俄羅斯航天員艙外活動地面模擬訓練方法與設備

孫海鵬 王永生（中國航天員科研訓練中心）

俄羅斯/蘇聯是最早實現艙外活動的國家，在艙外活動方面有大量、豐富的經驗，多年來已形成了一套完整的訓練體系。俄羅斯航天員艙外活動訓練內容主要包括理論訓練、單項實踐訓練、出艙程序訓練和出艙任務訓練。出艙和艙外活動訓練的大型設備主要有中性浮力水槽、失重飛機、艙外活動訓練模擬器、氣壓艙、航天員移動設備動力學制度模擬器、脫掛試驗臺和氣墊平臺等。我國與俄羅斯在載人航天領域的交流比較廣泛，也充分借鑒了俄羅斯在艙外活動方面的經驗。

1 航天員艙外活動地面模擬訓練的方法

空間失重因素模擬

目前，失重模擬訓練主要是使用中性浮力水槽和失重飛機。在水介質中模擬失重被認為是失重訓練最普遍和有效的方法之一，同其他方法相比，該方法具有許多優勢：模擬時間客觀上不受限制，可按原尺寸大小配置載人航天器的模型，工作費用不高。在失重條件下研究艙外活動時應考慮到以下因素：地球的萬有引力，水介質的推動力，流體動力的液體阻力對物體平移運動和旋轉運動的影響，介質的慣性。在為某些類型設備制造水壓模擬器時，上述因素會造成技術上的困難，這就決定了該方法并不是萬能的。

使用失重飛機對失重因素進行模擬，是指利用飛機沿開普勒拋物線曲線飛行過程中產生的失重進行失重模擬。使用失重飛機可進行以下訓練：與艙口相關的各項工作，身穿航天服移動的姿勢和路線，設備安裝和拆卸作業，航天員使用工具和設備進行儀器固定等。飛機的使用是為了模擬一些工藝過程及對航天員進行訓練，其中包括使人的肌體對失重適應而預防“運動病”。該方法的最大缺點就是不能長時間模擬失重。此外，在失重飛機的艙內只能配置相對較小的載人航天器片段，而不能進行原尺寸配置，這嚴重地限制了該方法的應用范圍。飛機在機動飛行的開始和結束階段，需克服超重達2gn～3gn所引起的具體困難。還需指出的是，使用失重飛機的費用是非常昂貴的。

另一個使用廣泛的方法是借助平衡器或萬向接頭吊架裝置將穿著航天服的人懸掛。這種借助負荷的懸掛系統的優勢是：它不要求建造全套相關裝置，具有費用很低的優點，且短期內即可見效。配置時在萬向接頭吊架裝置內操作員的重心與X、Y、Z、B懸掛軸的交叉點相吻合。該系統能保障比一般的懸浮情況下有更強的移動能力，并且穿著航天服的操作員在萬向接頭吊架裝置內有6個自由度。該方法的主要缺點是失重感有一定的失真。

上面兩種方法能夠有效地運用于模擬使用艙外活動工具和其他裝置的作業。最近幾年，在半實物模擬航天員穿著航天服在太空出艙活動時，懸浮模擬得到廣泛的運用。

在訓練艙外活動時，穿著航天服的航天員和結構元件借助氣體的懸浮進行作業。該方法在航天員移動系統模型內運用得非常順利，這種模型是建立在氣墊平臺基礎上的。眾所周知，氣墊平臺同樣可以用于懸浮物體，如外設工作地點、安裝平臺、載人航天器密封艙。懸浮時經常使用輕質量氣體，如氦。氣瓶內裝滿氣，然后把氣瓶固定在結構元件上，訓練人員直接或借助操縱器能夠相對輕松地移動它們。該方法的缺點是，懸浮結構明顯龐大，嚴重限制了操作員的移動。

失重模擬訓練的實踐告訴我們：不能局限于一種方法，只有在艙外活動系統生命周期各個階段合理地使用各種實物模擬及其他模擬方法，才能有效解決與失重影響有關的一系列問題。

空間壓力及溫度變化模擬

對艙外活動中的減壓、高溫和低溫這些不利因素的模擬訓練，可在氣壓艙、溫控艙和熱壓艙中進行。根據任務的特點，這些艙的容積可在幾十到幾百立方米之間。從工作的安全角度出發，艙內應急增壓時間是重要關注點，一般是5～15s，且熱工制度的變化保障在50～150℃之間。

