載人低重力環(huán)境模擬技術(shù)綜述

載人低重力環(huán)境模擬技術(shù)綜述

低重力行人模擬技術(shù)是指低重力模擬技術(shù)，主要用于人類運(yùn)動(dòng)和司機(jī)培訓(xùn)。低重力模擬環(huán)境的要求相對(duì)真實(shí)，主要用于研究低重力環(huán)境下的行走和運(yùn)行能力，以及低重力環(huán)境對(duì)駕駛員的生理和心理的影響。1載人低重力模擬技術(shù)1.1飛機(jī)及其他同模塊的應(yīng)用,主要分為5/6重力模擬載人低重力環(huán)境的技術(shù)很多,但考慮到實(shí)際應(yīng)用,在地球表面模擬低重力環(huán)境,一般采用以下幾種技術(shù)方法:失重飛機(jī)、懸吊、水下模擬、外力骨骼等。其分類如圖1所示。失重飛機(jī)技術(shù)創(chuàng)造的是真實(shí)低重力環(huán)境,其他技術(shù)模擬的是等效低重力環(huán)境。等效低重力模擬的原理是抵消受試者(穿著常壓服或壓力服,下同)的5/6重力。其中,懸吊技術(shù)可分為斜面懸吊、垂直懸吊。斜面懸吊技術(shù)又可分為側(cè)拉和背拉兩種懸吊方式。垂直懸吊技術(shù)中,抵消重力單元可分為靜態(tài)平衡(配重式、彈簧式)和動(dòng)態(tài)伺服平衡(汽缸式、電機(jī)式)。1.2根據(jù)重、輕環(huán)境變化來(lái)模擬考慮一個(gè)物體,受到合力向下的作用力,加速度為a,初始水平運(yùn)動(dòng)速度和垂直上升速度分別為v1、v2,則其在空間鉛垂平面(設(shè)為xy平面)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條開(kāi)普勒曲線,曲線方程為:y=?a2v21x2+v2v1x+y0(1)y=-a2v12x2+v2v1x+y0(1)(1)式中,y為物體的高度,x為物體水平運(yùn)動(dòng)的距離,y0為物體初始高度,a為需要模擬的重力加速度。完全失重情況下,a為地球表面重力加速度,該物體的運(yùn)動(dòng)就是理想的斜上拋體運(yùn)動(dòng)。如果飛機(jī)嚴(yán)格按照該曲線飛行,則可用于模擬失重環(huán)境。同樣的,改變a的大小(如需模擬月面低重力環(huán)境,則a為1/6g)得到另一條開(kāi)普勒曲線,飛機(jī)按該條曲線飛行時(shí)就可模擬相應(yīng)的低重力環(huán)境。飛機(jī)在按照開(kāi)普勒曲線飛行時(shí),可認(rèn)為飛機(jī)在進(jìn)行縱向?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng),只受到重力的作用?？紤]到實(shí)際因素——空氣的影響,飛機(jī)除了控制姿態(tài)外,還需要克服空氣阻力。因此,失重飛機(jī)模擬的低重力環(huán)境和飛機(jī)初始速度、航跡角、曲線頂點(diǎn)的平飛速度以及飛機(jī)允許的過(guò)載等因素有關(guān)。1.3懸吊技術(shù)1.3.1重力加速度模擬利用繩索將受試者懸吊,受試者在水平方向偏離懸吊點(diǎn),且長(zhǎng)軸與水平面形成夾角θ(圖2),則受試者沿長(zhǎng)軸向下的分力f大小為mg·sinθ,對(duì)受試者來(lái)說(shuō),可認(rèn)為其“向下”的重力加速度為g·sinθ。當(dāng)θ約為9.5°時(shí),沿受試者長(zhǎng)軸方向向下的重力加速度就等于月面重力加速度。這種利用重力分力模擬低重力方法稱為斜面懸吊技術(shù)。由圖2可知,靜止?fàn)顟B(tài)下斜面懸吊技術(shù)能夠正確模擬需要的低重力,但當(dāng)受試者重心變化時(shí),如執(zhí)行跑、跳等動(dòng)作,模擬的低重力與繩索長(zhǎng)度L密切相關(guān)。在月面低重力模擬中,重心變化為△h,重力加速度變化△G可表示為:△G=(16(1?(△hL)2?????????√?1)+0.986△hL)?g(2)△G=(16(1-(△hL)2-1)+0.986△hL)?g(2)由式(2)中可以看出,懸吊繩索L越大,則重力加速度變化越小,從而模擬低重力受到受試者姿態(tài)變化的影響越小,即受試者長(zhǎng)軸方向的重力梯度越小,模擬低重力環(huán)境越逼真。