空间站出舱活动分离救援技术研究

姚 飞,李潭秋,刘向阳,张万欣,司怀吉,金明河

(1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150001)

空间站出舱活动分离救援技术研究

姚 飞1,李潭秋1,刘向阳1,张万欣1,司怀吉1,金明河2

(1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150001)

航天员进行出舱活动时，存在与空间站分离的可能性，涉及航天员安全。救援与空间站分离的航天员，是出舱活动必须考虑的问题。对此，总结了救援技术的发展历程，从人机能力及特性的角度，重点研究了救援的关键技术，包括分离可能性和分离状态分析、救援策略和机制确定、救援系统设计；提出现阶段应以航天员驾驶救援装置返回空间站为主，同时分析了人服特性对控制系统的影响，以及相关新技术的应用前景，指出救援技术的发展趋势是人机系统机动能力的整体提升，可为设计建造实际的救援装置提供思路。

出舱活动；人机系统；舱外服；姿态控制

1 引言

人类在空间站(SS)上进行出舱活动(EVA)的需求不断增长。EVA时航天员处于自由空间微重力环境中，需利用约束装置固定身体和发力做动作。约束装置一旦失效，航天员极有可能漂离空间站。航天员和舱外服构成的EVA系统携带的生命保障资源有限，航天员必须尽快返回空间站，否则将丧失生命。研究EVA救援对于出舱航天员的生命保障意义重大。基于舱外服、具有机动能力的EVA救援装置是航天员出舱必备的安全措施。EVA救援问题涉及动力学、控制、机械电子、人因工程等学科，属于前沿交叉研究领域，在基本问题提炼和工程实践方面均有待发展。

EVA救援要研究解决的主要问题可归纳为:救援的必要性；问题的性质和规模；应采取的策略和机制；设计具体的救援装置。

救援的切实需求建立在EVA航天员与空间站分离可能性分析的基础上。问题的性质和规模，需要具体分析分离场景，确定分离后EVA系统的运动状态。EVA系统是典型的人机系统[1]，救援策略和机制的确立，很大程度上要依靠对人和机器各自能力、特性的正确评价和充分发挥，并在两者之间取得平衡。首先，分离后航天员必须借助机器提供外力和力矩，改变漂离的运动状态，才有希望返回。其次，EVA系统中舱外服结构复杂、技术密集，且体积、质量、功率等可用资源严重受限。再加上救援装置，整个EVA系统复杂程度还会增加。引入救援装置意在提高全系统安全性和可靠性，若其过于复杂，带来太多额外的不确定性，反而会降低系统安全可靠性。

美国航空航天局(NASA)从上世纪中期开始研究EVA救援问题[2，3]，先后授权Honeywell和Martin Marietta公司开展舱外机动装置的研究。其后约翰逊中心(JSC)和一些大学也参与进来。文献[4]较为系统地阐述救援问题，[5]总结了救援策略，列举了可能的救援机制，[6]研究分离后的相对动力学，给出基本的返回制导方案，[7]重点讨论救援过程中的姿态控制。NASA注重理论研究与仿真模拟和在轨试验[8]相结合。在具体的机动和救援装置中，上述成果得以应用，其中载人机动装置(MMU)[9]和出舱活动简易救援装置(SAFER，图1)[10]是成熟的空间站列装产品。

图1 出舱活动简易救援装置Fig.1 Simplified aid for EVA rescue（SAFER）

前苏联基本与美国同时开始研究[11]，公开文献较少。其装置与MMU和SAFER类似，但具体设计存在一定差异。从上世纪九十年代末开始，国内一些大学和科研院所分别针对姿态控制、路径规划等具体问题开展研究[12-15]，基本沿用研究飞行器控制的思路，从人机系统这个属性上考虑较少。在制定实施救援时，应考虑充分利用系统中人的主观能动性，而不应单纯将救援全过程看成纯自动化的操作。另一方面，航天员、舱外服、救援装置之间的人机耦合程度相对较紧，在控制系统设计时必须充分进行分析。

