航天服工效学问题
作者：贾司光 陈景山
单位：航天医学工程研究所, 北京 100094
关键词：工效学；航天服；人体测量学；人体力学；设计
航天医学与医学工程990514摘要：阐明了工效学概念,将其运用于航天服设计。通过人体测量学的运用，建立航天服尺寸设计体系，明确了解决服装舒适性、适体性和空间性的设计要求(含对失重)。通过人体力学的运用，制定了规范，明确了解决服装活动性与姿态的设计要求(含对失重)。简述了航天服工效学现状。
中图分类号：R852 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)05-0371-05
On Ergonomics of Spacesuit
JIA Si-guang，CHEN Jing-shan
, http://www.100md.com
Abstract：The concept and the connotation of spacesuit ergonomics are spicified.The method of ergonomics was applied to spacesuit design and the design demands for comfort, fitting and space compatibility of spacesuit are indicated systematically by applying anthoropometry and building spacesuit size system (including weightlessness).Flexibility and posture of spacesuit are indicated with human mechanics (including weightlessness).The present situation of ergonomic research of spacesuit is discussed simply.
, 百拇医药
Key words：ergonomics;spacesuit;anthoropometry;human mechanics;design
Address reprint requests to：CHEN Jing-shan. Institute of Space Medico-Engineering. Beijing 100094, China
航天服是用于防护空间环境和舱内失压时对人体危害的装备,并应在穿着中对人体不产生不良作用。其中的工效学问题虽已得到相应解决，但缺乏工效学的理论指导与运用，从而影响服装设计的科学性与效率。Абрамов等[1]在专著里首次运用了工效学(亦称功效学)，但在服装设计中没有系统地应用工效学的概念。本文试图对这些学科性内容加以明确与完善。航天服工效学是研究服装结构与服内环境工效的学科，其基本内容：一是通过人体测量,提供外壳形态学设计尺寸,解决不舒适性、不适体性与空间性, 并改善对人体产生的心理生理影响；二是关节活动必需的力学要求,解决姿态和活动性能,减少人体费力、疲劳与耗能,并由此而引起的心理生理障碍；三是通过服装工程学(包括环境控制)解决服内环境(温度等)对工效的影响。
, 百拇医药
人体测量学在航天服尺寸设计上的运用
航天服尺寸设计体系
利用人体静态测量获得的数据, 制成国家的基础标准，然后再针对航天员的具体情况, 制定航天服尺寸设计标准。现已建立了5种航天服尺寸设计体系。
定做 按每个人实测尺寸进行单件制作。虽然在合身和活动性方面较好, 但不经济，仅适应于航天员数量少的载人航天初期阶段。
5种型号尺寸体系[1] 苏/俄的软型(织物)航天服采用该体系。表1中航天服型号尺寸取胸围的1/2。表2是52号航天服的长度类尺寸表。这些高度类别又细分为6个分档。按这两个标准尺寸表, 即可选定适于各自的航天服。例如, 某一航天员的胸围为104 cm, 身高为175 cm, 下肢为80 cm, 上肢为98 cm, 躯干为95 cm(身高-下肢长)时, 由两个表可得出结论, 该航天员应选定的航天 服尺寸是52号(航天服尺寸号, 表1)-Ⅳ(身长号,表2)-5(躯干号,表2)-3(裤长号,表2) -5(袖长号,表2)。
, 百拇医药
表1 航天服型号尺寸
Table 1 Type and size of space suits 尺寸(size)
48
50
52
54
56
胸围(chest circumference)(cm)
96±2
100±2
104±2
, 百拇医药 108±2
112±2
表2 航天服长度类尺寸(cm)
Table 2 Space suit height size(cm) 航天服整体
(space suit)
胴体(包括头盔)
[trunk (with helmet)]
裤子
(trousers)
袖子
(sleeves)
, 百拇医药
身高号
(height
code)
人身高
(stature)
胴体长号
(trunk length
code)
人躯干长
(trunk
length)
裤长号
, http://www.100md.com (trousers
length code)
下肢长
(leg length)
袖长号
(sleeves
length code)
上肢长
(arm length)
Ⅰ
158±3
