飛天艙外航天服適體性設計方法與驗證

李元豐， 張萬欣， 王怡靈， 羅詩瑤， 劉東岳， 冉 倩， 尚 坤， 嚴 曲

（中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094）

1 引言

艙外航天服是航天員出艙活動必需的支持裝備。 空間站任務中，新一代飛天艙外航天服已經(jīng)列裝服役。 艙外航天服可以看作是一種特殊的載人航天器，在保證航天員生命安全的同時，還需具備良好的工效保障能力，確保航天員穿著航天服后能夠完成復雜的出艙活動任務。 而適體性是工效保障的基本要求，艙外航天服的適體性主要通過壓力服實現(xiàn)。 壓力服是可以提供一定壓力環(huán)境的密閉服，呈擬人形態(tài)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)組成劃分為上軀干、下軀干、上肢、手套等組件。

根據(jù)著服對象，艙外航天服適體性包含兩部分含義：①對于航天員個體，艙外航天服有一定的針對性，滿足航天員個體的使用需求，為適體性的個性要求；②艙外航天服要具備對一定身材范圍內(nèi)的航天員群體的覆蓋能力，保證航天服的通用性，為適體性的共性要求。 而適體性的這兩部分要求又是相互矛盾的。 為解決艙外航天服適體性兩方面要求的矛盾，在適體性設計中通常采用被動適體設計和主動適體設計。 被動適體設計是指依據(jù)人體尺寸和活動特性，設置合理的單一結(jié)構(gòu)參數(shù)及形態(tài)，在尺寸和形態(tài)不變的情況下獲得最大程度的適體性。 單純的被動適體性設計難以有效解決適體性的個性和共性的矛盾，需配合主動適體性設計實現(xiàn)更高程度的適體性，即設計調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)艙外航天服部分結(jié)構(gòu)在工作過程中可以依據(jù)著服航天員的身材特點、具體的使用需求以及航天員在出艙活動過程中的人體運動特點實現(xiàn)形態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)。

美國EMU（Extravehicular Activity Unit）和俄羅斯Orlan 艙外航天服是正在國際空間站服役的2 種艙外航天服，在適體性設計上分別采用了不同的策略。 EMU 是為航天飛機計劃研發(fā)的地基艙外航天服，采用模塊化分型設計，將壓力服分解為多個模塊，每個模塊細分尺寸型號，如軀干分為S、M、L 等號型。 執(zhí)行飛行任務的航天員根據(jù)自身身材尺寸和主觀偏好選用各組成模塊，通過統(tǒng)一的接口組裝集成。 選配組裝的EMU 通過具有強大運載能力的航天飛機隨航天員一同發(fā)射入軌執(zhí)行任務。 EMU 的適體性方法可以最大程度地實現(xiàn)對航天員個體的適應性，但需要強大的生產(chǎn)制造、天地運輸?shù)荣Y源保障，使用成本較大。

俄羅斯Orlan 艙外航天服采用“一對多”的適體性設計模式，主體結(jié)構(gòu)的軀干、頭盔等為硬質(zhì)固定尺寸結(jié)構(gòu)，覆蓋全部目標著服人群身體尺寸，四肢軟結(jié)構(gòu)設置局部調(diào)節(jié)機構(gòu)，可針對具體著服人體進行尺寸調(diào)節(jié)。 作為典型的軌道基航天服，Orlan 艙外航天服適體性設計方法的最大優(yōu)勢是可以最大程度降低保障資源的支持，但缺點是由于硬結(jié)構(gòu)要覆蓋最大身體參數(shù)的人體，對于小身材航天員適應性存在一定不足。

對比EMU 和Orlan 艙外航天服所采用的適體性設計方法，如具備強大的保障資源支持能力的EMU 模塊化設計，又如Apollo 登月服的按體定制是最理想的設計方法。 但考慮工程實現(xiàn)代價，Orlan 艙外航天服的設計方法更為經(jīng)濟、可行，但需要針對小身材航天員適體效果不足的問題進行改進，如在Z 系列航天服研發(fā)中提出的左右肩法蘭中心距小范圍調(diào)整的設計。 同時借鑒上肢和下軀干等軟結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)方法，研究人員提出了針對軟質(zhì)軀干結(jié)構(gòu)的尺寸調(diào)節(jié)方法，如Mor?phing Spacesuit 概念、軟式上軀干主動適體方法等。