2 分离场景分析

2.1 分离可能性

分离的主要原因是机械故障和操作失误。EVA时可能用到系绳、脚限制器、机械臂，空间站表面的扶手、平移导轨、乘员转移辅助设备等。以系绳为例，所受张力过大、冷热交替等使材料或结构受损，均可能引起断裂。早期系绳也曾发生过挂钩松脱和缝线撕裂[12]。在工作地点间转移时要多次解脱系绳和重新挂钩，一旦操作失误，系绳与空间站就不能建立连接。需根据系绳性能，结合典型作业动作，通过绳动力学分析，建立系绳分离的概率模型。类似地可计算其它约束方式下的分离概率。可通过离散事件仿真，对建模计算结果仿真验证。还可通过模拟试验获得分离概率近似值。Donnell Douglas公司用水槽进行了自由号空间站出舱模拟试验。结论是每进行1872小时EVA，可能出现1.7次的分离事件[4]，这在统计学上已有显著意义。虽然这个概率看起来很小，但若无相应的救援保障，一旦真的发生，后果极其严重。配备救援系统的需求是迫切的。

2.2 分离后运动状态

传统上首先分析分离后人服系统质心运动的趋势，以便确定问题规模。然而分离时所受的力，并不一定正好通过人服系统质心，除质心平动外，通常还会产生围绕质心的旋转，这对航天员影响很大。下面分别分析平动和转动两种运动状态。

2.2.1 平动分析

通常采用相对动力学方法分析分离后航天员的质心运动。Clohessy-Wiltshire(CW)方程给出了圆轨道上物体间相对运动的解析解。图2给出分离后航天员典型的运动轨迹仿真计算结果，x，z轴定义同LVLH坐标系，代表航天员到空间站质心的相对距离，可见运动趋势是远离空间站。典型情况下，从分离到航天员能启动救援的时间为30 s，航天员姿态稳定需20 s，通过姿态机动搜索到空间站需50 s[6]。当初始分离速度0.9 m/s时，航天员可漂离约100 m。

图2 分离后航天员典型轨迹Fig.2 Typical trajectory of detached astronaut

2.2.2 转动分析

最初可以将人体作为一整块刚体分析。但实际的人体并非如此，通常采用简化的航天员树状多刚体模型，由若干个通过关节连结起来的身体体段组成，如图3所示[12]。在此模型下，以分离时受力情况为输入，对航天员姿态建模分析，得到分离后航天员的转动状态。

图3 航天员多刚体模型Fig.3 Multi-body model of astronaut

EVA系统主要由航天员和舱外服构成，可能还包括必要的设备或工具，转动建模要考虑其动态特性。开始可统一作为多刚体考虑，后续则应考虑人服间相互影响。人服系统并非严格刚体，应考虑柔性体建模。建模过程从易到难，逐步精确。在解决问题的初始阶段，可利用模拟试验的结论。JSC基于气浮平台和失重飞机，针对各种可能分离场景测试确定了分离后运动状态上限:质心平动速度0.8 m/s，俯仰速率0.96 rad/s，滚动和偏航速率为0.35 rad/s[6]。

3 救援策略和机制

3.1 救援策略

3.1.1 实施救援的主体

首先考虑空间站及搭载的设备。距离很近时可用膨胀杆等[16]捕获航天员。距离较远时就需要机动救援。SS不够快速灵活，不适于救援，可考虑在SS内遥控分离航天员的机动装置使其返回。然而遥控方式对通信要求高，控制也过于复杂，给SS和航天员都增加了负担。还可在SS内专设救援机器人。例如EVA救援器[17]，用惯性单元、GPS接收机、激光测距仪和照相机等估计自身和目标状态。其发展趋势是智能化，可实现任务调度，路径规划等功能。但这些对机器能力要求过高，短期不易实现，且SS负担过重。国际上仅将机器人救援作为预研，未列入SS装备基本计划[19]。

还可考虑由另一位航天员救援。但这又带来额外不确定因素，使双人系统整体安全性下降，仿真表明这种风险不可接受[18]。此外，双人系统的推进剂消耗也更多。他人救援的准备和启动时间通常大于分离航天员自行救援的，如SS内航天员驾驶MMU救援的准备时间长达10 min[16]。由EVA同伴救援也不现实，这要求两人随时处于同一位置，工作效能大幅下降。

事实上，分离后的航天员不能帮助自己的可能性极小[5]。综上所述，赋予航天员机动能力，使其分离后能自行返回，是最简单、成本最低的策略。

3.1.2 救援过程

具体救援过程需要将人的能力和分离后运动状态结合考虑。太空中人能承受的旋转速率有限，大于0.52 rad/s[2]时会丧失方向感，甚至知觉。前节分析表明，分离时旋转速率已接近甚至可超过此极限。另外身体转动时，搜索和定位空间站非常困难。因此救援时首先应停止身体转动(消旋)，或至少限制在可承受、便于观察的范围内。

