李元豐， 張萬欣， 王怡靈， 羅詩瑤， 劉東岳， 冉 倩， 尚 坤， 嚴(yán) 曲

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094）

1 引言

艙外航天服是航天員出艙活動(dòng)必需的支持裝備。 空間站任務(wù)中，新一代飛天艙外航天服已經(jīng)列裝服役。 艙外航天服可以看作是一種特殊的載人航天器，在保證航天員生命安全的同時(shí)，還需具備良好的工效保障能力，確保航天員穿著航天服后能夠完成復(fù)雜的出艙活動(dòng)任務(wù)。 而適體性是工效保障的基本要求，艙外航天服的適體性主要通過壓力服實(shí)現(xiàn)。 壓力服是可以提供一定壓力環(huán)境的密閉服，呈擬人形態(tài)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)組成劃分為上軀干、下軀干、上肢、手套等組件。

根據(jù)著服對象，艙外航天服適體性包含兩部分含義：①對于航天員個(gè)體，艙外航天服有一定的針對性，滿足航天員個(gè)體的使用需求，為適體性的個(gè)性要求；②艙外航天服要具備對一定身材范圍內(nèi)的航天員群體的覆蓋能力，保證航天服的通用性，為適體性的共性要求。 而適體性的這兩部分要求又是相互矛盾的。 為解決艙外航天服適體性兩方面要求的矛盾，在適體性設(shè)計(jì)中通常采用被動(dòng)適體設(shè)計(jì)和主動(dòng)適體設(shè)計(jì)。 被動(dòng)適體設(shè)計(jì)是指依據(jù)人體尺寸和活動(dòng)特性，設(shè)置合理的單一結(jié)構(gòu)參數(shù)及形態(tài)，在尺寸和形態(tài)不變的情況下獲得最大程度的適體性。 單純的被動(dòng)適體性設(shè)計(jì)難以有效解決適體性的個(gè)性和共性的矛盾，需配合主動(dòng)適體性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高程度的適體性，即設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)艙外航天服部分結(jié)構(gòu)在工作過程中可以依據(jù)著服航天員的身材特點(diǎn)、具體的使用需求以及航天員在出艙活動(dòng)過程中的人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)形態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)。

美國EMU（Extravehicular Activity Unit）和俄羅斯Orlan 艙外航天服是正在國際空間站服役的2 種艙外航天服，在適體性設(shè)計(jì)上分別采用了不同的策略。 EMU 是為航天飛機(jī)計(jì)劃研發(fā)的地基艙外航天服，采用模塊化分型設(shè)計(jì)，將壓力服分解為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊細(xì)分尺寸型號，如軀干分為S、M、L 等號型。 執(zhí)行飛行任務(wù)的航天員根據(jù)自身身材尺寸和主觀偏好選用各組成模塊，通過統(tǒng)一的接口組裝集成。 選配組裝的EMU 通過具有強(qiáng)大運(yùn)載能力的航天飛機(jī)隨航天員一同發(fā)射入軌執(zhí)行任務(wù)。 EMU 的適體性方法可以最大程度地實(shí)現(xiàn)對航天員個(gè)體的適應(yīng)性，但需要強(qiáng)大的生產(chǎn)制造、天地運(yùn)輸?shù)荣Y源保障，使用成本較大。

俄羅斯Orlan 艙外航天服采用“一對多”的適體性設(shè)計(jì)模式，主體結(jié)構(gòu)的軀干、頭盔等為硬質(zhì)固定尺寸結(jié)構(gòu)，覆蓋全部目標(biāo)著服人群身體尺寸，四肢軟結(jié)構(gòu)設(shè)置局部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可針對具體著服人體進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)。 作為典型的軌道基航天服，Orlan 艙外航天服適體性設(shè)計(jì)方法的最大優(yōu)勢是可以最大程度降低保障資源的支持，但缺點(diǎn)是由于硬結(jié)構(gòu)要覆蓋最大身體參數(shù)的人體，對于小身材航天員適應(yīng)性存在一定不足。

