CN102522020B - 一种太空舱外作业能力训练与检测的装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种太空舱外作业能力训练与检测的装置，包括：空气压缩机，支撑平台，至少两个气浮系统，太空站系统，舱外航天服系统和数据检测设备；所述气浮系统均放置于支撑平台上，并与所述空气压缩机相连接；所述太空站系统和舱外航天服系统分别放置在所述气浮台上；所述空气压缩机启动后向所述气浮系统提供气压，所述气浮系统排出气流，在气浮系统与支撑平台之间产生气膜，使气浮系统在支撑平台的平面上自由移动与转动，用以模拟三个自由度的微重力运动状态。本申请可以提供宇航员舱外操作训练与操作能力检测的微重力环境模拟设备，从而提升对宇航员舱外操作训练的效果，获取宇航员舱外作业的技术数据。

Description

一种太空舱外作业能力训练与检测的装置

技术领域

本发明属于宇航员训练与检测领域，尤其涉及一种太空舱外作业能力训练与检测的装置。

背景技术

现今载人航天技术不断发展，对宇航员的训练培养也越来越重要。

宇航员在太空作业，有时需要进行出舱活动。太空环境和地球表面的环境相比，除了有超低温、强辐射和高真空等特点外，还有重要的一点是微重力环境。

宇航员在舱外的作业是在穿着舱外航天服的情况下，在微重力的环境中进行的。航天服的内部充压以及服装保护措施对航天员的操作能力有一定的限制，同时在微重力环境下操作时两个质量物体的相互作用力，这与地面的一般操作有很大的不同。航天员在太空出舱作业的主要工作有实现物体的机械连接以及电气的连接。所以针对这两种典型操作的微重力状态模拟训练，可以训练航天员的操作能力，并可以检测航天操作所需的基本参数。

而在现有技术实现中，要模拟微重力状态，只能使训练中人员失重，例如：让训练人员从高空跳伞，感受微重力状态。显然这样的环境不可能让训练人员穿上航天服，那就无从对宇航员在舱外的作业是在穿着舱外航天服的情况下操作进行训练，并且这种实验环境对实验参数的获取也很不理想。

所以本领域技术人员急需解决的问题是：通过物理方法对物体运动自由度的模拟来达到对微重力环境的模拟，进而组建一套可供宇航员舱外操作训练与操作能力检测的微重力环境模拟设备。从而提升对宇航员舱外操作训练的效果，获取宇航员舱外作业的技术数据。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种太空舱外作业能力训练与检测的装置，通过物理方法对物体运动自由度的模拟来达到对微重力环境的模拟，进而组建一套可供宇航员舱外操作训练与操作能力检测的微重力环境模拟设备。从而提升对宇航员舱外操作训练的效果，获取宇航员舱外作业的技术数据。

为了解决上述问题，本申请公开了一种太空舱外作业能力训练与检测的装置，包括：

空气压缩机，支撑平台，至少两个气浮系统，太空站系统，舱外航天服系统和数据检测设备；

所述气浮系统均放置于支撑平台上，并与所述空气压缩机相连接；

所述太空站系统和舱外航天服系统分别放置在所述气浮系统上；

所述空气压缩机启动后向所述气浮系统提供气压，所述气浮系统排出气流，在气浮系统与支撑平台之间形成气膜，使气浮系统在支撑平台的平面上自由移动与转动，用以模拟三个自由度的微重力运动状态；

所述太空站系统包括：太空站模型，螺母组件，插座组件和磁吸扶手；所述太空站模型底部固定在气浮台上；所述太空站模型表面标有刻度，将表面划分成均匀的小方格；所述螺母组件与太空站模型表面连接；所述插座组件与太空站模型表面连接；所述磁吸扶手开启后，可以吸附在所述太空站模型表面上，通过所述太空站模型表面刻度准确记录下所述磁吸扶手吸附的位置。。

优选的是，所述气浮系统包括：

气浮台，球铰连杆和气浮脚；

所述气浮台边缘圆周上开有3个螺孔，在每一个螺孔中装入和所述气浮脚铰接的所述球铰连杆；

所述气浮脚下部有圆形凹槽，并在中心开有小孔，所述气浮台侧面开有进气孔与小孔相通；

所述气浮脚圆盘上部中心开有球窝，和所述球铰连杆的球相配合，二者之间可以自由转动，形成球铰副；

所述空气压缩机提供气压，全部经过所述气浮脚的进气孔，导入小孔，小孔排出气流；

所述气浮脚排出的气流形成气膜，和所述球铰连杆与所述气浮脚形成的球铰副，能在气浮台受力时，实现所述气浮系统在所述支撑平台的平面上自由移动与转动，模拟三个自由度的微重力运动状态。

