CN106697340B - 一种体验微重力的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明应用于航空航天领域，旨在为航天员和想要体验微重力环境的民众模拟失重环境，进行太空舱内工作的模拟试验。本发明基于电磁起重机的原理，通过电磁铁(7)对磁力衣(3)产生的吸引力抵消人体一部分重力，通过各个结构在控制***(8)的调谐下实时、动态调节人体受力情况，使人体具有较强的失重参与感，模拟太空环境。

Description

一种体验微重力的装置
技术领域
本发明应用于航空航天领域，给出一种让航天员体验微重力下实验操作的装置，并且用于民众体验微重力的感觉。
背景技术
目前航天员的失重训练是利用失重飞机完成的。失重飞机可以完成抛物线飞行，形成15-40秒的微重力时间。使航天员感受、体验和熟悉失重环境，在失重的时间里可以做各种试验，如吃东西、喝水、穿脱衣服、闭眼与睁眼的定向运动,甚至可把一个舱体搬进机舱中，还可以进行人在失重的时间里从舱体爬出来的试验，训练太空的出舱活动。
美国的小型失重飞机有T-33和F-104飞机改装的失重飞机。大型失重飞机有KC-135和PC-9，苏联/俄罗斯用伊尔-76改装的大型失重飞机，其微重力时间大约有30s秒。法国有“快帆”和A300失重飞机，A300是目前世界上最大的失重飞机。日本也有大型或中型失重飞机。中国曾利用歼-5改装成小型失重飞机。
在地面还可以用中性浮力水槽产生的漂浮感觉，模拟训练航天员在失重时进行工作和维修。中性浮力水槽模拟失重的原理是，当人体浸入水中时，通过增减配重和漂浮器使人体的重力和浮力相等，即中性浮力，获得模拟失重的感觉和效应；但它并没有消除重力对于人体及其组织的作用，因此，它不同于真实的失重环境。目前，这种方法主要用于对出舱活动的航天员进行训练。一般是将1：1的航天器放入水槽中，航天员穿上改制的舱外航天服,进行出舱活动程序的模拟和技能的训练。
本发明基于电磁起重机的原理，通过控制***(8)及各个传感器协同工作，模拟太空环境，本发明面向于航天员及体验微重力效果的普通民众，用于其体验微重力下实验操作(如植物栽培、测量数据等等)和日常活动等，用电磁铁(7)对磁力衣(3)的电磁吸引力抵消人体的重力，再通过控制***(8)及各个部分传感器的协同控制保持人员在装置内的动态平衡，但由于是外加力场作用于人体，无法模拟外太空真实力场对人体组织的失重效果，故本发明提供类似于空间里微重力的感觉，与真实太空失重环境有区别。
发明内容
1.一种体验微重力的装置，包括舱体(1)、压力感应器(2)、磁力衣(3)、绳索(4)、力传感器(5)、绝缘层(6)、电磁铁(7)、控制***(8)、电磁起重装置(9)、缓冲层(10)、角度仪(11)、磁场屏蔽材料(12)、门(13)、安全带(14)。
2.根据权利要求1所述的一种体验微重力的装置，其特征在于：舱体(1)由高强度绝缘材料制成的，直径1.5-8m、高度2-5m的空心圆柱舱体(1)，舱体(1)外部覆盖一层磁场屏蔽材料(12)，屏蔽磁场避免影响装置外部的仪器和金属；舱体(1)上有压力感应器(2)用于感应人员对舱体(1)底部的压力，信号反馈到控制***(8)来调节电磁铁(7)电流的大小，从而控制电磁力的大小来升降人员，绳索(4)作为传感器，其内部的拉力通过力传感器(5)传输到控制***(8)，在整个过程中绳索(4)不提供对人体宏观向上的拉力，但需要时刻保持绷直的状态，即绳索(4)内部需要存在小部分力(如人体重力的1/20)反馈给控制***(8)来