俄羅斯航天員艙外活動地面模擬訓(xùn)練方法與設(shè)備

孫海鵬 王永生（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

俄羅斯/蘇聯(lián)是最早實現(xiàn)艙外活動的國家，在艙外活動方面有大量、豐富的經(jīng)驗，多年來已形成了一套完整的訓(xùn)練體系。俄羅斯航天員艙外活動訓(xùn)練內(nèi)容主要包括理論訓(xùn)練、單項實踐訓(xùn)練、出艙程序訓(xùn)練和出艙任務(wù)訓(xùn)練。出艙和艙外活動訓(xùn)練的大型設(shè)備主要有中性浮力水槽、失重飛機、艙外活動訓(xùn)練模擬器、氣壓艙、航天員移動設(shè)備動力學(xué)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(lǐng)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(jīng)驗。

1 航天員艙外活動地面模擬訓(xùn)練的方法

空間失重因素模擬

目前，失重模擬訓(xùn)練主要是使用中性浮力水槽和失重飛機。在水介質(zhì)中模擬失重被認為是失重訓(xùn)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(yōu)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(yīng)考慮到以下因素：地球的萬有引力，水介質(zhì)的推動力，流體動力的液體阻力對物體平移運動和旋轉(zhuǎn)運動的影響，介質(zhì)的慣性。在為某些類型設(shè)備制造水壓模擬器時，上述因素會造成技術(shù)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(chǎn)生的失重進行失重模擬。使用失重飛機可進行以下訓(xùn)練：與艙口相關(guān)的各項工作，身穿航天服移動的姿勢和路線，設(shè)備安裝和拆卸作業(yè)，航天員使用工具和設(shè)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(xùn)練，其中包括使人的肌體對失重適應(yīng)而預(yù)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(nèi)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(yīng)用范圍。飛機在機動飛行的開始和結(jié)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(tǒng)的優(yōu)勢是：它不要求建造全套相關(guān)裝置，具有費用很低的優(yōu)點，且短期內(nèi)即可見效。配置時在萬向接頭吊架裝置內(nèi)操作員的重心與X、Y、Z、B懸掛軸的交叉點相吻合。該系統(tǒng)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(nèi)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(yè)。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(xùn)練艙外活動時，穿著航天服的航天員和結(jié)構(gòu)元件借助氣體的懸浮進行作業(yè)。該方法在航天員移動系統(tǒng)模型內(nèi)運用得非常順利，這種模型是建立在氣墊平臺基礎(chǔ)上的。眾所周知，氣墊平臺同樣可以用于懸浮物體，如外設(shè)工作地點、安裝平臺、載人航天器密封艙。懸浮時經(jīng)常使用輕質(zhì)量氣體，如氦。氣瓶內(nèi)裝滿氣，然后把氣瓶固定在結(jié)構(gòu)元件上，訓(xùn)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(jié)構(gòu)明顯龐大，嚴重限制了操作員的移動。

失重模擬訓(xùn)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(tǒng)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(guān)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(xùn)練，可在氣壓艙、溫控艙和熱壓艙中進行。根據(jù)任務(wù)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(fā)，艙內(nèi)應(yīng)急增壓時間是重要關(guān)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(xùn)練

艙內(nèi)可配置載人航天器的常規(guī)設(shè)備，包括：過渡艙段、氣閘系統(tǒng)、航天服、技術(shù)系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)備，物理載荷仿真器等。在這些艙內(nèi)可以研究航天服在各種制度下的使用效果、氣閘系統(tǒng)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(wèi)生指標，并進行航天員穿著航天服在太空真空環(huán)境下的工作技術(shù)（如太空焊接作業(yè)）和心理訓(xùn)練。在氣壓艙內(nèi)進行艙外活動作業(yè)訓(xùn)練時，需要解決的一個重要問題是：創(chuàng)造航天服內(nèi)總壓力、氣體成份、通風(fēng)和熱感方面與常規(guī)環(huán)境相同的條件。該訓(xùn)練方法的主要優(yōu)點是：在模擬航天飛行條件下，具有再現(xiàn)航天員完成常規(guī)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(huán)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(huán)境會發(fā)生2次變化。因為艙外活動時間達6～7h，該因素應(yīng)當(dāng)予以考慮。由于有陽光時航天員工作區(qū)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(tǒng)和移動系統(tǒng)的控制、工具的使用、完成艙外活動目標任務(wù)方面會出現(xiàn)問題。此外，航天員應(yīng)會正確地使用艙外活動用的獨立照明設(shè)備和航天服照明器。所以，必須使人適應(yīng)常規(guī)的光環(huán)境，必須確立在這種環(huán)境下的最佳動作和工作方法。

對艙外活動明暗環(huán)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(tǒng)的綜合影響，并保障最逼真地再現(xiàn)太空工作的客觀環(huán)境。明暗環(huán)境的模擬歸根結(jié)底就是，按一定的規(guī)律對上述技術(shù)設(shè)施的照明設(shè)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(guī)作業(yè)情況，俄羅斯建造了出艙程序模擬訓(xùn)練器。該模擬訓(xùn)練器包括：航天服的有效通風(fēng)模型，氣閘系統(tǒng)設(shè)備，生命保障系統(tǒng)模擬器，航天員移動保障系統(tǒng)，地面控制臺，醫(yī)監(jiān)、通信和電視系統(tǒng)，艙外活動目標任務(wù)訓(xùn)練綜合裝置，電子計算機及輔助設(shè)備等。生命保障系統(tǒng)能夠再現(xiàn)航天服內(nèi)的規(guī)定余壓，航天服供氧系統(tǒng)常規(guī)工作時航天服主要氣瓶和儲備氣瓶內(nèi)的壓力變化，接入機載系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化，過渡艙釋壓和常規(guī)制度及意外情況下增壓時的壓力變化，航天服內(nèi)和氧氣瓶內(nèi)發(fā)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(jiān)督臺，航天服供氣通風(fēng)操縱臺，航天服溫控系統(tǒng)冷卻劑供應(yīng)操縱臺。醫(yī)學(xué)監(jiān)督系統(tǒng)可以對身著航天服的試驗員身體狀況進行監(jiān)督，借助于該系統(tǒng)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(xùn)練器。該訓(xùn)練器是綜合裝置，除了能進行常規(guī)模擬訓(xùn)練外，還可以應(yīng)用于模擬試驗程序和方法，對參加地面試驗的專業(yè)人員進行訓(xùn)練。該模擬訓(xùn)練器由裝有相關(guān)機載設(shè)備的常規(guī)過渡艙模擬器、工藝設(shè)備、全套裝置的綜合體和地面試驗設(shè)備綜合體組成。該綜合訓(xùn)練器是多功能系統(tǒng)，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(xùn)練設(shè)備進行太空行走訓(xùn)練

