天宫二号太空跑台的设计缺陷分析

帅 令， 杨昌棋， 杨明坤

（重庆大学， 重庆 400030）

引言

航天员在太空中长期飞行，就意味着他们将长期暴露在微重力和低重力环境下，这容易引起航天员生理、心理的一系列健康问题。首先，微重力会使航天员心血管功能发生改变[1]。大量的体液从下身转移到头部胸部,能导致航天员的头部充血、上身体液充盈、血容量减少。其次，微重力环境会对航天员的心脏功能及人体免疫功能造成极大的危害[2]。第三，长期在微重力条件下，因缺少运动刺激，航天员的骨质会大量脱钙。骨质长期脱钙，不仅使软组织发生钙化，而且还可能导致病理性骨折[3]。第四，如果长期缺乏运动，还会导致航天员的肌肉萎缩以及运功协调性的缺失[4]。因此，他们在太空长期工作，必须定期进行体育锻炼，增强心血管、骨骼、肌肉等组织对失重条件的适应能力。体育锻炼不仅能提高航天员心理稳定性、降低生理失调，还能减轻航天员返回地面后的行走困难[5]。

1 太空站体能锻炼的主要手段

为了对抗长时间失重对航天员身体健康的影响，有两种方法：人工重力和太空体能锻炼。人工重力受到科技手段的局限，并不常见。目前常见的是通过宇航员在太空站进行体能锻炼的手段，防止肌肉的萎缩、保持运动协调能力[6]。

1.1 常见的太空锻炼器材

常见的太空运动器材有太空自行车、跑台、拉力器等健身器材。

如图1所示太空自行车是一种固定式的脚踏车，脚踏车的踏板可以根据航天员的需要，设置阻力的大小[7]。航天员通过克服这种阻力对脚踏车反复蹬踩实现对肌肉的锻炼。太空自行车可以帮助航天员进行腿部肌肉的锻炼，可以防止肌肉的萎缩。但是蹬踩自行车所锻炼的腿部肌肉协调性并不符合人在走路时所需要的协调性。在长期的锻炼中，太空自行车不能有效地帮助航天员回到地面后快速适应地面行走。

图1 太空自行车

如图2所示，拉力器是一种类似杠铃的健身器材。主要可以帮助航天员进行手臂力量和运动协调的锻炼。在使用拉力器锻炼的过程中，腿部处于静态发力状态，虽然可以起到锻炼力量的效果，但是并没有运动协调性的锻炼，同样不能有效地帮助航天员在返回地面时尽快适应地面行走。

图2 拉力器

如下页图3所示，太空跑台是航天员在太空中进行跑步训练的跑步机[8]。航天员在日常体质训练时，在跑台进行跑步训练，在非训练时间，太空跑台还可以用作空间实验。由于太空跑台的锻炼效果很好，且一物多用，受到了医监医保和航天员的青睐。

图3 太空跑台

1.2 太空跑台的特点及优势

在地面，人们可以根据自己的意愿，选择进行跑步机锻炼，或者选择与跑步机功能相似的其他运动方式进行身体锻炼。但是，在太空，航天员并没有多少选择。跑台练习对航天员的身体健康至关重要，因此，在中长期的飞行过程中，航天员每天都要进行规定的跑台锻炼，以保证他们在太空的工作能力、保证他们能健康地返回地球，迅速适应地面生活。

相比太空自行车和拉力器，太空跑台上进行跑步训练是全身性的运动，运行量比较大，对心血管、骨骼、肌肉系统都是很好的刺激。同时，它对神经肌肉功能的协调作用也比太空自行车和拉力器要好。航天员在太空中保持一定量的跑步训练，可以减少失重条件下血液流向上半身，可以提高机体对各种应急条件的耐力。在大量的实践中证明，太空炮台是当前航天员最有效的锻炼方法，可以有效地帮助航天员在返回地面后提高对地面行走的适应性，有利于航天员在返回地面后的身体恢复，延长了航天员的工作寿命。

