佘佳宏 張 磊 晁建剛 趙 維 林萬(wàn)洪

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094)

1 引言

航天員執(zhí)行出艙活動(dòng)是空間站任務(wù)的重要組成部分。 為確保出艙活動(dòng)任務(wù)的成功,航天員需在地面完成出艙活動(dòng)任務(wù)訓(xùn)練。 模擬失重訓(xùn)練水槽可供航天員六自由度、長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)限制地連續(xù)訓(xùn)練,其原理是利用水的浮力平衡含航天員在內(nèi)的水下訓(xùn)練服(簡(jiǎn)稱服裝)的重力,從而達(dá)到失重環(huán)境的效果模擬[1]。 在模擬失重訓(xùn)練水槽進(jìn)行出艙任務(wù)訓(xùn)練前,需進(jìn)行水下訓(xùn)練服的中性浮力配平。 潛水員首先調(diào)整服裝的總活動(dòng)配重塊數(shù)量,使服裝達(dá)到重力與浮力相等的狀態(tài),然后調(diào)整活動(dòng)配重塊在服裝不同位置的分布,改變服裝姿態(tài)。中性浮力配平后,水下訓(xùn)練服的姿態(tài)是模擬失重效果好壞的關(guān)鍵,一般稱為中性浮力姿態(tài)。

空間站出艙活動(dòng)任務(wù)中,由于作業(yè)點(diǎn)較多、作業(yè)操作復(fù)雜,需要不斷變換操作姿態(tài),與此相應(yīng),在模擬失重訓(xùn)練水槽訓(xùn)練時(shí),考慮艙內(nèi)和艙外的工作姿態(tài)不同、艙外行走和艙外作業(yè)的姿態(tài)不同,對(duì)水下訓(xùn)練服的姿態(tài)要求較高,姿態(tài)調(diào)節(jié)范圍要求較大,包括水平位、前傾位和直立位等。 理想的姿態(tài)是航天員可以隨意按需控制自身姿態(tài),但實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn),只能尋求較好的配平姿態(tài)。 較好的服裝配平姿態(tài)有利于失重環(huán)境的模擬,而較差的配平姿態(tài)則會(huì)影響航天員的操作和感受,使人感到像是不倒翁,改變自身姿態(tài)非常困難,導(dǎo)致水下訓(xùn)練的效率低、效果差。

僅靠目視進(jìn)行服裝姿態(tài)的定性評(píng)估,無(wú)法明確配平效果的好壞,這造成服裝配平姿態(tài)沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),不利于航天員訓(xùn)練時(shí)失重環(huán)境的模擬以及航天員失重環(huán)境訓(xùn)練和評(píng)價(jià),因此需引入中性浮力姿態(tài)的量化指標(biāo)。

本文在分析水下訓(xùn)練服姿態(tài)及其受力關(guān)系的基礎(chǔ)上,總結(jié)出中性浮力姿態(tài)定量指標(biāo),提出一種測(cè)試方法,研制一套測(cè)試系統(tǒng),并進(jìn)行水下訓(xùn)練服測(cè)試。

2 姿態(tài)指標(biāo)及其應(yīng)用

水下訓(xùn)練服中性浮力姿態(tài)主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面:中性浮力指標(biāo)和姿態(tài)指標(biāo)。 前者指重力和浮力的合力;后者指水下訓(xùn)練服俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)3個(gè)歐拉角的大小以及重心和浮心間距。 水下訓(xùn)練服的歐拉角定義如下:在笛卡爾右手坐標(biāo)系中,-x軸向?yàn)樾乇诚?-z軸向?yàn)轭^盆向,采用卡爾丹式歐拉角分類(lèi)[2],繞x軸的旋轉(zhuǎn)角度為滾轉(zhuǎn)角,繞y軸的旋轉(zhuǎn)角度為俯仰角,繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度為偏航角,滾轉(zhuǎn)、偏航、俯仰皆為0°時(shí),水下訓(xùn)練服為直立姿態(tài),且左右受力平衡。