本文根據(jù)飛天艙外航天服的結(jié)構(gòu)構(gòu)形，采用被動適體和主動適體融合設計原則，分析討論艙外航天服適體性設計因素，以身高等人體參數(shù)作為主要參考數(shù)據(jù)，通過拆解壓力服各個功能組件完成適體性設計；開展無人、有人驗證試驗，以驗證設計的合理性和適體性效果。

2 適體性設計

2.1 設計原則

飛天艙外航天服采用軟硬混合式的半硬式構(gòu)形，其中作為壓力服主體結(jié)構(gòu)的上軀干采用硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，上軀干由頭盔、軀干和背包構(gòu)成；具有活動功能要求的下軀干、上肢、手套主體采用軟質(zhì)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)飛天艙外航天服構(gòu)形，采用“一對多”的適體性原則，即以一套服裝多人穿用，被動適體性與主動適體性相結(jié)合，兼顧個性與共性要求，據(jù)此針對壓力服各部件結(jié)構(gòu)開展設計。

1）上軀干為硬結(jié)構(gòu)，采用單一參數(shù)的固定結(jié)構(gòu)，根據(jù)目標著服人群身體參數(shù)，包絡最大范圍；

2）下軀干與上肢采用主動適體性設計，根據(jù)航天員人群身體參數(shù)確定參數(shù)范圍，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)局部參數(shù)調(diào)節(jié)；

3）手套同樣采用被動與主動適體性耦合設計，根據(jù)航天員人群手部參數(shù)分型，著服航天員可根據(jù)自身手部參數(shù)選配，同時各型號局部尺寸可調(diào)節(jié)以獲得更好的適體針對性。

2.2 上軀干適體性設計

航天員穿著艙外航天服后，軀干部分包裹于航天服上軀干容腔內(nèi)部。 肩部法蘭開口的存在勢必對人體上肢活動性產(chǎn)生影響，在設計肩法蘭參數(shù)時，主要考慮的人體參數(shù)有肩寬、胸寬、前臂長以及上臂長等。 李元豐等通過減小左右肩法蘭中心距、增大肩法蘭開口尺寸以及調(diào)整肩法蘭空間角度，可以控制肩法蘭對上肢活動性的干涉。

在圍度方面的影響分兩部分：一是人體軀干包裹于上軀干內(nèi)部，上軀干容腔的圍度與人體胸圍、胸寬、胸厚等圍度尺寸相關，在設計中要保證著服后航天員既有一定的活動空間，同時提供服內(nèi)通風循環(huán)的流道，也要有一定的束縛感；二是由于飛天艙外航天服采用背入式穿脫方式，考慮穿脫策略，穿脫門寬度需考慮人體最大肩寬和坐姿臀寬等參數(shù)，保證航天員可坐在穿脫門框，且雙手可同時伸入上肢結(jié)構(gòu)。

在高度方面，上軀干穿脫門高度與人體坐高相關，保證航天員穿服時可坐到穿脫門框，適當內(nèi)收雙肩和低頭就可以將上肢和頭部穿入服裝。 頭盔與肩法蘭相對高度需要與人體肩部到頭頂?shù)木嚯x相適應。

著服后，航天員頭部在頭盔結(jié)構(gòu)容腔內(nèi)部，頭盔尺寸需保證航天員左右、前后和俯仰擺頭等活動，需與頭全高、頭最大寬等尺寸相適應。

2.3 上肢適體性設計

為滿足四肢及手部活動性要求，飛天艙外航天服的上肢、下軀干及手套主體結(jié)構(gòu)為軟質(zhì)，在相應的關節(jié)處設置活動關節(jié)和轉(zhuǎn)動軸承。 為獲得最大程度的活動性，艙外航天服關節(jié)應與人體相適應，這就要求軟質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一定的調(diào)節(jié)能力，確保服裝的各部分肢體與人體的適應協(xié)調(diào)。 以臂軸承為分界將上肢分為上臂和前臂，分別設置長度調(diào)節(jié)機構(gòu)，以適應不同上臂長和前臂長人體穿著。

另外，李倬有等研究表明，手套與手指的間隙越小，手套的工效能力越好。 在長度方向上，著服人體手指尖與艙外手套間隙可以定義為脫指量，脫指量越小，其適體性越好，因此艙外服的上肢長度與手套長度需整合設計，覆蓋人體臂展的包絡范圍，滿足脫指量要求。