航天員在水下進行失重模擬訓練

艙內可配置載人航天器的常規設備，包括：過渡艙段、氣閘系統、航天服、技術系統和監控設備，物理載荷仿真器等。在這些艙內可以研究航天服在各種制度下的使用效果、氣閘系統的工作能力及其控制方法、人對物理載荷和低壓的承受能力，評價航天員穿著航天服時的生理衛生指標，并進行航天員穿著航天服在太空真空環境下的工作技術（如太空焊接作業）和心理訓練。在氣壓艙內進行艙外活動作業訓練時，需要解決的一個重要問題是：創造航天服內總壓力、氣體成份、通風和熱感方面與常規環境相同的條件。該訓練方法的主要優點是：在模擬航天飛行條件下，具有再現航天員完成常規艙外活動的能力。其缺點是工作量大、工作費用高和模擬意外情況能力有限。

空間明暗環境模擬

載人航天器在地球軌道飛行時，每繞地球飛行1周，光環境會發生2次變化。因為艙外活動時間達6～7h，該因素應當予以考慮。由于有陽光時航天員工作區域能見度好，航天員的活動會輕松；而在黑暗時，航天員在獨立生保系統和移動系統的控制、工具的使用、完成艙外活動目標任務方面會出現問題。此外，航天員應會正確地使用艙外活動用的獨立照明設備和航天服照明器。所以，必須使人適應常規的光環境，必須確立在這種環境下的最佳動作和工作方法。

對艙外活動明暗環境的物理模擬，可在密封艙、水槽及各階段功能模擬器上進行。在這種情況下，要獲取航天飛行因素對艙外活動系統的綜合影響，并保障最逼真地再現太空工作的客觀環境。明暗環境的模擬歸根結底就是，按一定的規律對上述技術設施的照明設備進行控制。

出艙程序模擬

為了模擬乘員在過閘過程中穿著艙外航天服時的常規作業情況，俄羅斯建造了出艙程序模擬訓練器。該模擬訓練器包括：航天服的有效通風模型，氣閘系統設備，生命保障系統模擬器，航天員移動保障系統，地面控制臺，醫監、通信和電視系統，艙外活動目標任務訓練綜合裝置，電子計算機及輔助設備等。生命保障系統能夠再現航天服內的規定余壓，航天服供氧系統常規工作時航天服主要氣瓶和儲備氣瓶內的壓力變化，接入機載系統內的壓力變化，過渡艙釋壓和常規制度及意外情況下增壓時的壓力變化，航天服內和氧氣瓶內發生外泄漏時的壓力變化，以及測量容積時的遙測信號記錄。地面操縱臺包括下達指令和航天服及過渡艙狀況監督臺，航天服供氣通風操縱臺，航天服溫控系統冷卻劑供應操縱臺。醫學監督系統可以對身著航天服的試驗員身體狀況進行監督，借助于該系統可以解決對航天員生理指標的觀察、記錄和評價等問題。

此外，俄羅斯還建了過渡艙模擬訓練器。該訓練器是綜合裝置，除了能進行常規模擬訓練外，還可以應用于模擬試驗程序和方法，對參加地面試驗的專業人員進行訓練。該模擬訓練器由裝有相關機載設備的常規過渡艙模擬器、工藝設備、全套裝置的綜合體和地面試驗設備綜合體組成。該綜合訓練器是多功能系統，可以作為常效模擬器使用。

航天員通過水槽實驗室中的模擬訓練設備進行太空行走訓練

水槽實驗室設備構成圖

2 航天員艙外活動地面模擬訓練設備

加加林航天員訓練中心水槽實驗室

水槽實驗室位于加加林航天員訓練中心東部，由主試驗樓、溢流應急排水湖和模型清洗準備間三部分組成。該水槽實驗室自1970年開始籌備，1974年開始設計，1976年開始施工，1980年開始投入使用，在和平號空間站的建設和使用及“國際空間站”的建設過程中，發揮著舉足輕重的作用。

主試驗樓是整個實驗室的中心和主體，總建筑面積4390m2。水槽位于這個圓形建筑的中心，水槽的儲水池直徑為22.8m，深11.92m，容積為5000m3，槽中裝滿了25～30℃的水，其氯含量為0.3～0.5mg/L。為了對水下目標實現照明及監視訓練、試驗進程，在水槽壁內設有45個觀察窗，觀察窗直徑為500mm，它們按3種不同高度排列，其中20個觀察窗裝有探照燈，20個觀察窗裝有電視攝像機。

