CN110090418B - 一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置及训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置及训练方法，包括钢丝绳、模拟负载、横杆、把手、悬吊机构、回转机构、力传感器和角度传感器，钢丝绳承受训练装置的全部重力，通过使用细直径钢丝绳、增加钢丝绳长度和控制训练装置扭转角度小于20°的方式，使钢丝绳的扭转力矩相对模拟训练装置的惯性力矩来说可以忽略不计，从而使训练装置绕垂直于水平面轴线的旋转运动效果等同于在太空中的运动效果，航天员通过推拉把手来改变训练装置的运动状态，实现在地面上模拟微重力环境下搬运物体的训练任务。

Description

一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置及训练方法

技术领域

本发明涉及一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置及训练方法，本发明是随着航天技术的发展而出现的新技术领域：航天员地面微重力模拟训练。相比于数字仿真和理论评估，通过微重力模拟所得到的试验数据真实性、可靠性更强，具有不可替代的优势。不同于其它物理作用，重力是万有引力的分力，其产生无需接触，也无法通过现有的科学方法消除或隔断，在地面上建立模拟系统，模拟太空的微重力环境一般采用机械装置实现。

背景技术

从地球到太空，从重力环境到失重环境，航天员虽然感受不到物体的重力，但是受轨道力学影响物体仍然具有质量和重心，惯性力依然存在，在太空中大物体的运动特性和力学特性与在地球重力环境中有很大不同。例如，航天员需要从空间站上卸下并运送一块重约17吨的太阳能电池板，在太空中航天员可以很轻松的将其举起，但是航天员不容易抓住它，因为牛顿第二定律依然适用，由于电池板的巨大质量，致使产生的力大到将手套撕毁。如何对航天员在地球开展训练才能使航天员在太空中操纵的物体和手套都不会损坏，并避免发生更糟糕的情况，从容应对空间任务，将成为载人航天后续任务顺利完成的重中之重。

为了让航天员在太空工作起来游刃有余，人们曾经想出很多方法在没有太空真实环境的地面上模拟太空环境来训练航天员，目前模拟微重力环境主要有两种方式：“运动法”和“力平衡法”。

1、运动法模拟微重力

运动法使物体按照特定的规律运动，让物体所受的重力几乎全部用来抵消惯性力或离心力，即重力全部用来提供物体运动所需加速度，以此消除重力影响，实现微重力模拟，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式。

运动法是将物体和宇航员提升到较高的高度(高塔顶端、飞机巡航高度、探空火箭亚轨道顶点)，然后让其自由下落，下落过程中可视为物体和宇航员处在微重力环境中，当下落到较低高度时定停止，对于落塔法和抛物飞行法还可以反复进行以上步骤。运动法具有十分接近微重力环境的模拟效果，但是造价昂贵，持续模拟时间短(落塔法10-15秒/次，抛物飞行法10-15分钟/次，探空火箭法30-50分钟/次)，无法实现大规模长时间模拟训练。

2、力平衡法模拟微重力

力平衡法主要通过平衡力抵消重力影响，如利用气足支撑、磁悬浮、中性液体浮力、静平衡机构等方式抵消重力，模拟微重力环境，具体方法包括气浮法、磁悬浮法，水浮法、静平衡机构法等。

气浮法和磁悬浮法是利用压缩空气或磁力将物体与接触面分离，使物体不受摩擦力影响，合理控制气压或磁力以抵消物体重力，这种微重力模拟方法效果好，但是成本高。水浮法是让物体和宇航员潜在水中，利用水的浮力抵消重力，水浮法无法消除流体阻力对模拟环境的影响，而且宇航员需要携带氧气供给装置，导致自身行动不便。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置及训练方法，通过绳索的拉力来平衡物体重力，达到模拟微重力环境和训练航天员在太空中搬运物体的效果。