1
, http://www.100md.com
86.0±1.25
1
72.0±1.75
1
87.5±1.5
Ⅱ
164±3
2
88.5±1.25
2
75.5±1.75
2
90.5±1.5
, 百拇医药
Ⅲ
170±3
3
91.0±1.25
3
79.0±1.75
3
93.5±1.5
Ⅳ
176±3
4
93.5±1.25
4
, http://www.100md.com
82.5±1.75
4
96.5±1.5
Ⅴ
182±3
5
96.0±1.25
5
86.0±1.75
5
99.5±1.5
Ⅵ
188±3
, 百拇医药
6
98.5±1.25
6
89.5±1.75
6
102.5±1.5
通用与选用相结合的尺寸体系[1] 服装的胴体部位只有一个尺寸, 大家通用, 袖子与裤子则根据自身的尺寸,选用标准表2上的尺寸。苏/俄“和平”号空间站服采用该体系。
定做与选用相结合的尺寸体系[2] 服装胴体定做, 袖子与裤子则选用标准表上的尺寸。美国阿波罗服采用该体系。
国际性尺寸大体系[3] 针对国际人员参加美国航天飞机飞行的趋势增加, 制定了适用于各国志愿者选用的航天服大体系, 提供了世界人口尺寸范围的标准。办法是抓两头带中间, 即以美国白种与黑种人男性的尺寸代表世界上属于大号身材, 以日本女性代表小号身材的尺寸。
, 百拇医药
放大尺寸测量
在进行外壳形态学的设计时, 需要在人体静态测量值的基础上, 放大尺寸，进行动态测量，即在外壳与体表面(实际是内衣)之间保留一定的间隙(空气层), 以满足如下两方面的工效学要求。一是功能性放大。满足穿脱方便、舒适性好(无局部刺激性)、呼吸与活动自如、不干扰或限制人体的活动。为确定放大量, 单纯依靠静态的人体测量尺寸已不能满足要求, 尚须知道人体的动态尺寸, 即知道静动二者测量之差值。如在深吸气时的动态测量值使胸围改变3.1～4.6%, 这相当于5 cm。二是结构性放大。服装的胴体呈园筒状, 其直径是按胸围尺寸制定的, 从而使腹部多余一定空间, 可用于安置通风管道和电信接头以及仪器等。全身也要考虑安置通风管道的放大尺寸。
失重对人体尺寸的影响
在太空失重条件下, 由于脊柱减少压缩而伸长, 致使身高增加(约3%)。由于体液的一部分移向上身与头部, 相应部位的体围有所改变。由于体液丧失, 身体总质量减少3%～4%。这些人体尺寸的改变，应运用人体测量学在服装结构设计上得到体现。
, 百拇医药
空间工效学要求
舱内空间布局、舱门和通道直径尺寸等的确定，对航天服容积具有限制性要求。在充气加压状态，其膨胀度不得超过该要求。
人体力学在航天服活动结构设计上的运用
人体力学是研究人体活动与在各种力学作业条件下活动能力的专业。针对航天失重环境下人体活动与力学特征以及航天服活动结构对人体的干扰程度,再按人体力学要求进行服装设计。
航天员作业中的动作特征
航天员在执行舱内、特别是舱外任务中, 需要完成多方位的灵活性极强的动作。航天员在3个坐标平面上需要经常进行多种动作。如在额状面上外展与内收; 在冠状面上, 离开矢状面, 身向侧转, 或者向着矢状面, 身向中间转; 身体各部分之间或伸展或弯曲; 面向下, 或向上、向后; 身体绕轴线转动, 或部分的拉长; 身体向前方或向后方。表3[2]为完成7种任务时各关节活动的估计数。执行大型空间望远镜任务(安装与检修等), 需要活动的关节最多(全参加)。腕部活动同手的活动分不开。手的动作需要腕关节灵活配合, 手指的有些动作也需要腕关节。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。肘关节特别适用于线性或横向可达到距离的一些任务。腰部活动在执行检修大型空间望远镜任务中起重要作用。如: 当脚被固定时, 清洁望远镜的较低部分;从腿上的口袋里取工具;回收零散的工具和卫星组件等。图1[2]显示了因服装腰部不能弯曲，只好采用如图所示的臀部弯曲。臀部活动在舱内外执行任务中, 经常会遇到下肢内收外展、转动(向侧面或中间)与弯曲(股骨向上抬高, 小腿向下弯曲动作)等。膝部活动用于航天员脚被固定时, 为了发挥最大的能力,如: 跪着搬动货物或穿着航天服就近活动等。踝部活动性的要求比较局限。当飞船返回或下降时,脚被固定,为完成飞船用脚控制, 均需踝关节具有良好活动性。
, 百拇医药
图1 航天员弯腰拾物
Fig.1 Astronaut bends to lift objects
表3 每完成一套观测任务各服装关节的活动次数
Table 3 Suit joint cycles to perform each scenario once 任务
(scenario)
颈
(neck)
肩
(shoulder)
肘
, 百拇医药
(elbow)
手套
(glove)
腕
(wrist)
髋
(thigh)
腰
(waist)
膝
(knee)
踝
(ankle)
, 百拇医药
靴子
(boot)
大型空间望远镜安装等
(large space telescope)
427
1967
1351
1371
1297
463
295
1064
, 百拇医药 1056
1334
地球观察
(earth observation sortie)
71
484
424
480
376
0
2
154
30
, 百拇医药
24
拖船和卫星的离轨准备
(de-orbit readiness of
satellite & orbiter)
