水下訓練服中性浮力姿態(tài)的一種量化測試方法

佘佳宏 張 磊 晁建剛 趙 維 林萬洪

(中國航天員科研訓練中心, 北京 100094)

1 引言

航天員執(zhí)行出艙活動是空間站任務的重要組成部分。 為確保出艙活動任務的成功,航天員需在地面完成出艙活動任務訓練。 模擬失重訓練水槽可供航天員六自由度、長時間、無限制地連續(xù)訓練,其原理是利用水的浮力平衡含航天員在內的水下訓練服(簡稱服裝)的重力,從而達到失重環(huán)境的效果模擬[1]。 在模擬失重訓練水槽進行出艙任務訓練前,需進行水下訓練服的中性浮力配平。 潛水員首先調整服裝的總活動配重塊數(shù)量,使服裝達到重力與浮力相等的狀態(tài),然后調整活動配重塊在服裝不同位置的分布,改變服裝姿態(tài)。中性浮力配平后,水下訓練服的姿態(tài)是模擬失重效果好壞的關鍵,一般稱為中性浮力姿態(tài)。

空間站出艙活動任務中,由于作業(yè)點較多、作業(yè)操作復雜,需要不斷變換操作姿態(tài),與此相應,在模擬失重訓練水槽訓練時,考慮艙內和艙外的工作姿態(tài)不同、艙外行走和艙外作業(yè)的姿態(tài)不同,對水下訓練服的姿態(tài)要求較高,姿態(tài)調節(jié)范圍要求較大,包括水平位、前傾位和直立位等。 理想的姿態(tài)是航天員可以隨意按需控制自身姿態(tài),但實際上難以實現(xiàn),只能尋求較好的配平姿態(tài)。 較好的服裝配平姿態(tài)有利于失重環(huán)境的模擬,而較差的配平姿態(tài)則會影響航天員的操作和感受,使人感到像是不倒翁,改變自身姿態(tài)非常困難,導致水下訓練的效率低、效果差。

僅靠目視進行服裝姿態(tài)的定性評估,無法明確配平效果的好壞,這造成服裝配平姿態(tài)沒有統(tǒng)一的評價標準,不利于航天員訓練時失重環(huán)境的模擬以及航天員失重環(huán)境訓練和評價,因此需引入中性浮力姿態(tài)的量化指標。

本文在分析水下訓練服姿態(tài)及其受力關系的基礎上,總結出中性浮力姿態(tài)定量指標,提出一種測試方法,研制一套測試系統(tǒng),并進行水下訓練服測試。

2 姿態(tài)指標及其應用

水下訓練服中性浮力姿態(tài)主要體現(xiàn)在2 個方面:中性浮力指標和姿態(tài)指標。 前者指重力和浮力的合力;后者指水下訓練服俯仰、偏航、滾轉3個歐拉角的大小以及重心和浮心間距。 水下訓練服的歐拉角定義如下:在笛卡爾右手坐標系中,-x軸向為胸背向,-z軸向為頭盆向,采用卡爾丹式歐拉角分類[2],繞x軸的旋轉角度為滾轉角,繞y軸的旋轉角度為俯仰角,繞z軸的旋轉角度為偏航角,滾轉、偏航、俯仰皆為0°時,水下訓練服為直立姿態(tài),且左右受力平衡。

水下訓練服歐拉角的大小由水下訓練服浮心和重心的相對空間位置確定,歐拉角的改變由重心和浮心間距確定。 理想的中性浮力姿態(tài)是水下訓練服重力和浮力的合力為零、重心和浮心完全重合。 實際上,理想中性浮力姿態(tài)在現(xiàn)實中無法實現(xiàn),只能盡量接近[3]。

在水下訓練服的使用過程中,應嚴格限制其上浮,以免發(fā)生安全事故,因此在進行中性浮力配平后,水下訓練服會呈現(xiàn)輕微的負浮力(重力大于浮力),一般不大于0.5 kgf,相較于約240 kgf的水下訓練服,可近似認為是中性浮力;同樣,實際服裝的重心和浮心無法絕對重合,則服裝入水后必然穩(wěn)定于某個確定的姿態(tài)。 因此,可以用3個參數(shù)來描述水下訓練服的中性浮力姿態(tài),分別是重力與浮力的合力、重心位置和浮心位置。 由于水下訓練服的重心和浮心的位置難以精確測量,可以使用重力和浮力的合力、3 個自由歐拉角以及重心與浮心間距來描述。 這2 種描述中性浮力姿態(tài)的指標是等價的。