斜面懸吊技術(shù)根據(jù)受試者的朝向又可分為側(cè)向和背向兩種方式。1.3.2移動(dòng)系統(tǒng)作用將受試者垂直懸吊起來(lái),向上的拉力保持受試者的5/6重力,使得受試者足底與地面的接觸力為1/6重力,稱為垂直懸吊模擬技術(shù)。垂直懸吊系統(tǒng)一般包括4個(gè)部分:垂直拉力系統(tǒng),架空移動(dòng)系統(tǒng),萬(wàn)向架結(jié)構(gòu),跑臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以只有垂直拉力系統(tǒng)和跑臺(tái)。垂直拉力系統(tǒng)作用是抵消受試者5/6的重力,是構(gòu)成垂直懸吊模擬設(shè)備的主要部分;架空移動(dòng)系統(tǒng)作用是使垂直拉力系統(tǒng)根據(jù)受試者的運(yùn)動(dòng)而相應(yīng)運(yùn)動(dòng),使得繩索的拉力始終是豎直向上的方向;萬(wàn)向架結(jié)構(gòu)的作用是可使受試者在3個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng);跑臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的作用是運(yùn)動(dòng)的平臺(tái),受試者在平臺(tái)上可行走、跑動(dòng)、跳躍等,跑臺(tái)采用成熟技術(shù),也可進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì),滿足地形地貌模擬的需求。垂直拉力系統(tǒng)、萬(wàn)向架機(jī)構(gòu)及架空移動(dòng)系統(tǒng)對(duì)低重力模擬的效果影響很大,尤其是其慣性質(zhì)量的影響。1.4配重塊添加的影響利用物體在水中的浮力與地球引力方向相反來(lái)平衡受試者的5/6重力,稱為水下浮力模擬技術(shù)。水下模擬低重力,就是在受試者身上或服裝上添加配重塊,使得受試者的5/6重力與浮力相抵消。配重塊的添加位置對(duì)受試者的運(yùn)動(dòng)有影響,如果全部配重塊放在腰部,則由于腿部浮力的作用,當(dāng)受試者邁腿時(shí),浮心顯然升高,從而導(dǎo)致身體頭后腳前地旋轉(zhuǎn)。一般采用分布式配重方法,即頭、胸、背、四肢合理添加配重塊。另外由于水的粘滯特性,受試者在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),若速度過(guò)大會(huì)產(chǎn)生明顯的拖拽效應(yīng),并進(jìn)一步導(dǎo)致足底的接觸摩擦力降低,因此,一般運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)控制在0.6m/s以下。1.5肢體結(jié)構(gòu)的對(duì)比一般情況下,懸吊技術(shù)將受試者看成是一個(gè)剛體,即只考慮受試者的重心。但由于受試者四肢的活動(dòng),受試者的重心是不斷變化的。受試者在腿部運(yùn)動(dòng)時(shí)還是會(huì)有與真實(shí)低重力環(huán)境不同的感覺(jué)。由此需要考慮對(duì)四肢分別進(jìn)行懸吊,或是采用外力骨骼技術(shù)。外力骨骼技術(shù)可以看作一般懸吊技術(shù)的補(bǔ)充,也可以和其他非懸吊方式的支撐結(jié)構(gòu)組成一種新的模擬技術(shù)。該技術(shù)不再將受試者看成一個(gè)整體,其核心一是由支撐結(jié)構(gòu)完成對(duì)受試者重心的低重力模擬,二是根據(jù)受試者腿部骨骼的運(yùn)動(dòng)特征,在腿部外側(cè)固定可控制運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),從而完成對(duì)受試者腿部運(yùn)動(dòng)情況下的低重力模擬。2船長(zhǎng)重力模型技術(shù)的應(yīng)用2.1加油機(jī)治療重飛行失重飛機(jī)技術(shù)最初應(yīng)用于1958年,由美國(guó)空軍為NASA提供失重飛行。