本发明的目的是这样实现的：包括横杆、设置在横杆两端的重量可调节的模拟负载、悬吊机构、回转机构、力传感器、角度传感器，回转机构包括设置在横杆的中间位置的回转架、设置在回转架下端的回转轴、通过调心球轴承设置在回转轴外的轴承座、设置在轴承座内与回转轴下端之间的M型弹簧片，角度传感器设置在轴承座下端，所述悬吊机构有两个对称设置在横杆两端上，每个悬吊机构包括设置在横杆上的悬吊架、设置在悬吊架上的悬吊轴、铰接在悬吊轴上的钢丝绳伸缩器，两个钢丝绳伸缩器之间设置有钢丝绳，钢丝绳中间位置通过吊环绳索与墙顶部固连，力传感器有两个且分别设置在个悬吊架下端，每个力传感器下端设置有一把手。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.在横杆上还对称设置有位置可调节的配重块。

2.所述把手由一长杆和对称设置在长杆两端的两个短杆组成，其且两个短杆与长杆垂直。

3.所述力传感器是六维力传感器。

4.在悬吊架下端还设置有角速度传感器。

5.训练方法步骤如下：

步骤一：根据要求安装模拟负载的杠铃片；

步骤二：拉紧吊环绳索、钢丝绳并提起训练装置，使钢丝绳承受训练装置全部重力，调整左、右两侧钢丝绳的长度并使它们等长；

步骤三：调整配重块的位置，使横杆保持水平，即训练装置左右两侧对回转中心的弯矩相等，调整后把配平块上的旋钮拧紧固定；

步骤四：航天员手握把手并向前施加推力F_T，随着推动时间的积累，训练装置将产生转角θ，随后航天员施加反向推力-F_T，使训练装置减速后反向转动，最后航天员施加推力F_T，减速停车，训练装置回到原位，航天员如此反复进行此步骤，可以训练在微重力环境下搬运物体，体验大质量物体在不受重力的环境中的启动和制动过程，6维力传感器、角度传感器、加速度传感器在训练过程中将实时采集训练数据；

步骤五：航天员训练结束后，控制钢丝绳下降，使训练装置慢慢落到地面上，释放钢丝绳的拉力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明与其它微重力环境模拟训练装置相比，具有体积小、成本低、改变负载质量方便的优点；2、实验及训练航天员之前的准备工作量小，训练前只需安装合适质量大小的负载，并拉紧钢丝绳即可开始训练，准备过程只需10-15分钟；3、不受场地和时间限制，可以长时间连续进行训练，无需像落塔法或抛物飞行法那样单次训练时间不足10分钟。

本发明关键点

1、钢丝绳承受航天员微重力训练装置的全部重力

钢丝绳平衡训练装置的重力，使训练装置在水平面内的旋转运动效果与在太空中的效果一致。

2、除水平旋转惯性力以外，其它阻力均可忽略

训练装置所受的阻力与训练装置的惯性力相比不足1％。钢丝绳长达30-50米，其扭转阻力矩可以忽略，轴承和角度传感器的阻力矩可以忽略，低速运动时空气阻力可以忽略。因此，训练装置在水平面内的旋转运动效果与在太空中的效果一致。

3、钢丝绳2个末端分别固定在横杆两侧，与回转中心O保持一定距离R2

相比于固定在回转中心O，钢丝绳2个末端固定在横杆两侧可以有效降低横杆所受的弯矩，增加训练装置的结构强度，减少横杆的弯曲形变量，提高模拟训练的准确度。

4、负载质量可调节

可根据不同训练场景调整负载质量m1和m2。

5、包含多个传感器

可测量微重力环境模拟训练装置的旋转角度、角速度和角加速度，以及航天员的操作力，有助于后续的实验分析。

6、回转轴与角度传感器之间弹性连接

回转轴与角度传感器之间通过“M型”弹簧片连接，“M型”弹簧片可以将回转轴与测量轴进行柔性连接，即防止了由于训练装置发生位移和侧倾对角度传感器造成破坏，也保证了角度测量的准确性。

