人工模拟宇航员返回地球
登陆火星或月球、探索宇宙空间,一直是人类拓展生存空间的梦想。然而由于宇航员长期在太空低重力环境下作业,返回地球后的重力变化将对其生理造成巨大的冲击,而目前营造人工重力环境被认为是解决低重力生理效应影响的有效方案。
本项目通过短臂离心机制造人工重力环境从而模拟太空返回场景,并辅助功率车等内部设备检测受试人员在重力变化的情况下,人体生物指数的变化规律,为载人航天事业提供准确的理论参数,使航天员更好的适应太空环境,减少不适。
科研攻关,是北钢联从未卸下的使命
在短臂离心机的研制中,北钢联及相关科学家遇到了一个巨大的难题,那就是科氏力的消除。科里奥利力(Coriolis force),也称哥里奥利力,简称科氏力,是旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移,它来自于物体运动所具有的惯性。我们都知道,运动过程中的科氏力对受试人员的身体有极大的损害,如果不能消除科氏力,可能导致整个项目的失败,阻滞中国载人航天事业的发展进程。
那么,科氏力到底是如何损伤宇航员的身体健康呢?
模拟试验过程中,受试人员身体固定,平躺在旋转的离心机上,下肢进行自主蹬踏运动。由于蹬踏运动与离心机回转半径同向,运动的下肢就会受到科氏力的影响。由于蹬踏过程中主要的受力部位是踝关节和膝关节,所以受影响最大的也是这两个部位,如果长时间受科氏力的影响,会造成关节的严重磨损,危害身体健康。
如何消除科氏力?
科学论证—反作用力原理
根据反作用力原理,消除科氏力最有效的方法就是施加反方向的作用力与之抵消,例如消除踝关节处科氏力需要在踝关节施加与科氏力相反方向的作用力。然而如何确保施加在身体部位上的力与科氏力方向恰好相反,而且所施加力要与科氏力的同时产生,这是解决问题的关键。
资源整合—充分调研
北钢联研发团队通过查阅众多国内外相关研究文献,充分发挥公司的平台化优势,整合行业研究资源,从多个航天系统院所入手展开调研,结合医学、动力学等交叉学科,在数万字的调研报告中反复论证、建模、校核,最终从全方位密集训练系统的身体矫正治疗方案中获得了启发,提出了采用具有弹力的软连接消除科氏力的理论方案。
科研攻关—自主开发
北钢联研发团队自行开发了一套仿真模拟计算软件,通过3D模拟仿真,模拟离心机旋转过程的蹬踏运动,并输入人体基础参数,通过在不同固定位置和固定角度设置弹力绳所得的模拟试验数据,选取了最合适的位置和角度;同时通过模拟试验确定了不同位置弹力绳的相应弹性模量,使其在运动形变中产生与科氏力反方向的拉力,用以抵消科氏力。
破解难题—终获认可
将受试人员膝关节上、下部分,通过不同张力的弹力绳悬吊在离心机尾罩上,调整弹力绳至特定的悬吊角度让小腿处于舒适的漂浮状态。当离心机旋转到预设速度时,科氏力作用会让腿部发生旋转方向的位移的趋势,此时弹力绳就会产生相应的形变,形成反方向的拉力与科氏力抵消,即消除了离心机科氏力对受试者腿部及其关节的作用。该种方案即提供了克服科氏力的反作用力,同时还能保证受试者运动过程中动作不受限制。
解决方案图示