姚 飛,李潭秋,劉向陽(yáng),張萬(wàn)欣,司懷吉,金明河

(1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

空間站出艙活動(dòng)分離救援技術(shù)研究

姚 飛1,李潭秋1,劉向陽(yáng)1,張萬(wàn)欣1,司懷吉1,金明河2

(1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)，存在與空間站分離的可能性，涉及航天員安全。救援與空間站分離的航天員，是出艙活動(dòng)必須考慮的問題。對(duì)此，總結(jié)了救援技術(shù)的發(fā)展歷程，從人機(jī)能力及特性的角度，重點(diǎn)研究了救援的關(guān)鍵技術(shù)，包括分離可能性和分離狀態(tài)分析、救援策略和機(jī)制確定、救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)；提出現(xiàn)階段應(yīng)以航天員駕駛救援裝置返回空間站為主，同時(shí)分析了人服特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響，以及相關(guān)新技術(shù)的應(yīng)用前景，指出救援技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是人機(jī)系統(tǒng)機(jī)動(dòng)能力的整體提升，可為設(shè)計(jì)建造實(shí)際的救援裝置提供思路。

出艙活動(dòng)；人機(jī)系統(tǒng)；艙外服；姿態(tài)控制

1 引言

人類在空間站(SS)上進(jìn)行出艙活動(dòng)(EVA)的需求不斷增長(zhǎng)。EVA時(shí)航天員處于自由空間微重力環(huán)境中，需利用約束裝置固定身體和發(fā)力做動(dòng)作。約束裝置一旦失效，航天員極有可能漂離空間站。航天員和艙外服構(gòu)成的EVA系統(tǒng)攜帶的生命保障資源有限，航天員必須盡快返回空間站，否則將喪失生命。研究EVA救援對(duì)于出艙航天員的生命保障意義重大?；谂撏夥?、具有機(jī)動(dòng)能力的EVA救援裝置是航天員出艙必備的安全措施。EVA救援問題涉及動(dòng)力學(xué)、控制、機(jī)械電子、人因工程等學(xué)科，屬于前沿交叉研究領(lǐng)域，在基本問題提煉和工程實(shí)踐方面均有待發(fā)展。

EVA救援要研究解決的主要問題可歸納為:救援的必要性；問題的性質(zhì)和規(guī)模；應(yīng)采取的策略和機(jī)制；設(shè)計(jì)具體的救援裝置。

救援的切實(shí)需求建立在EVA航天員與空間站分離可能性分析的基礎(chǔ)上。問題的性質(zhì)和規(guī)模，需要具體分析分離場(chǎng)景，確定分離后EVA系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。EVA系統(tǒng)是典型的人機(jī)系統(tǒng)[1]，救援策略和機(jī)制的確立，很大程度上要依靠對(duì)人和機(jī)器各自能力、特性的正確評(píng)價(jià)和充分發(fā)揮，并在兩者之間取得平衡。首先，分離后航天員必須借助機(jī)器提供外力和力矩，改變漂離的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，才有希望返回。其次，EVA系統(tǒng)中艙外服結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集，且體積、質(zhì)量、功率等可用資源嚴(yán)重受限。再加上救援裝置，整個(gè)EVA系統(tǒng)復(fù)雜程度還會(huì)增加。引入救援裝置意在提高全系統(tǒng)安全性和可靠性，若其過(guò)于復(fù)雜，帶來(lái)太多額外的不確定性，反而會(huì)降低系統(tǒng)安全可靠性。

美國(guó)航空航天局(NASA)從上世紀(jì)中期開始研究EVA救援問題[2，3]，先后授權(quán)Honeywell和Martin Marietta公司開展艙外機(jī)動(dòng)裝置的研究。其后約翰遜中心(JSC)和一些大學(xué)也參與進(jìn)來(lái)。文獻(xiàn)[4]較為系統(tǒng)地闡述救援問題，[5]總結(jié)了救援策略，列舉了可能的救援機(jī)制，[6]研究分離后的相對(duì)動(dòng)力學(xué)，給出基本的返回制導(dǎo)方案，[7]重點(diǎn)討論救援過(guò)程中的姿態(tài)控制。NASA注重理論研究與仿真模擬和在軌試驗(yàn)[8]相結(jié)合。在具體的機(jī)動(dòng)和救援裝置中，上述成果得以應(yīng)用，其中載人機(jī)動(dòng)裝置(MMU)[9]和出艙活動(dòng)簡(jiǎn)易救援裝置(SAFER，圖1)[10]是成熟的空間站列裝產(chǎn)品。