2.4 下軀干適體性設計

下軀干的適體性設計分三方面：①由于上軀干為硬結(jié)構(gòu)不可調(diào)節(jié)，所以對人體身高的適應性設計以下軀干調(diào)節(jié)實現(xiàn)，通過在襠部設置調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)整襠部高度，保證著服人體上半身在上軀干容腔內(nèi)部高度方向上的相對位置，特別是保證頭部在頭盔面窗的相對位置；②為保證下肢膝關節(jié)與人體膝關節(jié)位置對應，在大腿和小腿分別設計長度調(diào)節(jié)機構(gòu)；③根據(jù)航天員足部尺寸，特別是足長，確定下軀干鞋組件參數(shù)，保證腳部適體的同時提供腳部通風空間，應以最大尺寸為上限。

2.5 手套適體性設計

手套采用整體分析、局部調(diào)節(jié)的適體性設計。根據(jù)出艙活動中手部操作特點，分型依據(jù)的人體參數(shù)主要是拇指長、中指長和掌圍等尺寸。 在掌圍上設計調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)著服后手部既有裹縛感，又有一定的活動空間而不產(chǎn)生壓迫。 在穿戴手套后脫指量的保證上，通過手套長度與上肢長度整合設計，結(jié)合上肢可調(diào)節(jié)的長度范圍和手套分型實現(xiàn)對人體臂展的覆蓋。

3 驗證試驗

3.1 無人驗證試驗

無人試驗是以標準人體模型作為試驗對象，模擬航天員穿著艙外航天服，初步評估服裝對人體靜態(tài)尺寸的匹配性。 試驗中根據(jù)人體模型尺寸調(diào)節(jié)艙外服上肢和下軀干尺寸，在試驗人員輔助下將人體模型穿入和脫出艙外服，通過穿入／脫出情況評估穿脫可行性；人體模型穿入后，通過外部驅(qū)動活動關節(jié)方式評估艙外服關節(jié)對位效果，以此來評估艙外服對人體靜態(tài)尺寸的匹配性。

人體標準模型的研制是通過掃描180 cm 男子和165 cm 女子身高等級的身體三維數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)重建，得到2 個身高等級的參數(shù)最大包絡人體模型，如圖1 所示。

圖1 180 cm 男子和165 cm 女子身高等級人體模型Fig.1 Model of 180 cm male and 165 cm female bodies

3.2 有人驗證試驗

有人驗證試驗是以志愿者作為試驗對象模擬航天員穿著艙外航天服，并針對出艙活動需求，開展典型的活動操作，如攀爬、轉(zhuǎn)運物品、使用工具等，評估服裝的適體性。

依據(jù)服裝尺寸適應性要求，選取165 cm（S）、170 cm（M）和175 cm（L）3 個身高等級志愿者共10 名（男性8 名，女性2 名），要求體態(tài)正常，無極端體型，志愿者身體參數(shù)情況如表1 所示。

表1 志愿者身體參數(shù)Table 1 Characteristics of sample population

1）穿脫性。 穿脫性以志愿者自主穿脫時間作為評價指標，要求經(jīng)訓練后穿脫時間不大于5 min。 試驗中記錄志愿者穿脫時間，以平均穿脫時間評估。

2）人體匹配性采用主觀感受問卷評估艙外航天服的人體匹配性。 志愿者以艙外航天服對頭部、肩膀、肘部、腕部、手部和腿部的適應性分別打分。 采用5 分制：5 分為優(yōu)秀，4 分為良好，3 分為一般，2 分為較差，1 分為很差。

3）脫指量。 艙外航天服對人體手部良好的適應性是保證航天員著服后手部操作能力的前提，脫指量是衡量航天服對手部貼合程度的重要指標，體現(xiàn)服裝對人體上肢的綜合適應能力，要求艙外航天服尺寸調(diào)整到位、加壓后，主要手指的脫指量不大于1 cm。

4 驗證結(jié)果

4.1 無人驗證試驗結(jié)果

無人試驗中，2 種尺寸規(guī)格人體模型均可順利穿入服裝，如圖2 所示，上肢和下軀干尺寸調(diào)節(jié)后的關節(jié)對位狀態(tài)滿足要求，服裝的人體靜態(tài)尺寸匹配性良好，可進一步開展有人試驗。

