天宮二號太空跑臺的設計缺陷分析

帥 令， 楊昌棋， 楊明坤

（重慶大學， 重慶 400030）

引言

航天員在太空中長期飛行，就意味著他們將長期暴露在微重力和低重力環境下，這容易引起航天員生理、心理的一系列健康問題。首先，微重力會使航天員心血管功能發生改變[1]。大量的體液從下身轉移到頭部胸部,能導致航天員的頭部充血、上身體液充盈、血容量減少。其次，微重力環境會對航天員的心臟功能及人體免疫功能造成極大的危害[2]。第三，長期在微重力條件下，因缺少運動刺激，航天員的骨質會大量脫鈣。骨質長期脫鈣，不僅使軟組織發生鈣化，而且還可能導致病理性骨折[3]。第四，如果長期缺乏運動，還會導致航天員的肌肉萎縮以及運功協調性的缺失[4]。因此，他們在太空長期工作，必須定期進行體育鍛煉，增強心血管、骨骼、肌肉等組織對失重條件的適應能力。體育鍛煉不僅能提高航天員心理穩定性、降低生理失調，還能減輕航天員返回地面后的行走困難[5]。

1 太空站體能鍛煉的主要手段

為了對抗長時間失重對航天員身體健康的影響，有兩種方法：人工重力和太空體能鍛煉。人工重力受到科技手段的局限，并不常見。目前常見的是通過宇航員在太空站進行體能鍛煉的手段，防止肌肉的萎縮、保持運動協調能力[6]。

1.1 常見的太空鍛煉器材

常見的太空運動器材有太空自行車、跑臺、拉力器等健身器材。

如圖1所示太空自行車是一種固定式的腳踏車，腳踏車的踏板可以根據航天員的需要，設置阻力的大小[7]。航天員通過克服這種阻力對腳踏車反復蹬踩實現對肌肉的鍛煉。太空自行車可以幫助航天員進行腿部肌肉的鍛煉，可以防止肌肉的萎縮。但是蹬踩自行車所鍛煉的腿部肌肉協調性并不符合人在走路時所需要的協調性。在長期的鍛煉中，太空自行車不能有效地幫助航天員回到地面后快速適應地面行走。

圖1 太空自行車

如圖2所示，拉力器是一種類似杠鈴的健身器材。主要可以幫助航天員進行手臂力量和運動協調的鍛煉。在使用拉力器鍛煉的過程中，腿部處于靜態發力狀態，雖然可以起到鍛煉力量的效果，但是并沒有運動協調性的鍛煉，同樣不能有效地幫助航天員在返回地面時盡快適應地面行走。

圖2 拉力器

如下頁圖3所示，太空跑臺是航天員在太空中進行跑步訓練的跑步機[8]。航天員在日常體質訓練時，在跑臺進行跑步訓練，在非訓練時間，太空跑臺還可以用作空間實驗。由于太空跑臺的鍛煉效果很好，且一物多用，受到了醫監醫保和航天員的青睞。

圖3 太空跑臺

1.2 太空跑臺的特點及優勢

在地面，人們可以根據自己的意愿，選擇進行跑步機鍛煉，或者選擇與跑步機功能相似的其他運動方式進行身體鍛煉。但是，在太空，航天員并沒有多少選擇。跑臺練習對航天員的身體健康至關重要，因此，在中長期的飛行過程中，航天員每天都要進行規定的跑臺鍛煉，以保證他們在太空的工作能力、保證他們能健康地返回地球，迅速適應地面生活。

相比太空自行車和拉力器，太空跑臺上進行跑步訓練是全身性的運動，運行量比較大，對心血管、骨骼、肌肉系統都是很好的刺激。同時，它對神經肌肉功能的協調作用也比太空自行車和拉力器要好。航天員在太空中保持一定量的跑步訓練，可以減少失重條件下血液流向上半身，可以提高機體對各種應急條件的耐力。在大量的實踐中證明，太空炮臺是當前航天員最有效的鍛煉方法，可以有效地幫助航天員在返回地面后提高對地面行走的適應性，有利于航天員在返回地面后的身體恢復，延長了航天員的工作壽命。

