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舱外航天服试验用暖体假人的研制与性能分析

发布时间:2020-08-10 13:37
“神七”载人飞船升空首次实现了航天员太空行走,是我国航天事业重要的里程碑事件。航天员太空漫步所穿着航天服可视为一个微型的航天器,也是一个综合性生命保障系统。太空处于真空状态,没有大气层保护,温度变化很大,无阳光时温度可低于零下200℃,太阳照射时温度可高于100℃,舱外航天服除了向航天员提供大气压力和供呼吸氧气外,还需要根据外环境的变化使用液力循环系统对其内部的微环境进行升温和降温,以维持人体生存所需温度场。所研制的舱外航天服是否满足航天员遨游太空的需要,需在地面模拟环境中进行试验。为了保障航天员的安全,使用暖天假人来模拟真人试验是一种可行的方案。
自20 世纪40 年代由美军研制出第一个暖体假人[1]用于研究军服的热舒适性以来,世界上已经研制出多种暖体假人[2],但基本上为干式暖体假人和出汗暖体假人。然而,暖体假人是机械模拟装置,它在模拟人体的某些功能方面尚有种种限制,往往不能同时满足多种模拟要求,暖体假人的发展呈现出专门化的趋势,如针对消防服抗燃烧试验的假人,针对透湿性能测试的出汗暖体假人以及针对特定试验环境下如空间飞行器等使用的暖体假人等。我国也研制了多个假人,东华大学在20 世纪90 年代后期为我国“神五”首次载人航天研制了舱内航天服测试用姿态可调式暖体假人[3],总装备部军需装备研究所参照国外原型研制出一种出汗暖体假人[4],用于评价军服的热舒适性。
本文介绍的舱外航天服试验用暖体假人是一种可以满足舱外航天服特定测试要求的暖体假人,首次采用了“分体独立,实时组合”的设计思想,研制了新型的易拆装系列关节,可以在舱外航天服狭小空间内实时组装和分解,解决了暖体假人在舱外航天服内的测量问题。同时该假人在一般的恒温、恒功率测量模式基础上,首次实现了变温、变功率控制模式,满足舱外航天服的试验要求。
 
1、暖体假人的功能与主要组成
舱外航天服试验用暖体假人是测量舱外航天服整体热性能的试验设备,可模拟人体皮肤温度和非蒸发散热对航天员在舱外活动时体温波动和代谢产热波动的极限情况,可避免将受试人员多次、长时间地暴露于各种恶劣的模拟环境中,有利于测试航天服整体或局部区域的热学参数,为航天服的设计提供试验依据。该试验设备主要实现以下用途:
1)用以实现人体代谢产热模拟,在舱外航天服系统热控试验中进行人体代谢产热模拟和热控状态监测;
2)作为舱外航天服系统中的液冷服散热性能试验时的显热热源,测试舱外航天液冷服的热交换特性。
 
1.1 暖体假人本体系统设计
参考“中国飞行员人体测量尺寸”国家军用标准,按身高为168 cm推算人体各部位的数据作为暖体假人本体的设计参考依据,使暖体假人具有与真人相似的几何形态和肢体活动特性,在舱外航天服特定空间内具有良好的穿着状态,同时与液冷服有良好的接触面积。 暖体假人本体结构示意图如图1 所示。暖体假人正常形态分为头颈部、胸背部、腹臀部、左臂、右臂、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足,右足这11 个独立的加热区段。
本文的暖体假人本体部分设计为无骨架结构,各区段的铜壳兼做承力结构。独立区段采用主、辅两部分对合结构,主体部分以螺栓与相应关节相连接,是主承力部分,辅体部分相当于“合盖”的作用,通过联接与主体部分结合。采用主辅结构可方便内部加热元件的安装、维护和更换元件。
暖体假人能够满足舱外航天服的穿脱要求,关键在于关节的设计。本文的暖体假人各部分使用全新研制的易拆卸关节相连接,可分段在舱外航天服特定空间内组装和拆卸,能保证对其具有良好的穿脱能力和穿着状态。暖体假人关节分为头颈关节、肩关节、腰关节、胯关节、膝关节和踝关节。关节设计具有以下特点:
1)快速拆装,并能在限定的狭小空间内完成暖体假人装配和拆卸。
2)信号线、功率线能方便地穿过相连的关节并通过连接插头连接; 关节的转动对线路无任何影响和损伤。
3)具有隔热装置,隔绝各区段的内部空气热对流。
4)具有一定的防水功能,短时间外部湿淋状态下不会引起水渗漏至内部引起故障。
5)采用不锈钢数字洗削加工,精度高、坚固耐用。
 