附图说明

图1是航天员微重力模拟装置原理图-主视图；

图2是航天员微重力模拟装置原理图-俯视图；

图3是训练装置总体结构；

图4是中心旋转装置剖视图；

图5是负载安装方式图(爆炸图)

图6是钢丝绳、把手、力传感器连接图。

图中件号说明：

1.负载一、2.钢丝绳、3.悬吊装置、4.负载二、5.六维力传感器二、6.把手二、7.滑动转动副(调心球轴承)、8.“M”型弹簧片、9.角度传感器、10.回转轴、11.横杆(水平钢管)、12.把手一、13.六维力传感器一、14.安全绳、15.配重块一、16.回转架上部、17.配重块二、18.航天员、19.加速度传感器、20.轴承座(机架)、21.定位销钉、22.回转架下部、23.回转轴、24.调心球轴承、25.梯形螺纹杆、26.锁紧螺母、27.钢丝绳伸缩器、28.悬吊轴、29.悬吊架下部、30.悬吊架上部

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

从地球到太空，从重力环境到失重环境，航天员虽然感受不到物体的重力，但惯性力依然存在，在太空中大物体的运动特性和力学特性与在地球重力环境中有很大不同。如何对航天员在地球开展训练才能使航天员在太空中操纵的物体和手套都不会损坏，并避免发生更糟糕的情况，从容应对空间任务，将成为载人航天后续任务顺利完成的重中之重。目前落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等微重力训练方法有成本高、单次训练时间短等缺点，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，通过绳索的拉力来平衡物体重力，达到模拟微重力环境和训练航天员在太空中搬运物体的效果。本发明采用钢丝绳悬吊的方式平衡训练装置的重力，钢丝绳、轴承和角度传感器的扭转力矩相对模拟训练装置的惯性力矩来说可以忽略不计。

一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置(以下简称“训练装置”)，包括钢丝绳2、模拟负载1和4、横杆11、把手6和12、悬吊机构、回转机构16、力传感器5和角度传感器9，钢丝绳承受训练装置的全部重力，通过使用细直径钢丝绳、增加钢丝绳长度和控制训练装置扭转角度小于20°的方式，使钢丝绳的扭转力矩相对模拟训练装置的惯性力矩来说可以忽略不计，从而使训练装置绕垂直于水平面轴线的旋转运动效果等同于在太空中的运动效果，航天员通过推拉把手来改变训练装置的运动状态，实现在地面上模拟微重力环境下搬运物体的训练任务；

钢丝绳的直径为2mm，钢丝绳长度在30m-50m之间；

航天员对把手的推力或拉力的方向平行于训练装置做旋转运动的切向方向，当训练装置的旋转角度小于10°并且推力作用点距离旋转中心大于2m时，航天员推动训练装置的旋转运动可以近似看作是对一个物体的平移运动，因此该训练装置除了可以训练航天员如何使太空中漂浮的物体做旋转运动，可以训练航天员如何使太空中漂浮的物体做平移运动；

回转机构由回转轴、滚动轴承、轴承座(机架)等组成，回转机构可以限制训练装置的运动形式(只能绕垂直于水平面轴线做旋转运动)，由于滚动轴承不受轴向力作用，而且受到的径向力不超过航天员对把手的推力，因此滚动轴承的阻力矩相对模拟训练装置的惯性力矩来说可以忽略不计。