优选的是，所述螺母组件包括：

螺母，螺栓，扭矩传感器和操作台；

所述操作台是固定在太空站模型表面，扭矩传感器固定在操作台上，螺栓连接扭矩传感器，螺母装在螺栓上；

当拧动螺母时，反作用力通过螺栓传给扭矩传感器，产生力矩信号。

优选的是，所述插座组件包括：

插头，插座和推拉力传感器；

推拉力传感器固定在太空站模型表面，插座连接推拉力传感器；

当将插头插入插座，或将插头从插座拔出时，反作用力通过插座传给推拉力传感器，产生力信号。

优选的是，所述磁吸扶手包括：

把手，开关，圆筒，线圈和弧面铁芯；所述开关在所述把手部位；

所述把手连接筒杆一端，筒杆内部可安装电池；

所述圆筒另一端连接弧面铁芯一端；

所述弧面铁芯两边有线圈，弧面铁芯另一端的表面是弧形，有利于通电后，电磁铁更牢固的吸附在太空站模型的表面。

优选的是，所述舱外航天服系统包括：

舱外航天服和航天服支架；

舱外航天服上安装三个支点；

所述航天服支架由圆管焊接而成，航天服支架底部固定在安装航天服系统气浮台上，航天服支架上部有三个支点可以和舱外航天服支撑点配合。

优选的是，所述数据检测设备包括：

数据检测设备主体为一台收集检测数据的计算机；

所述计算机分别与扭矩传感器、推拉力传感器连接，能接收到扭矩传感器和推拉力传感器产生的力信号。

优选的是，磁吸扶手作为航天员操作时的扶手，抵消因操作而产生的反作用力。

优选的是，所述太空站模型外表面的刻度用于测试最佳的扶手设计位置。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

本申请提供一种太空舱外作业能力训练与检测的装置，通过物理方法对物体运动自由度的模拟来达到对微重力环境的模拟，让航天员可以在这个模拟环境中进行训练，了解微重力环境下对作业能力的影响，掌握应对方法，提高宇航员的能力素质，同时，获取技术研发和解决现实技术问题的数据。

附图说明

图1是本申请的一种太空舱外作业能力训练与检测的装置结构图；

图2是本申请的一种气浮台的结构图；

图3是本申请的一种气浮脚的结构剖面图；

图4是本申请的一种磁吸扶手的结构剖面图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请实施例的核心构思之一在于，通过物理方法对物体运动自由度的模拟来达到对微重力环境的模拟，给航天员提供了模拟太空舱外作业环境的训练平台和模拟实验的检测平台。既能强化航天员的训练，又可以为技术的研发和应用获得检测的数据。

参考图1，示出了本申请的一种太空舱外作业能力训练与检测装置的结构图，在本申请实施例中，所述装置，具体可以包括：

空气压缩机1，支撑平台2，至少两个气浮系统101，太空站系统102，舱外航天服系统103和数据检测设备104；

所述气浮系统101均放置于支撑平台上，并与所述空气压缩机1相连接；

所述太空站系统102和舱外航天服系统103分别放置在所述气浮系统101上；

在本申请的一种优选实施例中，所述的气浮系统101可以包括：气浮台3，球铰连杆5和气浮脚4；

在具体实现中，气浮台3可以采用图2所示的形状，在其边缘圆周上开有3个螺孔，在每一个螺孔中装入如图3所示的和气浮脚4铰接的球铰连杆5。这样保证气浮脚4只受垂向力。

如图3所示，气浮脚4为圆盘形状，其下部有圆形凹槽，并在中心开有小孔和侧面的进气孔相通。气浮脚4圆盘上部中心开有球窝，和球铰连杆5的球相配合，二者之间可以自由转动，形成球铰副。

