俄羅斯航天員中心模擬訓練體系的完善與發(fā)展

趙東明 谷志明（中國航天員科研訓練中心）

航天員在首批載人運輸飛船模擬器上訓練

俄羅斯加加林航天員科研試驗訓練中心（簡稱“加加林中心”）的歷史是與國家和世界載人航天的誕生和發(fā)展緊密相關(guān)的。在其發(fā)展的各個階段均致力于建立和推廣創(chuàng)新技術(shù)，形成了獨特的航天員選拔、訓練和飛行后康復體系。

現(xiàn)階段加加林中心的創(chuàng)新發(fā)展瞄準了世界載人航天的發(fā)展趨勢，保障更高效地利用低地球軌道實現(xiàn)未來月球開發(fā)計劃，驗證星際考察的訓練和飛行的關(guān)鍵技術(shù)。為保障實現(xiàn)未來的載人航天計劃，該中心進一步發(fā)展和完善了現(xiàn)行的航天員選拔和訓練系統(tǒng)，改進了航天員教學和模擬訓練技術(shù)。

1 航天員選拔系統(tǒng)的完善

發(fā)展俄羅斯國家航天計劃，未來將實現(xiàn)載人月球和深空飛行，這需要用新的方法優(yōu)化航天員隊伍的結(jié)構(gòu)，要基于醫(yī)學、心理學、教育學和信息學的最新成果，制定和推廣使用航天員選拔的新方法。

2012年，在俄羅斯國內(nèi)載人航天實踐中，首次制定和實施了公開選拔俄聯(lián)邦候選航天員的方法。以前在航天員的選拔中主要是檢查候選人的醫(yī)學和心理學指標，而現(xiàn)如今測試和檢查的范圍有了極大的拓展，其中包括對航天事業(yè)的認知、學習能力、掌握復雜技術(shù)的能力、計算機技能、外語、邏輯思維、物理、數(shù)學、文學、俄語等。

相對于低地球軌道的飛行，對于執(zhí)行月球、火星和小行星飛行任務(wù)的航天員選拔要求和選拔方法有其自身的特點，應(yīng)當考慮深空探索任務(wù)所面臨的環(huán)境和因素。應(yīng)當具有以下要求：

1）必須選拔健康的人員，其發(fā)生重大疾病的概率要低；

2）沒有任何在任務(wù)過程中可能惡化的疾??；

3）要有超重耐力（返回地球時是第二宇宙速度）；

4）要有飛行經(jīng)驗，對遠離地球長時間自主生活環(huán)境要具備穩(wěn)定的心理素質(zhì)。

航天員選拔、訓練和飛行后的康復過程

2 航天員訓練系統(tǒng)的完善

在70多年的發(fā)展過程中，加加林中心逐步建立和完善了航天員選拔和訓練體系，為航天員的選拔訓練提供了科學、方法、醫(yī)學、培訓、組織和其他保障。蘇聯(lián)/俄羅斯航天員選拔訓練系統(tǒng)不僅在國內(nèi)，而且在國際上都具有較高的聲譽。其突出的特點是：具有科學的論證基礎(chǔ)，人員技能獨特，具有先進的技術(shù)資源、軟件和計劃系統(tǒng)，總體上保障了高質(zhì)量的航天員訓練任務(wù)。

3 開發(fā)和實施模擬器制造新技術(shù)

現(xiàn)在加加林中心負責航天員訓練技術(shù)設(shè)備的研制、布置、使用和改進。從傳統(tǒng)意義上講，模擬器是航天員訓練技術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵要素。模擬器被稱為互動式培訓系統(tǒng)，用于開展航天員綜合性和專業(yè)性的職業(yè)訓練，模擬訓練載人航天器的控制、艙載系統(tǒng)和科學儀器的使用，模擬太空環(huán)境包括航天飛行因素作用條件。

現(xiàn)階段還無法完全滿足航天員系統(tǒng)對航天員訓練技術(shù)設(shè)備的所有要求，解決這個問題需要用創(chuàng)新的方法，完善航天員訓練綜合技術(shù)設(shè)備研制的組織機制。結(jié)合對航天模擬器建造的規(guī)律、趨勢、特點的分析，加加林中心將所有的技術(shù)設(shè)備均納入統(tǒng)一整體的航天員訓練技術(shù)設(shè)備總體框架之中。這能夠：

1）建立統(tǒng)一的、開放的、多功能的航天員訓練設(shè)備綜合系統(tǒng)，有利于使用先進的數(shù)字和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有利于引入新的航天員訓練技術(shù)設(shè)備的制造工藝，也有利于為航天員、教練員和工程人員提供更高水平的功能。

航天員在中性浮力水槽中進行著航天服訓練

2）有利于使用標準軟件和硬件平臺，在統(tǒng)一原則上開發(fā)航天員訓練技術(shù)設(shè)備，統(tǒng)一規(guī)劃綜合系統(tǒng)中同樣功能的子系統(tǒng)。