2 天宮二號實驗室太空跑臺設計分析

2.1 天宮二號實驗室太空跑臺實驗狀態

天宮二號實驗室跑步實驗是天宮二號實驗室六大任務之一。由于沒有其他公開資料，只能根據公開的新聞報道對其設計思路進行猜測。

圖4是2017年10月21日中央電視臺直播報道天宮二號航天員在第一次太空跑步時的場景。可以看出，宇航員在跑步過程中身體會發生傾倒，需要頭頂墊子或另一位宇航員在旁邊輔助，拉住跑步中宇航員的上衣，以保證其身體平衡。根據報道，兩位航天員在跑步實驗開始的前兩天，在天宮二號跑臺上完全無法跑起來，直到第三天陳東發現抬頭可以跑起來，并進行了兩小時的跑步訓練。

從上述公開報道可以看出，天宮二號跑臺設計可能都存在一些缺陷。同時也暴露出跑臺地面試驗不夠充分，導致太空鍛煉時出現意想不到的問題。

圖4 太空跑臺跑步實景

2.2 天宮二號實驗室太空跑臺上航天員受力分析

由前述可知，太空跑臺相對于其他太空鍛煉設備，其最大的優勢就是它可以最大限度地在太空為航天員提供與地面跑步相近的鍛煉環境，使航天員不僅心肺功能得到必要的鍛煉，更重要的是能夠使航天員的行走、跑步能力和運動協調性得到全面的鍛煉和保持，確保航天員返回地面后能夠較快地恢復行走能力。因此，對于太空跑臺而言，能夠最大限度地提供與地面跑步相近的鍛煉環境是至關重要的。

仔細觀察圖4可以發現，天宮二號的太空跑臺主要是由支架、若干獨立的滾筒和人體束縛帶構成的。束縛帶一端固定在宇航員的腰部，另一端固定于太空實驗室艙壁，給航天員提供一個朝向太空跑臺的力，以此模擬重力。當以航天員為研究對象時，其受力如圖5所示。圖中，P為彈性束縛帶提供的彈性力，始終指向約束點，Fax和Fay為滾筒給前腳的反作用力，Fbx和Fby為滾筒給后腳的反作用力。

人在跑步時，通常后退用力向后發力時，身體前傾，前腿彎曲、前邁，騰空。根據圖5的受力圖，此時，Fax和Fay為零。將后腿所受之力向束縛帶腰間結點簡化，可以看出水平摩擦力Fbx產生順時針的力矩，而后腿所受的滾筒鉛錘方向的力Fby產生逆時轉動的力矩。為了簡化問題，假設航天員質心剛好與束縛帶腰間結點C重合，C點到后腳與滾筒接觸點B距離為I，CB與水平線夾角為θ。束縛帶的束縛力剛好與地面垂直。則向C點簡化，合力為：

合力偶矩為：

圖5 跑步受力分析

2.3 天宮二號實驗室太空跑臺設計缺陷分析

在按計劃進行的前兩天的跑步鍛煉均無法順利完成的情況下，兩位航天員從對任務高度的責任感和使命感出發，花費了3 d時間，不斷摸索和努力，終于在天宮二號跑臺上實現了跑步。但是，仔細分析可以發現，這些挫折和插曲，并非是航天員的原因，而是天宮二號跑臺在設計原理方面存在明顯的不足或設計缺陷。為了說明問題，下面將利用上節建立的力學模型加以分析。

從公式（1）可以看出，航天員在跑臺上能夠跑起來的必要條件是航天員所受外力合力大于等于零，即航天員在跑步時能夠有騰空的可能性。假設取一個臨界狀態，即：

除滿足公式（3）外，航天員還不能傾倒。設航天員腳與獨立的滾筒的等效摩擦阻力系數為μ，利用公式（2）可得：

由于航天員腳作用在獨立的滾筒上，滾筒滾動摩擦很小。滾筒折合到水平方向的等效摩擦阻力系數μ也非常小，這極易導致Mc大于零的情況發生，引起跑步的航天員身體傾倒。

至此，找到了航天員前兩天在天宮二號的跑步臺上無法正常進行跑步鍛煉的原因。

如何解釋后面航天員又能夠在跑臺上完成跑步的原因呢？

從公式（4）可以看出，并非所有的情況下跑步者都會發生前傾翻倒。當CB與水平線夾角θ大到能夠使得Mc小于等于零的情況下，跑步者即使不用手或身體其他輔助也可保持平衡，即當

