一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱技术领域
本发明属于国防科技模型领域，具体涉及一种青少年科普教育专用的模拟太空失
重状态水下悬浮舱。
背景技术
失重并不是没有重力，而是人们对没有重量的一种体验，航天员在太空中失重是
由于他们在飞船中与飞船一起围绕地球运行，这时地球重力充当向心力维持他们做圆周运
动，航天员与飞船之间没有相互作用力，于是他们就失去了对重量的感觉，进入失重状态以
后最先感受到的是漂浮，由于缺乏向下的引力，双脚可以自然离开地面，身体悬浮在空中，
失重环境会对人体产生一定影响，一旦进入失重状态，由于缺乏向下的吸引力，全身的体液
开始向上半身和头部转移，这时航天员会出现脸虚胖、鼻腔和鼻窦充血、鼻子不通气等症
状，这些症状跟地面上患感冒时的症状相似，体液转移还可能导致贫血。并且由于四肢已感
觉不到重量，人体还会产生定向错觉，使航天员感到身体和载人航天器都上下倒置。因此航
天员需要进行失重训练，才能适应太空中的失重感。
目前，空间微重力环境地面模拟主要通过以下手段实现：落塔法、抛物飞行法、水
浮法、悬吊法、气悬浮法以及在医学、生理学中应用的头低脚高位卧床法（人体）和尾部/后
肢悬吊法（动物）。落塔法就是在微重力塔中执行自由落体运动，物体在作自由落体运动时
可以获得很好的微重力状态，实验系统一般由内外两部分组成，内部主要是内层实验舱和
外层隔离舱，外部主要为塔体或管壁和对下落舱的操作装置、释放机构、减速回收装置、提
升装置和抽真空装置等。美国的NASA研究中心建立了第一个落塔，能够实现微量级的微重
力环境，日本、欧洲和中国等在美国之后相继研制成果了更先进、实验时间更长的落管、落
塔。落塔法对空间微重力环境的模拟精度较高、安全可靠、可重复利用，且可以进行三维空
间的微重力实验。缺点是：造价高，由于实验舱尺寸的限制，通用性差，而且单次微重力模拟
时间过短，使得对于飞行器的各种设备性能指标无法较好的考核，在空间机器人地面微重
力模拟实验应用方面受到很大限制。
抛物飞行法可以创造微重力和低重力环境，失重飞机能够创造相对长时延的失重
环境，失重时间可达20～30s作用，可以创造低重力（如月球和火星重力）的试验环境，是近
地面进行微重力研究较为理想的试验平台，美国、俄罗斯、法国等都建造有不同类型的失重
飞机。飞机失重抛物线飞行分为如下4个阶段：首先飞机平飞，然后加速上行，接着跃升拉起
至高点后进入抛物线轨迹进行失重状态飞行，接着俯冲拉起进入平飞后结束。抛物飞行法
对微重力环境的模拟精度较高，失重飞机可重复利用，也可以进行三维空间的微重力实验。
缺点是：造价昂贵，不仅受到空间机器人外形尺寸的影响，同时也受到飞行器重量的影响，
且飞行的安全性也要考虑。由于单次实验的微重力实验时间短，因此对飞行器的各种设备
的性能指标无法较好校核。
水浮法就是利用水的浮力来抵消空间飞行器重力，通过调整装置来调整漂浮器的
浮力，使得试验目标所受向上的水浮力与向下的重力平衡，进而产生随机平衡漂浮状态的
一种微重力模拟方法。目前，中性浮力水槽训练已成功应用于：1、航天员训练：美国和俄罗
斯/苏联航天在载人航天飞行前均在中性浮力模拟失重训练设备中，经受过多次训练，以体
会失重情况下的漂浮感，掌握在失重情况下穿航天服的人体运动的协调性、姿态控制方法，
以及掌握出舱活动、空间操作、运送货物和修理航天器的技能。2、实施任务支援：对于载人
航天飞行期间发生的意外故障，可在中性浮力水槽内研究解决的对策与故障排除程序。3、
对接和组装大型空间结构：利用中性浮力模拟试验设备可进行大型空间结构的对接和组装
试验，从而保证了空间结构和组装程序的安全可靠，并培训航天员在轨操作的技能。4、评价
硬件设计：利用中性浮力水槽可评价载人航天器采用的各种机构和可伸展的轻质柔性构件
等在失重状态下的设计是否合理、性能是否可靠，以及验证它们的运动特性。目前各个航天
大国都有自己的水浮试验系统，其中具有代表性的是马里兰大学研制的Ranger试验系统，
Padova大学的CISAS重心研制的水下机器人系统。水浮法可以实现三维空间的微重力试验，
且试验时间不受限制。其缺点是：水的阻力和紊流会改变机器人的动力学特性，影响了机器
