飞天舱外航天服适体性设计方法与验证

李元丰， 张万欣， 王怡灵， 罗诗瑶， 刘东岳， 冉 倩， 尚 坤， 严 曲

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室， 北京 100094）

1 引言

舱外航天服是航天员出舱活动必需的支持装备。 空间站任务中，新一代飞天舱外航天服已经列装服役。 舱外航天服可以看作是一种特殊的载人航天器，在保证航天员生命安全的同时，还需具备良好的工效保障能力，确保航天员穿着航天服后能够完成复杂的出舱活动任务。 而适体性是工效保障的基本要求，舱外航天服的适体性主要通过压力服实现。 压力服是可以提供一定压力环境的密闭服，呈拟人形态，并根据结构组成划分为上躯干、下躯干、上肢、手套等组件。

根据着服对象，舱外航天服适体性包含两部分含义：①对于航天员个体，舱外航天服有一定的针对性，满足航天员个体的使用需求，为适体性的个性要求；②舱外航天服要具备对一定身材范围内的航天员群体的覆盖能力，保证航天服的通用性，为适体性的共性要求。 而适体性的这两部分要求又是相互矛盾的。 为解决舱外航天服适体性两方面要求的矛盾，在适体性设计中通常采用被动适体设计和主动适体设计。 被动适体设计是指依据人体尺寸和活动特性，设置合理的单一结构参数及形态，在尺寸和形态不变的情况下获得最大程度的适体性。 单纯的被动适体性设计难以有效解决适体性的个性和共性的矛盾，需配合主动适体性设计实现更高程度的适体性，即设计调节机构实现舱外航天服部分结构在工作过程中可以依据着服航天员的身材特点、具体的使用需求以及航天员在出舱活动过程中的人体运动特点实现形态参数调节。

美国EMU（Extravehicular Activity Unit）和俄罗斯Orlan 舱外航天服是正在国际空间站服役的2 种舱外航天服，在适体性设计上分别采用了不同的策略。 EMU 是为航天飞机计划研发的地基舱外航天服，采用模块化分型设计，将压力服分解为多个模块，每个模块细分尺寸型号，如躯干分为S、M、L 等号型。 执行飞行任务的航天员根据自身身材尺寸和主观偏好选用各组成模块，通过统一的接口组装集成。 选配组装的EMU 通过具有强大运载能力的航天飞机随航天员一同发射入轨执行任务。 EMU 的适体性方法可以最大程度地实现对航天员个体的适应性，但需要强大的生产制造、天地运输等资源保障，使用成本较大。

俄罗斯Orlan 舱外航天服采用“一对多”的适体性设计模式，主体结构的躯干、头盔等为硬质固定尺寸结构，覆盖全部目标着服人群身体尺寸，四肢软结构设置局部调节机构，可针对具体着服人体进行尺寸调节。 作为典型的轨道基航天服，Orlan 舱外航天服适体性设计方法的最大优势是可以最大程度降低保障资源的支持，但缺点是由于硬结构要覆盖最大身体参数的人体，对于小身材航天员适应性存在一定不足。

对比EMU 和Orlan 舱外航天服所采用的适体性设计方法，如具备强大的保障资源支持能力的EMU 模块化设计，又如Apollo 登月服的按体定制是最理想的设计方法。 但考虑工程实现代价，Orlan 舱外航天服的设计方法更为经济、可行，但需要针对小身材航天员适体效果不足的问题进行改进，如在Z 系列航天服研发中提出的左右肩法兰中心距小范围调整的设计。 同时借鉴上肢和下躯干等软结构的调节方法，研究人员提出了针对软质躯干结构的尺寸调节方法，如Mor⁃phing Spacesuit 概念、软式上躯干主动适体方法等。

本文根据飞天舱外航天服的结构构形，采用被动适体和主动适体融合设计原则，分析讨论舱外航天服适体性设计因素，以身高等人体参数作为主要参考数据，通过拆解压力服各个功能组件完成适体性设计；开展无人、有人验证试验，以验证设计的合理性和适体性效果。

2 适体性设计

2.1 设计原则

飞天舱外航天服采用软硬混合式的半硬式构形，其中作为压力服主体结构的上躯干采用硬质结构，上躯干由头盔、躯干和背包构成；具有活动功能要求的下躯干、上肢、手套主体采用软质结构。

