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卧姿半弹道式再入过载假人动态响应研究
时间:2021-03-05 09:00:00来源:汉斯出版社
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提要:月地返回再入加速度安全成为航天载人登月的关键之一。

载人探月飞船返回地球时,飞船将以第二宇宙速度进入大气层,航天员将暴露于高水平再入加速度过载环境,严重威胁航天员健康安全,因此月地返回再入加速度安全成为航天载人登月的关键之一。我国经过多年发展已掌握近地轨道载人航天器返回与回收技术,成功完成多艘载人飞船返回与回收以及嫦娥五号飞行试验器任务,但是以第二宇宙速度载人月地返回再入仍有诸多重大问题尚待解决。

根据国外载人登月工程实践特点分析,在汉斯出版社《国际航空航天科学》期刊中,有学者认为,载人探月飞行任务的返回再入区别于近地轨道载人飞行返回,与近地轨道返回相比,航天员要承受更为严酷的再入加速度过载环境。目前根据飞行器负荷和再入速度不同主要选用两种返回方式,一是钱学森式弹道经受高温直接冲过大气层,该方式适合第一宇宙速度以下的近地轨道返回;二是通过桑格尔弹道跳跃式来减速降温。如果不采用跳跃式飞船加速度可达15g左右,严重威胁航天员的生命安全。再入方式不同,飞行器所经历升阻力不同,相应所受加速度不同。

相比而言,载人登月返回过程中,乘员将会经受更高峰值、增长率及复杂波形的加速度作用,导致乘员损伤风险显著增加,如有应急情况,过载安全问题更为突出。目前,美国NASA仍在进行返回再入加速度耐受性问题的相关研究。根据我国载人登月计划需求,及时开展返回再入加速度耐受性及防护技术研究,对明确登月任务返回再入乘员安全性设计具有重要意义。

借助载人飞行来获得高速再入人体加速度响应和生理效应等规律,实施代价高、安全风险大,通常先期采用地面分析、仿真和试验进行验证。我国目前也在开展相应研究,有学者采用HUMOS生物力学假人,开展再入过载条件下典型体位响应仿真研究,分析认为体位姿态对膈肌的位移和变形是影响人体对再入过载耐受力的最重要因素,并建议飞船乘员的姿态设计应优先选择躺姿。文献中利用离心机模拟Apollo10返回再入过载环境,获得躺姿HybridIII生物力学假人半弹道式再入时的人体动态响应,结果显示假人重要部位的动态响应与再入模式下的过载曲线变化趋势基本一致,各部位合成加速度值较为接近。但从保持工程继承性和节省经费角度考虑,如果采用现有联盟号飞船或神舟飞船卧姿和嫦娥返回方式,是否有利于人体对抗再入加速度,需要进一步研究。

本研究通过地面设备模拟躺姿阿波罗再入加速度环境,按联盟号飞船的乘员座椅姿态设计乘员方案,分析其再入方式过载条件下HybirdIII生物力学假人头部、胸部及腰部等重要部位的动力学响应规律,为载人飞行器第二宇宙速度返回再入的人体安全性和防护设计提供试验基础,为飞行设计提供设计备选方案。

本文对利用离心机模拟嫦娥返回再入过载,探讨卧姿人体姿态载入方式对假人动态响应的影响。结果表明模拟嫦娥载入返回过载时,假人头部、胸部、腰部三个重要部位均有较大+Gx加速度响应,验证部分结果和变化趋势。尤其是假人三个部位+Gx由头部、胸部、腰部载荷逐渐增大,意味着除了头部和胸部会产生较大生理影响外,腰腹部过载也将产生重要影响,这是由卧姿和腿部弯曲造成的,而且是不利于加速度对抗和提升加速度耐力的。建议下一步在工程设计和制定飞行器医学要求时,飞船设计师应关注卧姿时人体内部器官的受力状态,为航天员设计具有更好保护作用的体位,为飞船再入制定更好的返回策略。

文章链接:https://doi.org/10.12677/JAST.2021.91001

标签
卧姿 弹道 再入 过载 假人 动态 响应 研究

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