太空舱和密闭模拟舱

太空舱示意图

太空舱 又名“宇宙舱”，是在地面模拟宇宙空间的高真空、强太阳辐射和“热沉”(“冷黑”) 等特殊环境条件的大型综合性航天医学工程模拟设备。除可用于研究航天员在宇宙空间的反应和工作能力，人、设备及空间环境之间的相互关系外，也用于整体飞船及各有关部件、系统工作性能和状态的试验与测定工作。太空舱由舱体、真空抽气系统、太阳辐照系统、加热系统、液氮（氦）冷却系统、应急复压系统、总控制台和数据处理系统及有关配套设施所组成。舱体包括主舱和过渡舱（气锁），与一般低压舱类似。主舱提供模拟环境。过渡舱为人员进出通道和救援之用。能容纳整体飞船的立式主舱，形体庞大，顶部有活动端盖（有的用桥式桁吊装卸大型试验件），直径一般不小于6～7m，端盖直径不小于5～6m。国外特大太空舱的主舱直径达20m，高度近37m，壁上大门直径12m。大型太空舱有两个小过渡舱，位于与主舱内主要工作面相齐的水平，以便于操作。专供人体和较小试件试验用的太空舱主舱大都是卧式筒体，直径一般为2.5～3.0m，只配有一个过渡舱。太空舱的主要环境参数和性能如下 :
高真空 高度100km处的大气压力为10-4mmHg。对于航天系统（包括航天员穿着航天服出舱）的试验，真空环境可影响试件的热交换性能、电绝缘性能、气密性能、机械性能、材料的升华作用和润滑性能等。10^-9mmHg以上的超高真空可能引起冷焊与干摩擦，影响零部件的活动。在10^-4mmHg时，空气已经稀薄到对流传热已微不足道的程度。在0.5～4mmHg真空度下，击穿电场强度为几百伏/毫米；而在10^-5mmHg时，可达几十千伏/毫米。
太空舱通常采用大抽气速度真空系统获得高真空度。一般用带有液氮冷却阱的油扩散泵系统与深冷泵组合。为了减少返油污染，近年又采用钛泵与深冷泵组合的无油系统，可使主舱达到10^-5～10^-8mmHg的真空度。
主舱和过渡舱均采用双道密封圈。主舱内壁应抛光到一定光洁度，以减少脱气面积。有些供生命保证系统和航天服系统分项试验的小舱则只需达到110^-1或10^-2mmHg真空度。有的舱可模拟从飞船起飞到返回地面全过程的压力-时间曲线。
太阳辐照模拟 太阳辐照模拟是利用装在舱外的一组短孤氙灯或碳弧灯作为光源，光束通过石英窗口进入舱内，经光学系统准直为平行光线投射，形成一个均匀的辐照空间。辐照强度应为可调，为0.5～1.5太阳常数(太阳常数=1353W/m²)。
水平光源不应直接面对过渡舱，要求错开约90°，以防影响观察和灼伤眼睛。使用大功率氙灯时应设通风装置，以防止臭氧在室内积聚。主舱内可设能调节斜度和可旋转的平台，使试件仿照实际航天情况接受辐照。此外，飞船除直接接受太阳辐照外，还接受由地球来的红外辐射(强度0.23kW/m²) 以及由地球表面反射来的太阳辐射(强度0.49kW/m²)。有些卧式小型舱的辐照光源直接由装设在舱内的防爆红外线灯组成。
热沉 太空是一个冷黑空间，从飞船辐射出的热量被冷黑空间全部吸收，无二次反射，所以太空是一个无限大的热沉。为模拟太空的冷黑世界，靠近主舱内壁布置液氮低温壁板，温度降至低于100°K; 壁板表面涂以高吸收系数的黑色涂料 (例如F26-41黑漆，λ=3000～30000Å时吸收系数为0.93), 使来自被试对象的热辐射能基本全被吸收，从而模拟太空的冷黑环境，即热沉。
冷黑环境与太阳辐照环境影响飞船的热学性能、材料及涂料等的性能，仪器舱内过高或过低的平衡温度都使电子器件和能源不能正常工作。在航天医学工程方面，它也影响生命保证系统的正常运转。