1973年,NASA使用了改進(jìn)的加油機(jī)KC135A。2005年,開(kāi)始使用麥道道格拉斯公司的DC-9B(C9,圖3)。2008年,NASA又與零重力公司簽訂了合同,由該公司的波音727提供失重飛行。由于失重飛機(jī)方法屬于真實(shí)效果的模擬,除了用于航天員訓(xùn)練試驗(yàn)外,也多用于設(shè)備或產(chǎn)品的低重力研究。2.2懸吊模擬2.2.1懸掛傾斜防護(hù)1低重力運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1965年,NASA蘭利研究中心建造了月面著陸研究設(shè)備(LLRF),該設(shè)備主體是一個(gè)巨大的框架,長(zhǎng)122m,高73m,寬81m,主要用于低重力環(huán)境中登月艙的著陸研究。LLRF的組成部分包括一個(gè)低重力模擬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),即在框架下設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)53m的傾斜平臺(tái),平臺(tái)面與豎直面夾角約9.5°(圖4)。繩索上部連接到一個(gè)滑塊,滑塊可平行于傾斜平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。除了直線傾斜平臺(tái),在蘭利研究中心還設(shè)計(jì)了環(huán)狀傾斜平臺(tái)方式,相應(yīng)地其上方連接的滑塊軌道也是環(huán)形的。圓環(huán)傾斜平臺(tái)底面直徑30.5m,滑塊高度45.1m。此時(shí)由于受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力,模擬重力會(huì)有輕微變化,但不會(huì)對(duì)受試者產(chǎn)生明顯的影響。2受試者的懸吊角度和跑臺(tái)角度NASA格倫研究中心應(yīng)用于人體研究項(xiàng)目(HRP)的增強(qiáng)型零重力運(yùn)動(dòng)模擬器(eZLS)可通過(guò)調(diào)整受試者的懸吊角度和跑臺(tái)的角度模擬月球低重力(圖5)。斜面背向懸吊技術(shù)是以受試者背部為受力部位,提高了受試者的舒適度,同時(shí),由于懸吊繩索更多,對(duì)受試者的頭部、軀干和四肢分別懸吊,從而繩索長(zhǎng)度無(wú)需像側(cè)向懸吊那樣使用較長(zhǎng)的繩索。由于零重力運(yùn)動(dòng)模擬器是用于人體研究,未見(jiàn)有著服裝懸吊的報(bào)道。2.2.2低重力模擬試驗(yàn)阿波羅任務(wù)中,NASA研制了各種式樣的垂直懸吊模擬設(shè)備。垂直拉力系統(tǒng)采用過(guò)滑輪配重、彈簧、渦輪、汽缸等方法;架空移動(dòng)系統(tǒng)采用過(guò)電機(jī)、氣浮梁、磁性支撐等方法,早期的架空移動(dòng)系統(tǒng)是隨動(dòng)的,沒(méi)有驅(qū)動(dòng)設(shè)備,僅降低隨動(dòng)摩擦力;萬(wàn)向架結(jié)構(gòu)為保證受試者能夠隨意的轉(zhuǎn)動(dòng),有重心調(diào)整結(jié)構(gòu),保證受試者及萬(wàn)向架的重心與拉力繩索重合,且使受試者重心與萬(wàn)向架旋轉(zhuǎn)軸心重合。目前NASA約翰遜中心的低重力模擬設(shè)備(POGO)最早用于阿波羅任務(wù),1993年改造了控制單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),使其能夠進(jìn)行失重環(huán)境的模擬,從而用于航天飛機(jī)和國(guó)際空間站的航天員訓(xùn)練以及低重力研究實(shí)驗(yàn)。