圖1 出艙活動(dòng)簡(jiǎn)易救援裝置Fig.1 Simplified aid for EVA rescue（SAFER）

前蘇聯(lián)基本與美國(guó)同時(shí)開始研究[11]，公開文獻(xiàn)較少。其裝置與MMU和SAFER類似，但具體設(shè)計(jì)存在一定差異。從上世紀(jì)九十年代末開始，國(guó)內(nèi)一些大學(xué)和科研院所分別針對(duì)姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃等具體問題開展研究[12-15]，基本沿用研究飛行器控制的思路，從人機(jī)系統(tǒng)這個(gè)屬性上考慮較少。在制定實(shí)施救援時(shí)，應(yīng)考慮充分利用系統(tǒng)中人的主觀能動(dòng)性，而不應(yīng)單純將救援全過(guò)程看成純自動(dòng)化的操作。另一方面，航天員、艙外服、救援裝置之間的人機(jī)耦合程度相對(duì)較緊，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分進(jìn)行分析。

2 分離場(chǎng)景分析

2.1 分離可能性

分離的主要原因是機(jī)械故障和操作失誤。EVA時(shí)可能用到系繩、腳限制器、機(jī)械臂，空間站表面的扶手、平移導(dǎo)軌、乘員轉(zhuǎn)移輔助設(shè)備等。以系繩為例，所受張力過(guò)大、冷熱交替等使材料或結(jié)構(gòu)受損，均可能引起斷裂。早期系繩也曾發(fā)生過(guò)掛鉤松脫和縫線撕裂[12]。在工作地點(diǎn)間轉(zhuǎn)移時(shí)要多次解脫系繩和重新掛鉤，一旦操作失誤，系繩與空間站就不能建立連接。需根據(jù)系繩性能，結(jié)合典型作業(yè)動(dòng)作，通過(guò)繩動(dòng)力學(xué)分析，建立系繩分離的概率模型。類似地可計(jì)算其它約束方式下的分離概率?？赏ㄟ^(guò)離散事件仿真，對(duì)建模計(jì)算結(jié)果仿真驗(yàn)證。還可通過(guò)模擬試驗(yàn)獲得分離概率近似值。Donnell Douglas公司用水槽進(jìn)行了自由號(hào)空間站出艙模擬試驗(yàn)。結(jié)論是每進(jìn)行1872小時(shí)EVA，可能出現(xiàn)1.7次的分離事件[4]，這在統(tǒng)計(jì)學(xué)上已有顯著意義。雖然這個(gè)概率看起來(lái)很小，但若無(wú)相應(yīng)的救援保障，一旦真的發(fā)生，后果極其嚴(yán)重。配備救援系統(tǒng)的需求是迫切的。

2.2 分離后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

傳統(tǒng)上首先分析分離后人服系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，以便確定問題規(guī)模。然而分離時(shí)所受的力，并不一定正好通過(guò)人服系統(tǒng)質(zhì)心，除質(zhì)心平動(dòng)外，通常還會(huì)產(chǎn)生圍繞質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)，這對(duì)航天員影響很大。下面分別分析平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2.1 平動(dòng)分析

通常采用相對(duì)動(dòng)力學(xué)方法分析分離后航天員的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。Clohessy-Wiltshire(CW)方程給出了圓軌道上物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的解析解。圖2給出分離后航天員典型的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真計(jì)算結(jié)果，x，z軸定義同LVLH坐標(biāo)系，代表航天員到空間站質(zhì)心的相對(duì)距離，可見運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是遠(yuǎn)離空間站。典型情況下，從分離到航天員能啟動(dòng)救援的時(shí)間為30 s，航天員姿態(tài)穩(wěn)定需20 s，通過(guò)姿態(tài)機(jī)動(dòng)搜索到空間站需50 s[6]。當(dāng)初始分離速度0.9 m/s時(shí)，航天員可漂離約100 m。

圖2 分離后航天員典型軌跡Fig.2 Typical trajectory of detached astronaut

2.2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)分析

最初可以將人體作為一整塊剛體分析。但實(shí)際的人體并非如此，通常采用簡(jiǎn)化的航天員樹狀多剛體模型，由若干個(gè)通過(guò)關(guān)節(jié)連結(jié)起來(lái)的身體體段組成，如圖3所示[12]。在此模型下，以分離時(shí)受力情況為輸入，對(duì)航天員姿態(tài)建模分析，得到分離后航天員的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 航天員多剛體模型Fig.3 Multi-body model of astronaut

EVA系統(tǒng)主要由航天員和艙外服構(gòu)成，可能還包括必要的設(shè)備或工具，轉(zhuǎn)動(dòng)建模要考慮其動(dòng)態(tài)特性。開始可統(tǒng)一作為多剛體考慮，后續(xù)則應(yīng)考慮人服間相互影響。人服系統(tǒng)并非嚴(yán)格剛體，應(yīng)考慮柔性體建模。建模過(guò)程從易到難，逐步精確。在解決問題的初始階段，可利用模擬試驗(yàn)的結(jié)論。JSC基于氣浮平臺(tái)和失重飛機(jī)，針對(duì)各種可能分離場(chǎng)景測(cè)試確定了分離后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上限:質(zhì)心平動(dòng)速度0.8 m/s，俯仰速率0.96 rad/s，滾動(dòng)和偏航速率為0.35 rad/s[6]。