3）有利于為開發(fā)和創(chuàng)建航天員訓練技術(shù)設(shè)備建立統(tǒng)一的信息環(huán)境，包括統(tǒng)一的初始數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一的艙載系統(tǒng)模型、載人航天器運動模型和其他程序模型的軟件庫。

建立統(tǒng)一聯(lián)合的航天員訓練技術(shù)設(shè)備是階段性改進整個航天員中心模擬基地的基礎(chǔ)。由于航天員訓練的強度和總量的不斷增長，提高航天員中心的訓練能力成為了緊迫的任務(wù)，必須保障每個模擬器和整個綜合模擬系統(tǒng)所必需的運行和拓展能力。確保在特殊情況下按時、保質(zhì)、保量地完成乘員的訓練任務(wù)，并保證訓練的連續(xù)性。

4 開發(fā)創(chuàng)新型航天員訓練綜合設(shè)備，訓練航天員完成空間科學應(yīng)用研究和試驗

隨著在“國際空間站”俄羅斯艙段開展研究和試驗的計劃大量增加，需要完善供航天員開展科學應(yīng)用研究和試驗訓練的技術(shù)設(shè)備。2011－2013年，加加林中心開發(fā)出了新型獨特的空間科學應(yīng)用研究模擬訓練綜合設(shè)備，目前該設(shè)備正在發(fā)揮積極的作用。這套綜合設(shè)備的構(gòu)成是：專業(yè)化的訓練模擬器（“視覺儀器觀測模擬器”），用于航天員進行地球物理研究和地球監(jiān)測方面的訓練；自動化的移動工位，用于在實驗飛機上進行航空視覺儀器觀測；綜合性功能模擬器，包括基于交互式3D模型的計算機虛擬模擬器（“科學”功能模擬器），用于模擬空間試驗和科學儀器。

專用的“視覺儀器觀測模擬器”數(shù)學軟件能夠顯示地球數(shù)字視覺模型，在航天員地球物理研究和從太空探測地球訓練的各個階段發(fā)揮著重要作用。

“科學”功能模擬器綜合系統(tǒng)，用于模擬空間試驗和科學儀器。其主要功能包括：使用空間試驗和科學儀器的3D模型，用于航天員訓練；使用3D模型檢驗和評價航天員訓練的階段性結(jié)果；反復地使用3D模型達到一定的數(shù)量，使航天員能夠逐漸地掌握知識，提高能力和技能；使用3D模型能夠按科學計劃因材施訓。

開發(fā)了新的航天飛行模擬器和未來航天計劃航天員訓練模擬器（包括月球和火星飛行計劃）。當今，航天員在進行星際考察（月球和火星）所需復雜工作訓練時，可基于對月球（火星）往返飛行因素的模擬，使用極端航天飛行條件模擬器（中性浮力水槽、離心機、失重飛機，出艙－2模擬器），再現(xiàn)航天飛行環(huán)境和條件（失重環(huán)境等）。

5 航天員訓練技術(shù)的整合

根據(jù)“國際空間站”計劃對國際乘組進行訓練時，基于使用空間分布式航天員訓練設(shè)施的結(jié)構(gòu)得以廣泛使用，并不斷地完善航天員訓練整合技術(shù)。加加林中心利用俄羅斯、美國、法國、德國、日本及其他國家航天員訓練的經(jīng)驗、傳統(tǒng)和技術(shù)，建立了國際乘組訓練的集成系統(tǒng)。

航天器的研制（改進）過程與乘組訓練過程的不可分性，也是技術(shù)過程整合的一個例子，要求航天員參與航天器研制、空間站組裝和展開過程（航天飛行和乘組在軌活動地面支持過程）、測試過程，以及軌道站的回收過程。在參與這些過程中，航天員真正地掌握了航天器新的控制方法及使用方法，同時航天員可以形象的表達自己的意見，提供自己的經(jīng)驗，這本身就是學習和訓練，是經(jīng)常性的學習提高。

空間技術(shù)和乘員訓練技術(shù)同步發(fā)展是一個客觀過程，這有助于航天員訓練技術(shù)設(shè)備和訓練體系的建設(shè)與完整。

離心機再現(xiàn)失重環(huán)境

在中性浮力水槽中為航天員模擬低重力環(huán)境

各國航天員聯(lián)合訓練

6 新培訓技術(shù)的開發(fā)、推廣和使用

目前，加加林中心正在致力于基于智能化新培訓技術(shù)的開發(fā)、推廣和使用，開發(fā)計算機培訓軟件，建立數(shù)據(jù)庫、知識庫，使用虛擬培訓環(huán)境等。

人工智能系統(tǒng)在航天員訓練技術(shù)設(shè)備中的使用，促進了計算機智能培訓設(shè)備的產(chǎn)生?；谶@種設(shè)備在培訓中不一定需要教練的存在，或者減少參與人數(shù)（這些人員只負責工作監(jiān)督，輸入初始數(shù)據(jù)，對故障做出反應(yīng)等）。在這種情況下，會降低培訓的成本，在簡化教學過程中提高培訓的效率，最主要的是能夠使訓練適應(yīng)受訓者的知識、能力和技能。由于信息技術(shù)的迅速發(fā)展，針對各類艙載系統(tǒng)進行訓練的多媒體課程得到了開發(fā)、推廣和使用。