為提高試驗訓練效率,便于水下操作,實際上水下訓練服的配重分布一般是左右對稱,偏航、滾轉歐拉角為定值,特別是當水下訓練服的左右受力嚴格對稱時,偏航、滾轉的歐拉角為0°,因此實際操作中只需考慮水下訓練服的俯仰角即可[4]。這樣,水下訓練服的中性浮力姿態(tài)指標可簡化為重力和浮力的合力大小、自由俯仰角(無外力作用情況)、浮心與重心的間距。 這種簡化方法的實質是將三維坐標下的重心和浮心關系簡化為平面坐標關系。

水下訓練服的中性浮力姿態(tài)指標見表1所示。

表1 的指標參數(shù)可用于定量判斷服裝模擬失重效果的好壞,較好的中性浮力姿態(tài)應是負浮力略大于零;重心和浮心間距接近于零(重心在下);自由俯仰角從直立位到頭低位30°的范圍內可調,便于作業(yè)點操作。

當航天員感覺自身中性浮力姿態(tài)配平效果差或試驗訓練指揮認為服裝中性浮力姿態(tài)影響試驗訓練效率時,可對中性浮力姿態(tài)指標進行測試。另外,以上指標參數(shù)也可用于輔助指導水下訓練服的中性浮力配平操作。 通過姿態(tài)測試,可將服裝的重心和浮心間距反饋給潛水員,潛水員調整配重位置,將下方的活動配重塊豎直移到上方,這樣可使服裝重心位置向上移動,且同時浮心位置基本不變,從而可縮短服裝的重心和浮心間距,獲得更優(yōu)的失重模擬效果。

3 姿態(tài)測試方法

根據(jù)水下訓練服的實際使用情況,針對表1 中簡化后指標參數(shù),水下訓練服的負浮力可以直接通過水下拉力傳感器測量得到。 對于自由俯仰角和重心與浮心間距,由于水下訓練服外觀復雜,無法直接測試,需通過測試其他參數(shù),利用相互關系間接計算得到。 具體方法如下:對服裝施加一定的力矩使其產生一定的俯仰角改變,只需知道外加力矩大小、方向和對應的俯仰角變化,就可得到如式(1)所示的力矩平衡方程:

式中,T為施加的力矩值,G為水下訓練服的重力值,d為服裝的重心和浮心間距,α為施加力矩后的俯仰角,α0為服裝自由俯仰角。 服裝俯仰角與重心和浮心間距的關系如圖1 所示,圖中F為水下訓練服的浮力。

圖1 服裝俯仰角及重心和浮心變化示意圖Fig.1 Illustration of relationship among pitch angle,center of gravity and floating center of the suit

對水下訓練服施加一個已知力矩,并測出相應的俯仰角,可得到一組滿足公式(1)的外加力矩-俯仰角數(shù)據(jù),施加多個不同的力矩,得到多組不同的外加力矩-俯仰角數(shù)據(jù)。 由公式(1)可知:外加力矩和俯仰角是正弦關系。 將得到的多組數(shù)據(jù)進行正弦曲線擬合,得到擬合曲線公式,將該公式和公式(1)比對,則可計算出服裝的自由俯仰角和重心與浮心間距。

4 測試系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)第3 節(jié)測試方法,研制了一套中性浮力姿態(tài)測試系統(tǒng),該系統(tǒng)包括岸上測控設備和水下測試機構,岸上測控設備和水下機構通過防水線纜連接,如圖2 所示。

圖2 中性浮力姿態(tài)測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Illustration of neutral buoyancy posture test system

4.2 岸上測試設備

岸上測試設備由供電電源、數(shù)據(jù)采集PLC 主機(下位機)、測控筆記本(上位機)等組成。 下位機配置變量輸入模塊,上位機配置數(shù)據(jù)采集及分析軟件。