水下訓(xùn)練服歐拉角的大小由水下訓(xùn)練服浮心和重心的相對(duì)空間位置確定,歐拉角的改變由重心和浮心間距確定。 理想的中性浮力姿態(tài)是水下訓(xùn)練服重力和浮力的合力為零、重心和浮心完全重合。 實(shí)際上,理想中性浮力姿態(tài)在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn),只能盡量接近[3]。

在水下訓(xùn)練服的使用過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格限制其上浮,以免發(fā)生安全事故,因此在進(jìn)行中性浮力配平后,水下訓(xùn)練服會(huì)呈現(xiàn)輕微的負(fù)浮力(重力大于浮力),一般不大于0.5 kgf,相較于約240 kgf的水下訓(xùn)練服,可近似認(rèn)為是中性浮力;同樣,實(shí)際服裝的重心和浮心無(wú)法絕對(duì)重合,則服裝入水后必然穩(wěn)定于某個(gè)確定的姿態(tài)。 因此,可以用3個(gè)參數(shù)來(lái)描述水下訓(xùn)練服的中性浮力姿態(tài),分別是重力與浮力的合力、重心位置和浮心位置。 由于水下訓(xùn)練服的重心和浮心的位置難以精確測(cè)量,可以使用重力和浮力的合力、3 個(gè)自由歐拉角以及重心與浮心間距來(lái)描述。 這2 種描述中性浮力姿態(tài)的指標(biāo)是等價(jià)的。

為提高試驗(yàn)訓(xùn)練效率,便于水下操作,實(shí)際上水下訓(xùn)練服的配重分布一般是左右對(duì)稱,偏航、滾轉(zhuǎn)歐拉角為定值,特別是當(dāng)水下訓(xùn)練服的左右受力嚴(yán)格對(duì)稱時(shí),偏航、滾轉(zhuǎn)的歐拉角為0°,因此實(shí)際操作中只需考慮水下訓(xùn)練服的俯仰角即可[4]。這樣,水下訓(xùn)練服的中性浮力姿態(tài)指標(biāo)可簡(jiǎn)化為重力和浮力的合力大小、自由俯仰角(無(wú)外力作用情況)、浮心與重心的間距。 這種簡(jiǎn)化方法的實(shí)質(zhì)是將三維坐標(biāo)下的重心和浮心關(guān)系簡(jiǎn)化為平面坐標(biāo)關(guān)系。

水下訓(xùn)練服的中性浮力姿態(tài)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 的指標(biāo)參數(shù)可用于定量判斷服裝模擬失重效果的好壞,較好的中性浮力姿態(tài)應(yīng)是負(fù)浮力略大于零;重心和浮心間距接近于零(重心在下);自由俯仰角從直立位到頭低位30°的范圍內(nèi)可調(diào),便于作業(yè)點(diǎn)操作。

當(dāng)航天員感覺(jué)自身中性浮力姿態(tài)配平效果差或試驗(yàn)訓(xùn)練指揮認(rèn)為服裝中性浮力姿態(tài)影響試驗(yàn)訓(xùn)練效率時(shí),可對(duì)中性浮力姿態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。另外,以上指標(biāo)參數(shù)也可用于輔助指導(dǎo)水下訓(xùn)練服的中性浮力配平操作。 通過(guò)姿態(tài)測(cè)試,可將服裝的重心和浮心間距反饋給潛水員,潛水員調(diào)整配重位置,將下方的活動(dòng)配重塊豎直移到上方,這樣可使服裝重心位置向上移動(dòng),且同時(shí)浮心位置基本不變,從而可縮短服裝的重心和浮心間距,獲得更優(yōu)的失重模擬效果。

3 姿態(tài)測(cè)試方法

根據(jù)水下訓(xùn)練服的實(shí)際使用情況,針對(duì)表1 中簡(jiǎn)化后指標(biāo)參數(shù),水下訓(xùn)練服的負(fù)浮力可以直接通過(guò)水下拉力傳感器測(cè)量得到。 對(duì)于自由俯仰角和重心與浮心間距,由于水下訓(xùn)練服外觀復(fù)雜,無(wú)法直接測(cè)試,需通過(guò)測(cè)試其他參數(shù),利用相互關(guān)系間接計(jì)算得到。 具體方法如下:對(duì)服裝施加一定的力矩使其產(chǎn)生一定的俯仰角改變,只需知道外加力矩大小、方向和對(duì)應(yīng)的俯仰角變化,就可得到如式(1)所示的力矩平衡方程:

式中,T為施加的力矩值,G為水下訓(xùn)練服的重力值,d為服裝的重心和浮心間距,α為施加力矩后的俯仰角,α0為服裝自由俯仰角。 服裝俯仰角與重心和浮心間距的關(guān)系如圖1 所示,圖中F為水下訓(xùn)練服的浮力。

圖1 服裝俯仰角及重心和浮心變化示意圖Fig.1 Illustration of relationship among pitch angle,center of gravity and floating center of the suit

對(duì)水下訓(xùn)練服施加一個(gè)已知力矩,并測(cè)出相應(yīng)的俯仰角,可得到一組滿足公式(1)的外加力矩-俯仰角數(shù)據(jù),施加多個(gè)不同的力矩,得到多組不同的外加力矩-俯仰角數(shù)據(jù)。 由公式(1)可知:外加力矩和俯仰角是正弦關(guān)系。 將得到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦曲線擬合,得到擬合曲線公式,將該公式和公式(1)比對(duì),則可計(jì)算出服裝的自由俯仰角和重心與浮心間距。

4 測(cè)試系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)第3 節(jié)測(cè)試方法,研制了一套中性浮力姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)包括岸上測(cè)控設(shè)備和水下測(cè)試機(jī)構(gòu),岸上測(cè)控設(shè)備和水下機(jī)構(gòu)通過(guò)防水線纜連接,如圖2 所示。

圖2 中性浮力姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Illustration of neutral buoyancy posture test system

4.2 岸上測(cè)試設(shè)備

岸上測(cè)試設(shè)備由供電電源、數(shù)據(jù)采集PLC 主機(jī)(下位機(jī))、測(cè)控筆記本(上位機(jī))等組成。 下位機(jī)配置變量輸入模塊,上位機(jī)配置數(shù)據(jù)采集及分析軟件。

4.3 水下測(cè)試機(jī)構(gòu)

水下測(cè)試機(jī)構(gòu)由框架、可轉(zhuǎn)動(dòng)支架、傳感器等組成,傳感器包括3 個(gè)拉力傳感器和1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳感器。 其中的1 個(gè)拉力傳感器獨(dú)立放置,用于測(cè)量負(fù)浮力大小;另2 個(gè)拉力傳感器分別放置在轉(zhuǎn)動(dòng)支架驅(qū)動(dòng)輪的兩側(cè), 驅(qū)動(dòng)輪半徑為16.5 cm,這2 個(gè)拉力傳感器數(shù)據(jù)乘以驅(qū)動(dòng)輪半徑,即可得到外加力矩。 俯仰角度通過(guò)角度傳感器直接讀出,記轉(zhuǎn)動(dòng)支架垂直于水平面時(shí)的俯仰角為0°,圖2 中驅(qū)動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正。

4.4 測(cè)試內(nèi)容

1)正常性測(cè)試。 水下測(cè)試機(jī)構(gòu)入水固定后,將其和岸上測(cè)控系統(tǒng)連接,通電運(yùn)行,檢查各傳感器數(shù)據(jù)是否正常,檢查數(shù)據(jù)傳輸是否正常。

2)負(fù)浮力測(cè)試。 將水下訓(xùn)練服懸掛到負(fù)浮力測(cè)試?yán)鞲衅飨路降膾煦^上,待傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,通過(guò)讀數(shù)得到負(fù)浮力測(cè)試結(jié)果。

3)空載測(cè)試。 考慮轉(zhuǎn)動(dòng)支架的重心和浮心不重合,存在轉(zhuǎn)動(dòng)支架的空載力矩,需測(cè)試出該轉(zhuǎn)動(dòng)支架的俯仰角-力矩關(guān)系,這樣在實(shí)際測(cè)試水下訓(xùn)練服中性浮力姿態(tài)時(shí),只需減去轉(zhuǎn)動(dòng)支架在該角度時(shí)對(duì)應(yīng)的力矩,即可消除系統(tǒng)自身的影響,得到有效的外加力矩。 測(cè)試步驟如下:①水下轉(zhuǎn)動(dòng)支架空載時(shí),潛水員在驅(qū)動(dòng)輪的左右兩側(cè)分別依次增加配重,待轉(zhuǎn)動(dòng)停止并穩(wěn)定后(利用角度傳感器讀數(shù)是否穩(wěn)定來(lái)判斷,下同),得到空載時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)支架的俯仰角和對(duì)應(yīng)的施力大小;②根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的半徑,可知俯仰角對(duì)應(yīng)的外加力矩的大小,記為T(mén)空載(α)。