根据飞天舱外航天服构形，采用“一对多”的适体性原则，即以一套服装多人穿用，被动适体性与主动适体性相结合，兼顾个性与共性要求，据此针对压力服各部件结构开展设计。

1）上躯干为硬结构，采用单一参数的固定结构，根据目标着服人群身体参数，包络最大范围；

2）下躯干与上肢采用主动适体性设计，根据航天员人群身体参数确定参数范围，通过调节结构实现局部参数调节；

3）手套同样采用被动与主动适体性耦合设计，根据航天员人群手部参数分型，着服航天员可根据自身手部参数选配，同时各型号局部尺寸可调节以获得更好的适体针对性。

2.2 上躯干适体性设计

航天员穿着舱外航天服后，躯干部分包裹于航天服上躯干容腔内部。 肩部法兰开口的存在势必对人体上肢活动性产生影响，在设计肩法兰参数时，主要考虑的人体参数有肩宽、胸宽、前臂长以及上臂长等。 李元丰等通过减小左右肩法兰中心距、增大肩法兰开口尺寸以及调整肩法兰空间角度，可以控制肩法兰对上肢活动性的干涉。

在围度方面的影响分两部分：一是人体躯干包裹于上躯干内部，上躯干容腔的围度与人体胸围、胸宽、胸厚等围度尺寸相关，在设计中要保证着服后航天员既有一定的活动空间，同时提供服内通风循环的流道，也要有一定的束缚感；二是由于飞天舱外航天服采用背入式穿脱方式，考虑穿脱策略，穿脱门宽度需考虑人体最大肩宽和坐姿臀宽等参数，保证航天员可坐在穿脱门框，且双手可同时伸入上肢结构。

在高度方面，上躯干穿脱门高度与人体坐高相关，保证航天员穿服时可坐到穿脱门框，适当内收双肩和低头就可以将上肢和头部穿入服装。 头盔与肩法兰相对高度需要与人体肩部到头顶的距离相适应。

着服后，航天员头部在头盔结构容腔内部，头盔尺寸需保证航天员左右、前后和俯仰摆头等活动，需与头全高、头最大宽等尺寸相适应。

2.3 上肢适体性设计

为满足四肢及手部活动性要求，飞天舱外航天服的上肢、下躯干及手套主体结构为软质，在相应的关节处设置活动关节和转动轴承。 为获得最大程度的活动性，舱外航天服关节应与人体相适应，这就要求软质结构具有一定的调节能力，确保服装的各部分肢体与人体的适应协调。 以臂轴承为分界将上肢分为上臂和前臂，分别设置长度调节机构，以适应不同上臂长和前臂长人体穿着。

另外，李倬有等研究表明，手套与手指的间隙越小，手套的工效能力越好。 在长度方向上，着服人体手指尖与舱外手套间隙可以定义为脱指量，脱指量越小，其适体性越好，因此舱外服的上肢长度与手套长度需整合设计，覆盖人体臂展的包络范围，满足脱指量要求。

2.4 下躯干适体性设计

下躯干的适体性设计分三方面：①由于上躯干为硬结构不可调节，所以对人体身高的适应性设计以下躯干调节实现，通过在裆部设置调节机构调整裆部高度，保证着服人体上半身在上躯干容腔内部高度方向上的相对位置，特别是保证头部在头盔面窗的相对位置；②为保证下肢膝关节与人体膝关节位置对应，在大腿和小腿分别设计长度调节机构；③根据航天员足部尺寸，特别是足长，确定下躯干鞋组件参数，保证脚部适体的同时提供脚部通风空间，应以最大尺寸为上限。

2.5 手套适体性设计

手套采用整体分析、局部调节的适体性设计。根据出舱活动中手部操作特点，分型依据的人体参数主要是拇指长、中指长和掌围等尺寸。 在掌围上设计调节机构，实现着服后手部既有裹缚感，又有一定的活动空间而不产生压迫。 在穿戴手套后脱指量的保证上，通过手套长度与上肢长度整合设计，结合上肢可调节的长度范围和手套分型实现对人体臂展的覆盖。

3 验证试验

3.1 无人验证试验

无人试验是以标准人体模型作为试验对象，模拟航天员穿着舱外航天服，初步评估服装对人体静态尺寸的匹配性。 试验中根据人体模型尺寸调节舱外服上肢和下躯干尺寸，在试验人员辅助下将人体模型穿入和脱出舱外服，通过穿入／脱出情况评估穿脱可行性；人体模型穿入后，通过外部驱动活动关节方式评估舱外服关节对位效果，以此来评估舱外服对人体静态尺寸的匹配性。

人体标准模型的研制是通过扫描180 cm 男子和165 cm 女子身高等级的身体三维数据，采用数据重建，得到2 个身高等级的参数最大包络人体模型，如图1 所示。

图1 180 cm 男子和165 cm 女子身高等级人体模型Fig.1 Model of 180 cm male and 165 cm female bodies

3.2 有人验证试验

有人验证试验是以志愿者作为试验对象模拟航天员穿着舱外航天服，并针对出舱活动需求，开展典型的活动操作，如攀爬、转运物品、使用工具等，评估服装的适体性。

依据服装尺寸适应性要求，选取165 cm（S）、170 cm（M）和175 cm（L）3 个身高等级志愿者共10 名（男性8 名，女性2 名），要求体态正常，无极端体型，志愿者身体参数情况如表1 所示。