3 救援策略和機(jī)制

3.1 救援策略

3.1.1 實(shí)施救援的主體

首先考慮空間站及搭載的設(shè)備。距離很近時(shí)可用膨脹桿等[16]捕獲航天員。距離較遠(yuǎn)時(shí)就需要機(jī)動(dòng)救援。SS不夠快速靈活，不適于救援，可考慮在SS內(nèi)遙控分離航天員的機(jī)動(dòng)裝置使其返回。然而遙控方式對(duì)通信要求高，控制也過(guò)于復(fù)雜，給SS和航天員都增加了負(fù)擔(dān)。還可在SS內(nèi)專設(shè)救援機(jī)器人。例如EVA救援器[17]，用慣性單元、GPS接收機(jī)、激光測(cè)距儀和照相機(jī)等估計(jì)自身和目標(biāo)狀態(tài)。其發(fā)展趨勢(shì)是智能化，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，路徑規(guī)劃等功能。但這些對(duì)機(jī)器能力要求過(guò)高，短期不易實(shí)現(xiàn)，且SS負(fù)擔(dān)過(guò)重。國(guó)際上僅將機(jī)器人救援作為預(yù)研，未列入SS裝備基本計(jì)劃[19]。

還可考慮由另一位航天員救援。但這又帶來(lái)額外不確定因素，使雙人系統(tǒng)整體安全性下降，仿真表明這種風(fēng)險(xiǎn)不可接受[18]。此外，雙人系統(tǒng)的推進(jìn)劑消耗也更多。他人救援的準(zhǔn)備和啟動(dòng)時(shí)間通常大于分離航天員自行救援的，如SS內(nèi)航天員駕駛MMU救援的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 min[16]。由EVA同伴救援也不現(xiàn)實(shí)，這要求兩人隨時(shí)處于同一位置，工作效能大幅下降。

事實(shí)上，分離后的航天員不能幫助自己的可能性極小[5]。綜上所述，賦予航天員機(jī)動(dòng)能力，使其分離后能自行返回，是最簡(jiǎn)單、成本最低的策略。

3.1.2 救援過(guò)程

具體救援過(guò)程需要將人的能力和分離后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)合考慮。太空中人能承受的旋轉(zhuǎn)速率有限，大于0.52 rad/s[2]時(shí)會(huì)喪失方向感，甚至知覺。前節(jié)分析表明，分離時(shí)旋轉(zhuǎn)速率已接近甚至可超過(guò)此極限。另外身體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搜索和定位空間站非常困難。因此救援時(shí)首先應(yīng)停止身體轉(zhuǎn)動(dòng)(消旋)，或至少限制在可承受、便于觀察的范圍內(nèi)。

即使姿態(tài)基本穩(wěn)定，整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)還是繼續(xù)漂離。應(yīng)通過(guò)施加反向推力等手段制動(dòng)。消旋和制動(dòng)后，航天員與SS間相對(duì)穩(wěn)定，但不一定面對(duì)SS。需利用轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)制，在空域內(nèi)搜索SS，再施加推力返回。太空中人能承受的平動(dòng)加速度小于2.4 m/s2，撞擊速度小于1.5 m/s[2]，所以接近SS時(shí)，可能還需要制動(dòng)。最后航天員抓住SS附屬設(shè)施并返回艙內(nèi)。

3.2 救援機(jī)制

救援機(jī)制就是救援的具體實(shí)現(xiàn)方法，包括實(shí)現(xiàn)救援策略所需的力和力矩的提供機(jī)制、控制/制導(dǎo)機(jī)制、人機(jī)接口機(jī)制等。

3.2.1 力/力矩提供機(jī)制

航天員返回SS是空間軌道轉(zhuǎn)移問題，本質(zhì)上要通過(guò)動(dòng)量交換實(shí)現(xiàn)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量排出的噴氣方式最有效。前節(jié)分析表明相對(duì)距離較短，采用氮?dú)獾壤錃鈬姎馔七M(jìn)即可，無(wú)需效率更高的燃燒噴氣，可避免危險(xiǎn)、無(wú)污染，也便于儲(chǔ)存、裝配和檢查。例如SAFER采用氮?dú)馔七M(jìn)，比沖為63 s[5]，噴嘴推力為3.6 N。

