大学精品课件：实例：舱外航天服系统人因工程设计要求与评价
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舱外航天服，美国通常称为《出舱活动装置》 (EMU),俄罗斯一般叫做《舱外航天服系统》， 但常简称为《舱外航天服》。
2. 舱外航天服的基本功能
1）舱外航天服具有防护空间环境有害因素对人的危害，保证航天员生命安全 与健康。
2）航天服为航天员创造的服装内微小气候环境条件，满足人体生理卫生学要 求，保障人体正常生命活动。
气液控制台
电源
遥测通信设备
手套 生保系统
本体结构分系统
结构子系统 关节活动子系统 热防护子系统 EVA手套子系统 视觉保障子系统
航天服结构框架 肩部复合关节
外防护层
手套局部被动热防护层
穿脱舱门结构/机构 臂肘关节组合 真空屏蔽隔热层 压力防护层与掌指约束机构
应急服压调节与 安全压力控制
内外接口装置
实例：舱外航天服系统 人因工程设计要求与评价
一、任务分析
1. 舱外航天服的定义
舱外航天服是在载人航天活动中，用于保障航天员生命安全和操作任务 工效的个体防护工作装备，是航天员在轨出舱和进行近地天体表面活动的必 需设备。
目前，美国在航天飞机出舱活动穿用的舱外航天服和俄罗斯在“科平” 号及国际空间站上出舱活动使用的舱外航天服均属于舱外航天服发展中的第 三代产品，是当代世界上最先进的出舱活动个体防护作业装备。
最大阻力矩（首次）（Nm）
21.0(25) 5.0(8)
15.0 2.8 （3.5）
10 10 2.5(3)
6.0 1.8
指关节
能握住4.5cm的杆达5分钟
四、工效学影响因素分析
1. 适体性
适体性是指航天员在出舱作业过程中，舱外航天服外壳形 态均同人体体表形态与几何尺寸一致，并保持规定的间隙（空 气层），过大过小将会影响着人体的活动性能。特别要求外壳 的活动关节应与人体关节适应，在加压状态更不能与全身末端 （脚、手、头顶）分离。否则，不仅影响活动，也容易产生机 械不适，更会影响对精细动作起关键作用的触觉。
6）航天服具有与其他出舱航天员、航天器及其地面监控中心的无线电遥测通 信（语音、数据）能力。
7）航天服在EVA中，所有的系统都自主运行。在气闸舱内采用电脐带的方式 工作。在气闸舱外附近工作时，也可采用电脐带的方式工作。
二、结构分析
上肢关节总成
头盔
通讯头戴
躯干
液冷服 下肢关节总成
舱外航天服系统
电控制台
风机 应急通风循环装置
净化装置 控制阀
传感器装置 调理电路 控制器
遥测通信分系统
遥测通信子系统
数据通信收发装置 生理信息的监测和处理
电源与供配电 子系统
控制与显示
控制与显示主要 由电控台、信息集成 处理单元、显示单元、 报警装置构成。本系 统的功能是整个系统 的集成控制装置，是 航天服系统信息中心 和控制中心。也包括 航天员对系统状态进 行切换和手动操作的 控制操作。
2. 舱外航天服的空间膨胀度
服装过度膨胀，对人体活动、气闸舱布局和舱门直径的确定，均有 直接影响，即会明显影响活动工效学和空间工效学。
由于服装过度膨胀，各部位随加压值升高相应膨胀，使得各活动部 位的动作受限。肩宽与腋下围增加，影响上肢动作。胸围、腹围和臀 围分别增粗，会限制收腿和弯腰动作等。当服内压增到20kPa时，手 上举困难，不能握拳。双臂内收时，感到阻力甚大，腿不能回收和踏 上脚蹬。在舱外航天服设计中，在结构上完善，膨胀度明显比较适度 ，从而对活动功效学与空间工效学的影响显著缩小。
通风管路
气密断接机构 液冷服装置 下肢关节总成
腕部复合关节
压力面窗装置 防眩面窗机构
照明装置 断接接口机构
环控与生保分系统
温度控制子系统 供气调压子系统 通风与净化子系统 测量与控制子系统
冷源与热交换器装置 液路循环动力装置
储水与供水调节装置 水气分离器
蓄压器与排气装置
供氧气瓶组件 供氧调节器 气动控制台 应急供氧装置
a.航天服活动部位的设置与活动性能，应与航天员EVA执行任务时所需 要的基本操作动作相匹配，尽量减少不必要的活动部位与过高的性能要求。
b.航天服活动关节的活动力学特性必须符合人体动力学要求。 c.航天员穿着服装活动时，对人体应当不产生压疼感。 d.服装不需要别人帮助，能自己完成穿或脱。 4）服装加压时，服装肢体伸长、头盔上举后，不影响航天员的视野范围 设计要求。 5) 服装具有在轨尺寸调节和维修能力。