7 研制和推廣虛擬模擬綜合系統(tǒng)

為了提高航天員訓練的效率和質(zhì)量，使航天員更好地了解現(xiàn)行和未來載人航天器艙載系統(tǒng)的設(shè)計和布局、內(nèi)部布置和外觀，了解目標設(shè)備和艙外活動細節(jié)，需要利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（包括3D技術(shù)）和計算機可視化技術(shù)，開發(fā)一整套綜合的模擬設(shè)備。

這種虛擬現(xiàn)實和計算機可視化模擬綜合設(shè)備的特點是，在其中可以模擬載人航天器上發(fā)生的物理過程，這些過程是在全尺寸模擬器上很難或不可能模擬或展示的（比如，空氣的流動、航天器對接過程的細節(jié)，以及大尺寸航天器外部和內(nèi)部的布局）。利用計算機技術(shù)和人-機-環(huán)領(lǐng)域最新的成果，開發(fā)和擴展航天員訓練技術(shù)設(shè)備的能力，包括利用計算機生成設(shè)備形成立體圖像的技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)模擬器工程中的大多數(shù)問題，并且可以顯著提高航天員的現(xiàn)實感，最終能夠提高訓練的效率。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還能再現(xiàn)各類感覺（視覺、聽覺、觸覺、加速感等），這可部分或全部由計算生成，使人在特定環(huán)境中有現(xiàn)實的存在感，并與環(huán)境有真實互動感。

8 航天員參與下的載人航天綜合體開發(fā)（改進）工作

發(fā)展載人航天，實現(xiàn)未來前景規(guī)劃，不能沒有航天員的積極參與，需要航天員系統(tǒng)地參加相關(guān)的鑒定和試驗工作。俄羅斯航天員參與載人航天組合體開發(fā)（改進）工作的任務(wù)主要有以下幾個方面。

1）開發(fā)新型載人航天組合體階段。技術(shù)任務(wù)和技術(shù)提案預(yù)先設(shè)計、載人組合體設(shè)計草案和工作文件的鑒定工作；載人組合體試驗產(chǎn)品人體工程學鑒定；載人航天組合體產(chǎn)品地面試驗（參與自主的、綜合的和跨部門的測試）；航天員訓練技術(shù)設(shè)備的研制和試驗訓練（技術(shù)文件的開發(fā)與鑒定并參與試驗）；載人組合體艙載文件和其他支持乘組活動的信息設(shè)備的開發(fā)與試驗調(diào)整；科研試驗訓練計劃的制定；航天員訓練綜合設(shè)備的開發(fā)。

2）載人綜合體飛行設(shè)計試驗和飛行使用階段。對飛行中載人航天組合體乘組提供支持（地面）；對試驗（使用）結(jié)果進行評價；對完善載人組合體、航天員飛行中的工作效率和安全性、航天員訓練提出建議；“國際空間站”乘組根據(jù)飛行結(jié)果提出意見和建議。

3）航天員訓練技術(shù)設(shè)備改進階段。對航天員訓練技術(shù)設(shè)備與載人航天組合體的一致性進行評價，對完善航天員訓練技術(shù)設(shè)備提出建議；參與航天員訓練技術(shù)設(shè)備的試驗；載人組合體艙載文件和其他支持乘組活動的信息設(shè)備試驗調(diào)整。

4）科學研究和探索階段。對載人航天組合體開發(fā)（改進）和使用的整個過程進行技術(shù)跟蹤；提出和論證新的創(chuàng)新性提案，旨在提高載人飛行的效率和安全性；對未來航天技術(shù)樣品進行測試（包括作為試驗員），包括在模擬條件下和飛行條件下；發(fā)明活動。

9 利用“國際空間站”驗證未來航天計劃

與執(zhí)行低地球軌道載人飛行的訓練相比，星際考察乘組的訓練和準備是陌生的，也是更加復雜的任務(wù)，需要專門的研究和論證。為此，必須制定綜合計劃，建立相應(yīng)的科學技術(shù)儲備。需要指出的是，這方面研究計劃的許多目標可以在“國際空間站”半年至更長飛行中實現(xiàn)。比如，可以建議利用“國際空間站”開展以下工作，以建立火星飛行任務(wù)的技術(shù)儲備：

1）“國際空間站”乘員返回地面后，立即進行著陸行星后的行為訓練；

2）在“國際空間站”的考察中，給乘組最大的自主性，獨立完成工作和飛行計劃，獨立擺脫異常情況；

3）基于人工智能系統(tǒng)的使用，建立乘員意外情況信息支持系統(tǒng)并配備在“國際空間站”；

4）利用“國際空間站”航天員驗證系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)維護維修的方法；

5）開發(fā)新的心理支持方法，在“國際空間站”乘組飛行過程中進行驗證。