载人低重力环境模拟技术综述

载人低重力环境模拟技术综述

低重力行人模拟技术是指低重力模拟技术，主要用于人类运动和司机培训。低重力模拟环境的要求相对真实，主要用于研究低重力环境下的行走和运行能力，以及低重力环境对驾驶员的生理和心理的影响。1载人低重力模拟技术1.1飞机及其他同模块的应用,主要分为5/6重力模拟载人低重力环境的技术很多,但考虑到实际应用,在地球表面模拟低重力环境,一般采用以下几种技术方法:失重飞机、悬吊、水下模拟、外力骨骼等。其分类如图1所示。失重飞机技术创造的是真实低重力环境,其他技术模拟的是等效低重力环境。等效低重力模拟的原理是抵消受试者(穿着常压服或压力服,下同)的5/6重力。其中,悬吊技术可分为斜面悬吊、垂直悬吊。斜面悬吊技术又可分为侧拉和背拉两种悬吊方式。垂直悬吊技术中,抵消重力单元可分为静态平衡(配重式、弹簧式)和动态伺服平衡(汽缸式、电机式)。1.2根据重、轻环境变化来模拟考虑一个物体,受到合力向下的作用力,加速度为a,初始水平运动速度和垂直上升速度分别为v1、v2,则其在空间铅垂平面(设为xy平面)的运动轨迹为一条开普勒曲线,曲线方程为:y=−a2v21x2+v2v1x+y0(1)y=-a2v12x2+v2v1x+y0(1)(1)式中,y为物体的高度,x为物体水平运动的距离,y0为物体初始高度,a为需要模拟的重力加速度。完全失重情况下,a为地球表面重力加速度,该物体的运动就是理想的斜上抛体运动。如果飞机严格按照该曲线飞行,则可用于模拟失重环境。同样的,改变a的大小(如需模拟月面低重力环境,则a为1/6g)得到另一条开普勒曲线,飞机按该条曲线飞行时就可模拟相应的低重力环境。飞机在按照开普勒曲线飞行时,可认为飞机在进行纵向对称运动,只受到重力的作用。考虑到实际因素——空气的影响,飞机除了控制姿态外,还需要克服空气阻力。因此,失重飞机模拟的低重力环境和飞机初始速度、航迹角、曲线顶点的平飞速度以及飞机允许的过载等因素有关。1.3悬吊技术1.3.1重力加速度模拟利用绳索将受试者悬吊,受试者在水平方向偏离悬吊点,且长轴与水平面形成夹角θ(图2),则受试者沿长轴向下的分力f大小为mg·sinθ,对受试者来说,可认为其“向下”的重力加速度为g·sinθ。当θ约为9.5°时,沿受试者长轴方向向下的重力加速度就等于月面重力加速度。这种利用重力分力模拟低重力方法称为斜面悬吊技术。由图2可知,静止状态下斜面悬吊技术能够正确模拟需要的低重力,但当受试者重心变化时,如执行跑、跳等动作,模拟的低重力与绳索长度L密切相关。在月面低重力模拟中,重心变化为△h,重力加速度变化△G可表示为:△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,悬吊绳索L越大,则重力加速度变化越小,从而模拟低重力受到受试者姿态变化的影响越小,即受试者长轴方向的重力梯度越小,模拟低重力环境越逼真。斜面悬吊技术根据受试者的朝向又可分为侧向和背向两种方式。1.3.2移动系统作用将受试者垂直悬吊起来,向上的拉力保持受试者的5/6重力,使得受试者足底与地面的接触力为1/6重力,称为垂直悬吊模拟技术。垂直悬吊系统一般包括4个部分:垂直拉力系统,架空移动系统,万向架结构,跑台支撑结构。简单的系统可以只有垂直拉力系统和跑台。垂直拉力系统作用是抵消受试者5/6的重力,是构成垂直悬吊模拟设备的主要部分;架空移动系统作用是使垂直拉力系统根据受试者的运动而相应运动,使得绳索的拉力始终是竖直向上的方向;万向架结构的作用是可使受试者在3个轴向转动;跑台支撑结构的作用是运动的平台,受试者在平台上可行走、跑动、跳跃等,跑台采用成熟技术,也可进行专项设计,满足地形地貌模拟的需求。垂直拉力系统、万向架机构及架空移动系统对低重力模拟的效果影响很大,尤其是其惯性质量的影响。1.4配重块添加的影响利用物体在水中的浮力与地球引力方向相反来平衡受试者的5/6重力,称为水下浮力模拟技术。水下模拟低重力,就是在受试者身上或服装上添加配重块,使得受试者的5/6重力与浮力相抵消。