))。因此,艙外航天服設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮以下因素:a)減壓病的影響就利于艙外操作來(lái)說,航天服內(nèi)的壓力應(yīng)盡可能低,以提高航天員的活動(dòng)性或手套的最大靈巧性和靈敏觸覺,在數(shù)小時(shí)的EVA中不產(chǎn)生疲勞。俄、美使用的艙外航天服的服裝內(nèi)壓力為30～40kPa,航天員在EVA之前需從1個(gè)大氣壓的艙內(nèi)環(huán)境過渡到航天服的低氣壓環(huán)境,這就存在引起減壓病的危險(xiǎn)。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(xùn)練來(lái)避免。b)服裝內(nèi)壓力與關(guān)節(jié)活動(dòng)性的優(yōu)化關(guān)系航天服內(nèi)的壓力越低,就越利于航天員的操作,但壓力過低將引發(fā)航天員的減壓病,因此存在一個(gè)最利于生命健康與工效的服裝壓力范圍。研究表明,未來(lái)航天服內(nèi)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(fā)生減壓病的危險(xiǎn)。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(duì)大氣成分的要求為使航天員能保持良好的工作狀態(tài),在艙外航天服內(nèi)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(shí),必須了解人體對(duì)氧過多和缺氧的反應(yīng)。長(zhǎng)時(shí)間處在過高的氧分壓下會(huì)引起氧過多癥,而在過低的氧分壓下則會(huì)造成缺氧,其表現(xiàn)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(xiàng)重要因素。d)對(duì)人體尺寸的要求航天員群體的人體測(cè)量學(xué)參數(shù)對(duì)EVA航天服設(shè)計(jì)非常重要。這些參數(shù)包括身體各部位的尺寸、關(guān)節(jié)活動(dòng)性、活動(dòng)范圍、中性體位、頭部活動(dòng)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(nèi)壓力選擇和環(huán)境防護(hù)能力的前提下,應(yīng)盡可能保證其在執(zhí)行各種任務(wù)時(shí)具有高度的活動(dòng)性、靈巧性和舒適性。適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)既可讓航天員穿著舒服,還能使EVA的效率最高。e)微重力環(huán)境對(duì)操作工效的影響包括兩個(gè)方面:一是微重力對(duì)尺寸的影響,在空間飛行的最初2d中航天員的身高會(huì)增長(zhǎng)3%;二是由于需用手進(jìn)行各種復(fù)雜的操作,身體的各關(guān)節(jié)須保持足夠的靈巧性和靈活性,同時(shí)使用適當(dāng)?shù)哪_限制裝置,使人體獲得足夠的支撐和著力點(diǎn)。另外,在微重力環(huán)境中保持身體的中性體位最節(jié)省體力,并能長(zhǎng)期維持。任何與身體中性姿態(tài)相反的動(dòng)作都很難持續(xù),且可能導(dǎo)致疲勞和不適。2腕部與肢體的結(jié)構(gòu)由以上可知,艙外航天服對(duì)EVA各種操作的適應(yīng)性在很大程度上取決于其活動(dòng)性能,而航天員操作的精確性則與手套腕部與手部的活動(dòng)性、觸覺靈敏性和防護(hù)性有關(guān)。其工效學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的影響特性(活動(dòng)范圍、可達(dá)區(qū)域)、力學(xué)特性(各種力和力矩)、活動(dòng)特性(完成各種操作的可能性)、疲勞特性(可用肌電測(cè)量統(tǒng)計(jì)人工作能力的動(dòng)力學(xué)特性)、觸覺靈敏度特性(根據(jù)物體的形狀和大小判別),以及舒適性(主觀評(píng)價(jià)整體不適感及局部不適感)等。2.1安全繩漂浮狀態(tài)a)使航天服各部位的尺寸、關(guān)節(jié)活動(dòng)性、活動(dòng)范圍、中性體位、頭部活動(dòng)范圍、視野等與航天員的身體要求相適應(yīng),如圖1所示。b)根據(jù)航天服內(nèi)的壓力和環(huán)境防護(hù)能力,盡可能保證對(duì)各種任務(wù)都具有較高的活動(dòng)性、靈巧性和舒適性。c)設(shè)計(jì)航天服關(guān)節(jié)活動(dòng)性和力矩時(shí),對(duì)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié),需要內(nèi)收/外展或彎曲/伸展數(shù)據(jù);對(duì)腰椎關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié),則僅需彎曲/伸展數(shù)據(jù)。航天員在系安全繩自由漂浮狀態(tài)下的最大可施力與持續(xù)時(shí)間為:線性力為4.4N時(shí)可持續(xù)4.5s,線性力為22.2N時(shí)可持續(xù)2.1s,線性力為44.5N時(shí)可持續(xù)1.4s。d)戴航天手套時(shí)的操作靈活性應(yīng)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(duì)運(yùn)動(dòng)能力(對(duì)握能力)。