17
132
124
196
138
0
0
16
, http://www.100md.com
4
4
轨道飞行器的检查修理
(inspection/repair
of orbiter)
26
230
206
254
231
0
0
76
, 百拇医药
12
12
等离子体尾迹试验
(plasma wake experiment)
108
6652
6628
3330
6712
50
0
150
116
, 百拇医药
48
X射线天文学观察(X-ray
astronomy observation)
112
332
328
352
282
18
18
546
504
504
, 百拇医药
天文学探险卫星发射
(astronomy explorer
satellite)
21
125
124
211
153
0
14
14
2
2
, 百拇医药
航天员作业中力的特征
航天员在空间(舱外)执行复杂而又艰难的任务时, 需要具有一定的力量与力距[4]。在太空无重力环境，会产生人体重心、力量、姿态、视景、稳定性和工作模式等一系变化[5]。其中在人体力学方面尽管物体没有重量，但固有质量依然存在，搬运起来仍需要一定力量。肌肉所能达到的最大力矩也明显降低，只有地面上静止状态最大力矩的66.6%。设计航天服的基本要求之一是体现省力与节能的人体力学要求，应将活动部位的阻力降到最低限度,借以减少肌肉力(能量)的消耗。
失重状态下人体姿态(体位)特征
在地球重力下人体坐、立、行、跳均能保持正常的状态(或体位)。这是由神经-肌肉-骨骼系统同平衡器官调节完成的。在空间失重状态下,这一套灵活的调节机制完全失灵。身高增加,会导致相关部位的相对位置改变;克服重力的肌肉张力被解除会使人体转变为失重特征的自然姿态。航天服外壳结构设计，必须适应这些人体力学生理基础的改变。
, 百拇医药
针对如上所述的航天员在天上作业时各关节动作特征，以及失重所引起的肌肉系统和姿态调节控制系统的特有改变，在运用人体力学(俄、美均称为生物力学[1，3])要求的基础上,制定了相应的航天服设计规范[1，3]，为服装具有良好活动性能提供了标准依据。表4[6]分别是美国航天飞机舱外服和俄国“和平”号空间站海鹰-DMA服关节不同活动型式的部分实测值。这些数据同设计规范[1，3]略有差别，表明在服装结构上的实现有一定难度。表4 舱外航天服活动性能指标
Table 4 Mobility parameters of EVA space suits 关节与活动型式
(joint component and
mobility movement type)
, 百拇医药
弯曲最大角度(度)
[maximum flexure
angle (degrees)]
弯曲的工作角度(度)
[operating angle of
flexing (degrees)]
工作角度弯曲力矩(Nm)
(magnitude of flexing
moment at operating)
美国(US)
, http://www.100md.com
俄国(Russia)
美国(US)
俄国(Russia)
美国(US)
俄国(Russia)
肩(shoulder)
外展/内收
(abduction/adduction)
97
90
70
60
, http://www.100md.com
16.2
5.0
旋转(X-Z面)
[rotation (X-Z plane)]
102
-
102
-
1.7
-
弯曲/伸展
(flexion/extension)
, 百拇医药
117
180
180
180
1.4
1.5
向侧/向中
(lateral/medial)
84
-
34
-
3.7
, 百拇医药
-
肘(elbow)
外展/内收
(abduction/adduction)
132
25
80
25
3.4
21.0
弯曲/伸展
(flexion/extension)
, http://www.100md.com
132
120
100
60
5.7
2.8
腕(wrist)
外展/内收
(abduction/adduction)
85
75
70
75
, 百拇医药
2.7
2.2
弯曲/伸展
(flexion/extension)
140
110
120
110
4.4
1.0
旋转(rotation)
243
180
, http://www.100md.com
180
180
0.2
0.7
腰(waist)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
85
20
60
20
7.7
8.5
, http://www.100md.com
旋转(rotation)
104
-
150
-
4.3
-
膝(knee)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
77
110
60
, http://www.100md.com
60
4.2
6.0
股(hip)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
50
20
40
20
28.1
8.5
外展/内收
, 百拇医药
(abduction/adduction)
11
-
10
-
38.1
-