水槽實驗室除了對載人航天器乘員組進行艙外活動訓練外，還有助于完成各類科學研究和試驗任務。在水槽裝配的升降平臺上放置有全尺寸載人航天器模型或模型片段。在必要時平臺控制機構可以將其升起，以便安裝實物模型并下放到水槽內規定深度。其他起重機構用于抬起和放下身穿航天服在水槽工作的試驗者。

水槽實驗室通常每周進行2次實驗，有時實驗次數會增加到5次。只有那些潛水運動員和獲得水下作業合格證書的人才被允許參加實驗，而且每次實驗前要對參加者進行體檢和安全技術方面的專門指導。進行水下作業的維護人員組成數量，要根據所要完成任務特點和在水中作業的航天員數量來確定，一般為地面崗位專家33名和水中專家11～19名。

水槽實驗室保障系統包括：記錄系統，環境條件控制、數據加工和顯示系統，水下照明系統，保障航天器運行、帶有氣動和電動傳送裝置的專用水下設備，供水和放水、溫度調節及檢查質量系統，通風和調節空氣溫度系統，運輸起重機械。

脫掛試驗臺

脫掛試驗臺結構簡單，使用可靠，一般包括航天服、增壓和通風設備、索具系統和配重。航天服應當是密封的，并保障在規定的超壓下符合航天員穿著的標準條件。

出艙程序訓練模擬器及航天服

試驗臺的放置考慮到人將在臺上站著工作這一因素，模擬的艙外活動主要是航天員在超壓條件下身穿航天服執行的一系列飛行作業，包括控制氣動和電動轉換開關，使用各種液壓和電動轉換開關，使用各種液壓和電動接頭，釘銷機構的連接和松開，安裝和取下扶手，涉及鎖扣、固定器和各種把手的工作，在控制臺下達指令，檢查儀器、控制航天服設備和過閘系統，以及提高使用隨船工具的工作技能。

在某些情況下，通過綜合使用帶有配重的索具系統和氣動上升系統，脫掛試驗臺作用最明顯。這時氣瓶可以放置在試驗臺外部或者內部，通過對尺寸、放置方法和結構材料的選擇，可以脫掛、控制上下起重臂和安裝平臺。

還有一種是帶有萬向支架的試驗臺，該試驗臺能夠完成上文介紹的所有作業，但是相當多的是工作姿勢作業。這種試驗臺可以模擬近似于在宇宙空間工作的實際條件。

空氣動力學支撐平臺

空氣動力學支撐平臺又稱為氣墊平臺，可用于模擬艙外活動任務。在這類平臺上可以建造航天員自動移動設備模擬裝置，它有助于完成制造和使用航天員移動設備方面的一系列重要任務，如完成“人-航天服-航天員移動設備”系統動力學特性評價，模擬與航天器對接的方法，調整隨船文件。

在空氣動力學支承平臺基礎上建造的模擬試驗臺的基本組成元件有航天員移動設備，航天服技術工藝模型，氣動組塊和支撐平臺。在由氣動組塊向空氣動力學支承供壓時，它們與平臺之間形成間隙，借助于航天員移動設備可以在水面和垂直軸周圍實現移動。

艙外航天服活動訓練和模擬過閘專用訓練模擬器

俄羅斯的艙外航天服活動訓練和模擬過閘專用訓練模擬器是一種半實物模擬總體（成套）設備，借助于配重的航天服脫掛設備，用于訓練在過閘和身穿航天服進行艙外活動過程中、在非正常情況下完成標準作業和動作的技能。

該訓練模擬器裝配有過閘和出艙航天服的全部標準系統，設有監督航天員和航天服醫學生物學系統開關，以便于實現航天員與控制臺教練員之間的雙向聯系。其工作制度包括制造航天服內的規定超壓，在航天服供氧系統正常工作條件下改變航天服主瓶和備用瓶內壓力，控制所有供氧系統，改變連接艙載系統的氧氣瓶內壓力，在正常和非正常情況下釋壓和增壓時改變過渡艙內壓力，在氣瓶泄漏時改變航天服和氣瓶壓力，模擬航天服全部系統、過閘系統的工作，以及在正常測量范圍內記錄遙測信號。