對比EMU 和Orlan 艙外航天服所采用的適體性設(shè)計(jì)方法，如具備強(qiáng)大的保障資源支持能力的EMU 模塊化設(shè)計(jì)，又如Apollo 登月服的按體定制是最理想的設(shè)計(jì)方法。 但考慮工程實(shí)現(xiàn)代價(jià)，Orlan 艙外航天服的設(shè)計(jì)方法更為經(jīng)濟(jì)、可行，但需要針對小身材航天員適體效果不足的問題進(jìn)行改進(jìn)，如在Z 系列航天服研發(fā)中提出的左右肩法蘭中心距小范圍調(diào)整的設(shè)計(jì)。 同時(shí)借鑒上肢和下軀干等軟結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)方法，研究人員提出了針對軟質(zhì)軀干結(jié)構(gòu)的尺寸調(diào)節(jié)方法，如Mor?phing Spacesuit 概念、軟式上軀干主動(dòng)適體方法等。

本文根據(jù)飛天艙外航天服的結(jié)構(gòu)構(gòu)形，采用被動(dòng)適體和主動(dòng)適體融合設(shè)計(jì)原則，分析討論艙外航天服適體性設(shè)計(jì)因素，以身高等人體參數(shù)作為主要參考數(shù)據(jù)，通過拆解壓力服各個(gè)功能組件完成適體性設(shè)計(jì)；開展無人、有人驗(yàn)證試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和適體性效果。

2 適體性設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

飛天艙外航天服采用軟硬混合式的半硬式構(gòu)形，其中作為壓力服主體結(jié)構(gòu)的上軀干采用硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，上軀干由頭盔、軀干和背包構(gòu)成；具有活動(dòng)功能要求的下軀干、上肢、手套主體采用軟質(zhì)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)飛天艙外航天服構(gòu)形，采用“一對多”的適體性原則，即以一套服裝多人穿用，被動(dòng)適體性與主動(dòng)適體性相結(jié)合，兼顧個(gè)性與共性要求，據(jù)此針對壓力服各部件結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)。

1）上軀干為硬結(jié)構(gòu)，采用單一參數(shù)的固定結(jié)構(gòu)，根據(jù)目標(biāo)著服人群身體參數(shù)，包絡(luò)最大范圍；

2）下軀干與上肢采用主動(dòng)適體性設(shè)計(jì)，根據(jù)航天員人群身體參數(shù)確定參數(shù)范圍，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)局部參數(shù)調(diào)節(jié)；

3）手套同樣采用被動(dòng)與主動(dòng)適體性耦合設(shè)計(jì)，根據(jù)航天員人群手部參數(shù)分型，著服航天員可根據(jù)自身手部參數(shù)選配，同時(shí)各型號局部尺寸可調(diào)節(jié)以獲得更好的適體針對性。

2.2 上軀干適體性設(shè)計(jì)

航天員穿著艙外航天服后，軀干部分包裹于航天服上軀干容腔內(nèi)部。 肩部法蘭開口的存在勢必對人體上肢活動(dòng)性產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)肩法蘭參數(shù)時(shí)，主要考慮的人體參數(shù)有肩寬、胸寬、前臂長以及上臂長等。 李元豐等通過減小左右肩法蘭中心距、增大肩法蘭開口尺寸以及調(diào)整肩法蘭空間角度，可以控制肩法蘭對上肢活動(dòng)性的干涉。

在圍度方面的影響分兩部分：一是人體軀干包裹于上軀干內(nèi)部，上軀干容腔的圍度與人體胸圍、胸寬、胸厚等圍度尺寸相關(guān)，在設(shè)計(jì)中要保證著服后航天員既有一定的活動(dòng)空間，同時(shí)提供服內(nèi)通風(fēng)循環(huán)的流道，也要有一定的束縛感；二是由于飛天艙外航天服采用背入式穿脫方式，考慮穿脫策略，穿脫門寬度需考慮人體最大肩寬和坐姿臀寬等參數(shù)，保證航天員可坐在穿脫門框，且雙手可同時(shí)伸入上肢結(jié)構(gòu)。