动态调节人体的平衡，人员在装置内受到电磁铁(7)的吸引力，大小控制在人员体重的1/2～9/10，使人员在舱内处于“悬浮”状态，体验到微重力的感觉，对身体控制力的生疏以及距离电磁铁(7)距离的变化会导致对压力感应器(2)的压力处于变化的状态，因此需要动态调节电磁吸引力的大小，以保证绳索(4)内部拉力不会发生突变，人员用力踏地时，会产生向上的加速度，此时绳索(4)会处于松弛状态，拉力迅速降至0，此时应适当减小电流促进人员回落，避免造成加速度过大撞到装置顶部，当想加大电流使装置内人员缓慢上升至完全悬浮时，电流增加的幅度应保持不会使绳索(4)内拉力发生突变，直到磁力与人体重力相平衡，避免发生危险；磁力衣(3)为高精密纤维、纳米材料等高轻度高强度材料制成的、包裹住人员躯干部的特殊衣服，中间衬料为高磁性磁铁钕铁硼磁铁，为人员提供向上的电磁力；绝缘层(6)为绝缘材料，隔绝电路及控制***(8)与装置内部的接触，避免产生漏电现象，起到保护***和人员的作用；缓冲层(10)为厚度30cm的弹性填充物，以防止电流突然增大导致人员受到的电磁力过大发生意外；安全带(14)固定在磁力衣(3)的上下前后左右六个方向，另一端与装置主体相连，在普通状态下处于松弛状态，当发生特殊情况时，人员某一方向加速度突然增大达到极限状态安全带会提供一个向反方向的一个弹力，以防止人员撞到装置四周；电磁起重装置(9)为圆形盘状结构，均分为八个角度固定8个相同的电磁铁(7)，通电时对磁力衣(3)的磁力的水平分力相互抵消，形成竖直向上的合力；人员在水平方向发生位移时，角度仪(11)记录绳索(4)在水平方向的角度信息反馈给控制***(8)，相应的调节该方向上的电磁铁(7)减小电流减小电磁力，使人员自由地完成水平方向的运动；控制***(8)负责接收各个传感器的信号，并实时调节装置内各个电磁铁(7)的工作情况。
附图说明
图1为本发明公开的一种体验微重力的装置图
图2给出志愿者在装置内受力分析图
具体实施方式
在体验过程中舱体(1)内部会产生较强的磁场，因此舱体(1)外部覆盖一层磁场屏蔽材料(12)，为80％的镍合金和20％的PVC的复合材料，用于屏蔽磁场对装置外部的仪器和金属造成的影响，人员在进入装置之前需要卸掉身上一切金属装置(如耳环、手链等)，从门(13)进入装置主体，穿上磁力衣(3)，站在压力感应器(2)中心，此时绳索(4)处于松弛状态且电磁铁(7)没有通电，压力感应器(2)的压力即为人员的重力，开启电磁起重装置(9)，逐渐增大电流，磁场增大，电磁铁(7)对人员的吸引力增大，电磁力的大小可以通过压力感应器(7)的示数得到，并且可以根据人员需要的体验程度调节电磁力的大小，当保持电流恒定时，此时控制***(8)控制绳索(4)逐渐拉伸，直到绳索(4)处于绷直状态并存有大约1/20人体重力的拉力，此时人员可以在装置内完成一些简单的动作和位移；人员用力踏压力感应器(2)时会产生向上的加速度，此时绳索(4)内部拉力减小，此时控制***(8)接收到信号控制绳索(4)向电磁起重装置(9)内部收缩，以保持绳索(4)始终处于紧绷状态，控制***(8)控制电流适当减小以促进人员回落到地面，当绳索(4)内部拉力开始增大，人员有回落趋势，此时控制***(8)控制电磁起重装置(9)向装置内放绳索(4)，并适当增大电流增强磁场，垂直方向上的运动为动态控制的过程，通过控制***(8)实时控制绳索(4)的缩放和电流大小来保证人员在悬浮过程中有较强的失重参与感；在人员进行水平方向位移时，绳索(4)不再垂直，角度仪(11)会检测到一个垂直角度偏移