2 天宫二号实验室太空跑台设计分析

2.1 天宫二号实验室太空跑台实验状态

天宫二号实验室跑步实验是天宫二号实验室六大任务之一。由于没有其他公开资料，只能根据公开的新闻报道对其设计思路进行猜测。

图4是2017年10月21日中央电视台直播报道天宫二号航天员在第一次太空跑步时的场景。可以看出，宇航员在跑步过程中身体会发生倾倒，需要头顶垫子或另一位宇航员在旁边辅助，拉住跑步中宇航员的上衣，以保证其身体平衡。根据报道，两位航天员在跑步实验开始的前两天，在天宫二号跑台上完全无法跑起来，直到第三天陈东发现抬头可以跑起来，并进行了两小时的跑步训练。

从上述公开报道可以看出，天宫二号跑台设计可能都存在一些缺陷。同时也暴露出跑台地面试验不够充分，导致太空锻炼时出现意想不到的问题。

图4 太空跑台跑步实景

2.2 天宫二号实验室太空跑台上航天员受力分析

由前述可知，太空跑台相对于其他太空锻炼设备，其最大的优势就是它可以最大限度地在太空为航天员提供与地面跑步相近的锻炼环境，使航天员不仅心肺功能得到必要的锻炼，更重要的是能够使航天员的行走、跑步能力和运动协调性得到全面的锻炼和保持，确保航天员返回地面后能够较快地恢复行走能力。因此，对于太空跑台而言，能够最大限度地提供与地面跑步相近的锻炼环境是至关重要的。

仔细观察图4可以发现，天宫二号的太空跑台主要是由支架、若干独立的滚筒和人体束缚带构成的。束缚带一端固定在宇航员的腰部，另一端固定于太空实验室舱壁，给航天员提供一个朝向太空跑台的力，以此模拟重力。当以航天员为研究对象时，其受力如图5所示。图中，P为弹性束缚带提供的弹性力，始终指向约束点，Fax和Fay为滚筒给前脚的反作用力，Fbx和Fby为滚筒给后脚的反作用力。

人在跑步时，通常后退用力向后发力时，身体前倾，前腿弯曲、前迈，腾空。根据图5的受力图，此时，Fax和Fay为零。将后腿所受之力向束缚带腰间结点简化，可以看出水平摩擦力Fbx产生顺时针的力矩，而后腿所受的滚筒铅锤方向的力Fby产生逆时转动的力矩。为了简化问题，假设航天员质心刚好与束缚带腰间结点C重合，C点到后脚与滚筒接触点B距离为I，CB与水平线夹角为θ。束缚带的束缚力刚好与地面垂直。则向C点简化，合力为：

合力偶矩为：

图5 跑步受力分析

2.3 天宫二号实验室太空跑台设计缺陷分析

在按计划进行的前两天的跑步锻炼均无法顺利完成的情况下，两位航天员从对任务高度的责任感和使命感出发，花费了3 d时间，不断摸索和努力，终于在天宫二号跑台上实现了跑步。但是，仔细分析可以发现，这些挫折和插曲，并非是航天员的原因，而是天宫二号跑台在设计原理方面存在明显的不足或设计缺陷。为了说明问题，下面将利用上节建立的力学模型加以分析。

从公式（1）可以看出，航天员在跑台上能够跑起来的必要条件是航天员所受外力合力大于等于零，即航天员在跑步时能够有腾空的可能性。假设取一个临界状态，即：

除满足公式（3）外，航天员还不能倾倒。设航天员脚与独立的滚筒的等效摩擦阻力系数为μ，利用公式（2）可得：

由于航天员脚作用在独立的滚筒上，滚筒滚动摩擦很小。滚筒折合到水平方向的等效摩擦阻力系数μ也非常小，这极易导致Mc大于零的情况发生，引起跑步的航天员身体倾倒。

至此，找到了航天员前两天在天宫二号的跑步台上无法正常进行跑步锻炼的原因。

如何解释后面航天员又能够在跑台上完成跑步的原因呢？

从公式（4）可以看出，并非所有的情况下跑步者都会发生前倾翻倒。当CB与水平线夹角θ大到能够使得Mc小于等于零的情况下，跑步者即使不用手或身体其他辅助也可保持平衡，即当