這一訓練模擬器的控制臺包括下達指令、檢測航天服技術狀態和過閘系統操作臺，按照規定流量向航天服供氣的通風操作臺和向航天服溫控系統提供冷凝劑操作臺。其醫學電視系統能客觀監督身穿航天服的航天員身體狀況，可以完成對航天員生理衛生指標的觀察、記錄和評價。該訓練模擬器有助于完成模擬艙外活動的某些專門任務，如使用標準工具、固定元件和裝置模擬安裝、拆卸和更換可拆卸式設備的正常作業，模擬空間修理-預防作業和組裝結構等。

控制和模擬航天員移動設備動力學作業專用模擬器

訓練模擬器實際上是一整套半實物模擬裝置，有以下特性：使用手動控制對航天員移動設備進行模擬，并采用半自動機動、穩定和定向制度；對航天員移動設備進行控制并兼顧運輸貨物的慣性特性；在操作員身穿出艙航天服的超壓條件下，模擬控制航天員移動設備的方法和技能；與地面控制中心進行雙向通信；控制航天員移動設備技術系統并監督航天員的狀態；評價操作活動的質量。

訓練模擬器采用了專業數字技術，可應用于：模擬航天員移動設備相對運動的姿態，模擬外部視景、通信信息，監控系統，檢查模擬器運行的技術狀態，排除設備故障后的恢復過程模擬。

該模擬器能夠對距離航天員數百米的被維護目標形成清晰視景圖像。為了對技術維護作業進行模擬，這臺模擬器的功能還可以進一步擴大。方法是可以給它預裝上將被維護的獨立航天飛行器模擬器和執行修理維護作業的相關設備。該訓練模擬器經補充加工后還可以根據“國際空間站”計劃對航天員進行安全救生方面的訓練。

失重飛機

失重飛機可以在沿開普勒拋物線飛行時，產生20～30s的短時間模擬失重條件。這種飛機廣泛用于模擬失重條件下的技術工藝流程、穿脫艙外航天服、移動貨物、技術維護和修理方法等訓練。俄羅斯用于訓練的失重飛機有圖－134、圖－154、伊爾－76飛機。

除了裝有標準的載人航天器部件、組件、片段或其模擬器之外，失重飛機還配有保障通信、醫監、記錄操作員活動技術參數和特性的各種儀器、系統及設備。因為失重飛機屬于高風險技術設備，所以還需包括操作員和專門救生設備。制定安全措施時應考慮到失重飛機的特點，即在機動（拉起）開始和結束段的重力過載是2gn～2.5gn。

失重飛機通常在一次飛行中可以完成10～15次失重，飛機一天可以進行1～2次飛行。在失重飛機上可以模擬艙外活動的典型作業有以下幾種：

· 身穿航天服在超壓條件下的技術工藝作業（噴涂面層、焊接、釬焊、切割、填孔等）；

· 使用或者不使用專用工具進行安裝和拆卸工作（打開或關閉銷釘、取下或者安裝電視攝像機、導電棒和磁帶等）；

失重飛機飛行軌跡

· 運輸不同質量和外形的貨物（30～200kg）；

· 使用各種定位元件選擇物體定向方法；

· 航天員在失重條件下進行設備維護的精準協調動作訓練；

· 訓練從不同工作位置運送“喪失工作能力”的操作員；

· 穿脫航天服，并在正常和應急條件下穿上航天服進行出艙訓練。

使用失重飛機模擬艙外活動的缺點是費用高昂，失重時間短、不能準確模擬艙外活動的持續作業和過程，工作的高風險性。

氣壓艙總體

氣壓艙總體的使用技術特性取決于使用它們的目的和用途。對氣壓艙的尺寸、外形、排氣系統、電力供應系統和溫控設備的技術特性選擇，可以根據載人航天器的類型和具體艙外活動任務來確定。

氣壓艙具有簡單的外形，可以裝配閘門，其附加裝置安裝有專用法蘭盤，在必要時有助于增加或者減少壓力，對載人航天器的裝載可以借助于橋式吊車或者專用的自行裝載設備。載人航天器的質量可達數十噸，長度為15～20m，高度為7～10m。為了吊掛電動、氣動和水管管路，氣壓艙內配置有密封板。其供電系統能夠將電壓為115V、220V、380V的交流電和24～32V的直流電供給到加熱和冷卻回路系統的熱載體中，這種溫控系統足夠保障熱工制度。