4.3 水下測試機構

水下測試機構由框架、可轉動支架、傳感器等組成,傳感器包括3 個拉力傳感器和1 個轉動角度傳感器。 其中的1 個拉力傳感器獨立放置,用于測量負浮力大小;另2 個拉力傳感器分別放置在轉動支架驅動輪的兩側, 驅動輪半徑為16.5 cm,這2 個拉力傳感器數(shù)據(jù)乘以驅動輪半徑,即可得到外加力矩。 俯仰角度通過角度傳感器直接讀出,記轉動支架垂直于水平面時的俯仰角為0°,圖2 中驅動輪逆時針轉動為正。

4.4 測試內容

1)正常性測試。 水下測試機構入水固定后,將其和岸上測控系統(tǒng)連接,通電運行,檢查各傳感器數(shù)據(jù)是否正常,檢查數(shù)據(jù)傳輸是否正常。

2)負浮力測試。 將水下訓練服懸掛到負浮力測試拉力傳感器下方的掛鉤上,待傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,通過讀數(shù)得到負浮力測試結果。

3)空載測試。 考慮轉動支架的重心和浮心不重合,存在轉動支架的空載力矩,需測試出該轉動支架的俯仰角-力矩關系,這樣在實際測試水下訓練服中性浮力姿態(tài)時,只需減去轉動支架在該角度時對應的力矩,即可消除系統(tǒng)自身的影響,得到有效的外加力矩。 測試步驟如下:①水下轉動支架空載時,潛水員在驅動輪的左右兩側分別依次增加配重,待轉動停止并穩(wěn)定后(利用角度傳感器讀數(shù)是否穩(wěn)定來判斷,下同),得到空載時轉動支架的俯仰角和對應的施力大小;②根據(jù)驅動輪的半徑,可知俯仰角對應的外加力矩的大小,記為T空載(α)。

5 測試系統(tǒng)驗證

5.1 參考模型與仿真計算

為驗證該測試系統(tǒng)是否準確有效,設計了中性浮力狀態(tài)的參考模型,如圖3 所示。

圖3 參考模型設計示意圖Fig.3 Illustration of reference model

該參考模型主要用來評估中性浮力測試系統(tǒng)的有效性和精度,可看成是水下訓練服的模擬。由于參考模型設計為中性浮力,且模型所用材料、加工方式明確,模型尺寸可測,因此通過理論仿真計算出該模型的自由俯仰角和重心浮心間距。 將理論仿真計算結果與實測結果比對,即可評估中性浮力測試系統(tǒng)的功能和性能。

首先計算模型各組成部分的重力、重心和浮力、浮心,再通過組合的方式,計算出其整體重力(浮力)和整體重心、浮心[5],并通過重心和浮心的空間位置,計算出其重心、浮心間距和自由俯仰角。 結果如下:模型質量為23.1 kg;重心和浮心間距為21.53 cm,自由俯仰角為6.31°。

5.2 空載力矩測試

空載測試結果見表2。

表2 空載測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of no-load situation

根據(jù)表2 結果,可得到俯仰角-力矩的平面點圖,由于轉動支架的俯仰角、外加力矩滿足正弦關系,因此用正弦曲線擬合方法給出對應的參數(shù),擬合公式選擇y=asin(x-b)+c,其中a、b分別對應公式(1)的G·d和α0,c為系統(tǒng)測試誤差項。a、b和c初始值分別選擇5000、1.0 和1.0。 利用基于MATLAB curvefiting 工具箱的非線性最小二乘算法Levenberg-Marquard 算法進行擬合[6],得到擬合公式(2):

5.3 參考模型測試

將參考模型安裝到水下轉動支架上,在驅動輪的左右兩側分別依次增加配重,記錄配重數(shù)據(jù)和對應的姿態(tài)俯仰角,得到模型俯仰角對應的力矩大小,記為T實測模型(α),減去相應α角的空載力矩T空載(α),則可得到模型俯仰角和轉動力矩的對應數(shù)據(jù)T有效模型(α),如公式(3)所示:

實際水下測試結果如下:負浮力為2.26 N。姿態(tài)測試結果見表3。

表3 參考模型測試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of reference model

根據(jù)測試結果,采用正弦曲線擬合,選擇公式y(tǒng)=asin(x-b),a和b初始值選擇5000 和1.0。 選用Levenberg-Marquard 算法,得到擬合公式(4):

對照公式(1)可知:G·d=4885.0 N·cm,G=23.1 kgf,重力加速度取值為9.8 m/s2,可計算出模型的重心和浮心間距d=21.58 cm,自由俯仰角α0= 0.10 rad,即模型與鉛垂線的自由俯仰角為5.88°。