即使姿态基本稳定，整体运动趋势还是继续漂离。应通过施加反向推力等手段制动。消旋和制动后，航天员与SS间相对稳定，但不一定面对SS。需利用转动控制机制，在空域内搜索SS，再施加推力返回。太空中人能承受的平动加速度小于2.4 m/s2，撞击速度小于1.5 m/s[2]，所以接近SS时，可能还需要制动。最后航天员抓住SS附属设施并返回舱内。

3.2 救援机制

救援机制就是救援的具体实现方法，包括实现救援策略所需的力和力矩的提供机制、控制/制导机制、人机接口机制等。

3.2.1 力/力矩提供机制

航天员返回SS是空间轨道转移问题，本质上要通过动量交换实现质心运动，质量排出的喷气方式最有效。前节分析表明相对距离较短，采用氮气等冷气喷气推进即可，无需效率更高的燃烧喷气，可避免危险、无污染，也便于储存、装配和检查。例如SAFER采用氮气推进，比冲为63 s[5]，喷嘴推力为3.6 N。

转动要通过动量矩交换实现。按执行机构可分为质量排出式，如喷气系统；动量交换式，如控制力矩陀螺(CMG)。CMG[7]质量大，且特定姿态时有奇异问题，需额外的动量卸载设备。这不符合救援装置应尽量简化的要求。因此，考虑冷气喷气方式提供力矩，具体设计时，转动与平动控制需求一并协同优化考虑。

3.2.2 控制机制

如前所述，分离后航天员有六个运动自由度。在轨试验表明，依靠航天员自身分辨旋转和平动很困难，极费精力[20]。旋转速率较大时，航天员不能定向。即使能分辨平动和转动，航天员分辨三个轴向的旋转也非常困难[21]。此外，太空中人能感知到的是角度变化量，不是角速率[3]。这样实施有效的转动控制也很困难。综上所述，合理的转动控制机制应利用机器能力实现自动消旋，在后续的返回过程中也应实现自动的姿态保持(AAH)。

直观的返回方法是由CW方程算出返回速度，即CW制导。但该方法需配备相对状态感知设备。另外若无设备辅助，也不易沿正确方向施加所求速度。近距离上的方向误差对制导精度影响很大，即使出现小的方向偏差，也会导致返回终点严重偏离目标。基于制导思路的其它返回方法也都存在类似问题。EVA系统的本质是人机系统，应充分利用系统中人的能力。由前面分析，救援时相对距离已可与SS尺寸相比拟，人眼观察已能基本确定相对位置。另外，对于接触SS时的位置和姿态，救援的要求不像航天器对接时那么高，能保证航天员抓住SS外把手等即可。因此在搜索和返回阶段，应充分利用人在环路控制的优势，减少对于机器特别是传感器的依赖，这样就无需电视、摄像机、立体相机、激光雷达等设备，使系统大为简化。此时，救援返回本质上更接近于人在环路的操纵控制(驾驶)，由人操控下的短距离飞行返回SS。

3.2.3 人机接口机制

由航天员、舱外服、救援装置构成的EVA救援系统本质上是人机系统，要有合适的人机接口。其中，机械接口实现人服系统与救援装置的物理连接，确定力和力矩的具体作用效果。早期曾考虑过手持式救援装置。需要航天员自行判断转速，决定喷嘴位置，用手移动装置来消旋。这要求精神高度集中，舱外服阻力也导致操作时很费体力，实际上难于实现[22]。另外，接口设计应尽量减少原人服系统的状态变化。可考虑救援装置作为背包与人服系统固连，整个系统刚性较好，利于控制。人机之间双向信息交互，通过信息接口完成。可采用集成了显示功能的手控制台，设备量小，指令传递和状态显示的效果直观可见。

接口形式及特性也会影响救援性能。例如，手控制台在人服系统上安装位置不同，操控时手臂位置就不同。结果导致系统质量特性变化，影响控制性能。类似地，喷嘴数量和几何构型应结合系统质量特性来设计。

综上，符合当前技术发展水平的救援机制为:冷气喷气作为力和力矩提供机制，自动姿态保持和人在环路驾驶相结合的控制机制，背包形式机械接口和集成信息显示的手控制台作为人机接口机制。

