大学精品课件：实例：舱外航天服系统人因工程设计要求与评价

1、实例：舱外航天服系统人因工程设计要求与评价,一、任务分析,1. 舱外航天服的定义 舱外航天服是在载人航天活动中，用于保障航天员生命安全和操作任务工效的个体防护工作装备，是航天员在轨出舱和进行近地天体表面活动的必需设备。 目前，美国在航天飞机出舱活动穿用的舱外航天服和俄罗斯在“科平”号及国际空间站上出舱活动使用的舱外航天服均属于舱外航天服发展中的第三代产品，是当代世界上最先进的出舱活动个体防护作业装备。 舱外航天服，美国通常称为出舱活动装置 (EMU),俄罗斯一般叫做舱外航天服系统， 但常简称为舱外航天服,2. 舱外航天服的基本功能 1）舱外航天服具有防护空间环境有害因素对人的危害，保证航天员生

2、命安全与健康。 2）航天服为航天员创造的服装内微小气候环境条件，满足人体生理卫生学要求，保障人体正常生命活动。 3）航天服具有航天员通话、人体生理信息监测、设备工作状态参数测控、信息显示与故障报警等功能。 4）航天服具有备用应急供氧功能，以保证在舱外航天服意外出现故障时，航天员能安全返回航天器内。 5）航天服易于穿脱，其拟人形态结构、头盔面窗视觉工作能力及关节结构活动功能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。 6）航天服具有与其他出舱航天员、航天器及其地面监控中心的无线电遥测通信（语音、数据）能力。 7）航天服在EVA中，所有的系统都自主运行。在气闸舱内采用电脐带的方式工作。在气

3、闸舱外附近工作时，也可采用电脐带的方式工作,二、结构分析,躯干,头盔,手套,气液控制台,舱外航天服系统,生保系统,电源,下肢关节总成,遥测通信设备,液冷服,电控制台,通讯头戴,上肢关节总成,控制与显示主要由电控台、信息集成处理单元、显示单元、报警装置构成。本系统的功能是整个系统的集成控制装置，是航天服系统信息中心和控制中心。也包括航天员对系统状态进行切换和手动操作的控制操作,控制与显示,三、舱外航天服工效学总体设计,1）航天服及其部组件的尺码系列应符合人体测量学的数据，穿着适体。 2）航天服在最大工作压力情况下，外缘结构尺寸应符合母飞行器座舱空间性要求，利于航天员出舱操作及活动。 3）航天服加

4、压时，服装结构与关节活动性能应符合失重条件下的人体工效学和舱外操作任务工效学要求： a.航天服活动部位的设置与活动性能，应与航天员EVA执行任务时所需要的基本操作动作相匹配，尽量减少不必要的活动部位与过高的性能要求。 b.航天服活动关节的活动力学特性必须符合人体动力学要求。 c.航天员穿着服装活动时，对人体应当不产生压疼感。 d.服装不需要别人帮助，能自己完成穿或脱。 4）服装加压时，服装肢体伸长、头盔上举后，不影响航天员的视野范围设计要求。 5) 服装具有在轨尺寸调节和维修能力,航天服关节活动性设计目标,四、工效学影响因素分析,1. 适体性,适体性是指航天员在出舱作业过程中，舱外航天服外壳形

5、态均同人体体表形态与几何尺寸一致，并保持规定的间隙（空气层），过大过小将会影响着人体的活动性能。特别要求外壳的活动关节应与人体关节适应，在加压状态更不能与全身末端（脚、手、头顶）分离。否则，不仅影响活动，也容易产生机械不适，更会影响对精细动作起关键作用的触觉,2. 舱外航天服的空间膨胀度,服装过度膨胀，对人体活动、气闸舱布局和舱门直径的确定，均有直接影响，即会明显影响活动工效学和空间工效学。 由于服装过度膨胀，各部位随加压值升高相应膨胀，使得各活动部位的动作受限。肩宽与腋下围增加，影响上肢动作。胸围、腹围和臀围分别增粗，会限制收腿和弯腰动作等。当服内压增到20kPa时，手上举困难，不能握拳。双