如图1(航天员微重力模拟装置原理图-主视图)和图2(航天员微重力模拟装置原理图-俯视图)所示，负载一1和负载二4分别固定在横杆11的左端和右端，可以根据实际训练内容调整负载一质量m₁和负载二质量m₂，但是要保证m₁＝m₂，以便保证整个训练装置的平衡，负载一与负载二距离回转中心O的距离均为R₁(把手回转半径)，R₁的长度也可以根据实际训练内容进行调节。钢丝绳2由3根钢丝绳组成，3根钢丝绳连接在一起形成“星型”结构，钢丝绳2左端和右端分别与横杆11固定，固定点如图1所示，钢丝绳左端和右端与回转中心O的距离均为R₂，钢丝绳2顶端与悬吊装置3固定，钢丝绳承受航天员微重力训练装置的全部重力(即训练装置全部重力为绳拉力F_L)，悬吊装置3仅仅起到固定钢丝绳和承受钢丝绳拉力F_L的作用，其结构形式没有特定要求，由于悬吊装置3可以安装到高楼的楼顶，而横杆11等其它机构在地面附近，因此钢丝绳2顶端与横杆11回转平面的距离L可以很长，通常情况下可以达到30-50米，当钢丝绳长度很长而训练装置的回转角度比较小(±20°以内)的情况下，钢丝绳自身的回转阻力矩非常小，相对训练装置的惯量矩来说可以忽略。回转轴10与横杆2的中心位置固定，回转轴10上安装了调心球轴承7，固定了回转轴的水平位置，这样一来，训练装置就可以绕回转轴10旋转，调心球轴承7的轴承外圈与壳体可以相对滑动，用来补偿钢丝绳不同松紧程度下产生的竖直方向位移。回转轴10与角度传感器9之间通过“M型”弹簧片8连接，角度传感器9负责测量回转轴的旋转角度θ、角速度ω和角加速度ε，相当于测量整个训练装置的旋转角度θ、角速度ω和角加速度ε，“M型”弹簧片8可以将回转轴与测量轴进行柔性连接，即防止了由于训练装置发生位移和侧倾对角度传感器9造成破坏，也保证了角度测量的准确性。把手一12与横杆11之间通过6维力传感器一13连接，把手二6与横杆11之间通过6维力传感器二5连接，航天员训练时抓住其中1个把手，6维力传感器可以检测航天员施加到把手上的力(空间3个方向的力和空间3个方向的力矩)，如果是多名航天员协同训练，可以让其中2名航天员抓住把手一13的两端，让另外2名航天员抓住把手二6的两端。

航天员训练方式：总的来说，航天员握住把手二6并给把手施加力F_T，使微重力模拟装置绕回转轴10旋转一个小的角度θ，负载二4也会产生沿圆周切线方向的速度V和加速度a，6维力传感器二5可以测得航天员对把手施加的力F_T，角度传感器9可以测量微重力模拟装置的回转角度θ，F_T和θ可以帮助我们分析物体在太空中的运动规律。训练时，航天员在地面对微重力模拟装置进行操作，由于钢丝绳和调心球轴承的阻力矩小到可以忽略的程度，航天员的操作手感近似等同于在太空中对一个物体(其质量和惯量与微重力模拟装置相同)进行操作。通过改变负载质量m₁和m₂，可以改变航天员的训练对象，通过改变负载回转半径R₁，可以改变物体的移动速度V。

航天员微重力模拟训练装置的力平衡方程如下：

M＝(m₁R₁ ²+m₂R₁ ²+J)ε+M₁+M₂+Bω²＝F_TR₁ (式1)

式中，M——微重力模拟训练装置总阻力矩；

M₁——轴承和转角传感器的阻力矩；

M₂——钢丝绳的扭转阻力矩；

R₁——负载一、负载二与回转中心的距离；

m₁，m₂——负载一质量，负载二质量；

J——除负载之外其余部分的转动惯量；

B——空气阻力系数；

ω——训练装置旋转角速度；

F_T——航天员对把手的推力。

航天员正常训练时，轴承不受轴向力作用，而且受到的径向力不超过航天员对把手的推力，因此轴承和角度传感器的阻力矩与训练装置的惯性力矩相比，前者不足后者的1％，从而可以忽略轴承和转角传感器的阻力矩M₁。