轉(zhuǎn)動(dòng)要通過(guò)動(dòng)量矩交換實(shí)現(xiàn)。按執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為質(zhì)量排出式，如噴氣系統(tǒng)；動(dòng)量交換式，如控制力矩陀螺(CMG)。CMG[7]質(zhì)量大，且特定姿態(tài)時(shí)有奇異問題，需額外的動(dòng)量卸載設(shè)備。這不符合救援裝置應(yīng)盡量簡(jiǎn)化的要求。因此，考慮冷氣噴氣方式提供力矩，具體設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)與平動(dòng)控制需求一并協(xié)同優(yōu)化考慮。

3.2.2 控制機(jī)制

如前所述，分離后航天員有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。在軌試驗(yàn)表明，依靠航天員自身分辨旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)很困難，極費(fèi)精力[20]。旋轉(zhuǎn)速率較大時(shí)，航天員不能定向。即使能分辨平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，航天員分辨三個(gè)軸向的旋轉(zhuǎn)也非常困難[21]。此外，太空中人能感知到的是角度變化量，不是角速率[3]。這樣實(shí)施有效的轉(zhuǎn)動(dòng)控制也很困難。綜上所述，合理的轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)制應(yīng)利用機(jī)器能力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消旋，在后續(xù)的返回過(guò)程中也應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的姿態(tài)保持(AAH)。

直觀的返回方法是由CW方程算出返回速度，即CW制導(dǎo)。但該方法需配備相對(duì)狀態(tài)感知設(shè)備。另外若無(wú)設(shè)備輔助，也不易沿正確方向施加所求速度。近距離上的方向誤差對(duì)制導(dǎo)精度影響很大，即使出現(xiàn)小的方向偏差，也會(huì)導(dǎo)致返回終點(diǎn)嚴(yán)重偏離目標(biāo)?；谥茖?dǎo)思路的其它返回方法也都存在類似問題。EVA系統(tǒng)的本質(zhì)是人機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)充分利用系統(tǒng)中人的能力。由前面分析，救援時(shí)相對(duì)距離已可與SS尺寸相比擬，人眼觀察已能基本確定相對(duì)位置。另外，對(duì)于接觸SS時(shí)的位置和姿態(tài)，救援的要求不像航天器對(duì)接時(shí)那么高，能保證航天員抓住SS外把手等即可。因此在搜索和返回階段，應(yīng)充分利用人在環(huán)路控制的優(yōu)勢(shì)，減少對(duì)于機(jī)器特別是傳感器的依賴，這樣就無(wú)需電視、攝像機(jī)、立體相機(jī)、激光雷達(dá)等設(shè)備，使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。此時(shí)，救援返回本質(zhì)上更接近于人在環(huán)路的操縱控制(駕駛)，由人操控下的短距離飛行返回SS。

3.2.3 人機(jī)接口機(jī)制

由航天員、艙外服、救援裝置構(gòu)成的EVA救援系統(tǒng)本質(zhì)上是人機(jī)系統(tǒng)，要有合適的人機(jī)接口。其中，機(jī)械接口實(shí)現(xiàn)人服系統(tǒng)與救援裝置的物理連接，確定力和力矩的具體作用效果。早期曾考慮過(guò)手持式救援裝置。需要航天員自行判斷轉(zhuǎn)速，決定噴嘴位置，用手移動(dòng)裝置來(lái)消旋。這要求精神高度集中，艙外服阻力也導(dǎo)致操作時(shí)很費(fèi)體力，實(shí)際上難于實(shí)現(xiàn)[22]。另外，接口設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少原人服系統(tǒng)的狀態(tài)變化?？煽紤]救援裝置作為背包與人服系統(tǒng)固連，整個(gè)系統(tǒng)剛性較好，利于控制。人機(jī)之間雙向信息交互，通過(guò)信息接口完成?？刹捎眉闪孙@示功能的手控制臺(tái)，設(shè)備量小，指令傳遞和狀態(tài)顯示的效果直觀可見。

接口形式及特性也會(huì)影響救援性能。例如，手控制臺(tái)在人服系統(tǒng)上安裝位置不同，操控時(shí)手臂位置就不同。結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量特性變化，影響控制性能。類似地，噴嘴數(shù)量和幾何構(gòu)型應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)質(zhì)量特性來(lái)設(shè)計(jì)。

綜上，符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的救援機(jī)制為:冷氣噴氣作為力和力矩提供機(jī)制，自動(dòng)姿態(tài)保持和人在環(huán)路駕駛相結(jié)合的控制機(jī)制，背包形式機(jī)械接口和集成信息顯示的手控制臺(tái)作為人機(jī)接口機(jī)制。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 返回方案

