载人离心机

载人离心机(或称“人体离心机”)是航空航天医学专用大型地面实验设备。其工作原理是： 利用实验座舱围绕固定轴心回转时产生的惯性离心力提供可变重力场，以模拟飞机机动飞行和飞船起飞、返回阶段出现的持续性加速度条件。载人离心机所能产生的加速度条件，如G值、增长率(G/s)、持续时间和力作用于人体的方向等，在设计性能范围内均可调节控制。第一座载人离心机1935年建于德国柏林。随后于四十至六十年代，各航空事业比较发达国家也相继建造。我国的第一座载人离心机于五十年代后期建成。
适应不同要求而建造的载人离心机，在规格、性能方面均差别很大。现代大型高性能载人离心机的主要用途为：
❶持续性加速度对人体影响机理的研究 （重力生理学）。
❷飞行员、航天员的选拔、医学鉴定、锻炼和训练。
❸持续性加速度和其它环境因素(如低气压、缺氧、温度、振动及噪声)综合作用（复合应激）的生理、心理效应及其机理的研究。
❹飞机、飞船用装备性能的评价、校定以及抗荷服、航天服（宇宙服）在控制环境条件下的评价试验。
❺在加速度等综合环境因素作用下进行环境控制系统的试验。
❻救生及安全带系统的试验。此外，也有少数单位曾将载人离心机用于临床治疗工作(见“航空医学与临床治疗”)。
载人离心机主要由机械结构、拖动与控制系统及测试系统等部分组成。中央转台、桁架和舱体（挂舱）为机械结构的主体。中央转台是离心机的主座，包括支承和推动回转桁架的机构。自舱体的轴心 （通过受试者心脏位置）到主座中心轴线的距离为离心机的回转半径。半径的长短取决于桁架的长度。采用较短回转半径的优点是：惯量小，可产生较高切向加速度和提高G值增长率，有利于特殊加速度谱线的模拟。但半径过短却带来以下缺点：
❶沿受试者身体纵向各部位的G值梯度增大。
❷科里奥利加速度和角加速度影响加大，对前庭器官有明显刺激作用。回转半径加长可减少上述缺点。但桁架越长，结构就越庞大，系统越复杂，所需功率和建造费用也就越高。目前中型载人离心机的回转半径多为6～7m，大型载人离心机多为15m左右。

载人离心机

离心机舱体（离心机挂舱）装设在桁架远端。有的只装单座单自由度开放式挂舱。大型离心机则多装有万向框架，能作2～3个自由度转动运动，以逼真模拟飞行器机动飞行和姿态； 而且在其密闭大型舱体内可同时模拟几种环境因素(压力、温度、振动等)的影响。另外还可在桁架中段设置较小的辅助吊筐以供产品试验之用。有的大型舱体的有效空间达14m³，可仿照大型飞船座舱布置并排装设3个座位。为缩短实验准备时间，提高设备利用率，有的离心机还配备2～3个可互换的舱体，甚至桁架也可更换或临时改变其长度。
离心机中央转台主拖动系统的功率从几十千瓦至上万千瓦不等。早期的离心机多采用卧式直流电动机和变速箱以推动大回转桁架，后来大多直接利用多极慢速立式直流电动机。单自由度挂舱的姿态由大桁架回转时的惯性离心力和挂舱的重力矢量和决定。多自由度舱体的运动则由计算机控制的舱体拖动系统承担： 舱体万向框架中的最外框，一般由放在中央转台主座上的电动机经长连杆带动； 中间及最里边的框架则由装在离心机主机房外的液压泵经带回旋关节的管道输油拖动。
根据设备性能条件，离心机的控制模式可有以下三种：
❶操作人员手控。
❷开环自控。包括通过凸轮机构或使用打孔带输入控制信号，以及由模拟计算机发出所需驱动信号等方式进行控制。
❸闭环控制。即受试者在多自由度离心机挂舱内操纵手控制器进行驾驶，控制器动作的信息以电压形式馈送给储有特定方程的计算机进行运算，计算机再输出信号以控制离心机桁架及舱体各自由度的运转，同时输出信号回到舱内仪表板作显示。这样，除了角运动同实际飞行不同外，受试者就如同实际驾驶飞行器并受到相应加速度的影响一样。进行闭环控制的离心机必须具有良好的频率响应特性，可以极高的精度按所需谱线运转，模拟实际飞行的加速度谱线。如在舱内显示出模拟的“敌机目标”，还可闭环训练空战截击。载人离心机主机房多建成圆形。早期有些主机房为地坑式建筑。现代载人离心机主机房大都位于地面上，并设有带观察窗和闭路电视的专门控制观察室。观察室或位于主机房之侧，或从主机房平顶部分下垂，或架设在主机房内天桥上。
离心机最高加速度值如能达到20G，精度±0.05G，已基本满足航空航天医学实验要求。动物离心机所能达到的最高G值则须相对提高。加速度增长率关系到模拟加速度谱线的范围，如太低将不能充分模拟高性能飞机的机动特性。性能良好的离心机的增长率一般超过3～4G/s，个别可达10G/s。有些离心机采用飞轮装置储能作为提高增长率的辅助机构； 有的则使用弹力弹射装置作为启动时的助推动力，以降低总的功率。
中、小型载人离心机的有效载重量（舱内按规定重量分布条件容许装载的重量）约为200kg。有些大型载人离心机的载重可达1吨以上。
离心机上设有精密的导电（汇流）环，用以传送各种生理、物理测试记录线，控制信号线、功率线等。导线要求良好屏蔽，强电、弱电分开排列。有的甚至将离心机的主机房全部加以屏蔽。有的大型载人离心机的导电环总数超过400只。高性能弱电导电环的静态接触电阻低于0.005Ω，动态噪声很小。有的高性能载人离心机在运转时除产生加速度外，还可在座舱内单独或同时提供调温(0～70℃)、调压(海平面至相当于15000m高度)振动和噪声等环境因素。根据高频振动易被阻尼衰减和人体及内脏自然频率不高的特点，舱内振动装置的频率一般不超过20～30Hz，但振动幅度较大。离心机座舱内的噪声也应加以控制，有的规定不得超过65dB。设计多自由度挂舱时，不宜将拖动电机靠近舱体直接拖动，以免成为强噪声源。高性能离心机还装有通过管道和回旋接头（关节）对舱内输送氧、氮和氦等气体的设备，以便在离心机运转时可连续向舱内提供抗荷服、航天服和其它用气设备所需的气源。
研制和使用载人离心机，任何疏忽失误都可能造成重大事故，故特别强调安全，必须按“符合人用”大型设备要求处理。为达此种要求级别，在设备研制阶段即应由工程和医务人员密切配合，周密考虑和处理各种可能的不安全因素及应采取的相应措施； 建成后应对设备进行严格而全面的运转考验，并相应培训机务人员，以保证使用安全和在紧急情况下，对受试者实行有效救助的目的。安全措施包括：
❶机械结构应取高安全系数，并定期检查强度。
❷设计周密的连锁机构，防止错误启动。
❸所有门锁都用磁线圈锁，防止漏锁和自动脱扣。
❹设置超速自动停车机构，防止因计算机故障或其它原因造成速度失控甚至飞车。
❺多自由度座舱的万向框架设有限位装置，防止因超限而使受试者长时间倒悬而蒙受高负加速度的伤害。
❻所有观察窗都安装加强的有机玻璃。
❼提供备用电源，保证在主电源突然断电时关键机构及通话、照明等的用电。
❽设置监测坐标，定期检查可能发生的任何外形畸变。