踝(ankle)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
+12/-26
±30
, http://www.100md.com
±15
±15
2.2
1.8
航天服工效学发展现状
现在使用的航天服 美国与苏/俄两个航天大国正在使用的舱外航天服, 经过37年来的改进与提高,已能满足短时间(8 h以内)执行任务的工效学要求,解决了舒适性、适体性、空间性、一般的活动性以及有关的心理生理障碍。在太空舱外穿着又笨又硬的航天服,航天员可以完成难度较大的动作,如：航天员完成了修复高难度的哈勃望远镜等。但按高标准要求,活动性能尚有缺欠,安全性也存在问题。为了保证良好的活动性能,服内环境的氧气压力只能限于0.23～0.40大气压力,低于预防高空减压病的安全限(0.5大气压力以上)。
最新型高性能航天服 该类型航天服已发展到数种类型,如:AX系列服、AES服与ZPS服等[7]。这些类型服由于在活动关节的结构方面采用了等容结构等先进技术与工艺, 取得了突破性进展. 其突出的优点是:工作压力高(1/2大气压力以上,55.2 kPa), 可彻底预防减压病; 全身关节(包括腰部)均可活动自如, 不费力(耗能最低), 长时间工作, 不会因关节活动而感觉疲劳;由于过于臃肿, 空间性差, 质量大,以及造价高等因素, 尚在改进之中。
, http://www.100md.com
本文利用国外已取得的成就,对航天服工效学进行了专题阐述。但航天服工效学尚处于初步建立阶段,其概念、内涵、基本内容与专业建设等尚待完善,以适应载人航天事业的高速进展。
参考文献
[1]Абрамов ИП,Северин ГИ,Стоклицкий АЮ.Скафандры и системы для работы в открытомкосмосе[M]. Москва: Машиностроение, 1984：121～141
[2]D'Andrade J, Mcmullen J. Requirements study for space shuttle pressure suit[S]. NASA CR-133993,ER-051-01, 1972
[3]Man-systems integration standards[S].NASA-STD-3000, Volume 1,NASA, 1995，3.0
, 百拇医药
[4]Extravehicular crewman work system (ECS), study program, fianl report[R], Vol.2., N80-34102,1980
[5]季白桦.航天员舱内活动的计算机动态仿真[D].北京航空航天大学博士学位论文，1998
[6]Генин АМ，Салзман.ФМ. Обитаемость косм-ческих летательных аппаратов，В кн Га-зенко ОГ，Григорьев АИ，Никогосян АЕ и др. Космическая биолгия и Медицина[M].Москва：Наука，1994，Том Ⅱ：405～407
[7]贾司光.航空航天缺氧与供氧, 生理学与防护装备[M]. 北京:人民军医出版社, 1989：298～309
收稿日期：1999-01-12, http://www.100md.com
单位：航天医学工程研究所, 北京 100094
关键词：工效学；航天服；人体测量学；人体力学；设计
航天医学与医学工程990514摘要：阐明了工效学概念,将其运用于航天服设计。通过人体测量学的运用，建立航天服尺寸设计体系，明确了解决服装舒适性、适体性和空间性的设计要求(含对失重)。通过人体力学的运用，制定了规范，明确了解决服装活动性与姿态的设计要求(含对失重)。简述了航天服工效学现状。
中图分类号：R852 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)05-0371-05
On Ergonomics of Spacesuit
JIA Si-guang，CHEN Jing-shan
, http://www.100md.com
Abstract：The concept and the connotation of spacesuit ergonomics are spicified.The method of ergonomics was applied to spacesuit design and the design demands for comfort, fitting and space compatibility of spacesuit are indicated systematically by applying anthoropometry and building spacesuit size system (including weightlessness).Flexibility and posture of spacesuit are indicated with human mechanics (including weightlessness).The present situation of ergonomic research of spacesuit is discussed simply.