6、臂内收时，感到阻力甚大，腿不能回收和踏上脚蹬。在舱外航天服设计中，在结构上完善，膨胀度明显比较适度，从而对活动功效学与空间工效学的影响显著缩小,舱外航天服的关节结构的活动性能直接制约着舱外航天服的工效性能。就现有舱外航天服来说，虽然有活动关节，但在加压状态，很难弯曲。同时，它提供的活动空间也有限，操作范围仅仅只有距自己30 cm远处1 m见方的区域。 其活动性不能随意自如，对航天员各活动部位均有不同程度的限制，尤以肩关节、腕关节和腰部活动为甚，例如，肩关节只能前后动而不能左右动。航天服关节不仅活动范围和自由度受限，而且存在着活动阻力大，费力等缺欠,3. 关节结构的活动性能,4. 控制机构的可操

7、作性,舱外航天服控制机构包括气液控制台上的气动手柄、主备氧瓶切换手柄、主备供氧调节器切换手柄、液温调节手柄和电控台上的风机、泵、遥测设备、照明灯等各种开关与信息显示装置（显示器和压力表）。上述控制机构的可操作性和防误操作设计直接关系到航天员的安全，特别是在服装故障，出现应急状况下航天员着加压航天服的手套对控制机构操作的及时性与准确性决定着航天员是否能安全返回母船的重要因素,5. 手套的灵活性和感知度,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。手具有抓、拿、握、转动、扭等功能，其关节活动更具有较大的灵活性，为加压手套的设计增加了更大的难度。图中所示航天员操作的各种功能。在EV

8、A中戴着又笨、又硬、又粗，感觉又受限制的加压手套，难以完成如此精细动作,6.视野和视觉防护能力,视觉是大脑接受外界形象信息的器官。在EVA中尤为重要，所有执行的各种任务，都是首先通过视觉接受形象而实现的，而面窗又是视觉同外界交换信息的障碍物。因之，无论是奥兰服系列采用的面窗式头盔的面窗或是EMU采用的钟罩式透明头盔的透明体，面窗光滑无畸变，保障了良好的光学性能和一定程度的视野性能。此外其还需具有一定的防雾功能。保证面窗外温度过低 或通风不足的情况下航天员仍能够顺利返回到母船,可见在EVA过程中上述因素会对航天员造成如下制约： 1. 人的感觉减弱； 2. EVA 持续时间有限； 3. 航天员的活

9、动与手操作灵活性，力的使用及两臂受到限制; 4. 操作时间与对策有过高的要求； 5. 工作容积与通道的限制； 6. 微重力或低重力航天环境对航天员操作能力的影响,五、自研舱外航天服的工效设计,舱外航天服系统的工效主要靠关节系统和EVA手套保证：航天服的活动性一般定义为大关节的活动阻力特性和可达范围。其功能是由分布于四肢的关节和轴承实现的。手套操作性能一般定义为灵活性,而首次飞行意在突破出舱活动技术，出舱任务比较简单，不需EVA工具或所需工具极简。因此自研舱外航天服的工效要保证航天员的基本操作，其技术指标较国际先进的舱外航天服来说有所放宽,六、舱外航天服系统研制过程中工效评价,舱外航天服系统研制

10、过程中工效验证可分为部组件级、分系统级和系统级进行。 部组件级的工效验证项目： 1) 气液控制台和电控台布局及防误操作的合理性； 2) 各控制手柄和切换开关的作用力/力矩； 3) 显示设备的工效要求； 4) 各气密轴承的转动力矩； 5) 各软关节的活动角度和力矩； 6) 压力面窗,分系统级的工效验证项目 本体结构分系统： 1) 气液复合连接器的连接与断开； 2) 背包门启闭机构的操作力/力矩； 3) 头盔面窗的视野和防雾性能； 4) 手套与袖子连接快捷、方便性验证； 5) 服装尺寸调节要求； 环控生保分系统： 消耗性部组件更换操作的空间及合理性； 医监遥测分系统： 电池更换操作的空间及合理性,系统级的工效验证项目,舱外航天服的适体性； 舱外航天服的尺寸调节范围 ； 工作压力下舱外航天服的外形尺寸和膨胀度； 舱外航天服穿脱的操作和时间 ； 工作压力下舱外航天服的可达域； 工作压力下各关节和轴承的活动力/力矩； 头盔面窗的视野和防雾性能； 舱外航天服上操作控制设备和显示设备布局的合理性,系统级的工效验证项目,9)人着舱外航天服在工作压力（余压为40kPa）下，进行EVA手套操作灵活性验证； 10)