钢丝绳扭转阻力矩方程如下：

式中，M₂——钢丝绳扭转力矩；

G_r——钢丝绳扭转刚性弹性系数；

Φ——钢丝绳扭转角度；

l——钢丝绳悬吊长度；

J_r——钢丝绳断面极惯性矩。

由于钢丝绳悬吊长度l长达30-50米，而且选用直径2mm的细直径钢丝绳，因此M₂小到可以忽略的程度。

由于训练时，训练装置保持低速运动，ω很小，Bω²可以忽略。

忽略M₁、M₂和Bω²后，式1变为：

M＝(m₁R₁ ²+m₂R₁ ²+J)ε＝F_TR₁ (式3)

设m为训练装置的等效质量，且有：

m₁R₁ ²+m₂R₁ ²+J＝mR₁ ² (式4)

即：

M＝mR₁ ²ε＝F_TR₁ (式5)

其中，m为训练装置的等效质量，

即航天员仅能感受到训练装置的惯性力。式5已经能够证明本发明的合理性并能够用于航天员微重力训练，如果进一步简化式5，将训练装置在±10°以内的回转运动近似看作是等效质量为m的物体的平移运动，将得到下式：

式中，a——负载切向加速度。

因此，航天员在小角度范围内(例如±10°以内)推动物体时，可以近似看作是对负载的平移。

如图3，绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置主要由钢丝绳、负载(杠铃片组)、回转机构、把手、力传感器、角度传感器等组成。负载一杠铃片组1和负载二杠铃片组4分别固定在横杆11两端，钢丝绳2的末端悬挂在横杆11两侧，并承担训练装置的全部重力。通过沿横杆11轴向方向移动配重块一15和配重块二17的位置可以对整个训练装置进行配平。轴承座20与地面固定，整个训练装置可以绕轴承座20在水平面内旋转，旋转角速度为ω，角度传感器9可以测量其转角和角速度。把手与横杆11之间通过6维力传感器5连接，6维力传感器5可以测量航天员18对训练装置的作用力，加速度传感器19可以测量航天员推动把手的加速度。安全绳14的作用是当承载钢丝绳2失效(断裂、发生塑性变形等)时，安全绳可以拉住训练装置，避免造成意外伤害。

图4是训练装置中部的回转机构剖视图，回转机构是整个训练装置的旋转轴，它约束整个训练装置的运动方式(训练装置只可以绕中心轴线做水平旋转运动)。横杆11采用空心无缝钢管，材料40Gr，与实心钢管相比，空心钢管可以在保证足够的结构强度的同时减小质量。回转架16、22由上、下两部分组成，这两部分将横杆11紧紧夹住，并通过定位销钉21来确保回转架在横杆的正中心位置。回转轴23上方与回转架下部22固定，下方通过“M”型弹簧片与角度传感器8弹性连接，弹性连接可以在保证测量精度的同时保护角度传感器不受挤压破坏，回转轴23和轴承座20之间是调心球轴承24，调心球轴承可以在轴承座内上下自由滑动，调心球轴承允许回转轴的轴线与轴承座轴线不平行，角度传感器9的外壳固定在轴承座20上，轴承座与地面固定。

图5是负载安装方式图(爆炸图)，为了使负载质量准确、方便安装和节约成本，负载使用标准杠铃片，通过安装不同质量和不同数量的标准杠铃片来拼凑出不同的负载质量，将负载杠铃片1插入到梯形螺纹杆25上，然后将锁紧螺母26旋入螺纹杆并拧紧，即可完成负载的安装。

图6是钢丝绳、把手、力传感器的连接图，钢丝绳伸缩器27的一端拴在钢丝绳2上，另一端钩住悬吊轴28，钢丝绳伸缩器27的作用是调节钢丝绳的长度，使训练装置保持水平。悬吊轴28安装在悬吊架上部30上，安全绳14也挂在悬吊架上部30上，悬吊架上部30与悬吊架下部29紧紧抱住横杆11。把手二6连接到6维力传感器5上，6维力传感器5与悬吊架下部29固定。