如何才能實現這種跑步呢？喜歡跑步的都知道，跑步時要跑得快，需要適當前傾，利用前傾和人體前庭平衡功能強制加快步頻和步幅。反之，跑步時抬頭跑就會形成一種“坐著”跑的姿勢，這種姿勢步幅小，跑不快。而步幅小剛好就為滿足公式（5）提供了可能性。在μ非常小的情況下，實際上能夠維持連續跑步的狀態的步幅也必須非常小，基本上類似原地跑，或類似文藝表演中的“太空步”的狀態。如果仔細觀察景海鵬的跑步視頻截屏上頁圖3可以發現，其蹬地發力點基本上就在束縛點后一點的地方。腳在發力時并未蹬直，而是離開地面才蹬直。

由于這種跑步姿勢并非人正常跑步行走的姿勢，在太空鍛煉時，這種鍛煉姿勢雖然對于心肺功能以及腿部肌肉的保持能夠發揮一定作用，但是有可能使正常跑步或行走的需要參與的部分肌肉和神經沒有得到應有的鍛煉，在長期駐留狀態下，有可能對航天員返回后的肌肉協調性和行走能力帶來不利影響。

3 跑臺設計的改進建議

天宮二號實驗室太空跑臺可能因為空間、負載等原因，對跑步機進行較大的簡化，跑步臺的踏面簡單采用獨立滾筒。而正是由于這個簡化導致等效水平摩擦力為滾動摩擦，摩擦力過小，不足以提供宇航員跑步過程中平衡所需力矩。導致設計缺陷，為此建議后續太空跑臺進行改進：

1）建議將太空跑臺的滾筒外加皮帶，皮帶與宇航員腳部接觸的面可以比較粗糙，保證宇航員在跑步過程中腳部與皮帶之間的摩擦力足夠。但是，皮帶的加入，摩擦力的增加，必將導致人體前移，因此有必要采用電機帶動傳動帶的運動。

2）為了更真實模擬重力，在條件允許的情況下可以將地面的束縛節點由固定式改為與人體重心伺服隨動，使模擬的重力始終與“地面”垂直。

3）從上頁圖3看，現有的束縛帶可能就是一個一般的線彈性器件，為了更好地模擬地面的重力，束縛帶應該采用近似恒力特性彈性器件。

4）就目前情形可以看出，天宮二號的太空跑地面試驗并不充分。應該改進地面試驗方法，盡可能在地面對跑臺功能進行完整的地面試驗驗證，杜絕將潛在的問題帶上太空。

4 結語

通過力學模型，從理論上解釋了天宮二號太空跑臺所產生的問題，從根本上找出了天宮二號跑步臺的設計缺陷。針對天宮二號跑步臺的設計缺陷給出的改進措施可保證航天員的跑步鍛煉能夠保障航天員返回后的盡快恢復。

[1]沈羨云.太空中，失重有什么危害？[M/OL].百科知識，2010.https://zhidao.baidu.com/question/204998126419380005.html.

[2]沈羨云.失重對體內水和電解質平衡的影響[J].航天醫學與醫學工程，2000，13（1）：65-69.

[3]《中華創傷骨科雜志》整理綜合.醫監與醫保：航天員健康的保護神[J].中華創傷骨科雜志，2008（10）：16-19.

[4]孟慶軍.失重對人體生理功能的影響及其對抗措施[J].生物學通報，2002，37（6）：17-18.

[5]魯向楠.太空中失重對心臟的影響[J].心血管病防治知識，2012（10）：37-38.

[6]劉青山.航天科工：守護航天大安全[J].國企，2012（7）：80-82.

[7]吳斌，吳國興.“太空自行車”——自動力人體離心機：建議在長期載人航天中作對抗措施使用[J].載人航天信息，2000（2）：26-32.

[8]趙東明.太空跑步機[J].航天員，2007（2）：49-50.