返回方案的重點(diǎn)是怎樣應(yīng)用人的視覺。太空中恒星眾多，在慣性坐標(biāo)系內(nèi)可認(rèn)為方位不變。利用接近SS視線方向的恒星作為視覺參考，可建立軌道平面內(nèi)的偽慣性坐標(biāo)系，在其中修正方向偏差，達(dá)成返回[6]。該坐標(biāo)系下返回軌跡接近直線，便于航天員僅通過(guò)自身視覺能力找到偏差并及時(shí)修正。由此初步設(shè)想，可能的慣性視線返回方案是逐步修正切向偏移的過(guò)程。這種方案具備實(shí)用性，代價(jià)是切向修正額外消耗的推進(jìn)劑犧牲了部分推進(jìn)效率。后續(xù)研究重點(diǎn)是結(jié)合具體救援系統(tǒng)的人機(jī)特性，對(duì)方案參數(shù)，如縱向沖量、橫向修正沖量、偏差門限、修正時(shí)間間隔等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1.1 人在回路性能

如前分析，救援返回更近似于駕駛過(guò)程。NASA的產(chǎn)品研制經(jīng)歷也表明，從最初的 ASMU[7]，到MMU[27]，再到SAFER[26]，一直將救援系統(tǒng)的飛行特性和駕駛性能作為主要研究?jī)?nèi)容。

與汽車和飛機(jī)駕駛控制系統(tǒng)建模類似，救援裝置駕駛也要考慮控制環(huán)路中人的特性。包括從人體生理學(xué)角度，對(duì)作為控制環(huán)節(jié)的人的建模描述，具體的控制系統(tǒng)建模方法也類似。受太空環(huán)境和艙外服的影響，人的特性和能力與在地面時(shí)相比有所變化。例如，艙外服頭盔可能會(huì)使視野變小、面窗可能使觀察物體清晰度下降[23]；失重在某種程度上會(huì)影響人體定向能力[24]；服裝可能對(duì)人體動(dòng)作產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，使人的延遲變大[25]。后續(xù)應(yīng)以上述著服航天員在太空中的能力為前提，研究這些具體人的特性下的駕駛性能，優(yōu)化方案。

4.1.2 機(jī)器性能

EVA救援系統(tǒng)與人-飛機(jī)和人-汽車系統(tǒng)相比，機(jī)器特性也有差異。前者力/力矩提供裝置的體積質(zhì)量都比受控主體(人服系統(tǒng))的要小。問題規(guī)模以及系統(tǒng)質(zhì)量空間約束決定了攜帶的推進(jìn)劑少，提供的力/力矩也較小。受控主體的動(dòng)作/擾動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響會(huì)更大，不能忽略。此外，系統(tǒng)整體質(zhì)量特性，比如各軸互耦，對(duì)于駕駛性能影響更大?？傊倏v品質(zhì)的問題更突出，而后面兩種系統(tǒng)中上述問題通常影響較小。

有研究分析了SAFER的飛行品質(zhì)[26]，預(yù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)遇到的兩種主要耦合方式，并在在軌試驗(yàn)中得以驗(yàn)證。飛行品質(zhì)分析對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)幫助很大。例如，可通過(guò)改變推進(jìn)器布局來(lái)減少推進(jìn)劑消耗，提高飛行品質(zhì)。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)根據(jù)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和航天員實(shí)際參數(shù)進(jìn)行分析，給出設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.2 姿態(tài)控制方案

早期的姿態(tài)控制借鑒了衛(wèi)星姿控方法，將整個(gè)救援系統(tǒng)看成剛體，用常值推力開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)相平面控制律[7]。與衛(wèi)星明顯不同的是，救援系統(tǒng)中包含人，研究重點(diǎn)應(yīng)是人機(jī)特性對(duì)姿態(tài)控制性能的影響以及相應(yīng)對(duì)策。

4.2.1 人的特性影響分析

人不同于機(jī)械剛體，身體部位微小運(yùn)動(dòng)在所難免。其中大幅度運(yùn)動(dòng)形成的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，會(huì)破壞已建立的穩(wěn)定姿態(tài)，救援過(guò)程中應(yīng)盡量減少，NASA在救援裝置使用指南中有相應(yīng)規(guī)定[27]。

重點(diǎn)是分析小幅度肢體運(yùn)動(dòng)的影響，基本方法是多體動(dòng)力學(xué)。首先計(jì)算肢體運(yùn)動(dòng)引起軀干質(zhì)心的速度增量。再考慮運(yùn)動(dòng)引起軀干相對(duì)總質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算軀干部分質(zhì)心的偏移量。最后得到肢體運(yùn)動(dòng)后，相對(duì)于總質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將上述肢體干擾模型疊加到航天員姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，就能得出肢體運(yùn)動(dòng)干擾的影響[38]。

在應(yīng)對(duì)的控制方法上，MMU會(huì)間歇地關(guān)掉某些推進(jìn)器，部分補(bǔ)償肢體運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)量特性變化[28]。這相對(duì)簡(jiǎn)單，但并非最優(yōu)。后續(xù)應(yīng)研究自適應(yīng)控制方法，但要考慮計(jì)算能力和功耗等資源約束。