在本申请的一种优选实施例中，所述太空站系统102可以包括：太空站模型6，螺母组件201，插座组件202和磁吸扶手7。

在优选的实施例中，所述螺母组件201可以进一步包括：螺母8，螺栓20，扭矩传感器9和操作台18；

以及，所述插座组件可以进一步包括：插头13，插座12和推拉力传感器11；

支撑平台2是放置于地面的平整台面，其上表面光滑且水平放置；在支撑平台2上放置两个气浮台3，气浮台3上分别放置太空站模型系统和航天服系统。太空站模型系统中一个形状和太空站相似的太空站模型6，通过螺栓安装在一个气浮台3上面；太空站模型6的可操作段是钢制圆筒，在圆柱外表面上画有刻度，并在其外表面上一侧安装一个与支撑平台2平行的操作台19，在操作台18上安装一个扭矩传感器9，扭矩传感器9上安装一个螺栓20和螺母8。

在太空站模型6的圆柱形外表面另一侧用螺钉安装一个推拉力传感器11，在推拉力传感器11上装有插座12，插孔方向和支撑平台2平行，便于插头13插入和拔出。

在优选的实施例中，所述磁吸扶手可以进一步包括：把手21，开关22，圆筒25，线圈26和弧面铁芯27。

在太空站模型6的外表明圆柱上，还放置一个磁吸扶手7。如图4所示，磁吸扶手7是一个类似手电筒的电磁铁装置。磁吸扶手7由把手21、开关22、电池弹簧23、电池24、圆筒25、线圈26、弧面铁芯27组成。当打开开关2时，线圈26通电，弧面铁芯27吸附在太空站模型6的可操作段钢制圆筒外表面上，作为航天员操作时的扶手，抵消因操作而产生的反作用力。

在本申请的一种优选实施例中，所述的舱外航天服系统103可以包括：舱外航天服15和航天服支架17。

在具体实现中，一个气浮台3上面安装了航天服支架17，该支架由圆管焊接而成，在支架上部有三个支点可以和舱外航天服15的支撑点配合，从而可以将航天服15放置在支架上，航天员进入航天服15内进行操作训练时，不用承担航天服的重量。

在优选的实施例中，所述数据检测设备，可以包括：

数据检测设备主体为一台收集检测数据的计算机；

所述计算机分别与扭矩传感器、推拉力传感器连接，能接收到扭矩传感器产生的力矩信号和推拉力传感器产生的力信号。

在具体实现中，计算机16通过数据线与扭矩传感器9和推拉力传感器11相连接。在拧紧螺母8的扭矩可以由扭矩传感器9检测到，检测到的信号送到计算机16存储。以及插入的推力和拔出的拉力能被推拉力传感器11检测出，检测到的信号送到计算机16存储。

所述空气压缩机1启动后向所述气浮系统101提供气压，所述气浮系统101排出气流，在气浮系统101与支撑平台2之间形成气膜，使气浮系统101在支撑平台的平面上自由移动与转动用以模拟三个自由度的微重力运动状态。

在本申请的一种优选实施例中，所述空气压缩机1启动后向所述气浮系统101提供气压，所述气浮系统101排出气流，在气浮系统101与支撑平台2之间形成气膜，可以包括：所述空气压缩机1提供气压，全部经过所述气浮脚4的进气孔，导入小孔，小孔排出气流。

在具体实现中，空气压缩机1通过供气软管给所有气浮脚4提供一定压力的气体，高压气体通过气浮脚4的进气孔导入气浮脚的中心小孔并从气浮脚4和支撑平台2之间的缝隙排出到大气中，从而在气浮脚4与支撑平台2之间形成气膜，形成近似无摩擦接触。并结合球铰连杆与气浮脚形成的球铰副，能使航天员在作业训练过程中，气浮台3受到作用力和反作用力时，在支撑平台2平面上自由移动与转动，从而模拟出三个自由度的微重力运动状态。

在优选的实施例中，磁吸扶手作为航天员操作时的扶手，抵消因操作而产生的反作用力。

以及，所述太空站模型外表面的刻度用于测试最佳的扶手设计位置。

在具体实现中，宇航员进入航天服支架17上的航天服15中，当宇航员进行拧紧操作时，一手拿扳手14操作螺母8，另一手扶住磁吸扶手7，以抵消操作的反作用力。拧紧螺母8的力矩信号通过扭矩传感器9送到计算机16记录，同时通过圆筒外表面的刻度记录该操作时磁吸扶手7的位置，从而知道航天员进行扭矩操作的最佳扶手设计位置。