5 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

5.1 參考模型與仿真計(jì)算

為驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)是否準(zhǔn)確有效,設(shè)計(jì)了中性浮力狀態(tài)的參考模型,如圖3 所示。

圖3 參考模型設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Illustration of reference model

該參考模型主要用來(lái)評(píng)估中性浮力測(cè)試系統(tǒng)的有效性和精度,可看成是水下訓(xùn)練服的模擬。由于參考模型設(shè)計(jì)為中性浮力,且模型所用材料、加工方式明確,模型尺寸可測(cè),因此通過(guò)理論仿真計(jì)算出該模型的自由俯仰角和重心浮心間距。 將理論仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì),即可評(píng)估中性浮力測(cè)試系統(tǒng)的功能和性能。

首先計(jì)算模型各組成部分的重力、重心和浮力、浮心,再通過(guò)組合的方式,計(jì)算出其整體重力(浮力)和整體重心、浮心[5],并通過(guò)重心和浮心的空間位置,計(jì)算出其重心、浮心間距和自由俯仰角。 結(jié)果如下:模型質(zhì)量為23.1 kg;重心和浮心間距為21.53 cm,自由俯仰角為6.31°。

5.2 空載力矩測(cè)試

空載測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 空載測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of no-load situation

根據(jù)表2 結(jié)果,可得到俯仰角-力矩的平面點(diǎn)圖,由于轉(zhuǎn)動(dòng)支架的俯仰角、外加力矩滿足正弦關(guān)系,因此用正弦曲線擬合方法給出對(duì)應(yīng)的參數(shù),擬合公式選擇y=asin(x-b)+c,其中a、b分別對(duì)應(yīng)公式(1)的G·d和α0,c為系統(tǒng)測(cè)試誤差項(xiàng)。a、b和c初始值分別選擇5000、1.0 和1.0。 利用基于MATLAB curvefiting 工具箱的非線性最小二乘算法Levenberg-Marquard 算法進(jìn)行擬合[6],得到擬合公式(2):

5.3 參考模型測(cè)試

將參考模型安裝到水下轉(zhuǎn)動(dòng)支架上,在驅(qū)動(dòng)輪的左右兩側(cè)分別依次增加配重,記錄配重?cái)?shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的姿態(tài)俯仰角,得到模型俯仰角對(duì)應(yīng)的力矩大小,記為T(mén)實(shí)測(cè)模型(α),減去相應(yīng)α角的空載力矩T空載(α),則可得到模型俯仰角和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)T有效模型(α),如公式(3)所示:

實(shí)際水下測(cè)試結(jié)果如下:負(fù)浮力為2.26 N。姿態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 參考模型測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of reference model

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,采用正弦曲線擬合,選擇公式y(tǒng)=asin(x-b),a和b初始值選擇5000 和1.0。 選用Levenberg-Marquard 算法,得到擬合公式(4):

對(duì)照公式(1)可知:G·d=4885.0 N·cm,G=23.1 kgf,重力加速度取值為9.8 m/s2,可計(jì)算出模型的重心和浮心間距d=21.58 cm,自由俯仰角α0= 0.10 rad,即模型與鉛垂線的自由俯仰角為5.88°。

5.4 測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確度討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,重心浮心間距誤差為0.05 cm,俯仰角誤差為0.43°,可以看出服裝姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的。 誤差原因包括理論仿真與實(shí)際的誤差(如未考慮模型浮力塊的吸水率、模型尺寸測(cè)量誤差等)和測(cè)試系統(tǒng)本身誤差(如拉力繩理想簡(jiǎn)化影響、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦影響等)。 后續(xù)為提高測(cè)試精度,需對(duì)模型重心和浮心位置進(jìn)行實(shí)測(cè),設(shè)計(jì)不同的參考模型(包括非左右對(duì)稱模型)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)等。