更進(jìn)一步的考慮是，可能存在另一種柔性體效應(yīng)，即航天員和艙外服之間的相互作用。服裝內(nèi)人體周圍會(huì)存在小空間，人可能會(huì)在服裝內(nèi)浮動(dòng)。盡管NASA早期在軌試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)人服之間明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[28]，但今后艙外服的形式可能有所不同[29]，導(dǎo)致的人服耦合程度也不盡相同，這點(diǎn)始終值得關(guān)注。

4.2.2 機(jī)器特性影響分析

服裝和救援裝置之間也可能存在運(yùn)動(dòng)耦合。耦合程度取決于救援裝置與人服系統(tǒng)機(jī)械接口。例如早期試驗(yàn)時(shí)，航天員通過(guò)一種套具與背包連接，航天員與裝置間有輕微的運(yùn)動(dòng)解耦。背包和人體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響表現(xiàn)為系統(tǒng)比較活躍，會(huì)產(chǎn)生小力矩，進(jìn)而形成轉(zhuǎn)動(dòng)速率和加速度噪聲。但穿著正式艙外服時(shí)，這種解耦現(xiàn)象就不再明顯，整體表現(xiàn)更像剛體[20]。這提示研究者設(shè)計(jì)剛性程度高的機(jī)械接口。

另一個(gè)影響因素是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝誤差和推力輸出誤差[30]。將實(shí)際的輸出力矩代入控制律，就可以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤差對(duì)于控制精度的影響，進(jìn)而為推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的提出提供參考依據(jù)。

5 發(fā)展趨勢(shì)及結(jié)論

救援裝置的發(fā)展趨勢(shì)，與人機(jī)能力，特別是機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)水平的發(fā)展密不可分?？傮w趨勢(shì)是機(jī)器承擔(dān)更多的具體任務(wù)，將人的能力解放出來(lái)，執(zhí)行更高層次的決策判斷等功能。

例如，當(dāng)CMG產(chǎn)品質(zhì)量極大減少后，可以重新考慮用它來(lái)提供力矩[31]。進(jìn)一步地，可采用高速發(fā)展的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，其最大的優(yōu)點(diǎn)同樣是質(zhì)量小。這樣，原有復(fù)雜大型設(shè)備提供的制導(dǎo)信息，可以由MEMS傳感器提供，使基于制導(dǎo)的返回方案更易于實(shí)現(xiàn)，這將減輕人觀察的勞動(dòng)強(qiáng)度。MEMS陀螺[32]也能使姿態(tài)控制子系統(tǒng)進(jìn)一步減重，更有利于系統(tǒng)質(zhì)量特性設(shè)計(jì)。

激光燒蝕推進(jìn)利用激光脈沖轟擊靶材表面，使材料瞬間蒸發(fā)進(jìn)而產(chǎn)生反向推力，可以作為救援系統(tǒng)的推力提供機(jī)制考慮[33]。這種機(jī)制僅需航天員背負(fù)一些質(zhì)量較輕的靶材，減輕了EVA系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，但是需要由空間站提供激光源和照射方案，并且仍舊需要姿態(tài)控制，如果不采用噴氣機(jī)制，可與考慮前述CMG姿態(tài)控制結(jié)合使用。不管怎樣，這提供了實(shí)現(xiàn)救援裝置的另一種思路。

在人機(jī)接口上，可考慮語(yǔ)音控制器[34]等先進(jìn)接口機(jī)制，進(jìn)一步減少人的操作強(qiáng)度，也減輕人的動(dòng)作對(duì)控制效果的影響。面窗投影式顯示技術(shù)[35]可使航天員更方便直接地感知救援系統(tǒng)的狀態(tài)。

在機(jī)器技術(shù)發(fā)展到一定高度，能支持空間站-航天員全系統(tǒng)的優(yōu)化達(dá)到更高層次時(shí)，就可考慮基于遙控的全自動(dòng)救援策略。

救援系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)是人機(jī)進(jìn)一步融合。例如實(shí)現(xiàn)FlexCraft等單人飛行器[36]的概念(圖4)。FlexCraft采用與SAFER類似的推進(jìn)系統(tǒng)，但在控制方式上更為靈活。這種形式的裝置能攜帶更多的推進(jìn)劑，同時(shí)附設(shè)多個(gè)小型機(jī)械臂，能提供更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力和操作能力，有望在載人小行星探測(cè)[39]和衛(wèi)星維修等場(chǎng)景下得到應(yīng)用。

圖4 單人飛行器Fig.4 Single-person spacecraft

不管形式如何變化，EVA分離救援的核心需求是人在自由空間的機(jī)動(dòng)能力。這也是空間技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一[37]。分離救援技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)和發(fā)展趨勢(shì)，始終是人機(jī)系統(tǒng)能力的整體提升。

出艙活動(dòng)救援問題是空間活動(dòng)所必須面對(duì)的。在救援技術(shù)支持下，航天員能更有保障地執(zhí)行EVA，活動(dòng)范圍和時(shí)間也能得以擴(kuò)大。本文以人機(jī)能力和特性分析為主要研究思路開展研究，為出艙活動(dòng)救援裝置的設(shè)計(jì)建造提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

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[1]Man-Systems Integration Standards[S].NASA-STD-3000，1995.

