太空组合弹簧拉力器设计

王硕

摘 要 本文将从简单常用的弹簧拉力器入手，从简单操作、方便高效出发，设计一种新型组合弹簧拉力器，以满足航天员在太空对于腿部、腰部、胳膊处肌肉的锻炼任务。

关键词 太空 弹簧拉力器 设计

中图分类号：V527；TH135 文献标识码：A

在长期的太空生活中，空间微重力成为航天员的头号“强敌”。人在失重状态下长期生活，没有力的作用，人的肌肉会萎缩。人的饮食、睡眠、运动、认知等均与地面有很大不同，人体心血管、骨骼-肌肉、免疫等系统都会发生适应性变化。考虑到这些对航天员身体健康状况的影响，航天员在太空间需进行必要的体育锻炼。现今航天员用到的太空锻炼设备一般为自行车功量计、微型跑道、弹簧拉力器及负压筒。

首先介绍一下装置的结构。整套装置分为脚部固定装置、腰部固定装置、腿部弹簧拉力器和手部弹簧拉力器四部分构成。

1脚部固定装置

脚部固定装置位于太空舱底部，负责将航天员控制成脚朝下，头部朝上的状态，在脚部固定装置两侧各安装两个弹簧拉力器固定拉钩，负责将弹簧拉力器一端固连在太空舱底部。

考虑到飞船这一特殊的环境（空间有限），所设计的脚部固定装置在使用时左右两边装置可由纽扣连接，并可根据不同脚板大小调整空间。装置外侧仍有连接纽扣，这一设计是为了在装置不用时可以将其反扣固定在飞船舱底部，从而节省空间。

2腿部弹簧拉力器

腿部弹簧拉力器的设计跟普通拉力器稍有区别。弹簧拉力器的两端不再是用于双手握持的装置，而是一端为圆环与太空舱底部的连接装置连接，另一端改装成圆形套环便于和腰部固定装置连接。

腿部弹簧拉力器整体效果图如图1。

3腰部固定装置

考虑到航天员的舒适性和与腿部弹簧拉力器的连接问题，腰部固定装置设计为类似于马甲的一个可穿戴的设备，制作材料与衣服制作材料类似，左右两侧有与腿部弹簧连接的连接装置。

设计示意图如图2。

腰部固定装置与腿部弹簧连接的示意图如图3。

4手部弹簧拉力器

在太空舱顶端安装两个短的弹簧拉力器，一端与飞船顶舱连接，另一端与普通拉力器手握装置一样。

5整个装置组合起来的示意图（如图4）

5.1关于弹簧长度的说明

因为无法得到飞船的规格数据，无法给出具体的长度设计，但设计要求需达到腿部弹簧长度应小于人体一般腿长。手部弹簧长度应很短。

这个装置相比于现有的太空锻炼设备，具有以下的优点。

（1）设计简单，在弹簧拉力器的基础上进行组合创新。

（2）充分考虑了飞船特殊环境，不用时可以将其收起，节省空间。

（3）现有应用弹簧拉力器设计的太空锻炼装置对人进行整体调节的效果较小，但通过此装置可以同时达到锻炼腿部、腰部和胳膊处肌肉的效果，效率高。

（4）使用方式简单方便。

下面介绍一下拉力器的使用方法。考虑到太空舱这一特殊环境，我将此款健身器件设计成可拆卸，随用随装。其中腰部固定装置、腿部拉力器和手部拉力器均可拆卸，不用时可以收起，这样可以避免占用太空舱宝贵的空间，同时也避免对航天员的活动造成障碍。

5.2使用步骤

（1）首先将双脚放于脚部固定装置中。

（2）将两套拉力器分别安装在底部和顶部的固定拉钩上

（3）航天员穿好腰部固定装置，将腿部拉力器与腰部固定装置连接

（4）之后双手握紧顶端拉力器，通过腿部发力和双手发力站直。站直后再蹲下重复进行。

整套设备的原理在于固定于底部的拉力器长度小于人体的腿长，当航天员将腰部装置固定在腰部时，此时双腿是弯曲的，之后航天员双手握住顶部拉力器，通过双手向下拉、双腿用力伸直以及腰部用力向上提使身体站直，在此过程中腿部、腰部以及胳膊都会用力，从而达到同时锻炼腿部，腰部及胳膊处肌肉的效果。