4 控制系统设计

4.1 返回方案

返回方案的重点是怎样应用人的视觉。太空中恒星众多，在惯性坐标系内可认为方位不变。利用接近SS视线方向的恒星作为视觉参考，可建立轨道平面内的伪惯性坐标系，在其中修正方向偏差，达成返回[6]。该坐标系下返回轨迹接近直线，便于航天员仅通过自身视觉能力找到偏差并及时修正。由此初步设想，可能的惯性视线返回方案是逐步修正切向偏移的过程。这种方案具备实用性，代价是切向修正额外消耗的推进剂牺牲了部分推进效率。后续研究重点是结合具体救援系统的人机特性，对方案参数，如纵向冲量、横向修正冲量、偏差门限、修正时间间隔等进行优化设计。

4.1.1 人在回路性能

如前分析，救援返回更近似于驾驶过程。NASA的产品研制经历也表明，从最初的 ASMU[7]，到MMU[27]，再到SAFER[26]，一直将救援系统的飞行特性和驾驶性能作为主要研究内容。

与汽车和飞机驾驶控制系统建模类似，救援装置驾驶也要考虑控制环路中人的特性。包括从人体生理学角度，对作为控制环节的人的建模描述，具体的控制系统建模方法也类似。受太空环境和舱外服的影响，人的特性和能力与在地面时相比有所变化。例如，舱外服头盔可能会使视野变小、面窗可能使观察物体清晰度下降[23]；失重在某种程度上会影响人体定向能力[24]；服装可能对人体动作产生迟滞效应，使人的延迟变大[25]。后续应以上述着服航天员在太空中的能力为前提，研究这些具体人的特性下的驾驶性能，优化方案。

4.1.2 机器性能

EVA救援系统与人-飞机和人-汽车系统相比，机器特性也有差异。前者力/力矩提供装置的体积质量都比受控主体(人服系统)的要小。问题规模以及系统质量空间约束决定了携带的推进剂少，提供的力/力矩也较小。受控主体的动作/扰动对整个系统动力学的影响会更大，不能忽略。此外，系统整体质量特性，比如各轴互耦，对于驾驶性能影响更大。总之操纵品质的问题更突出，而后面两种系统中上述问题通常影响较小。

有研究分析了SAFER的飞行品质[26]，预测出运动时将会遇到的两种主要耦合方式，并在在轨试验中得以验证。飞行品质分析对系统设计帮助很大。例如，可通过改变推进器布局来减少推进剂消耗，提高飞行品质。后续应重点根据国内产品和航天员实际参数进行分析，给出设计依据。

4.2 姿态控制方案

早期的姿态控制借鉴了卫星姿控方法，将整个救援系统看成刚体，用常值推力开关控制实现相平面控制律[7]。与卫星明显不同的是，救援系统中包含人，研究重点应是人机特性对姿态控制性能的影响以及相应对策。

4.2.1 人的特性影响分析

人不同于机械刚体，身体部位微小运动在所难免。其中大幅度运动形成的转动力矩大，会破坏已建立的稳定姿态，救援过程中应尽量减少，NASA在救援装置使用指南中有相应规定[27]。

重点是分析小幅度肢体运动的影响，基本方法是多体动力学。首先计算肢体运动引起躯干质心的速度增量。再考虑运动引起躯干相对总质心的转动，计算躯干部分质心的偏移量。最后得到肢体运动后，相对于总质心处的转动惯量。将上述肢体干扰模型叠加到航天员姿态动力学和运动学模型中，就能得出肢体运动干扰的影响[38]。

在应对的控制方法上，MMU会间歇地关掉某些推进器，部分补偿肢体运动引起的质量特性变化[28]。这相对简单，但并非最优。后续应研究自适应控制方法，但要考虑计算能力和功耗等资源约束。

更进一步的考虑是，可能存在另一种柔性体效应，即航天员和舱外服之间的相互作用。服装内人体周围会存在小空间，人可能会在服装内浮动。尽管NASA早期在轨试验未发现人服之间明显的相对运动[28]，但今后舱外服的形式可能有所不同[29]，导致的人服耦合程度也不尽相同，这点始终值得关注。