人的模拟精度；另外，空间机器人原型样机很难直接在水浮系统上进行测试，必须进行专门
防水处理以免受到水下环境的影响，而且其维护成本非常高，同时要求试验期间的密封性
非常好。
悬吊法的主要原理是通过绳索机构及滑轮组并利用配重来抵消飞行器自身的重
力，即采用吊丝系统补偿飞行器竖直向下的重力，装置由吊丝、滑轮、导轨、桁架等组合而
成，通过随动控制方法来使吊丝保持竖直，并控制向上的拉力始终等于悬挂体的重力。该系
统包括一个克服重力的补偿系统和一个可控跟踪机器人运动的水平移动系统。重力补偿悬
挂系统主要有两种形式，即主动重力补偿和被动重力补偿。主动式补偿精度一般为0.01g，
被动式补偿能达到0.08g，当吊丝长20m时，也能达到0.01g的量级。主动控制重力补偿系统
区别于被动补偿系统之处在于：主动控制重力补偿系统抵消重力的拉力来自可控的电机，
通过控制电机使拉力保持恒定，吊丝在控制系统作用下上下伸缩，当悬挂体受外力作用时，
其自身重力不影响它的运动，这种在控制吊丝随悬挂体伸缩同时保证提供恒张力的系统叫
主动控制重力补偿系统。悬吊法优于其结构相对简单且易于实现，目前许多国家在微重力
模拟试验方面均使用此方法，例如美国Carnegie Mellon大学研制的SM2空间机器人地面实
验系统、欧空局轻质飞行器的微重力模拟试验系统等。悬吊法可进行三维空间模拟，结构相
对简单，易于实现，实验时间不受限制，因此目前得到了广泛使用。其缺点是：支撑绳索的桁
架机构复杂，占地空间大，绳索随动机构一般采用机械轴承支撑，运动摩擦大，严重影响试
验精度。另外，柔性索在随动过程中，其之后运动和柔性抖动等耦合影响因素均对微重力模
拟带来不利影响。
气悬浮法是通过平面止推气浮轴承，将由气泵配气箱分压后的气体，经平面止推
气浮轴承喷出，利用气体压力，由气膜浮起试验目标飞行器，并通过改变节流孔的润滑气体
压力，达到抵消自身重力和载荷的作用，最终使平面止推轴处于悬浮状态，这种悬浮状态使
得摩擦力和粘附力几乎为零，此时仅存微弱的气浮阻力作用，这使得负载在轴向转动完全
自由，使飞行器可以在整个光滑平台上自由移动，气浮阻力能够达到0.2N以内，是一种精度
很高的微重力环境模拟方法，也是目前应用最广的方法之一。
本发明的一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱，就是利用水
的浮力抵消悬浮舱的重力来模拟太空失重环境，可作为青少年体验太空失重状态的体验设
施所使用，以便青少年更好地理解和认识我国航天知识和装备，并适应了军队信息化建设
和新质战斗力生成需要，为培育军事航空航天领域新型飞行后备人才奠定了基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱，
实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱，实现上述目的所采用的技
术方案为：本发明包括舱体、推进器、舱首保护罩、电管控室、指挥舱、氦气罐、调姿控制系统
机组、推进系统燃料舱、左吊环、防泄漏对接系统、右吊环、侧舱门、旅客座舱、电力系统散热
器组、燃料电池、液态氧气储存罐、液态氢储存罐、天地通讯天线、环境控制系统散热器组、
供氧系统、推进器机组、云梯、升降机、玻璃罩,所述舱体的下端连接推进器，所述推进器的
上端连接在舱体的下端中间位置，所述舱体的左端从下至上依次设有供氧系统、环境控制
系统散热器组、天地通讯天线、液态氢储存罐、液态氧气储存罐、推进器机组、燃料电池、电
力系统散热器组，所述舱体的右端从下至上依次设有推进系统燃料舱、调姿控制系统机组、
氦气罐，所述舱体的上端连接舱首保护罩，所述舱首保护罩的外端左侧设有左吊环，所述舱
首保护罩的外端右侧设有右吊环，所述左吊环和右吊环是由岸上的起吊机用电缆穿过左吊
环和右吊环将水下悬浮舱起吊到岸边供旅客登舱的,所述的侧舱门在水下时侧舱门是密封
闭的,所述舱首保护罩的顶端设有防泄漏对接系统，所述舱首保护罩的内部设有旅客座舱，
所述旅客座舱呈环形状排列，所述旅客座舱的中央设有指挥舱，所述指挥舱的外连用圆型
的玻璃罩环状将旅客座舱与指挥舱隔离开的，所述指挥舱的下端设有电管控室，所述舱首