2.2面窗組件結(jié)構(gòu)艙外航天服頭盔一般為半球面,以輕金屬框架結(jié)構(gòu)與硬式軀干實(shí)現(xiàn)氣密連接。其工效學(xué)問題有:a)面窗組件(包括壓力防護(hù)面窗和可調(diào)式太陽(yáng)濾光鏡)須保證良好的視野、視覺和隔熱;面窗應(yīng)不結(jié)霧。b)航天頭盔的面窗、出艙面窗組件護(hù)目鏡的光學(xué)性能應(yīng)能使航天員的眼睛免受太陽(yáng)等太空輻射的危害。2.3單元存儲(chǔ)單元艙外航天服的顯示器分為兩類:一是報(bào)警顯示器,以聲音或各種顏色的燈光來(lái)表示不同危險(xiǎn)級(jí)別,相應(yīng)的工效學(xué)參數(shù)有報(bào)警聲的頻率、周期以及燈光的顏色、持續(xù)時(shí)間等;二是液晶數(shù)碼單元顯示器,用于確保航天員在各種照明狀態(tài)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(yīng)有足夠的對(duì)比度,相應(yīng)的工效學(xué)參數(shù)有顯示器的亮度、對(duì)比度、顏色編碼和色對(duì)比等。2.4腳限制器設(shè)計(jì)要求艙外航天服的靴子尺寸應(yīng)根據(jù)航天員群體的人體而定。靴子是航天員著艙外服時(shí)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(duì)腳限制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行工效學(xué)研究。其主要要求有:便于著加壓服航天員靴子的進(jìn)/出,且適應(yīng)各種靴子尺寸;可根據(jù)規(guī)定的動(dòng)作移走靴子;能承受航天員施加的負(fù)荷等。3工效學(xué)仿真研究中性浮力水槽、艙外航天服和EVA工具的工程測(cè)試等都是艙外服工效學(xué)研究的重要手段。但在當(dāng)前條件下,計(jì)算機(jī)模型與動(dòng)力學(xué)仿真是艙外航天服前期總體設(shè)計(jì)最合適的工具。與相應(yīng)的物理仿真相比,艙外航天服的計(jì)算機(jī)仿真有許多優(yōu)點(diǎn)。如,能在6個(gè)自由度的方向準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)艙外服的施力和取放、工作的固有時(shí)間以及工作空間的局限性等,不僅能節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi),而且可反復(fù)修改。20世紀(jì)90年代以來(lái),一些科研機(jī)構(gòu)和NASA等開展了新一代艙外航天服的工效學(xué)仿真研究,其重點(diǎn)是利用虛擬航天員模型,使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期就能對(duì)航天服的人體工程因素進(jìn)行評(píng)估,解決航天員的可達(dá)性、艙外服關(guān)節(jié)的施力扭矩、操作力量估測(cè),以及體力消耗預(yù)測(cè)等工效學(xué)問題。目前可用的軟件有JACK,ERGO,SAFEWORKS,RAMSIS、MannequinPro和Poser等。當(dāng)前,艙外航天服仿真研究中的一個(gè)問題是航天服彎曲時(shí)關(guān)節(jié)處扭矩模型尚不完善。由于現(xiàn)代艙外航天服是隨航天員移動(dòng),使用背包和定量容積關(guān)節(jié)來(lái)降低運(yùn)動(dòng)阻力,因此關(guān)節(jié)扭矩對(duì)艙外任務(wù)完成質(zhì)量的影響至關(guān)重要。它是艙外航天服關(guān)節(jié)的位置與速率的非線性函數(shù),設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)使航天員產(chǎn)生較大的代謝消耗。目前,可用于航天服關(guān)節(jié)活動(dòng)扭矩建模的有數(shù)學(xué)模型(如磁滯模型)和物理模型兩種,分別如圖2,3所示。根據(jù)艙外航天服關(guān)節(jié)的幾何形狀和材料預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)的角度與扭矩的相互關(guān)系,能提供關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的工效學(xué)參數(shù)。艙外航天服工作的包絡(luò)區(qū)域也是工效學(xué)仿真研究的重點(diǎn),它是指航天員在穿著航天服條件下舒適工作時(shí)的三維可達(dá)空間區(qū)域。航天員EVA時(shí)的最佳包絡(luò)范圍如圖1所示。計(jì)劃EVA任務(wù)或設(shè)計(jì)EVA區(qū)域,關(guān)鍵是根據(jù)確定的腳限制器預(yù)先獲知航天員是否可達(dá)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(luò)區(qū)的分析,而中心線則可通過實(shí)測(cè)確定。NASA的最新研究結(jié)果表明,現(xiàn)時(shí)的工作包絡(luò)區(qū)可能并不準(zhǔn)確,因?yàn)楹教靻T著艙外服時(shí)某些區(qū)域可能為不可視。根據(jù)模型算得的包絡(luò)區(qū)域和NASA柱面包絡(luò)區(qū)的比較如圖4所示。根據(jù)航天服的扭矩-角度模型計(jì)算時(shí),所得工作包絡(luò)區(qū)的差異會(huì)較大。4重力條件下的工效設(shè)計(jì)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(shí),它還要提供人類生存所必需的內(nèi)