信号和水平角度偏移信号，水平角度偏移信号反馈给控制***(8)，控制***(8)控制绳索(4)水平偏移方向上最远的一个电磁铁(7)电流减小，垂直方向角度偏移越大，电流减小的越多，以此保持人员在水平方向上受力平衡，不会明显感受到电磁吸引力在水平方向上的阻碍作用，当绳索(4)趋于垂直时适当增大电流，以此控制人员在水平方向上的动态平衡，在水平位移过程中控制***(8)同样控制绳索(4)的缩放以保证绳索(4)内存在小部分拉力以作为传感器反馈信号；由于电磁起重***电能消耗大，且人体长时间暴露在磁场下会造成负面影响，因此每次体验时间不宜超过5分钟。

Claims (1)

1.一种体验微重力的装置，包括舱体(1)、压力感应器(2)、磁力衣(3)、绳索(4)、力传感器(5)、绝缘层(6)、电磁铁(7)、控制***(8)、电磁起重装置(9)、缓冲层(10)、角度仪(11)、磁场屏蔽材料(12)、门(13)、安全带(14)，其中，舱体(1)为高强度绝缘材料制成的、直径1.5-8m、高度2-5m的空心圆柱舱体(1)，舱体(1)外部覆盖一层磁场屏蔽材料(12)，屏蔽磁场避免影响装置外部的仪器和金属；舱体(1)上有压力感应器(2)用于感应人员对舱体(1)底部的压力，信号反馈到控制***(8)来调节电磁铁(7)电流的大小，从而控制电磁力的大小来升降人员，绳索(4)作为传感器，其内部的拉力通过力传感器(5)传输到控制***(8)，在整个过程中绳索(4)不提供对人体宏观向上的拉力，但需要时刻保持绷直的状态，即绳索(4)内部需要存在小部分力反馈给控制***(8)来动态调节人体的平衡，人员在装置内受到电磁铁(7)的吸引力，大小控制在人员体重的1/2～9/10，使人员在舱内处于“悬浮”状态，体验到微重力的感觉，对身体控制力的生疏以及距离电磁铁(7)距离的变化会导致对压力感应器(2)的压力处于变化的状态，因此需要动态调节电磁吸引力的大小，以保证绳索(4)内部拉力不会发生突变，人员用力踏地时，会产生向上的加速度，此时绳索(4)会处于松弛状态，拉力迅速降至0，此时应适当减小电流促进人员回落，避免造成加速度过大撞到装置顶部，当想加大电流使装置内人员缓慢上升至完全悬浮时，电流增加的幅度应保持不会使绳索(4)内拉力发生突变，直到磁力与人体重力相平衡，避免发生危险；磁力衣(3)为高精密纤维或纳米材料制成的包裹住人员躯干部的特殊衣服，中间衬料为钕铁硼磁铁，为人员提供向上的电磁力；绝缘层(6)为绝缘材料，隔绝电路及控制***(8)与装置内部的接触，避免产生漏电现象，起到保护***和人员的作用；缓冲层(10)为厚度30cm的弹性填充物，以防止电流突然增大导致人员受到的电磁力过大发生意外；安全带(14)固定在磁力衣(3)的上下前后左右六个方向，另一端与装置主体相连，在普通状态下处于松弛状态，当发生特殊情况时，人员某一方向加速度突然增大达到极限状态安全带会提供一个向反方向的一个弹力，以防止人员撞到装置四周；电磁起重装置(9)为圆形盘状结构，均分为八个角度固定8个相同的电磁铁(7)，通电时对磁力衣(3)的磁力的水平分力相互抵消，形成竖直向上的合力；人员在水平方向发生位移时，角度仪(11)记录绳索(4)在水平方向的角度信息反馈给控制***(8)，相应的调节该方向上的电磁铁(7)减小电流减小电磁力，使人员自由地完成水平方向的运动；控制***(8)负责接收各个传感器的信号，并实时调节装置内各个电磁铁(7)的工作情况。
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