, 百拇医药
Key words：ergonomics;spacesuit;anthoropometry;human mechanics;design
Address reprint requests to：CHEN Jing-shan. Institute of Space Medico-Engineering. Beijing 100094, China
航天服是用于防护空间环境和舱内失压时对人体危害的装备,并应在穿着中对人体不产生不良作用。其中的工效学问题虽已得到相应解决，但缺乏工效学的理论指导与运用，从而影响服装设计的科学性与效率。Абрамов等[1]在专著里首次运用了工效学(亦称功效学)，但在服装设计中没有系统地应用工效学的概念。本文试图对这些学科性内容加以明确与完善。航天服工效学是研究服装结构与服内环境工效的学科，其基本内容：一是通过人体测量,提供外壳形态学设计尺寸,解决不舒适性、不适体性与空间性, 并改善对人体产生的心理生理影响；二是关节活动必需的力学要求,解决姿态和活动性能,减少人体费力、疲劳与耗能,并由此而引起的心理生理障碍；三是通过服装工程学(包括环境控制)解决服内环境(温度等)对工效的影响。
, 百拇医药
人体测量学在航天服尺寸设计上的运用
航天服尺寸设计体系
利用人体静态测量获得的数据, 制成国家的基础标准，然后再针对航天员的具体情况, 制定航天服尺寸设计标准。现已建立了5种航天服尺寸设计体系。
定做 按每个人实测尺寸进行单件制作。虽然在合身和活动性方面较好, 但不经济，仅适应于航天员数量少的载人航天初期阶段。
5种型号尺寸体系[1] 苏/俄的软型(织物)航天服采用该体系。表1中航天服型号尺寸取胸围的1/2。表2是52号航天服的长度类尺寸表。这些高度类别又细分为6个分档。按这两个标准尺寸表, 即可选定适于各自的航天服。例如, 某一航天员的胸围为104 cm, 身高为175 cm, 下肢为80 cm, 上肢为98 cm, 躯干为95 cm(身高-下肢长)时, 由两个表可得出结论, 该航天员应选定的航天 服尺寸是52号(航天服尺寸号, 表1)-Ⅳ(身长号,表2)-5(躯干号,表2)-3(裤长号,表2) -5(袖长号,表2)。
, 百拇医药
表1 航天服型号尺寸
Table 1 Type and size of space suits 尺寸(size)
48
50
52
54
56
胸围(chest circumference)(cm)
96±2
100±2
104±2
, 百拇医药 108±2
112±2
表2 航天服长度类尺寸(cm)
Table 2 Space suit height size(cm) 航天服整体
(space suit)
胴体(包括头盔)
[trunk (with helmet)]
裤子
(trousers)
袖子
(sleeves)
, 百拇医药
身高号
(height
code)
人身高
(stature)
胴体长号
(trunk length
code)
人躯干长
(trunk
length)
裤长号
, http://www.100md.com (trousers
length code)
下肢长
(leg length)
袖长号
(sleeves
length code)
上肢长
(arm length)
Ⅰ
158±3
1
, http://www.100md.com
86.0±1.25
1
72.0±1.75
1
87.5±1.5
Ⅱ
164±3
2
88.5±1.25
2
75.5±1.75
2
90.5±1.5
, 百拇医药
Ⅲ
170±3
3
91.0±1.25
3
79.0±1.75
3
93.5±1.5
Ⅳ
176±3
4
93.5±1.25
4
, http://www.100md.com
82.5±1.75
4
96.5±1.5
Ⅴ
182±3
5
96.0±1.25
5
86.0±1.75
5
99.5±1.5
Ⅵ
188±3
, 百拇医药
6
98.5±1.25
6
89.5±1.75
6
102.5±1.5
通用与选用相结合的尺寸体系[1] 服装的胴体部位只有一个尺寸, 大家通用, 袖子与裤子则根据自身的尺寸,选用标准表2上的尺寸。苏/俄“和平”号空间站服采用该体系。
定做与选用相结合的尺寸体系[2] 服装胴体定做, 袖子与裤子则选用标准表上的尺寸。美国阿波罗服采用该体系。
国际性尺寸大体系[3] 针对国际人员参加美国航天飞机飞行的趋势增加, 制定了适用于各国志愿者选用的航天服大体系, 提供了世界人口尺寸范围的标准。办法是抓两头带中间, 即以美国白种与黑种人男性的尺寸代表世界上属于大号身材, 以日本女性代表小号身材的尺寸。
, 百拇医药
放大尺寸测量