3. 关节结构的活动性能
舱外航天服的关节结构的活动性能直接制约着舱外航天 服的工效性能。就现有舱外航天服来说，虽然有活动关节， 但在加压状态，很难弯曲。同时，它提供的活动空间也有限， 操作范围仅仅只有距自己30 cm远处1 m见方的区域。
其活动性不能随意自如，对航天员各活动部位均有不同 程度的限制，尤以肩关节、腕关节和腰部活动为甚，例如， 肩关节只能前后动而不能左右动。航天服关节不仅活动范围 和自由度受限，而且存在着活动阻力大，费力等缺欠。
4. 控制机构的可操作性
舱外航天服控制机构包括气液控制台上 的气动手柄、主备氧瓶切换手柄、主备供氧 调节器切换手柄、液温调节手柄和电控台上 的风机、泵、遥测设备、照明灯等各种开关 与信息显示装置（显示器和压力表）。上述 控制机构的可操作性和防误操作设计直接关 系到航天员的安全，特别是在服装故障，出 现应急状况下航天员着加压航天服的手套对 控制机构操作的及时性与准确性决定着航天 员是否能安全返回母船的重要因素。
控制与显示 分系统
数管与控制子系统
电控台 液控台 故障诊断装置 通信头戴装置
显示与报警子系统
提示和告警装置 系统信息显示装置
三、舱外航天服工效学总体设计
1）航天服及其部组件的尺码系列应符合人体测量学的数据，穿着适体。 2）航天服在最大工作压力情况下，外缘结构尺寸应符合母飞行器座舱空 间性要求，利于航天员出舱操作及活动。 3）航天服加压时，服装结构与关节活动性能应符合失重条件下的人体工 效学和舱外操作任务工效学要求：
3）航天服具有航天员通话、人体生理信息监测、设备工作状态参数测控、信 息显示与故障报警等功能。
4）航天服具有备用应急供氧功能，以保证在舱外航天服意外出现故障时，航 天员能安全返回航天器内。
5）航天服易于穿脱，其拟人形态结构、头盔面窗视觉工作能力及关节结构活 动功能满足失重条件下的人体工效学和舱外操作任务工效学要求。
航天服关节活动性设计目标
项目
肩关节 内收/外展 肩旋转
肘关节 内收/外展 臂旋转
腕关节 内收/外展 侧摆 旋转
膝关节 弯曲/伸展 踝关节 弯曲/伸展
最Biblioteka Baidu角度（度）（首次）
90 ±180
25 120(±90)
45 15 180
120 ±30
工作角度（度）
60 180
25 60
45 15 180
60 ±15
2. 舱外航天服的基本功能
1）舱外航天服具有防护空间环境有害因素对人的危害，保证航天员生命安全 与健康。
2）航天服为航天员创造的服装内微小气候环境条件，满足人体生理卫生学要 求，保障人体正常生命活动。
气液控制台
电源
遥测通信设备
手套 生保系统
本体结构分系统
结构子系统 关节活动子系统 热防护子系统 EVA手套子系统 视觉保障子系统
航天服结构框架 肩部复合关节
外防护层
手套局部被动热防护层
穿脱舱门结构/机构 臂肘关节组合 真空屏蔽隔热层 压力防护层与掌指约束机构
应急服压调节与 安全压力控制
内外接口装置
实例：舱外航天服系统 人因工程设计要求与评价
一、任务分析
1. 舱外航天服的定义
舱外航天服是在载人航天活动中，用于保障航天员生命安全和操作任务 工效的个体防护工作装备，是航天员在轨出舱和进行近地天体表面活动的必 需设备。
目前，美国在航天飞机出舱活动穿用的舱外航天服和俄罗斯在“科平” 号及国际空间站上出舱活动使用的舱外航天服均属于舱外航天服发展中的第 三代产品，是当代世界上最先进的出舱活动个体防护作业装备。
最大阻力矩（首次）（Nm）
21.0(25) 5.0(8)
15.0 2.8 （3.5）
10 10 2.5(3)
6.0 1.8
指关节
能握住4.5cm的杆达5分钟
四、工效学影响因素分析
1. 适体性
适体性是指航天员在出舱作业过程中，舱外航天服外壳形 态均同人体体表形态与几何尺寸一致，并保持规定的间隙（空 气层），过大过小将会影响着人体的活动性能。特别要求外壳 的活动关节应与人体关节适应，在加压状态更不能与全身末端 （脚、手、头顶）分离。否则，不仅影响活动，也容易产生机 械不适，更会影响对精细动作起关键作用的触觉。
6）航天服具有与其他出舱航天员、航天器及其地面监控中心的无线电遥测通 信（语音、数据）能力。
7）航天服在EVA中，所有的系统都自主运行。在气闸舱内采用电脐带的方式 工作。在气闸舱外附近工作时，也可采用电脐带的方式工作。
二、结构分析