[2]Straly W，Adlhoch R.Study of the retrieval of an astronaut from an extra-vehicular assignment[R].NASA-CR-185，1965.

[3]Drissel W，Haines R，Kell R，et al.Study of an attitude control system for the astronaut maneuvering unit[R].NASA-CR-198，1965.

[4]Fishe H.EVA crewperson overboard！A simplified aid for rescue[C]//20th Intersociety Conference on Environmental Systems，Williarnsburg，Virginia，USA，July 9-12，1990:51-58.

[5]Brody A，Jacoby R，Ellis S.Simulation of extra-vehicular activity(EVA)self-rescue[C]//21st International Conference on Environmental Systems，San Francisco，California，USA，July 15-18，1991:1-8.

[6]WilliamsT，Baughman D.Self-rescuestrategies forEVA crewmembers equipped with the SAFER backpack[C]//Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium，Greenbelt，Maryland，USA，1994:357-371.

[7]Murtagh T.Automatic control of the skylab astronaut maneuvering research vehicle[J].J.Spacecraft，1974，11(5):321-326.

[8]Whitsett C，Cramer P.An experimental investigation of attitude control systems for astronaut maneuvering units[C]//AIAA 11th Aerospace Sciences Meeting，Washington D.C.，USA，January 10-12，1973:1-12.

[9]Brown N，Richard B，Saenger E，et al.Manned Maneuvering Unit Mission Definition Study Volume I:MMU Applications Analysis and Performanceequirements[R].NASA-CR-141631 JSC:January1975.

[10]Simplified Aid for EVA Rescue[OL].http://en.m.wikipedia.org/wiki/Simplified_Aid_for_EVA_Rescue.

[11]Abramov I，Skoog A.Russian Spacesuit[M].Chichester，UK:Springer/Praxis，2003:169-171

[12]林泰明.航天員艙外救生動(dòng)力學(xué)建模與控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.Lin Taimin.Research on the Dynamical Modeling and Control for Astronaut Extravehicular Rescue[D].Changsha:National University of Defense Technology，2009.(in Chinese)

[13]韓潮.艙外機(jī)動(dòng)裝置姿態(tài)自適應(yīng)控制研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25(6):634-638.Han Chao.Adaptive Attitude Control of Extra-Vehicular Activity[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，1999，25(6):634-638.(in Chinese)

[14]定光成，潘科炎，王旭東.載人機(jī)動(dòng)裝置的姿態(tài)與軌跡控制[J].航天控制，1999，17(3):34-42.Ding Guangcheng，Pan Keyan，Wang Xudong.Research on Attitude and Trajectory Control for Manned Maneuvering Unit (MMU)[J].Aerospace Control，1999，17(3):34-42.(in Chinese)

[15]程劍，范秀敏，嚴(yán)雋琪，等.虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下載人機(jī)動(dòng)裝置仿真系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42(2):161-167.Chen Jian，F(xiàn)an Xiumin，Yan Junqi，et al.Simulation System for Manned Maneuvering Unit in Virtual Reality Environment [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，42 (2):161-167.(in Chinese)

[16]Jensen M，Hines J，F(xiàn)oale C.Man overboard rescue[J].Simulation，1991，57(1):39-47.

[17]Merkel L.A navigation and control system for an autonomous rescue vehicle in the space station environment[R].NASA N93-22289，1993.

[18]Erickson J，Grimm K，Pendleton T，L et al.An intelligent space robot for crew help and crew and equipment retrieval [J].Applied Intelligence，1995，5:7-39.

[19]Armstrong K，F(xiàn)ullerton R，Bleisath S.EVA operational enhancements and ASEM[C]//22nd International Conference on Environmental Systems，Seattle，Washington，USA，July 13-16，1992:1-8.

[20]Fearn R，Ray A，Josephson J.M509 astronaut maneuvering equipment hardware assessment report[R].NASA-CR-164387，1974.

[21]Williams T，Baughman D.Exploiting orbital effects for shortrange extravehicular transfers[C]//AAS/AIAA Spaceflight Mechanics Meeting，3rd，Pasadena，CA，USA，F(xiàn)eburary 22-24，1993:1-4.

[22]Brody A，Jacoby R.Extravehicular activity self-rescue using a hand-held thruster[J].Journal of Spacecraft and Rockets，1992，29(6):842-848.