安全问题 将被试者置于环境条件极为严峻的太空舱内进行实验，具有一定危险性，故必须在工程设计、医学要求、医务保证与监督、实验程序设计等方面周密考虑，严格执行“宜人处理（考验）”(man-rating)，以满足正常情况下实验能安全进行，紧急情况下可实施有效救援的要求。人在近真空压力环境下极度缺氧，其有效意识时间只有十多秒钟。在太空舱内高真空环境进行人体实验时，应有一组救援人员在“上升”到260mmHg左右的过渡舱内吸氧停留，处于准备状态，若主舱一旦出现危急情况，应迅速在30秒内将其高度“下降”到300～380mmHg，打开舱门入内进行救援；如必须继续“下降”，可在总时间90秒内下降到地面。为保护耳鼓膜和鼻窦不受损害，最大“下降”速度应为26mmHg/s。主舱内人员所穿着的航天服可安装压力传感器，当航天服破漏或因其它原因而压力下降到规定值时，便会发出报警信号，并触发使舱的高度“下降”的机构。紧急“下降”的同时，应关掉真空泵，切断辐照电源，并排放壁板内的液氮和冷氦气。主舱进气管道口径应满足紧急“下降”速度要求，进入舱内的管路为开有大量小孔的支管，装在舱内地板下面，地板上也有细密的栅格，使进入的气流成密集细小喷射流，以避免紧急 “下降”时舱内出现强大气流而伤害被试者或损坏设备，并将噪声限在一定水平。低温壁板的液氮排放后，应利用加热空气（氮气）使舱内恢复常温，并将低温板烘烤除（脱）气。
太空舱舱体用不锈钢制造，舱内非金属材料选用低静电、低蒸气压耐火材料；选材时还应考虑其燃点、燃烧率、漫燃途径和燃烧产物的毒性等。严格控制碳氢化合物进入舱内。塑料选用聚四氟乙烯。应严格控制火花的发生，防止电器短路。舱内还设有烟火自动报警和灭火装置，出现火警时由预先装置管路冲入氮气或者喷水。高纯氧的危险性很大。
太空舱应装有闭路电视、通话器、讯号灯和报警按钮、生理功能测试装置等。还应设置备用电源，以便在主电源意外断电时，保证关键系统的供电和顺利“下降”。-23℃低温环境下出现高空减压病的概率比常温下约增大一倍，应有备用加压舱，以供急救治疗用。
正式实验前应进行空舱上升试验和应急救援练习。对常规和紧急情况下操作规程应有明确细致规定，并为有关人员熟练掌握。
密闭模拟舱 系利用小型主舱，降低舱内气压来模拟飞船座舱内部气体环境，供长时间生态循环或有害气体实验之用。这类实验需严格控制气体成分和漏气量。因主舱内压力比舱外低，如舱门不加特殊处理，舱外气体会液压作动器，经6支拉杆和12只万向接头，分别沿水平和垂直方向与一个面积为1.5×1.5m²的实验平台相连接。工作时，由大型计算机对有关方程和给出信号进行运算转换，控制逻辑线路从相位和幅度方面统一协调各个液压作动器的动作，使平台作上下、前后、左右、滚转、俯仰及偏航共6个自由度的任意组合的振动，因而可模拟飞行器在各种方位和姿态的振动。美国空军航空航天医学研究所此项设备(代号SIXMODE)的主要性能参数为：频率0～30Hz，能按不同组合给出沿X、Y、Z轴的三种直线振动；以及在Z轴最大振幅为127mm条件下，滚转和俯仰均可达15°、偏航为10°的三种角振动；在最大试验载重(900kg)条件下，加速度值可达20G。设备上装有周密的安全连锁装置，在超过规定G值时可自动削减输入信号，开车、停车时输入信号能自动平稳地逐渐出现与消失，突然断电时自动解除油压等。

六自由度振动台

在振动实验设备上，受试者身体与座（躺）椅的接触情况和身体固定方式对力的传递具有较大影响，可造成振动的衰减或放大，实验时应予重视。所用安装在人身上的传感器和导线应尽量小巧轻便，并妥善安装。身体位移可用高速摄影机记录测量，身体共振涉及解剖结构的检测，可采用频闪观测法或其他相应方法。