本发明的训练方法包括：

1、如图3，安装合适质量的模拟负载1、12的杠铃片，比如航天员要做20kg物体的搬运训练，则左侧安装10kg的杠铃片，右侧安装10kg的杠铃片；

2、拉紧钢丝绳2并提起训练装置，使钢丝绳承受训练装置全部重力，调整左、右两侧钢丝绳的长度并使它们等长；

3、调整配重块15、17的位置，使横杆11保持水平，即训练装置左右两侧对回转中心的弯矩相等，调整后把配平块上的旋钮拧紧固定；

4、航天员18手握把手二6并向前施加推力F_T，随着推动时间的积累，训练装置将产生转角θ，随后航天员施加反向推力-F_T，使训练装置减速后反向转动，最后航天员施加推力F_T，减速停车，训练装置回到原位，航天员如此反复进行此步骤，可以训练在微重力环境下搬运物体，体验大质量物体在不受重力的环境中的启动和制动过程，6维力传感器、角度传感器、加速度传感器在训练过程中将实时采集训练数据，方便以后做分析时使用；

5、航天员训练结束后，控制钢丝绳缓缓下降，使训练装置慢慢落到地面上，释放钢丝绳的拉力。

Claims (7)

1.一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，其特征在于：包括横杆、设置在横杆两端的重量可调节的模拟负载、悬吊机构、回转机构、力传感器、角度传感器，回转机构包括设置在横杆的中间位置的回转架、设置在回转架下端的回转轴、通过调心球轴承设置在回转轴外的轴承座、设置在轴承座内的M型弹簧片，且M型弹簧片位于回转轴下端，角度传感器设置在轴承座下端，所述悬吊机构有两个且两个悬吊机构对称设置在横杆两端上，每个悬吊机构包括设置在横杆上的悬吊架、设置在悬吊架上的悬吊轴、铰接在悬吊轴上的钢丝绳伸缩器，两个钢丝绳伸缩器之间设置有钢丝绳，钢丝绳中间位置通过吊环绳索与墙顶部固连，力传感器有两个且分别设置在两个悬吊架下端，每个力传感器下端设置有一把手。

2.根据权利要求1所述的一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，其特征在于：在横杆上还对称设置有位置可调节的配重块。

3.根据权利要求1或2所述的一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，其特征在于：所述把手由一长杆和对称设置在长杆两端的两个短杆组成，其且两个短杆与长杆垂直。

4.根据权利要求3所述的一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，其特征在于：在悬吊架与墙顶部之间还设置有安全绳。

5.根据权利要求4所述的一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，其特征在于：所述力传感器是六维力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置，其特征在于：在悬吊架下端还设置有角速度传感器。

7.一种基于权利要求6的绳索悬吊式航天员微重力环境模拟训练装置的训练方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：根据要求安装模拟负载的杠铃片；

步骤二：拉紧吊环绳索、钢丝绳并提起训练装置，使钢丝绳承受训练装置全部重力，调整左、右两侧钢丝绳的长度并使它们等长；

步骤三：调整配重块的位置，使横杆保持水平，即训练装置左右两侧对回转中心的弯矩相等，调整后把配重块上的旋钮拧紧固定；

步骤四：航天员手握把手并向前施加推力F_T，随着推动时间的积累，训练装置将产生转角θ，随后航天员施加反向推力-F_T，使训练装置减速后反向转动，最后航天员施加推力F_T，减速停车，训练装置回到原位，航天员如此反复进行此步骤，可以训练在微重力环境下搬运物体，体验大质量物体在不受重力的环境中的启动和制动过程，6维力传感器、角度传感器、加速度传感器在训练过程中将实时采集训练数据；

步骤五：航天员训练结束后，控制钢丝绳下降，使训练装置慢慢落到地面上，释放钢丝绳的拉力。

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