配重块的添加位置对受试者的运动有影响,如果全部配重块放在腰部,则由于腿部浮力的作用,当受试者迈腿时,浮心显然升高,从而导致身体头后脚前地旋转。一般采用分布式配重方法,即头、胸、背、四肢合理添加配重块。另外由于水的粘滞特性,受试者在水下运动时,若速度过大会产生明显的拖拽效应,并进一步导致足底的接触摩擦力降低,因此,一般运动速度应控制在0.6m/s以下。1.5肢体结构的对比一般情况下,悬吊技术将受试者看成是一个刚体,即只考虑受试者的重心。但由于受试者四肢的活动,受试者的重心是不断变化的。受试者在腿部运动时还是会有与真实低重力环境不同的感觉。由此需要考虑对四肢分别进行悬吊,或是采用外力骨骼技术。外力骨骼技术可以看作一般悬吊技术的补充,也可以和其他非悬吊方式的支撑结构组成一种新的模拟技术。该技术不再将受试者看成一个整体,其核心一是由支撑结构完成对受试者重心的低重力模拟,二是根据受试者腿部骨骼的运动特征,在腿部外侧固定可控制运动的机构,从而完成对受试者腿部运动情况下的低重力模拟。2船长重力模型技术的应用2.1加油机治疗重飞行失重飞机技术最初应用于1958年,由美国空军为NASA提供失重飞行。1973年,NASA使用了改进的加油机KC135A。2005年,开始使用麦道道格拉斯公司的DC-9B(C9,图3)。2008年,NASA又与零重力公司签订了合同,由该公司的波音727提供失重飞行。由于失重飞机方法属于真实效果的模拟,除了用于航天员训练试验外,也多用于设备或产品的低重力研究。2.2悬吊模拟2.2.1悬挂倾斜防护1低重力运动平台1965年,NASA兰利研究中心建造了月面着陆研究设备(LLRF),该设备主体是一个巨大的框架,长122m,高73m,宽81m,主要用于低重力环境中登月舱的着陆研究。LLRF的组成部分包括一个低重力模拟运动系统,即在框架下设置一个长53m的倾斜平台,平台面与竖直面夹角约9.5°(图4)。绳索上部连接到一个滑块,滑块可平行于倾斜平台运动。除了直线倾斜平台,在兰利研究中心还设计了环状倾斜平台方式,相应地其上方连接的滑块轨道也是环形的。圆环倾斜平台底面直径30.5m,滑块高度45.1m。此时由于受试者运动时会产生离心力,模拟重力会有轻微变化,但不会对受试者产生明显的影响。2受试者的悬吊角度和跑台角度NASA格伦研究中心应用于人体研究项目(HRP)的增强型零重力运动模拟器(eZLS)可通过调整受试者的悬吊角度和跑台的角度模拟月球低重力(图5)。斜面背向悬吊技术是以受试者背部为受力部位,提高了受试者的舒适度,同时,由于悬吊绳索更多,对受试者的头部、躯干和四肢分别悬吊,从而绳索长度无需像侧向悬吊那样使用较长的绳索。由于零重力运动模拟器是用于人体研究,未见有着服装悬吊的报道。2.2.2低重力模拟试验阿波罗任务中,NASA研制了各种式样的垂直悬吊模拟设备。垂直拉力系统采用过滑轮配重、弹簧、涡轮、汽缸等方法;架空移动系统采用过电机、气浮梁、磁性支撑等方法,早期的架空移动系统是随动的,没有驱动设备,仅降低随动摩擦力;万向架结构为保证受试者能够随意的转动,有重心调整结构,保证受试者及万向架的重心与拉力绳索重合,且使受试者重心与万向架旋转轴心重合。目前NASA约翰逊中心的低重力模拟设备(POGO)最早用于阿波罗任务,1993年改造了控制单元和数据采集系统,使其能够进行失重环境的模拟,从而用于航天飞机和国际空间站的航天员训练以及低重力研究实验。POGO是5自由度系统(图6),在水平面只能作直线运动,有一定的局限性,其垂直拉力系统为伺服压缩气缸;架空移动系统采用条状气浮轨道,没有驱动设备,受试者运动时必然会拖带顶部架空移动系统一起运动,因此架空移动系统的惯性会影响到受试者的运动;POGO的万向架结构采用铝制以减轻质量;跑台的4个支脚安装有压力传感器。2.3拟技术的试验水下浮力模拟技术由于在双子星任务中的成功应用而备受关注,由此在阿波罗任务期间,水下低重力模拟技术也得到了研究与应用。