在进行外壳形态学的设计时, 需要在人体静态测量值的基础上, 放大尺寸，进行动态测量，即在外壳与体表面(实际是内衣)之间保留一定的间隙(空气层), 以满足如下两方面的工效学要求。一是功能性放大。满足穿脱方便、舒适性好(无局部刺激性)、呼吸与活动自如、不干扰或限制人体的活动。为确定放大量, 单纯依靠静态的人体测量尺寸已不能满足要求, 尚须知道人体的动态尺寸, 即知道静动二者测量之差值。如在深吸气时的动态测量值使胸围改变3.1～4.6%, 这相当于5 cm。二是结构性放大。服装的胴体呈园筒状, 其直径是按胸围尺寸制定的, 从而使腹部多余一定空间, 可用于安置通风管道和电信接头以及仪器等。全身也要考虑安置通风管道的放大尺寸。
失重对人体尺寸的影响
在太空失重条件下, 由于脊柱减少压缩而伸长, 致使身高增加(约3%)。由于体液的一部分移向上身与头部, 相应部位的体围有所改变。由于体液丧失, 身体总质量减少3%～4%。这些人体尺寸的改变，应运用人体测量学在服装结构设计上得到体现。
, 百拇医药
空间工效学要求
舱内空间布局、舱门和通道直径尺寸等的确定，对航天服容积具有限制性要求。在充气加压状态，其膨胀度不得超过该要求。
人体力学在航天服活动结构设计上的运用
人体力学是研究人体活动与在各种力学作业条件下活动能力的专业。针对航天失重环境下人体活动与力学特征以及航天服活动结构对人体的干扰程度,再按人体力学要求进行服装设计。
航天员作业中的动作特征
航天员在执行舱内、特别是舱外任务中, 需要完成多方位的灵活性极强的动作。航天员在3个坐标平面上需要经常进行多种动作。如在额状面上外展与内收; 在冠状面上, 离开矢状面, 身向侧转, 或者向着矢状面, 身向中间转; 身体各部分之间或伸展或弯曲; 面向下, 或向上、向后; 身体绕轴线转动, 或部分的拉长; 身体向前方或向后方。表3[2]为完成7种任务时各关节活动的估计数。执行大型空间望远镜任务(安装与检修等), 需要活动的关节最多(全参加)。腕部活动同手的活动分不开。手的动作需要腕关节灵活配合, 手指的有些动作也需要腕关节。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。肘关节特别适用于线性或横向可达到距离的一些任务。腰部活动在执行检修大型空间望远镜任务中起重要作用。如: 当脚被固定时, 清洁望远镜的较低部分;从腿上的口袋里取工具;回收零散的工具和卫星组件等。图1[2]显示了因服装腰部不能弯曲，只好采用如图所示的臀部弯曲。臀部活动在舱内外执行任务中, 经常会遇到下肢内收外展、转动(向侧面或中间)与弯曲(股骨向上抬高, 小腿向下弯曲动作)等。膝部活动用于航天员脚被固定时, 为了发挥最大的能力,如: 跪着搬动货物或穿着航天服就近活动等。踝部活动性的要求比较局限。当飞船返回或下降时,脚被固定,为完成飞船用脚控制, 均需踝关节具有良好活动性。
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图1 航天员弯腰拾物
Fig.1 Astronaut bends to lift objects
表3 每完成一套观测任务各服装关节的活动次数
Table 3 Suit joint cycles to perform each scenario once 任务
(scenario)
颈
(neck)
肩
(shoulder)
肘
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(elbow)
手套
(glove)
腕
(wrist)
髋
(thigh)
腰
(waist)
膝
(knee)
踝
(ankle)
, 百拇医药
靴子
(boot)
大型空间望远镜安装等
(large space telescope)
427
1967
1351
1371
1297
463
295
1064
, 百拇医药 1056
1334
地球观察
(earth observation sortie)
71
484
424
480
376
0
2
154
30
, 百拇医药
24
拖船和卫星的离轨准备
(de-orbit readiness of
satellite & orbiter)
17
132
124
196
138
0
0
16
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4
4
轨道飞行器的检查修理
(inspection/repair
of orbiter)
26
230
206
254
231
0
0
76
, 百拇医药
12
12
等离子体尾迹试验
(plasma wake experiment)