表1 志愿者身体参数Table 1 Characteristics of sample population

1）穿脱性。 穿脱性以志愿者自主穿脱时间作为评价指标，要求经训练后穿脱时间不大于5 min。 试验中记录志愿者穿脱时间，以平均穿脱时间评估。

2）人体匹配性采用主观感受问卷评估舱外航天服的人体匹配性。 志愿者以舱外航天服对头部、肩膀、肘部、腕部、手部和腿部的适应性分别打分。 采用5 分制：5 分为优秀，4 分为良好，3 分为一般，2 分为较差，1 分为很差。

3）脱指量。 舱外航天服对人体手部良好的适应性是保证航天员着服后手部操作能力的前提，脱指量是衡量航天服对手部贴合程度的重要指标，体现服装对人体上肢的综合适应能力，要求舱外航天服尺寸调整到位、加压后，主要手指的脱指量不大于1 cm。

4 验证结果

4.1 无人验证试验结果

无人试验中，2 种尺寸规格人体模型均可顺利穿入服装，如图2 所示，上肢和下躯干尺寸调节后的关节对位状态满足要求，服装的人体静态尺寸匹配性良好，可进一步开展有人试验。

图2 无人验证试验Fig.2 The manikin verification experiment

4.2 有人验证试验结果

穿脱性试验结果如表2 所示，10 名志愿者的穿服平均时间为147 s，脱服平均时间为77 s，结果满足穿脱性要求。

医院财务管理质量直接关系到医院的整体运营，但是从当前医院财务管理情况来看，缺乏专业人才、缺乏完善内部审核机制、缺乏对资产管理的重视等问题非常突出。医院应该正视这些问题，并采取相应措施给予解决，注重财务管理专业人才的培养，不断完善内部审核机制，建立资产管理部门以加强对医院资产的管理，通过多种措施的联合实施，不断改进医院财务管理中存在的问题，实现医院财务管理质量的逐步提升，保证医院长远稳定发展。

表2 飞天舱外航天服穿脱时间Table 2 Don／Doff time of Feitian EVA spacesuit

人体匹配性结果如表3 所示，服装完成局部适体性调节后，对人体主要部位的匹配性的平均评价得分均在4 分以上，表明服装对人体匹配性良好。

表3 飞天舱外航天服人体匹配性主观打分表Table 3 Subjective body fit score of Feitian EVA spacesuit

试验中对工作压力下主要操作手指（拇指、食指、中指）的脱指量进行了测量，加压后食指、中指以及拇指的脱指量均接近0。

5 讨论

一套舱外航天服制度可以有效解决运载能力限制和高成本问题，但带来的问题也明显存在，由于服装需覆盖全体目标对象的尺寸参数，在平衡个体与群体使用要求的过程中势必会牺牲部分个性适体。 基于被动适体设计的主动适体方案可以在一定程度上解决该问题，因此在飞天舱外航天服研制中对上肢、下躯干等结构设计了调节结构，实现针对个体的尺寸调整，从试验和使用效果来看，达到了预期效果。

本文通过拆解压力服各个功能组件，梳理确定了身高、肩宽、胸围、臂展等人体参数为适体性设计的主要因素，以各设计因素的数据为输入，初步建立了舱外航天服与各设计因素的相对关系，通过组件和系统设计，确定适体性设计方案。 但在设计中多基于经验和参照国外航天服参数，缺乏人-服相互作用关系的理论和数据积累，今后需进一步开展研究。 另外在产品设计平台方面，应进一步完善设计、模拟仿真、试验验证的设计体系，特别是要建立模拟仿真模块，对适体性方案进行快速、全面地仿真验证，提升设计迭代效率和效果。

以穿脱性、人体匹配性和脱指量作为指标进行了适体性验证试验，试验结果表明，飞天舱外航天服的穿脱性和正常工作压力下手部脱指量均表现较好；在人体匹配性方面，对手部和肩部的适应能力仍有进一步提升的空间，特别是手套对人体手部的匹配，关系到出舱活动操作的灵活性和精细度，而手套结构高度集成，环境防护的约束对工效保障能力的提升具有极大挑战；服装对人体肩部的匹配性存在不足主要是由上躯干带来的，由于硬质上躯干尺寸需覆盖所有目标人群，必然造成个别人体的局部适体性不足，未来可在上躯干硬质主动适体设计开展深入研究，特别是实现肩法兰的适体性调节，将极大改善肩部适体性和上肢活动性。

6 结论

1）针对半硬式舱外航天服，可采用被动适体和主动适体融合设计，实现“一对多”的适体性设计；

2）通过拆解服装的部组件组成，并针对性分析人体适体性因素，开展适体性设计的方法是有效的；

3）无人和有人适体性试验和评价方法可以有效评估舱外航天服适体性设计效果；

4）飞天舱外航天服具有较好的适体性能，满足出舱活动任务要求。