1.2  暖体假人测控系统设计
测控系统是除暖体假人本体之外的最重要的部分,研制过程中充分考虑了系统的先进性、可靠性及测控精度等问题,采用美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发系统,在各项指标满足要求的情况下较快地完成了系统的开发。该系统包含12 路假人内部测温输入通道、12 路外部测温(校准)通道、12 路功率输出通道和4 路环境温度及2 路环境相对湿度监测通道。内部采用先进的模糊算法和PID(proportion integral differential)算法以确保控制精度,具有恒皮温、变皮温、恒功率、变功率4 种工作模式及模式相互切换功能,能实现长时间无人值守的恒变温试验并记录全部数据。同时,该设备具有安全保护措施,防止因漏电、短路等故障对人员或航天服内的电子仪器设备造成伤害。暖体假人系统的基本组成如图2 所示。
 
2  暖体假人的动态响应过程分析
暖体假人在获得新的稳态热平衡时,必经过一动态响应过程,这一过程的特性在一定程度上反映了系统本身的结构特性和控制品质,因此,对响应过程的分析与评价可作为考核系统性能的一种重要手段。温度是储存在物体中的能量的度量,可作为表征系统热状态的变量,即可通过测定暖体假人内外表面温度的变化规律描述系统的响应过程。试验在恒温恒湿室进行,除特殊要求的变化条件,测试环境设置为温度为21℃、相对湿度为60%、风速≤0.2m/s。
暖体假人的动态响应试验在其全身11 个区段同时进行的,数据分别记录。由于暖体假人的胸背为人体躯干最主要部分,面积最大,热容量也最大,与其他区段的相互影响较大,它的动态响应特性基本代表整个暖体假人的动态响应特性。为简化叙述,以胸背部为典型区段讨论暖体假人各种条件下的动态响应特性。
 
2.1  恒环境温度、恒皮温下暖体假人的响应过程
暖体假人在“恒皮温”模式下进行试验,设定“假人控温”为33℃。暖体假人从环境温度为21℃开始升温,直至达到稳定状态,其动态响应曲线如图3 所示,其中,环境温度值和暖体假人铜壳内表面温度值为系统传感器监测结果,假人外表面温度为每隔30s 用温度枪测得的暖体假人铜壳外表面的温度值。
由图3 可以看出,在环境温度比较稳定(基本恒定在(21±0.5)℃范围内)的情况下,暖体假人升温200 s后,其内外表面的温度从21℃升高至33℃,并基本稳定在(33±0.2) ℃范围内,系统始终保持热平衡。
2.2  环境温度变化、恒皮温下暖体假人的响应过程
在“恒皮温”模式下对暖体假人进行试验,设定“假人控温”为33℃。环境温度从15℃升高至20℃,再升高至25℃,并分别在每个温度条件下稳定一段时间。暖体假人从初始环境温度,即15℃开始升温,其动态响应曲线如图4 所示。
由图4 可以看出,不论环境温度处于稳定状态还是变化状态,暖体假人铜壳内表面的温度均能稳定在设定值,即33 ℃,并在(33±0.2) ℃范围内变化;暖体假人外表面的温度则不同,当环境温度稳定时,暖体假人外表面的温度可基本稳定在(33±0.2)℃范围内,当环境温度变化时,由于受到环境空气对流的影响,暖体假人外表面的温度在一定范围内随环境温度变化,但其变化范围始终不超过±0.4 ℃,这也进一步说明了系统具有良好的稳定性。
 