如何才能实现这种跑步呢？喜欢跑步的都知道，跑步时要跑得快，需要适当前倾，利用前倾和人体前庭平衡功能强制加快步频和步幅。反之，跑步时抬头跑就会形成一种“坐着”跑的姿势，这种姿势步幅小，跑不快。而步幅小刚好就为满足公式（5）提供了可能性。在μ非常小的情况下，实际上能够维持连续跑步的状态的步幅也必须非常小，基本上类似原地跑，或类似文艺表演中的“太空步”的状态。如果仔细观察景海鹏的跑步视频截屏上页图3可以发现，其蹬地发力点基本上就在束缚点后一点的地方。脚在发力时并未蹬直，而是离开地面才蹬直。

由于这种跑步姿势并非人正常跑步行走的姿势，在太空锻炼时，这种锻炼姿势虽然对于心肺功能以及腿部肌肉的保持能够发挥一定作用，但是有可能使正常跑步或行走的需要参与的部分肌肉和神经没有得到应有的锻炼，在长期驻留状态下，有可能对航天员返回后的肌肉协调性和行走能力带来不利影响。

3 跑台设计的改进建议

天宫二号实验室太空跑台可能因为空间、负载等原因，对跑步机进行较大的简化，跑步台的踏面简单采用独立滚筒。而正是由于这个简化导致等效水平摩擦力为滚动摩擦，摩擦力过小，不足以提供宇航员跑步过程中平衡所需力矩。导致设计缺陷，为此建议后续太空跑台进行改进：

1）建议将太空跑台的滚筒外加皮带，皮带与宇航员脚部接触的面可以比较粗糙，保证宇航员在跑步过程中脚部与皮带之间的摩擦力足够。但是，皮带的加入，摩擦力的增加，必将导致人体前移，因此有必要采用电机带动传动带的运动。

2）为了更真实模拟重力，在条件允许的情况下可以将地面的束缚节点由固定式改为与人体重心伺服随动，使模拟的重力始终与“地面”垂直。

3）从上页图3看，现有的束缚带可能就是一个一般的线弹性器件，为了更好地模拟地面的重力，束缚带应该采用近似恒力特性弹性器件。

4）就目前情形可以看出，天宫二号的太空跑地面试验并不充分。应该改进地面试验方法，尽可能在地面对跑台功能进行完整的地面试验验证，杜绝将潜在的问题带上太空。

4 结语

通过力学模型，从理论上解释了天宫二号太空跑台所产生的问题，从根本上找出了天宫二号跑步台的设计缺陷。针对天宫二号跑步台的设计缺陷给出的改进措施可保证航天员的跑步锻炼能够保障航天员返回后的尽快恢复。

[1]沈羡云.太空中，失重有什么危害？[M/OL].百科知识，2010.https://zhidao.baidu.com/question/204998126419380005.html.

[2]沈羡云.失重对体内水和电解质平衡的影响[J].航天医学与医学工程，2000，13（1）：65-69.

[3]《中华创伤骨科杂志》整理综合.医监与医保：航天员健康的保护神[J].中华创伤骨科杂志，2008（10）：16-19.

[4]孟庆军.失重对人体生理功能的影响及其对抗措施[J].生物学通报，2002，37（6）：17-18.

[5]鲁向楠.太空中失重对心脏的影响[J].心血管病防治知识，2012（10）：37-38.

[6]刘青山.航天科工：守护航天大安全[J].国企，2012（7）：80-82.

[7]吴斌，吴国兴.“太空自行车”——自动力人体离心机：建议在长期载人航天中作对抗措施使用[J].载人航天信息，2000（2）：26-32.

[8]赵东明.太空跑步机[J].航天员，2007（2）：49-50.