5.4 測試系統(tǒng)準確度討論

根據(jù)實驗測試結果,重心浮心間距誤差為0.05 cm,俯仰角誤差為0.43°,可以看出服裝姿態(tài)測試系統(tǒng)的設計是有效的。 誤差原因包括理論仿真與實際的誤差(如未考慮模型浮力塊的吸水率、模型尺寸測量誤差等)和測試系統(tǒng)本身誤差(如拉力繩理想簡化影響、轉動摩擦影響等)。 后續(xù)為提高測試精度,需對模型重心和浮心位置進行實測,設計不同的參考模型(包括非左右對稱模型)進行測試,對測試系統(tǒng)進行優(yōu)化與改進等。

6 水下訓練服測試

6.1 水下訓練服測試步驟

水下訓練服在入水前需測試出其總重量,在水下進行直立位中性浮力配平后,總重量減去因入水而額外增加的配重后,可得到服裝配平后的總重量(和總浮力相同)[4]。

將水下訓練服安裝固定在水下轉動支架上。由潛水員在驅動輪的左右兩側依次增加配重,記錄配重數(shù)據(jù)和對應的姿態(tài)俯仰角,得到水下訓練服俯仰角對應的力矩大小T實測服裝(α),減去相應α角的空載力矩T空載(α),則可得到模型俯仰角和轉動角度的對應數(shù)據(jù)T有效服裝(α),如式(5)所示:

6.2 水下訓練服01#實測

01#服裝總質量為245.5 kg,負浮力為2.94 N。 01#服裝姿態(tài)測試結果見表4。

表4 01#服裝測試數(shù)據(jù)Table 4 Underwater test data of space suit 01#

對01#服裝,得到擬合公式(6):

對照公式(1)可知:G·d=4555.0N·cm,G=245.5 kgf,重力加速度取值為9.8 m/s2,可計算出01#服裝的重心和浮心間距d=1.89 cm。 自由俯仰角α0= 0.0252 rad,即服裝與鉛垂線的自由俯仰角為1.45°。

6.3 水下訓練服02#實測

02#服裝總質量為237.0 kg,負浮力為3.90 N。 02#服裝姿態(tài)測試結果見表5。

表5 02#服裝測試數(shù)據(jù)Table 5 Underwater test data of space suit 02#

對02#服裝,得到擬合公式(7):

對照公式(1)可知:G·d=9005.0 N·cm,G=237.0 kgf,重力加速度取值為9.8 m/s2,可計算出02#服裝的重心和浮心間距d=3.88 cm。 自由俯仰角α0=0.1692 rad,即服裝與鉛垂線的自由俯仰角為9.7°。

圖4 是空載、參考模型以及2 套水下訓練服的實驗測試情況,圖5 給出了正弦曲線擬合結果。

圖4 水下測試Fig.4 Underwater test

圖5 擬合曲線圖Fig.5 Curve fitting diagram of the test results

7 結論

1)從參考模型和水下訓練服的測試結果來看,水下訓練服姿態(tài)量化測試系統(tǒng)有效。 01#服裝重心和浮心間距為1.89 cm,02#服裝重心和浮心間距為3.88 cm,與水下表現(xiàn)符合;01#服裝較容易改變俯仰姿態(tài),02#服裝則相對困難,這是因為較小的重心浮心間距,要求克服服裝俯仰變化的力矩也相對較小。

2)本文采用的計算方法是正弦曲線擬合,要求采集的數(shù)據(jù)較多,有利之處是可提高測試精度,不利之處是由于每一組數(shù)據(jù)需在服裝平衡穩(wěn)定后才能讀取,因此比較費時。 可考慮采用快速測試方法,即通過聯(lián)立方程組的方式求解,只需獲得2組數(shù)據(jù)即可,但相應的計算結果精度較低,只適用于需要快速測試的場合。

水下訓練服中性浮力姿態(tài)測試進一步研究,需從以下方面不斷完善:①增強水下訓練服的自由姿態(tài)與測試系統(tǒng)的匹配性;②降低水下訓練服四肢位置變化帶來的影響;③克服外部條件(如臍帶、水擾動)對測試結果的影響;④考慮服裝左右非對稱情況下的中性浮力姿態(tài)測試。