POGO是5自由度系統(tǒng)(圖6),在水平面只能作直線運(yùn)動(dòng),有一定的局限性,其垂直拉力系統(tǒng)為伺服壓縮氣缸;架空移動(dòng)系統(tǒng)采用條狀氣浮軌道,沒(méi)有驅(qū)動(dòng)設(shè)備,受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)拖帶頂部架空移動(dòng)系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng),因此架空移動(dòng)系統(tǒng)的慣性會(huì)影響到受試者的運(yùn)動(dòng);POGO的萬(wàn)向架結(jié)構(gòu)采用鋁制以減輕質(zhì)量;跑臺(tái)的4個(gè)支腳安裝有壓力傳感器。2.3擬技術(shù)的試驗(yàn)水下浮力模擬技術(shù)由于在雙子星任務(wù)中的成功應(yīng)用而備受關(guān)注,由此在阿波羅任務(wù)期間,水下低重力模擬技術(shù)也得到了研究與應(yīng)用。當(dāng)前在NASA的水下實(shí)驗(yàn)室(NBL)和NASA的極端環(huán)境任務(wù)試驗(yàn)(NEEMO)項(xiàng)目中,以及在馬里蘭大學(xué)的中性浮力研究設(shè)備(NBRF)中,都進(jìn)行過(guò)低重力模擬的試驗(yàn)(圖7)。圖中受試者為著特殊裝具的潛水員,在不同傾角的平臺(tái)上,研究低重力的模擬效果。3人類低重力模擬技術(shù)的研究3.1試驗(yàn)結(jié)果分析和討論NASA在阿波羅登月工程中,主要采用斜面懸吊、垂直懸吊等方法模擬月面低重力,后來(lái)又陸續(xù)研究了失重飛機(jī)、水下浮力等技術(shù),研制了各種規(guī)模和樣式的月面低重力模擬設(shè)備(表1)。這些設(shè)備應(yīng)用于登月服性能測(cè)試、航天員在月面低重力環(huán)境下的能量代謝、步態(tài)、作業(yè)能力等研究和訓(xùn)練。失重飛機(jī)雖然能產(chǎn)生真實(shí)的低重力環(huán)境,受試者可以6自由度運(yùn)動(dòng),但是它每次只能產(chǎn)生20~30s的低重力時(shí)間,且活動(dòng)空間受機(jī)艙空間限制,試驗(yàn)飛行成本也較高。水下浮力模擬低重力技術(shù)不受試驗(yàn)空間和時(shí)間限制,但是因?yàn)樗畬?duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力,要求運(yùn)動(dòng)速度不能太快,否則影響模擬效果,另外在水下進(jìn)行試驗(yàn)也不利于數(shù)據(jù)的采集與判斷。斜面懸吊模擬低重力技術(shù)不受試驗(yàn)時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)速度限制,受試者的感受也比較真實(shí),阿波羅11號(hào)航天員阿姆斯特朗說(shuō)過(guò),他看到自己在月面上的影子和在LLRF模擬器上看到的一樣。但斜面懸吊只有3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,為了保證重力模擬精度,需要較長(zhǎng)的懸索(30m以上),設(shè)備規(guī)模較大。垂直懸吊模擬失重方法同樣不受試驗(yàn)時(shí)間、空間的限制,設(shè)備規(guī)模比較適中,但是受技術(shù)水平的限制,在受試者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中繩索的垂直拉力很難保持平衡,為了使受試者能夠水平活動(dòng),需要架空移動(dòng)系統(tǒng)隨著受試者一起運(yùn)動(dòng),從而對(duì)受試者的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生附加慣性的影響。這些附加慣性影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,從而影響航天員的訓(xùn)練效果。斜面懸吊和垂直懸吊模擬低重力技術(shù)側(cè)重與對(duì)受試者總重量的平衡,對(duì)四肢的重力并沒(méi)有單獨(dú)平衡,因此這兩種方法并不適用于針對(duì)四肢運(yùn)動(dòng)方面的訓(xùn)練和性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。蘭利研究中心對(duì)不同的低重力模擬設(shè)備進(jìn)行了比較研究,得出以下結(jié)論:1)不同的試驗(yàn)任務(wù)應(yīng)選擇不同類型的低重力模擬設(shè)備。