上肢关节总成
头盔
通讯头戴
躯干
液冷服 下肢关节总成
舱外航天服系统
电控制台
风机 应急通风循环装置
净化装置 控制阀
传感器装置 调理电路 控制器
遥测通信分系统
遥测通信子系统
数据通信收发装置 生理信息的监测和处理
电源与供配电 子系统
控制与显示
控制与显示主要 由电控台、信息集成 处理单元、显示单元、 报警装置构成。本系 统的功能是整个系统 的集成控制装置，是 航天服系统信息中心 和控制中心。也包括 航天员对系统状态进 行切换和手动操作的 控制操作。
2. 舱外航天服的空间膨胀度
服装过度膨胀，对人体活动、气闸舱布局和舱门直径的确定，均有 直接影响，即会明显影响活动工效学和空间工效学。
由于服装过度膨胀，各部位随加压值升高相应膨胀，使得各活动部 位的动作受限。肩宽与腋下围增加，影响上肢动作。胸围、腹围和臀 围分别增粗，会限制收腿和弯腰动作等。当服内压增到20kPa时，手 上举困难，不能握拳。双臂内收时，感到阻力甚大，腿不能回收和踏 上脚蹬。在舱外航天服设计中，在结构上完善，膨胀度明显比较适度 ，从而对活动功效学与空间工效学的影响显著缩小。
通风管路
气密断接机构 液冷服装置 下肢关节总成
腕部复合关节
压力面窗装置 防眩面窗机构
照明装置 断接接口机构
环控与生保分系统
温度控制子系统 供气调压子系统 通风与净化子系统 测量与控制子系统
冷源与热交换器装置 液路循环动力装置
储水与供水调节装置 水气分离器
蓄压器与排气装置
供氧气瓶组件 供氧调节器 气动控制台 应急供氧装置
a.航天服活动部位的设置与活动性能，应与航天员EVA执行任务时所需 要的基本操作动作相匹配，尽量减少不必要的活动部位与过高的性能要求。
b.航天服活动关节的活动力学特性必须符合人体动力学要求。 c.航天员穿着服装活动时，对人体应当不产生压疼感。 d.服装不需要别人帮助，能自己完成穿或脱。 4）服装加压时，服装肢体伸长、头盔上举后，不影响航天员的视野范围 设计要求。 5) 服装具有在轨尺寸调节和维修能力。
3. 关节结构的活动性能
舱外航天服的关节结构的活动性能直接制约着舱外航天 服的工效性能。就现有舱外航天服来说，虽然有活动关节， 但在加压状态，很难弯曲。同时，它提供的活动空间也有限， 操作范围仅仅只有距自己30 cm远处1 m见方的区域。
其活动性不能随意自如，对航天员各活动部位均有不同 程度的限制，尤以肩关节、腕关节和腰部活动为甚，例如， 肩关节只能前后动而不能左右动。航天服关节不仅活动范围 和自由度受限，而且存在着活动阻力大，费力等缺欠。
4. 控制机构的可操作性
舱外航天服控制机构包括气液控制台上 的气动手柄、主备氧瓶切换手柄、主备供氧 调节器切换手柄、液温调节手柄和电控台上 的风机、泵、遥测设备、照明灯等各种开关 与信息显示装置（显示器和压力表）。上述 控制机构的可操作性和防误操作设计直接关 系到航天员的安全，特别是在服装故障，出 现应急状况下航天员着加压航天服的手套对 控制机构操作的及时性与准确性决定着航天 员是否能安全返回母船的重要因素。
控制与显示 分系统
数管与控制子系统
电控台 液控台 故障诊断装置 通信头戴装置
显示与报警子系统
提示和告警装置 系统信息显示装置
三、舱外航天服工效学总体设计
1）航天服及其部组件的尺码系列应符合人体测量学的数据，穿着适体。 2）航天服在最大工作压力情况下，外缘结构尺寸应符合母飞行器座舱空 间性要求，利于航天员出舱操作及活动。 3）航天服加压时，服装结构与关节活动性能应符合失重条件下的人体工 效学和舱外操作任务工效学要求：
3）航天服具有航天员通话、人体生理信息监测、设备工作状态参数测控、信 息显示与故障报警等功能。
4）航天服具有备用应急供氧功能，以保证在舱外航天服意外出现故障时，航 天员能安全返回航天器内。
5）航天服易于穿脱，其拟人形态结构、头盔面窗视觉工作能力及关节结构活 动功能满足失重条件下的人体工效学和舱外操作任务工效学要求。
航天服关节活动性设计目标
项目
肩关节 内收/外展 肩旋转
肘关节 内收/外展 臂旋转
腕关节 内收/外展 侧摆 旋转
膝关节 弯曲/伸展 踝关节 弯曲/伸展
最Biblioteka Baidu角度（度）（首次）
90 ±180
25 120(±90)
45 15 180
120 ±30
工作角度（度）
60 180
25 60
45 15 180
60 ±15