108
6652
6628
3330
6712
50
0
150
116
, 百拇医药
48
X射线天文学观察(X-ray
astronomy observation)
112
332
328
352
282
18
18
546
504
504
, 百拇医药
天文学探险卫星发射
(astronomy explorer
satellite)
21
125
124
211
153
0
14
14
2
2
, 百拇医药
航天员作业中力的特征
航天员在空间(舱外)执行复杂而又艰难的任务时, 需要具有一定的力量与力距[4]。在太空无重力环境，会产生人体重心、力量、姿态、视景、稳定性和工作模式等一系变化[5]。其中在人体力学方面尽管物体没有重量，但固有质量依然存在，搬运起来仍需要一定力量。肌肉所能达到的最大力矩也明显降低，只有地面上静止状态最大力矩的66.6%。设计航天服的基本要求之一是体现省力与节能的人体力学要求，应将活动部位的阻力降到最低限度,借以减少肌肉力(能量)的消耗。
失重状态下人体姿态(体位)特征
在地球重力下人体坐、立、行、跳均能保持正常的状态(或体位)。这是由神经-肌肉-骨骼系统同平衡器官调节完成的。在空间失重状态下,这一套灵活的调节机制完全失灵。身高增加,会导致相关部位的相对位置改变;克服重力的肌肉张力被解除会使人体转变为失重特征的自然姿态。航天服外壳结构设计，必须适应这些人体力学生理基础的改变。
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针对如上所述的航天员在天上作业时各关节动作特征，以及失重所引起的肌肉系统和姿态调节控制系统的特有改变，在运用人体力学(俄、美均称为生物力学[1，3])要求的基础上,制定了相应的航天服设计规范[1，3]，为服装具有良好活动性能提供了标准依据。表4[6]分别是美国航天飞机舱外服和俄国“和平”号空间站海鹰-DMA服关节不同活动型式的部分实测值。这些数据同设计规范[1，3]略有差别，表明在服装结构上的实现有一定难度。表4 舱外航天服活动性能指标
Table 4 Mobility parameters of EVA space suits 关节与活动型式
(joint component and
mobility movement type)
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弯曲最大角度(度)
[maximum flexure
angle (degrees)]
弯曲的工作角度(度)
[operating angle of
flexing (degrees)]
工作角度弯曲力矩(Nm)
(magnitude of flexing
moment at operating)
美国(US)
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俄国(Russia)
美国(US)
俄国(Russia)
美国(US)
俄国(Russia)
肩(shoulder)
外展/内收
(abduction/adduction)
97
90
70
60
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16.2
5.0
旋转(X-Z面)
[rotation (X-Z plane)]
102
-
102
-
1.7
-
弯曲/伸展
(flexion/extension)
, 百拇医药
117
180
180
180
1.4
1.5
向侧/向中
(lateral/medial)
84
-
34
-
3.7
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-
肘(elbow)
外展/内收
(abduction/adduction)
132
25
80
25
3.4
21.0
弯曲/伸展
(flexion/extension)
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132
120
100
60
5.7
2.8
腕(wrist)
外展/内收
(abduction/adduction)
85
75
70
75
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2.7
2.2
弯曲/伸展
(flexion/extension)
140
110
120
110
4.4
1.0
旋转(rotation)
243
180
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180