2)至少應(yīng)有兩種不同類型的低重力模擬技術(shù)進(jìn)行相互交叉驗(yàn)證。3)受試者應(yīng)在不同類型的低重力模擬設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)或訓(xùn)練。4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)考慮模擬設(shè)備對(duì)受試者限制條件的影響。3.2其他研究3.2.1垂直懸吊低重力模擬結(jié)果系統(tǒng)當(dāng)前對(duì)垂直懸吊模擬技術(shù)研究越來(lái)越多,其目的是改善動(dòng)態(tài)特性,降低附加慣性質(zhì)量的影響。理想的垂直懸吊技術(shù)除了垂直拉力系統(tǒng)能夠提供不依受試者運(yùn)動(dòng)而改變的恒定拉力外,其自身及上部的架空移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)不能影響受試者的運(yùn)動(dòng)。這就要求垂直拉力系統(tǒng)能夠響應(yīng)受試者的跳躍動(dòng)作,架空移動(dòng)系統(tǒng)能夠響應(yīng)受試者的水平運(yùn)動(dòng)。NASA正在研制新型的6自由度隨動(dòng)控制垂直懸吊低重力模擬設(shè)備(ARGOS,圖8),受試者可在空間x,y,z軸方向移動(dòng),利用萬(wàn)向架機(jī)構(gòu)又可實(shí)現(xiàn)三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。該設(shè)備在垂直和水平方向分別采用3臺(tái)電機(jī)進(jìn)行伺服控制,垂直方向自動(dòng)監(jiān)測(cè)拉力的變化,維持恒定的拉力;水平方向自動(dòng)檢測(cè)受試者的運(yùn)動(dòng),通過(guò)控制水平方向的2個(gè)電機(jī),自動(dòng)保持繩索垂直,這樣就去除了頂部架空移動(dòng)系統(tǒng)對(duì)受試者運(yùn)動(dòng)的影響。該設(shè)備將用于月面或火星等低重力環(huán)境試驗(yàn)、訓(xùn)練以及航天服性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。3.2.2新型外力器組成為使受試者較好地感受低重力模擬效果,需對(duì)受試者的四肢運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行控制。近來(lái)新墨西哥州州立大學(xué)研究了新型的基于腿部支撐的外力骨骼技術(shù)(圖9)。但對(duì)不同的受試者,需要不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)(如考慮彈簧性能、慣性質(zhì)量等)。雖然該技術(shù)與其他模擬技術(shù)相比還不很成熟,但其分步考慮受試者重心的思想對(duì)增強(qiáng)低重力模擬效果有著積極的意義。4新型人造低重力模擬設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)載人登月,我國(guó)應(yīng)進(jìn)行載人低重力模擬技術(shù)研究,研制載人低重力模擬設(shè)備。結(jié)合當(dāng)前技術(shù)水平,參考國(guó)外技術(shù)路線,應(yīng)從失重飛機(jī)、水下浮力和隨動(dòng)控制垂直懸吊幾方面著手。1生成條件較小的重新設(shè)備失重飛機(jī)可在民航客機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝,機(jī)型可選國(guó)產(chǎn)C919、波音737、空客A300或伊爾76等,機(jī)艙可容納不少于5人(不含機(jī)組人員)的訓(xùn)練和試驗(yàn)人員,配置1套登月服及其支持設(shè)備,訓(xùn)練和試驗(yàn)空間不小于10m×5m×2m;失重飛機(jī)每次拋物線飛行可產(chǎn)生不小于25s的微重力或低