当航天员进行电连接器插拔时，将太空站模型气浮台17转动到另一面，航天员一手持插头13，插入插座12中，同时另一手扶住磁吸扶手10，抵消操作的反作用力。该操作力经推拉力传感器11传送到计算机16记录。由于气浮台3和支撑平台2之间无摩擦，所以拧紧和拧松螺母8的扭矩以及插座12、插头13之间的插拔的推拉力，都需要航天员通过磁吸扶手7和10平衡，这样的操作和无重力环境是相同的。这样便实现了航天员在模拟太空微重力环境进行电连接操作和机械连接操作的训练和操作力检测。

需要说明的是，对于本申请实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的部件组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请的装置并不受所描述的材料和部件的限制，因为依据本申请，某些材料和部件可以采用其他材料和部件代替。

其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

在具体实现中，所述装置实施例可以设置单独运用，或根据实际情况设置多个配套使用，本申请也可用于众多通用或专用的流控阀操作装置中，本申请对此不做限制。

以上对本申请所提供的一种太空舱外作业能力训练与检测的装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种太空舱外作业能力训练与检测的装置，其特征在于，包括：

空气压缩机，支撑平台，至少两个气浮系统，太空站系统，舱外航天服系统和数据检测设备；

所述气浮系统均放置于支撑平台上，并与所述空气压缩机相连接；

所述太空站系统和舱外航天服系统分别放置在所述气浮系统上；

所述空气压缩机启动后向所述气浮系统提供气压，所述气浮系统排出气流，在气浮系统与支撑平台之间产生气膜，使气浮系统在支撑平台的平面上自由移动与转动，用以模拟三个自由度的微重力运动状态；

所述太空站系统包括：太空站模型，螺母组件，插座组件和磁吸扶手；所述太空站模型底部固定在气浮台上；所述太空站模型表面标有刻度，将表面划分成均匀的小方格；所述螺母组件与太空站模型表面连接；所述插座组件与太空站模型表面连接；所述磁吸扶手开启后，可以吸附在所述太空站模型表面上，通过所述太空站模型表面刻度准确记录下所述磁吸扶手吸附的位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气浮系统包括：

气浮台，球铰连杆和气浮脚；

所述气浮台边缘圆周上开有3个螺孔，在每一个螺孔中装入和所述气浮脚铰接的所述球铰连杆；

所述气浮脚下部有圆形凹槽，并在中心开有小孔，所述气浮台侧面开有进气孔与小孔相通；

所述气浮脚圆盘上部中心开有球窝，和所述球铰连杆的球相配合，二者之间可以自由转动，形成球铰副；

所述空气压缩机提供气压，全部经过所述气浮脚的进气孔，导入小孔，小孔排出气流；

所述气浮脚排出的气流形成气膜，和所述球铰连杆与所述气浮脚形成的球铰副，能在气浮台受力时，实现所述气浮系统在所述支撑平台的平面上自由移动与转动，模拟三个自由度的微重力运动状态。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述螺母组件包括：

螺母，螺栓，扭矩传感器和操作台；

所述操作台是固定在太空站模型表面，扭矩传感器固定在操作台上，螺栓连接扭矩传感器，螺母装在螺栓上；

当拧动螺母时，反作用力通过螺栓传给扭矩传感器，产生力矩信号。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述插座组件包括：

插头，插座和推拉力传感器；

推拉力传感器固定在太空站模型表面，插座连接推拉力传感器；

当将插头插入插座，或将插头从插座拔出时，反作用力通过插座传给推拉力传感器，产生力信号。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述磁吸扶手包括：

把手，开关，圆筒，线圈和弧面铁芯；所述开关在所述把手部位；

所述把手连接筒杆一端，筒杆内部可安装电池；

所述圆筒另一端连接弧面铁芯一端；

所述弧面铁芯两边有线圈，弧面铁芯另一端的表面是弧形，有利于通电后，电磁铁更牢固的吸附在太空站模型的表面。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述舱外航天服系统包括：

舱外航天服和航天服支架；

舱外航天服上安装三个支点；

所述航天服支架由圆管焊接而成，航天服支架底部固定在安装航天服系统气浮台上，航天服支架上部有三个支点可以和舱外航天服支撑点配合。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据检测设备包括：

数据检测设备主体为一台收集检测数据的计算机；

所述计算机分别与扭矩传感器、推拉力传感器连接，能接收到扭矩传感器和推拉力传感器产生的力信号。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，磁吸扶手作为航天员操作时的扶手，抵消因操作而产生的反作用力。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述太空站模型外表面的刻度用于测试最佳的扶手设计位置。

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