在高度方面，上軀干穿脫門高度與人體坐高相關(guān)，保證航天員穿服時(shí)可坐到穿脫門框，適當(dāng)內(nèi)收雙肩和低頭就可以將上肢和頭部穿入服裝。 頭盔與肩法蘭相對高度需要與人體肩部到頭頂?shù)木嚯x相適應(yīng)。

著服后，航天員頭部在頭盔結(jié)構(gòu)容腔內(nèi)部，頭盔尺寸需保證航天員左右、前后和俯仰擺頭等活動(dòng)，需與頭全高、頭最大寬等尺寸相適應(yīng)。

2.3 上肢適體性設(shè)計(jì)

為滿足四肢及手部活動(dòng)性要求，飛天艙外航天服的上肢、下軀干及手套主體結(jié)構(gòu)為軟質(zhì)，在相應(yīng)的關(guān)節(jié)處設(shè)置活動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸承。 為獲得最大程度的活動(dòng)性，艙外航天服關(guān)節(jié)應(yīng)與人體相適應(yīng)，這就要求軟質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一定的調(diào)節(jié)能力，確保服裝的各部分肢體與人體的適應(yīng)協(xié)調(diào)。 以臂軸承為分界將上肢分為上臂和前臂，分別設(shè)置長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同上臂長和前臂長人體穿著。

另外，李倬有等研究表明，手套與手指的間隙越小，手套的工效能力越好。 在長度方向上，著服人體手指尖與艙外手套間隙可以定義為脫指量，脫指量越小，其適體性越好，因此艙外服的上肢長度與手套長度需整合設(shè)計(jì)，覆蓋人體臂展的包絡(luò)范圍，滿足脫指量要求。

2.4 下軀干適體性設(shè)計(jì)

下軀干的適體性設(shè)計(jì)分三方面：①由于上軀干為硬結(jié)構(gòu)不可調(diào)節(jié)，所以對人體身高的適應(yīng)性設(shè)計(jì)以下軀干調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，通過在襠部設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整襠部高度，保證著服人體上半身在上軀干容腔內(nèi)部高度方向上的相對位置，特別是保證頭部在頭盔面窗的相對位置；②為保證下肢膝關(guān)節(jié)與人體膝關(guān)節(jié)位置對應(yīng)，在大腿和小腿分別設(shè)計(jì)長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；③根據(jù)航天員足部尺寸，特別是足長，確定下軀干鞋組件參數(shù)，保證腳部適體的同時(shí)提供腳部通風(fēng)空間，應(yīng)以最大尺寸為上限。

2.5 手套適體性設(shè)計(jì)

手套采用整體分析、局部調(diào)節(jié)的適體性設(shè)計(jì)。根據(jù)出艙活動(dòng)中手部操作特點(diǎn)，分型依據(jù)的人體參數(shù)主要是拇指長、中指長和掌圍等尺寸。 在掌圍上設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)著服后手部既有裹縛感，又有一定的活動(dòng)空間而不產(chǎn)生壓迫。 在穿戴手套后脫指量的保證上，通過手套長度與上肢長度整合設(shè)計(jì)，結(jié)合上肢可調(diào)節(jié)的長度范圍和手套分型實(shí)現(xiàn)對人體臂展的覆蓋。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 無人驗(yàn)證試驗(yàn)

無人試驗(yàn)是以標(biāo)準(zhǔn)人體模型作為試驗(yàn)對象，模擬航天員穿著艙外航天服，初步評估服裝對人體靜態(tài)尺寸的匹配性。 試驗(yàn)中根據(jù)人體模型尺寸調(diào)節(jié)艙外服上肢和下軀干尺寸，在試驗(yàn)人員輔助下將人體模型穿入和脫出艙外服，通過穿入／脫出情況評估穿脫可行性；人體模型穿入后，通過外部驅(qū)動(dòng)活動(dòng)關(guān)節(jié)方式評估艙外服關(guān)節(jié)對位效果，以此來評估艙外服對人體靜態(tài)尺寸的匹配性。