180
0.2
0.7
腰(waist)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
85
20
60
20
7.7
8.5
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旋转(rotation)
104
-
150
-
4.3
-
膝(knee)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
77
110
60
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60
4.2
6.0
股(hip)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
50
20
40
20
28.1
8.5
外展/内收
, 百拇医药
(abduction/adduction)
11
-
10
-
38.1
-
踝(ankle)
弯曲/伸展
(flexion/extension)
+12/-26
±30
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±15
±15
2.2
1.8
航天服工效学发展现状
现在使用的航天服 美国与苏/俄两个航天大国正在使用的舱外航天服, 经过37年来的改进与提高,已能满足短时间(8 h以内)执行任务的工效学要求,解决了舒适性、适体性、空间性、一般的活动性以及有关的心理生理障碍。在太空舱外穿着又笨又硬的航天服,航天员可以完成难度较大的动作,如：航天员完成了修复高难度的哈勃望远镜等。但按高标准要求,活动性能尚有缺欠,安全性也存在问题。为了保证良好的活动性能,服内环境的氧气压力只能限于0.23～0.40大气压力,低于预防高空减压病的安全限(0.5大气压力以上)。
最新型高性能航天服 该类型航天服已发展到数种类型,如:AX系列服、AES服与ZPS服等[7]。这些类型服由于在活动关节的结构方面采用了等容结构等先进技术与工艺, 取得了突破性进展. 其突出的优点是:工作压力高(1/2大气压力以上,55.2 kPa), 可彻底预防减压病; 全身关节(包括腰部)均可活动自如, 不费力(耗能最低), 长时间工作, 不会因关节活动而感觉疲劳;由于过于臃肿, 空间性差, 质量大,以及造价高等因素, 尚在改进之中。
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本文利用国外已取得的成就,对航天服工效学进行了专题阐述。但航天服工效学尚处于初步建立阶段,其概念、内涵、基本内容与专业建设等尚待完善,以适应载人航天事业的高速进展。
参考文献
[1]Абрамов ИП,Северин ГИ,Стоклицкий АЮ.Скафандры и системы для работы в открытомкосмосе[M]. Москва: Машиностроение, 1984：121～141
[2]D'Andrade J, Mcmullen J. Requirements study for space shuttle pressure suit[S]. NASA CR-133993,ER-051-01, 1972
[3]Man-systems integration standards[S].NASA-STD-3000, Volume 1,NASA, 1995，3.0
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[4]Extravehicular crewman work system (ECS), study program, fianl report[R], Vol.2., N80-34102,1980
[5]季白桦.航天员舱内活动的计算机动态仿真[D].北京航空航天大学博士学位论文，1998
[6]Генин АМ，Салзман.ФМ. Обитаемость косм-ческих летательных аппаратов，В кн Га-зенко ОГ，Григорьев АИ，Никогосян АЕ и др. Космическая биолгия и Медицина[M].Москва：Наука，1994，Том Ⅱ：405～407
[7]贾司光.航空航天缺氧与供氧, 生理学与防护装备[M]. 北京:人民军医出版社, 1989：298～309
收稿日期：1999-01-12, http://www.100md.com