2.3  恒环境温度、变皮温下暖体假人的响应过程
暖体假人在“变皮温”模式下的试验分为不同温度设定下的变温过程和不同升温速率设定下的变温过程两种。
(1)不同温度设定下的变温过程。设置 “暖体假人控制温度”的变化过程为从33℃升高至36℃,再升高至39℃,最后降至33℃,并且在每一个设定温度状态持续1000s,其动态响应曲线如图5 所示。由图5 可以看出,暖体假人铜壳内表面温度从一个温度水平升高至另一温度水平(如从33℃升高至36℃)并进入稳定状态约需要200s,暖体假人外表面的升温略慢,且由于环境自然对流的影响,存在一定的滞后现象。暖体假人降温过程由于是自然冷却降温,因此速度较慢,从39℃降至33℃约需要650s。
(2)不同升温速率设定下的变温过程。设置“假人控制温度”分别以0.5,1.0,2.0℃/min的升温速率从30 ℃升高至39℃,并在每一个稳定温度状态下持续1000s,其动态响应曲线如图6 所示。由图6 可以看出,暖体假人铜壳内表面温度及假人外表面温度均可按照设定的升温速率升温,其实际升温曲线与设定曲线基本重合,说明在上述升温速率下其动态响应过程良好。降温过程因环境条件不变,不同设定条件下温度从39℃降到30℃的降温速率基本是一致的,约需要750 s。

 
2.4  恒环境温度、变功率下暖体假人的响应过程
在“变功率”模式下对暖体假人进行试验,设置功率分别按照2%/min 和8%/min 的速率从150W 升高至300 W,并分别在每个功率稳定状态持续一段时间,其持续的时间长短视暖体假人表面温度达到的状态而定,其动态响应曲线如图7 所示。
对比图7(a)与7(b)可以看出,在功率按直线上升阶段,暖体假人内、外表面的温度也近似按直线升高,当功率稳定于某一值时,暖体假人内、外表面温度也逐渐趋于稳定,但其趋进过程相对较慢,这与暖体假人本身的热容量相关,温度的变化不可能因功率的转折而发生转折性变化,而只能逐步趋进一个稳定值。功率升高速率为2%/min 时,其直线升温的结束点至达到稳定所需的时间比功率升率为8%/min 时所需的时间要短,这说明功率转折角度越陡,其温度响应过程越长。当温度达到稳定后,暖体假人即可维持在热平衡状态。
 
3、暖体假人的测量精度
暖体假人的精度是一项重要技术指标,在暖体假人的设计过程中,为了减小误差的影响,保证较高的测试精度,对暖体假人的控制温度和实际输出功率都做了标定,温度偏差小于±0.25℃,功率偏差小于5%,使系统误差降到最低。为考核暖体假人的重复精度,在温度为21℃、相对湿度为60%、风速≤0.2m/s 人工气候室中进行了假人的裸体试验,试验在假人“恒皮温”模式下进行,设定假人皮肤温度分别为30,33,36,39,42℃,对暖体假人裸态CLO 值进行了10 次重复测量,结果如表1 所示。由表1 可知,本文的暖体假人具有很高的测量精度,测量相对标准差不大于2%。
图8 为在人工气候舱中裸体试验状态下的暖体假人。
 
4、结语
本文介绍了舱外航天服试验用暖体假人的研制情况。该舱外航天服暖体假人具有中国航天员的体形特征,首次实现了恒皮温、恒功率、变功率和变皮温控制,能够满足舱外航天服特殊使用条件下的测量要求。在不同测量模式下的测试试验表明,本文设计的暖体假人系统具有良好的动态响应特性和测量精度,在地面模拟太空试验中为我国舱外航天服的研制提供了试验依据。

 

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