4.2.2 机器特性影响分析

服装和救援装置之间也可能存在运动耦合。耦合程度取决于救援装置与人服系统机械接口。例如早期试验时，航天员通过一种套具与背包连接，航天员与装置间有轻微的运动解耦。背包和人体相对运动的影响表现为系统比较活跃，会产生小力矩，进而形成转动速率和加速度噪声。但穿着正式舱外服时，这种解耦现象就不再明显，整体表现更像刚体[20]。这提示研究者设计刚性程度高的机械接口。

另一个影响因素是执行机构的安装误差和推力输出误差[30]。将实际的输出力矩代入控制律，就可以确定执行机构误差对于控制精度的影响，进而为推进分系统设计指标的提出提供参考依据。

5 发展趋势及结论

救援装置的发展趋势，与人机能力，特别是机器系统技术水平的发展密不可分。总体趋势是机器承担更多的具体任务，将人的能力解放出来，执行更高层次的决策判断等功能。

例如，当CMG产品质量极大减少后，可以重新考虑用它来提供力矩[31]。进一步地，可采用高速发展的微机电系统(MEMS)，其最大的优点同样是质量小。这样，原有复杂大型设备提供的制导信息，可以由MEMS传感器提供，使基于制导的返回方案更易于实现，这将减轻人观察的劳动强度。MEMS陀螺[32]也能使姿态控制子系统进一步减重，更有利于系统质量特性设计。

激光烧蚀推进利用激光脉冲轰击靶材表面，使材料瞬间蒸发进而产生反向推力，可以作为救援系统的推力提供机制考虑[33]。这种机制仅需航天员背负一些质量较轻的靶材，减轻了EVA系统的负担，但是需要由空间站提供激光源和照射方案，并且仍旧需要姿态控制，如果不采用喷气机制，可与考虑前述CMG姿态控制结合使用。不管怎样，这提供了实现救援装置的另一种思路。

在人机接口上，可考虑语音控制器[34]等先进接口机制，进一步减少人的操作强度，也减轻人的动作对控制效果的影响。面窗投影式显示技术[35]可使航天员更方便直接地感知救援系统的状态。

在机器技术发展到一定高度，能支持空间站-航天员全系统的优化达到更高层次时，就可考虑基于遥控的全自动救援策略。

救援系统的长远发展趋势是人机进一步融合。例如实现FlexCraft等单人飞行器[36]的概念(图4)。FlexCraft采用与SAFER类似的推进系统，但在控制方式上更为灵活。这种形式的装置能携带更多的推进剂，同时附设多个小型机械臂，能提供更强的机动能力和操作能力，有望在载人小行星探测[39]和卫星维修等场景下得到应用。

图4 单人飞行器Fig.4 Single-person spacecraft

不管形式如何变化，EVA分离救援的核心需求是人在自由空间的机动能力。这也是空间技术的重点发展方向之一[37]。分离救援技术的实现基础和发展趋势，始终是人机系统能力的整体提升。

出舱活动救援问题是空间活动所必须面对的。在救援技术支持下，航天员能更有保障地执行EVA，活动范围和时间也能得以扩大。本文以人机能力和特性分析为主要研究思路开展研究，为出舱活动救援装置的设计建造提供坚实的依据。

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Study on Key Technologies of Separation Rescue for Space Station Extravehicular Activity

YAO Fei1，LI Tanqiu1，LIU Xiangyang1，ZHANG Wanxin1，SI Huaiji1，JIN Minghe2
(1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronauts Research and Training Center，Beijing 100094，China；2.State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

There exists the possibility of an astronaut conducting extravehicular activities(EVAs)to potentially become detached from the space station.Rescue of the separated astronaut is admittedly necessary.In this paper，the evolution of EVA separation rescue was reviewed.Based on the analysis of human-machine capabilities and characteristics involved，key techniques including separation probability and scenarios analysis，rescue strategies and schemes selection，rescue system design were investigated in detail.The authors proposed that currently astronaut piloting should be considered as the basic return solution，and the influence of man-suit characteristics on control system were analyzed elaboratively.Finally，the prospects of using new technologies were discussed，and it was concluded that the developing trend of rescue was the enhancement of integrated man-machine system mobility.This work could serve as a basis for constructing the concrete rescue device.

extravehicular activity；man-machine system；EVA spacesuit；attitude control

V526

A

1674-5825(2015)03-0224-07

2015-01-20；

2015-04-10

中国航天医学工程预先研究项目(2013SY54A1001)

姚飞(1974－)，男，博士，工程师，研究方向为载人航天人机工程和航天服工程。E-mail:yflhmyly＠sina.com