6 水下訓(xùn)練服測(cè)試

6.1 水下訓(xùn)練服測(cè)試步驟

水下訓(xùn)練服在入水前需測(cè)試出其總重量,在水下進(jìn)行直立位中性浮力配平后,總重量減去因入水而額外增加的配重后,可得到服裝配平后的總重量(和總浮力相同)[4]。

將水下訓(xùn)練服安裝固定在水下轉(zhuǎn)動(dòng)支架上。由潛水員在驅(qū)動(dòng)輪的左右兩側(cè)依次增加配重,記錄配重?cái)?shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的姿態(tài)俯仰角,得到水下訓(xùn)練服俯仰角對(duì)應(yīng)的力矩大小T實(shí)測(cè)服裝(α),減去相應(yīng)α角的空載力矩T空載(α),則可得到模型俯仰角和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)T有效服裝(α),如式(5)所示:

6.2 水下訓(xùn)練服01#實(shí)測(cè)

01#服裝總質(zhì)量為245.5 kg,負(fù)浮力為2.94 N。 01#服裝姿態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 01#服裝測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Underwater test data of space suit 01#

對(duì)01#服裝,得到擬合公式(6):

對(duì)照公式(1)可知:G·d=4555.0N·cm,G=245.5 kgf,重力加速度取值為9.8 m/s2,可計(jì)算出01#服裝的重心和浮心間距d=1.89 cm。 自由俯仰角α0= 0.0252 rad,即服裝與鉛垂線的自由俯仰角為1.45°。

6.3 水下訓(xùn)練服02#實(shí)測(cè)

02#服裝總質(zhì)量為237.0 kg,負(fù)浮力為3.90 N。 02#服裝姿態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 02#服裝測(cè)試數(shù)據(jù)Table 5 Underwater test data of space suit 02#

對(duì)02#服裝,得到擬合公式(7):

對(duì)照公式(1)可知:G·d=9005.0 N·cm,G=237.0 kgf,重力加速度取值為9.8 m/s2,可計(jì)算出02#服裝的重心和浮心間距d=3.88 cm。 自由俯仰角α0=0.1692 rad,即服裝與鉛垂線的自由俯仰角為9.7°。

圖4 是空載、參考模型以及2 套水下訓(xùn)練服的實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況,圖5 給出了正弦曲線擬合結(jié)果。

圖4 水下測(cè)試Fig.4 Underwater test

圖5 擬合曲線圖Fig.5 Curve fitting diagram of the test results

7 結(jié)論

1)從參考模型和水下訓(xùn)練服的測(cè)試結(jié)果來(lái)看,水下訓(xùn)練服姿態(tài)量化測(cè)試系統(tǒng)有效。 01#服裝重心和浮心間距為1.89 cm,02#服裝重心和浮心間距為3.88 cm,與水下表現(xiàn)符合;01#服裝較容易改變俯仰姿態(tài),02#服裝則相對(duì)困難,這是因?yàn)檩^小的重心浮心間距,要求克服服裝俯仰變化的力矩也相對(duì)較小。

2)本文采用的計(jì)算方法是正弦曲線擬合,要求采集的數(shù)據(jù)較多,有利之處是可提高測(cè)試精度,不利之處是由于每一組數(shù)據(jù)需在服裝平衡穩(wěn)定后才能讀取,因此比較費(fèi)時(shí)。 可考慮采用快速測(cè)試方法,即通過(guò)聯(lián)立方程組的方式求解,只需獲得2組數(shù)據(jù)即可,但相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果精度較低,只適用于需要快速測(cè)試的場(chǎng)合。

水下訓(xùn)練服中性浮力姿態(tài)測(cè)試進(jìn)一步研究,需從以下方面不斷完善:①增強(qiáng)水下訓(xùn)練服的自由姿態(tài)與測(cè)試系統(tǒng)的匹配性;②降低水下訓(xùn)練服四肢位置變化帶來(lái)的影響;③克服外部條件(如臍帶、水?dāng)_動(dòng))對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響;④考慮服裝左右非對(duì)稱情況下的中性浮力姿態(tài)測(cè)試。