保护罩的右端设有一个可供旅客及乘员进出的侧舱门，所述侧舱门内设有云梯，所述云梯
下端连接升降机。
进一步所述的舱体是由透明有机钢化玻璃制作的。
进一步所述的推进器是内置螺旋桨的，并可在指挥舱5的调控下在水中模拟太空
失重状态的上升、下降、前进和后退机动的。
进一步所述的云梯是由升降机将乘坐云梯上的旅客升至舱首保护罩的内部旅客
座舱的。
本发明一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱的有益效果是：
本发明利用水的浮力抵消悬浮舱的重力来模拟太空失重环境，可作为青少年体验太空失重
状态的体验设施所使用，以便青少年更好地理解和认识我国航天知识和装备，并适应了军
队信息化建设和新质战斗力生成需要，为培育军事航空航天领域新型飞行后备人才奠定了
基础。
附图说明
附图1为本发明一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱的正面
结构示意图。
以下为本发明的标示说明：
舱体1、推进器2、舱首保护罩3、电管控室4、指挥舱5、氦气罐6、调姿控制系统机组7、推
进系统燃料舱8、左吊环9、防泄漏对接系统10、右吊环11、侧舱门12、旅客座舱13、电力系统
散热器组14、燃料电池15、液态氧气储存罐16、液态氢储存罐17、天地通讯天线18、环境控制
系统散热器组19、供氧系统20、推进器机组21、云梯22、升降机23、玻璃罩24。
具体实施方式
本发明的实施例如下：
下面结合附图1对其说明结构和部件：本发明包括舱体1、推进器2、舱首保护罩3、电管
控室4、指挥舱5、氦气罐6、调姿控制系统机组7、推进系统燃料舱8、左吊环9、防泄漏对接系
统10、右吊环11、侧舱门12、旅客座舱13、电力系统散热器组14、燃料电池15、液态氧气储存
罐16、液态氢储存罐17、天地通讯天线18、环境控制系统散热器组19、供氧系统20、推进器机
组21、云梯22、升降机23、玻璃罩24,所述舱体1的下端连接推进器2，所述推进器2的上端连
接在舱体1的下端中间位置，所述舱体1的左端从下至上依次设有供氧系统20、环境控制系
统散热器组19、天地通讯天线18、液态氢储存罐17、液态氧气储存罐16、推进器机组21、燃料
电池15、电力系统散热器组14，所述舱体1的右端从下至上依次设有推进系统燃料舱8、调姿
控制系统机组7、氦气罐6，所述舱体1的上端连接舱首保护罩3，所述舱首保护罩3的外端左
侧设有左吊环9，所述舱首保护罩3的外端右侧设有右吊环11，所述左吊环9和右吊环11是由
岸上的起吊机用电缆穿过左吊环9和右吊环11将水下悬浮舱起吊到岸边供旅客登舱的,所
述的侧舱门12在水下时侧舱门12是密封闭的,所述舱首保护罩3的顶端设有防泄漏对接系
统10，所述舱首保护罩3的内部设有旅客座舱13，所述旅客座舱13呈环形状排列，所述旅客
座舱13的中央设有指挥舱5，所述指挥舱5的外连用圆型的玻璃罩24环状将旅客座舱13与指
挥舱5隔离开的，所述指挥舱5的下端设有电管控室4，所述舱首保护罩3的右端设有一个可
供旅客及乘员进出的侧舱门12，所述侧舱门12内设有云梯22，所述云梯22下端连接升降机
23。
进一步所述的舱体1是由透明有机钢化玻璃制作的。
进一步所述的推进器2是内置螺旋桨的，并可在指挥舱5的调控下在水中模拟太空
失重状态的上升、下降、前进和后退机动的。
进一步所述的云梯22是由升降机23将乘坐云梯22上的旅客升至舱首保护罩3的内
部旅客座舱13的。
上述所述的一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱为网络游
戏虚拟军事装备道具中的创意动漫军模衍生品模型，采用陶瓷、金属、塑料、PVS材料制作,
无任何火药、无任何机械及气体击发装置，无任何实际运用发射装置和功能,整套模拟太空
失重状态水下悬浮舱作为模型装置用于青少年国防科技研究无污染，无公害，非致命性。。
综上所述本发明的一种青少年科普教育专用的模拟太空失重状态水下悬浮舱，虽
然参照实施例进行了表述，但是，同行业的技术人员应当理解，本发明不限于所说明的结构
各个细节，可以作出变化和改变而不偏离本发明的保护范围。