[23]Abercromby A，Thaxton S，Onady E，et al.Reach envelope and field of vision quantification in Mark III spacesuit using delaunay triangulation[R].NASA/TP-2006-213729，2006.

[24]宋健，劉旭峰，苗丹民.航天失重環(huán)境對(duì)空間定向的影響[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2006，19(5):388-390.SONG Jian，LIU Xu-feng，MIAO Dan-min.Effects of Microgravity on Human Spatial Orientation in Space Flight[J].Space Medicine＆Medical Engineering，2006，19(5):388-390.(in Chinese)

[25]Jordan N，Smith C，Saleh J，et al.Development and Validation of a Multidisciplinary Spacesuit Model[C]//44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，Reno，Nevada，USA，January 9-12，2006:1-9.

[26]Williams T.Techniques for Improving the Performance of Future EVA Maneuvering Systems[R].NASA-CR-200882，Houston，TX，USA:NASA JSC:1995.

[27]Lenda J.Manned maneuvering unit users’ guide[R].NASA-CR-151864，1978.

[28]Thomas B，Erickson J.Development of methods to evaluate SAFER flight characteristics[R].NASA-CR-202008，1996.

[29]Hoffman S.Advanced EVA Capabilities:A study for NASA’s revolutionary aerospace systems concept program[R].NASA/TP-2004-212068，S-922，2004.

[30]Lim C，Bang H.Adaptive control for satellite formation flying under thrust misalignment[J].Acta Astronautica，2009，65 (1-2):112-122.

[31]Carpenter M，Jackson K，Cohanim B，et al.Next-generation maneuvering system with control-moment gyroscopes for extravehicular activities near low-gravity objects[C]//43rd International Conference on Environmental Systems，Vail，CO，USA，July 14-18，2013:1-18.

[32]He Shao-jun.Integration of Multiple Sensors for Astronaut Navigation on The Lunar Surface[D].Columbus，Ohio:The Ohio State University，2012.

[33]Sinko J，Schlecht C.Reversed-thrust laser propulsion and astronaut retrieval[J].Journal of Propulsion and Power，2011，27(5):1114-1120.

[34]Zumbado J，Curiel P，Schreiner S.Hands-free control interfaces for an extra vehicular jetpack[C]//AIAA，2013:1-10.

[35]Sarma K，Schuck D，Duke D.The past，present and future of display technology in space[C]//AIAA SPACE 2010 Conference＆Exposition，Anaheim，CA，USA，August 30-September 2，2010:1-19.

[36]Griffin B.Benefits of a single-person spacecraft for weightless operations[R]//AIAA M11-1017，2012:1-16.

[37]Kennedy K，Alexander L，Landis R，et al.NASA’stechnology area 07:human exploration destination systems roadmap [R].AIAA-2011-7255，2010.

[38]程劍，范秀敏，洪鑫，等.考慮航天員肢體干擾的載人機(jī)動(dòng)裝置虛擬樣機(jī)系統(tǒng)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39 (1):129-133.Chen Jian，F(xiàn)an Xiumin，Hong Xin，et al.Virtual Prototyping System of Manned Maneuvering Unit Considering the Disturbance from Astronaut’s Limbs[J].Journal of Shang Hai Jiao-Tong University，2005，39(1):129-133.(in Chinese)

[39]J.Rize and et.al.Real time virtual reality environment for MAJIC attitude control system development and implementation[C]//IEEE Aerospace Conference，Big Sky，Montana，Mar.2014.

Study on Key Technologies of Separation Rescue for Space Station Extravehicular Activity

YAO Fei1，LI Tanqiu1，LIU Xiangyang1，ZHANG Wanxin1，SI Huaiji1，JIN Minghe2
(1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronauts Research and Training Center，Beijing 100094，China；2.State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

There exists the possibility of an astronaut conducting extravehicular activities(EVAs)to potentially become detached from the space station.Rescue of the separated astronaut is admittedly necessary.In this paper，the evolution of EVA separation rescue was reviewed.Based on the analysis of human-machine capabilities and characteristics involved，key techniques including separation probability and scenarios analysis，rescue strategies and schemes selection，rescue system design were investigated in detail.The authors proposed that currently astronaut piloting should be considered as the basic return solution，and the influence of man-suit characteristics on control system were analyzed elaboratively.Finally，the prospects of using new technologies were discussed，and it was concluded that the developing trend of rescue was the enhancement of integrated man-machine system mobility.This work could serve as a basis for constructing the concrete rescue device.

extravehicular activity；man-machine system；EVA spacesuit；attitude control

V526

A

1674-5825(2015)03-0224-07

2015-01-20；

2015-04-10

中國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目(2013SY54A1001)

姚飛(1974－)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)檩d人航天人機(jī)工程和航天服工程。E-mail:yflhmyly＠sina.com