人體標(biāo)準(zhǔn)模型的研制是通過掃描180 cm 男子和165 cm 女子身高等級的身體三維數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)重建，得到2 個(gè)身高等級的參數(shù)最大包絡(luò)人體模型，如圖1 所示。

圖1 180 cm 男子和165 cm 女子身高等級人體模型Fig.1 Model of 180 cm male and 165 cm female bodies

3.2 有人驗(yàn)證試驗(yàn)

有人驗(yàn)證試驗(yàn)是以志愿者作為試驗(yàn)對象模擬航天員穿著艙外航天服，并針對出艙活動(dòng)需求，開展典型的活動(dòng)操作，如攀爬、轉(zhuǎn)運(yùn)物品、使用工具等，評估服裝的適體性。

依據(jù)服裝尺寸適應(yīng)性要求，選取165 cm（S）、170 cm（M）和175 cm（L）3 個(gè)身高等級志愿者共10 名（男性8 名，女性2 名），要求體態(tài)正常，無極端體型，志愿者身體參數(shù)情況如表1 所示。

表1 志愿者身體參數(shù)Table 1 Characteristics of sample population

1）穿脫性。 穿脫性以志愿者自主穿脫時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)，要求經(jīng)訓(xùn)練后穿脫時(shí)間不大于5 min。 試驗(yàn)中記錄志愿者穿脫時(shí)間，以平均穿脫時(shí)間評估。

2）人體匹配性采用主觀感受問卷評估艙外航天服的人體匹配性。 志愿者以艙外航天服對頭部、肩膀、肘部、腕部、手部和腿部的適應(yīng)性分別打分。 采用5 分制：5 分為優(yōu)秀，4 分為良好，3 分為一般，2 分為較差，1 分為很差。

3）脫指量。 艙外航天服對人體手部良好的適應(yīng)性是保證航天員著服后手部操作能力的前提，脫指量是衡量航天服對手部貼合程度的重要指標(biāo)，體現(xiàn)服裝對人體上肢的綜合適應(yīng)能力，要求艙外航天服尺寸調(diào)整到位、加壓后，主要手指的脫指量不大于1 cm。

4 驗(yàn)證結(jié)果

4.1 無人驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

無人試驗(yàn)中，2 種尺寸規(guī)格人體模型均可順利穿入服裝，如圖2 所示，上肢和下軀干尺寸調(diào)節(jié)后的關(guān)節(jié)對位狀態(tài)滿足要求，服裝的人體靜態(tài)尺寸匹配性良好，可進(jìn)一步開展有人試驗(yàn)。

圖2 無人驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.2 The manikin verification experiment

4.2 有人驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

穿脫性試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，10 名志愿者的穿服平均時(shí)間為147 s，脫服平均時(shí)間為77 s，結(jié)果滿足穿脫性要求。

醫(yī)院財(cái)務(wù)管理質(zhì)量直接關(guān)系到醫(yī)院的整體運(yùn)營，但是從當(dāng)前醫(yī)院財(cái)務(wù)管理情況來看，缺乏專業(yè)人才、缺乏完善內(nèi)部審核機(jī)制、缺乏對資產(chǎn)管理的重視等問題非常突出。醫(yī)院應(yīng)該正視這些問題，并采取相應(yīng)措施給予解決，注重財(cái)務(wù)管理專業(yè)人才的培養(yǎng)，不斷完善內(nèi)部審核機(jī)制，建立資產(chǎn)管理部門以加強(qiáng)對醫(yī)院資產(chǎn)的管理，通過多種措施的聯(lián)合實(shí)施，不斷改進(jìn)醫(yī)院財(cái)務(wù)管理中存在的問題，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院財(cái)務(wù)管理質(zhì)量的逐步提升，保證醫(yī)院長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。