圖2 無人驗證試驗Fig.2 The manikin verification experiment

4.2 有人驗證試驗結(jié)果

穿脫性試驗結(jié)果如表2 所示，10 名志愿者的穿服平均時間為147 s，脫服平均時間為77 s，結(jié)果滿足穿脫性要求。

醫(yī)院財務管理質(zhì)量直接關系到醫(yī)院的整體運營，但是從當前醫(yī)院財務管理情況來看，缺乏專業(yè)人才、缺乏完善內(nèi)部審核機制、缺乏對資產(chǎn)管理的重視等問題非常突出。醫(yī)院應該正視這些問題，并采取相應措施給予解決，注重財務管理專業(yè)人才的培養(yǎng)，不斷完善內(nèi)部審核機制，建立資產(chǎn)管理部門以加強對醫(yī)院資產(chǎn)的管理，通過多種措施的聯(lián)合實施，不斷改進醫(yī)院財務管理中存在的問題，實現(xiàn)醫(yī)院財務管理質(zhì)量的逐步提升，保證醫(yī)院長遠穩(wěn)定發(fā)展。

表2 飛天艙外航天服穿脫時間Table 2 Don／Doff time of Feitian EVA spacesuit

人體匹配性結(jié)果如表3 所示，服裝完成局部適體性調(diào)節(jié)后，對人體主要部位的匹配性的平均評價得分均在4 分以上，表明服裝對人體匹配性良好。

表3 飛天艙外航天服人體匹配性主觀打分表Table 3 Subjective body fit score of Feitian EVA spacesuit

試驗中對工作壓力下主要操作手指（拇指、食指、中指）的脫指量進行了測量，加壓后食指、中指以及拇指的脫指量均接近0。

5 討論

一套艙外航天服制度可以有效解決運載能力限制和高成本問題，但帶來的問題也明顯存在，由于服裝需覆蓋全體目標對象的尺寸參數(shù)，在平衡個體與群體使用要求的過程中勢必會犧牲部分個性適體。 基于被動適體設計的主動適體方案可以在一定程度上解決該問題，因此在飛天艙外航天服研制中對上肢、下軀干等結(jié)構(gòu)設計了調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)針對個體的尺寸調(diào)整，從試驗和使用效果來看，達到了預期效果。

本文通過拆解壓力服各個功能組件，梳理確定了身高、肩寬、胸圍、臂展等人體參數(shù)為適體性設計的主要因素，以各設計因素的數(shù)據(jù)為輸入，初步建立了艙外航天服與各設計因素的相對關系，通過組件和系統(tǒng)設計，確定適體性設計方案。 但在設計中多基于經(jīng)驗和參照國外航天服參數(shù)，缺乏人-服相互作用關系的理論和數(shù)據(jù)積累，今后需進一步開展研究。 另外在產(chǎn)品設計平臺方面，應進一步完善設計、模擬仿真、試驗驗證的設計體系，特別是要建立模擬仿真模塊，對適體性方案進行快速、全面地仿真驗證，提升設計迭代效率和效果。

以穿脫性、人體匹配性和脫指量作為指標進行了適體性驗證試驗，試驗結(jié)果表明，飛天艙外航天服的穿脫性和正常工作壓力下手部脫指量均表現(xiàn)較好；在人體匹配性方面，對手部和肩部的適應能力仍有進一步提升的空間，特別是手套對人體手部的匹配，關系到出艙活動操作的靈活性和精細度，而手套結(jié)構(gòu)高度集成，環(huán)境防護的約束對工效保障能力的提升具有極大挑戰(zhàn)；服裝對人體肩部的匹配性存在不足主要是由上軀干帶來的，由于硬質(zhì)上軀干尺寸需覆蓋所有目標人群，必然造成個別人體的局部適體性不足，未來可在上軀干硬質(zhì)主動適體設計開展深入研究，特別是實現(xiàn)肩法蘭的適體性調(diào)節(jié)，將極大改善肩部適體性和上肢活動性。

6 結(jié)論

1）針對半硬式艙外航天服，可采用被動適體和主動適體融合設計，實現(xiàn)“一對多”的適體性設計；

2）通過拆解服裝的部組件組成，并針對性分析人體適體性因素，開展適體性設計的方法是有效的；

3）無人和有人適體性試驗和評價方法可以有效評估艙外航天服適體性設計效果；

4）飛天艙外航天服具有較好的適體性能，滿足出艙活動任務要求。