当前在NASA的水下实验室(NBL)和NASA的极端环境任务试验(NEEMO)项目中,以及在马里兰大学的中性浮力研究设备(NBRF)中,都进行过低重力模拟的试验(图7)。图中受试者为着特殊装具的潜水员,在不同倾角的平台上,研究低重力的模拟效果。3人类低重力模拟技术的研究3.1试验结果分析和讨论NASA在阿波罗登月工程中,主要采用斜面悬吊、垂直悬吊等方法模拟月面低重力,后来又陆续研究了失重飞机、水下浮力等技术,研制了各种规模和样式的月面低重力模拟设备(表1)。这些设备应用于登月服性能测试、航天员在月面低重力环境下的能量代谢、步态、作业能力等研究和训练。失重飞机虽然能产生真实的低重力环境,受试者可以6自由度运动,但是它每次只能产生20~30s的低重力时间,且活动空间受机舱空间限制,试验飞行成本也较高。水下浮力模拟低重力技术不受试验空间和时间限制,但是因为水对运动产生阻力,要求运动速度不能太快,否则影响模拟效果,另外在水下进行试验也不利于数据的采集与判断。斜面悬吊模拟低重力技术不受试验时间、空间和运动速度限制,受试者的感受也比较真实,阿波罗11号航天员阿姆斯特朗说过,他看到自己在月面上的影子和在LLRF模拟器上看到的一样。但斜面悬吊只有3个运动自由度,为了保证重力模拟精度,需要较长的悬索(30m以上),设备规模较大。垂直悬吊模拟失重方法同样不受试验时间、空间的限制,设备规模比较适中,但是受技术水平的限制,在受试者运动过程中绳索的垂直拉力很难保持平衡,为了使受试者能够水平活动,需要架空移动系统随着受试者一起运动,从而对受试者的运动产生附加惯性的影响。这些附加惯性影响到系统的动态性能,从而影响航天员的训练效果。斜面悬吊和垂直悬吊模拟低重力技术侧重与对受试者总重量的平衡,对四肢的重力并没有单独平衡,因此这两种方法并不适用于针对四肢运动方面的训练和性能评价试验。兰利研究中心对不同的低重力模拟设备进行了比较研究,得出以下结论:1)不同的试验任务应选择不同类型的低重力模拟设备。2)至少应有两种不同类型的低重力模拟技术进行相互交叉验证。3)受试者应在不同类型的低重力模拟设备上进行试验或训练。4)试验数据应考虑模拟设备对受试者限制条件的影响。3.2其他研究3.2.1垂直悬吊低重力模拟结果系统当前对垂直悬吊模拟技术研究越来越多,其目的是改善动态特性,降低附加惯性质量的影响。理想的垂直悬吊技术除了垂直拉力系统能够提供不依受试者运动而改变的恒定拉力外,其自身及上部的架空移动系统应不能影响受试者的运动。这就要求垂直拉力系统能够响应受试者的跳跃动作,架空移动系统能够响应受试者的水平运动。NASA正在研制新型的6自由度随动控制垂直悬吊低重力模拟设备(ARGOS,图8),受试者可在空间x,y,z轴方向移动,利用万向架机构又可实现三轴的转动。该设备在垂直和水平方向分别采用3台电机进行伺服控制,垂直方向自动监测拉力的变化,维持恒定的拉力;水平方向自动检测受试者的运动,通过控制水平方向的2个电机,自动保持绳索垂直,这样就去除了顶部架空移动系统对受试者运动的影响。该设备将用于月面或火星等低重力环境试验、训练以及航天服性能评价试验。3.2.2新型外力器组成为使受试者较好地感受低重力模拟效果,需对受试者的四肢运动分别进行控制。近来新墨西哥州州立大学研究了新型的基于腿部支撑的外力骨骼技术(图9)。但对不同的受试者,需要不同的系统设计(如考虑弹簧性能、惯性质量等)。虽然该技术与其他模拟技术相比还不很成熟,但其分步考虑受试者重心的思想对增强低重力模拟效果有着积极的意义。4新型人造低重力模拟设备为了实现载人登月,我国应进行载人低重力模拟技术研究,研制载人低重力模拟设备。结合当前技术水平,参考国外技术路线,应从失重飞机、水下浮力和随动控制垂直悬吊几方面着手。1生成条件较小的重新设备失重飞机可在民航客机和大型运输机基础上进行改装,机型可选国产C919、波音737、空客A300或伊尔76等,机舱可容纳不少于5人(不含机组人员)的训练和试验人员,配置1套登月服及其支持设备,训练和试验空间不小于10m×5m×2m;失重飞机每次抛物线飞行可产生不小于25s的微重力或低