表2 飛天艙外航天服穿脫時(shí)間Table 2 Don／Doff time of Feitian EVA spacesuit

人體匹配性結(jié)果如表3 所示，服裝完成局部適體性調(diào)節(jié)后，對人體主要部位的匹配性的平均評價(jià)得分均在4 分以上，表明服裝對人體匹配性良好。

表3 飛天艙外航天服人體匹配性主觀打分表Table 3 Subjective body fit score of Feitian EVA spacesuit

試驗(yàn)中對工作壓力下主要操作手指（拇指、食指、中指）的脫指量進(jìn)行了測量，加壓后食指、中指以及拇指的脫指量均接近0。

5 討論

一套艙外航天服制度可以有效解決運(yùn)載能力限制和高成本問題，但帶來的問題也明顯存在，由于服裝需覆蓋全體目標(biāo)對象的尺寸參數(shù)，在平衡個(gè)體與群體使用要求的過程中勢必會(huì)犧牲部分個(gè)性適體。 基于被動(dòng)適體設(shè)計(jì)的主動(dòng)適體方案可以在一定程度上解決該問題，因此在飛天艙外航天服研制中對上肢、下軀干等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)針對個(gè)體的尺寸調(diào)整，從試驗(yàn)和使用效果來看，達(dá)到了預(yù)期效果。

本文通過拆解壓力服各個(gè)功能組件，梳理確定了身高、肩寬、胸圍、臂展等人體參數(shù)為適體性設(shè)計(jì)的主要因素，以各設(shè)計(jì)因素的數(shù)據(jù)為輸入，初步建立了艙外航天服與各設(shè)計(jì)因素的相對關(guān)系，通過組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定適體性設(shè)計(jì)方案。 但在設(shè)計(jì)中多基于經(jīng)驗(yàn)和參照國外航天服參數(shù)，缺乏人-服相互作用關(guān)系的理論和數(shù)據(jù)積累，今后需進(jìn)一步開展研究。 另外在產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺方面，應(yīng)進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)、模擬仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)體系，特別是要建立模擬仿真模塊，對適體性方案進(jìn)行快速、全面地仿真驗(yàn)證，提升設(shè)計(jì)迭代效率和效果。

以穿脫性、人體匹配性和脫指量作為指標(biāo)進(jìn)行了適體性驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，飛天艙外航天服的穿脫性和正常工作壓力下手部脫指量均表現(xiàn)較好；在人體匹配性方面，對手部和肩部的適應(yīng)能力仍有進(jìn)一步提升的空間，特別是手套對人體手部的匹配，關(guān)系到出艙活動(dòng)操作的靈活性和精細(xì)度，而手套結(jié)構(gòu)高度集成，環(huán)境防護(hù)的約束對工效保障能力的提升具有極大挑戰(zhàn)；服裝對人體肩部的匹配性存在不足主要是由上軀干帶來的，由于硬質(zhì)上軀干尺寸需覆蓋所有目標(biāo)人群，必然造成個(gè)別人體的局部適體性不足，未來可在上軀干硬質(zhì)主動(dòng)適體設(shè)計(jì)開展深入研究，特別是實(shí)現(xiàn)肩法蘭的適體性調(diào)節(jié)，將極大改善肩部適體性和上肢活動(dòng)性。

6 結(jié)論

1）針對半硬式艙外航天服，可采用被動(dòng)適體和主動(dòng)適體融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“一對多”的適體性設(shè)計(jì)；

2）通過拆解服裝的部組件組成，并針對性分析人體適體性因素，開展適體性設(shè)計(jì)的方法是有效的；

3）無人和有人適體性試驗(yàn)和評價(jià)方法可以有效評估艙外航天服適體性設(shè)計(jì)效果；

4）飛天艙外航天服具有較好的適體性能，滿足出艙活動(dòng)任務(wù)要求。