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搬上“天和”舱的那些锻炼设备

发布时间:2022-10-08

作为近地轨道上运行的大型载人航天器,空间站能够让人在太空较长时间工作生活,依靠货运飞船实现推进剂和消耗品补充,通过航天员进行设备维修与更新,延长航天器寿命或改变、扩充功能,是人类在太空的家园。

太空锻炼必不可少

       2021年4月29日,22.5吨重的中国空间站天和核心舱,从文昌航天发射场启程飞天,中国空间站建造进入实质性的“施工阶段”。核心舱作为空间站的主控舱段,既是空间站的管理和控制中心,也是航天员工作、生活的主要场所。天和核心舱的密封舱内配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区六个区域。

       从空间站正式启动建设开始,执行任务的乘组在轨驻留时间一般要三个月至半年以上。对于执行长期太空任务的航天员来说,身体和心理的健康状况是一个不可忽视的问题。

       在失重环境下,身体会发生一系列适应性变化,最主要的变化包括心血管系统的改变、肌肉萎缩和骨丢失。因此,航天员每天必须进行科学锻炼,以对抗空间环境带来的负面影响。另一方面,航天员返回地面后也需要重新适应地面上的重力环境,在太空做好锻炼防护对于飞行后的恢复也具有积极的意义。

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天宫一号健身车

       空间站的锻炼设备就是根据一个乘组每天需要的锻炼时间和锻炼强度研发制造,供航天员锻炼肌肉、心肺功能,促进中枢神经系统功能协调,维持失重环境下肌肉功能和骨骼力量,防止心血管功能失调、骨质脱钙、骨质疏松和肌肉萎缩等,为航天员在空间站工作生活提供强有力的体能锻炼保障。

       对于长期生活在密闭环境下的航天员来说,锻炼既是一项重要的“任务”,同时也是航天员们疏解压力、放松心情的重要手段。

       2012年6月19日,航天员刘洋首次在天宫一号上使用自行车功量计进行了锻炼。此后,航天员景海鹏、刘旺、聂海胜、张晓光、王亚平、陈冬等相继在天宫一号、天宫二号目标飞行器中使用太空健身车锻炼,并开始尝试在太空跑台上进行跑步。

       天宫一号健身车主要用于航天员的下肢和心肺功能锻炼,采用电磁阻作为阻力,两侧有类似于自行车的脚蹬,整机大小有大约装满书的书包一样大,配置有手持式控制器,航天员通过控制器可以调节阻力大小。

       大家还记得在天宫二号飞行任务中,景海鹏和陈冬太空跑步的情形吗?当时,他们做的就是天宫二号跑步机束缚系统技术验证。景海鹏和陈冬穿上束缚装置,在天宫二号跑步机上试验了多次以后,终于轻松自如地跑起来。

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       研究表明,航天员在太空失重环境中容易产生心肺功能减弱、血量减少、下肢肌肉萎缩、骨流失等问题,长期下去会影响航天员的健身和在轨工作能力。天宫二号跑步机就是针对这些不利影响而采取的一项防护手段。

       天宫二号跑步机表面是类似于地铁安检时一排滚动的圆形管,束缚装置是一种类似“背心”形状的装置,在失重环境下,锻炼者穿上它,可以将模拟的重力加载到锻炼者身上,通过调节腰带和胸前的束缚带长度来调节束缚的力的分配。

       在“天宫一号”和“天宫二号”健身设备试验验证基础上,在中国空间站天和核心舱的锻炼区,配置了太空跑台、太空自行车等健身器材,随后还将在实验舱配置微重力抗阻锻炼装置等体能锻炼设备,以全面满足航天员在轨锻炼需求。

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       太空跑台的跑步带采用类似坦克轮子一样的履带式结构,履带表面是厚厚的缓冲层,可以有效减少跑步过程中对膝盖的冲击,使跑步运动更加舒适。此外,还配置有模拟重力加载系统,可将航天员与跑步机连成一体,加载系统力量可调,以实现不同航天员锻炼时适合自身体重的重力模块;束缚背心配有缓冲气囊,使航天员锻炼起来更加舒适。

       跑步机设置有被动跑步和主动跑步两种锻炼模式,被动跑步由跑台带动航天员跑步;可进行各种不同运动处方的选择;主动模式由航天员带动跑台跑步,可自主进行不同阻力的设置。跑台整体通过减振系统与舱体连接。为什么要进行减振设计呢?由于跑步时,人体足底需要承受3~6倍自身体重的冲击力,会对空间站微重力环境产生严重的负面影响。

       试验证实,采用科学的隔振设计,能达到既保持跑台自身的相对稳定性又减少跑步时的负面影响,从而保证空间站上其他设备的正常运行。控制系统可以对锻炼设备进行运动参数控制、调节,运动状态参数采集、显示、传输,通过网络与地面进行即时通讯与信息交换,使跑台始终处于最佳运行状态。

       与天宫一号健身车比较,太空自行车加大了惯量储备调节系统,增加了航天员锻炼过程的运动平稳性和舒适性。束缚系统也做了大的改进,配置了扶手,增加了背垫,锻炼过程中双手托住扶手,背部靠住背垫,锻炼起来更轻松更舒适。

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航天健身器材是怎样“炼”成的

       与“天宫一号”、“天宫二号”锻炼设备相比,空间站的锻炼设备是迄今为止难度最大、研制周期最长的锻炼器材。

       与生产地面产品不同的是,研制任何一款航天产品,都需要投入巨大的人力、物力,它都是单台设计生产,付出的心血汗水往往是地面产品的几十倍。

       比如,同样功能的健身器材,在地面基本不受重量限制,调节阻力方式可以有多种选择。但是,当它作为一项上天产品,就有了可靠性、耐久性、总重量、总体积等指标的严格限制。

       航天器上的重量设计都是“克克计较”,同时还得保证使用中、阻尼调节中不能产生任何粉尘飘逸,这些硬约束条件,要求太空健身器材在材料上必须寻求突破,既要轻,又必须有足够的刚度,在结构上既要安全,又要简约,便于航天员操作。

       航天健身器材系列产品的研制,涉及空气动力学、人机工程学、力学、机械学等众多学科知识,同时还要满足飞行器总体设计要求和航天员的实际需求。比如,太空跑台束缚系统是一项航天员在轨锻炼的重要装备。为了航天员穿着舒服,专家多次听取航天员的意见,仅一套束缚就做了近20套样品,持续改进,直至最终定型。太空跑台长度较长,为了做振动试验,项目组采用最大载重30吨的试验平台做试验,采用专用离心机做加速度试验。

       从2006年开始,澳瑞特与中国的航天事业结下了不解之缘,接受了研制生产航天员健身锻炼设备这一光荣而艰巨的任务。在“特别能吃苦,特别能战斗,特别能攻关,特别能奉献”的载人航天精神鼓舞下,一项项太空健身器问世,有力地保障了飞天航天员的在轨健康。

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