水槽實驗室設(shè)備構(gòu)成圖

2 航天員艙外活動地面模擬訓(xùn)練設(shè)備

加加林航天員訓(xùn)練中心水槽實驗室

水槽實驗室位于加加林航天員訓(xùn)練中心東部，由主試驗樓、溢流應(yīng)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(shè)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(shè)和使用及“國際空間站”的建設(shè)過程中，發(fā)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(xiàn)照明及監(jiān)視訓(xùn)練、試驗進程，在水槽壁內(nèi)設(shè)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(xùn)練外，還有助于完成各類科學(xué)研究和試驗任務(wù)。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(gòu)可以將其升起，以便安裝實物模型并下放到水槽內(nèi)規(guī)定深度。其他起重機構(gòu)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(shù)會增加到5次。只有那些潛水運動員和獲得水下作業(yè)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(shù)方面的專門指導(dǎo)。進行水下作業(yè)的維護人員組成數(shù)量，要根據(jù)所要完成任務(wù)特點和在水中作業(yè)的航天員數(shù)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(tǒng)包括：記錄系統(tǒng)，環(huán)境條件控制、數(shù)據(jù)加工和顯示系統(tǒng)，水下照明系統(tǒng)，保障航天器運行、帶有氣動和電動傳送裝置的專用水下設(shè)備，供水和放水、溫度調(diào)節(jié)及檢查質(zhì)量系統(tǒng)，通風(fēng)和調(diào)節(jié)空氣溫度系統(tǒng)，運輸起重機械。

脫掛試驗臺

脫掛試驗臺結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，一般包括航天服、增壓和通風(fēng)設(shè)備、索具系統(tǒng)和配重。航天服應(yīng)當(dāng)是密封的，并保障在規(guī)定的超壓下符合航天員穿著的標準條件。

出艙程序訓(xùn)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(zhí)行的一系列飛行作業(yè)，包括控制氣動和電動轉(zhuǎn)換開關(guān)，使用各種液壓和電動轉(zhuǎn)換開關(guān)，使用各種液壓和電動接頭，釘銷機構(gòu)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(shè)備和過閘系統(tǒng)，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(tǒng)和氣動上升系統(tǒng)，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(nèi)部，通過對尺寸、放置方法和結(jié)構(gòu)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(yè)，但是相當(dāng)多的是工作姿勢作業(yè)。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(xué)支撐平臺

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

在空氣動力學(xué)支承平臺基礎(chǔ)上建造的模擬試驗臺的基本組成元件有航天員移動設(shè)備，航天服技術(shù)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(xué)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(shè)備可以在水面和垂直軸周圍實現(xiàn)移動。

艙外航天服活動訓(xùn)練和模擬過閘專用訓(xùn)練模擬器

俄羅斯的艙外航天服活動訓(xùn)練和模擬過閘專用訓(xùn)練模擬器是一種半實物模擬總體（成套）設(shè)備，借助于配重的航天服脫掛設(shè)備，用于訓(xùn)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(yè)和動作的技能。

該訓(xùn)練模擬器裝配有過閘和出艙航天服的全部標準系統(tǒng)，設(shè)有監(jiān)督航天員和航天服醫(yī)學(xué)生物學(xué)系統(tǒng)開關(guān)，以便于實現(xiàn)航天員與控制臺教練員之間的雙向聯(lián)系。其工作制度包括制造航天服內(nèi)的規(guī)定超壓，在航天服供氧系統(tǒng)正常工作條件下改變航天服主瓶和備用瓶內(nèi)壓力，控制所有供氧系統(tǒng)，改變連接艙載系統(tǒng)的氧氣瓶內(nèi)壓力，在正常和非正常情況下釋壓和增壓時改變過渡艙內(nèi)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(tǒng)、過閘系統(tǒng)的工作，以及在正常測量范圍內(nèi)記錄遙測信號。

這一訓(xùn)練模擬器的控制臺包括下達指令、檢測航天服技術(shù)狀態(tài)和過閘系統(tǒng)操作臺，按照規(guī)定流量向航天服供氣的通風(fēng)操作臺和向航天服溫控系統(tǒng)提供冷凝劑操作臺。其醫(yī)學(xué)電視系統(tǒng)能客觀監(jiān)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(wèi)生指標的觀察、記錄和評價。該訓(xùn)練模擬器有助于完成模擬艙外活動的某些專門任務(wù)，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(shè)備的正常作業(yè)，模擬空間修理-預(yù)防作業(yè)和組裝結(jié)構(gòu)等。

控制和模擬航天員移動設(shè)備動力學(xué)作業(yè)專用模擬器

訓(xùn)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(shè)備進行模擬，并采用半自動機動、穩(wěn)定和定向制度；對航天員移動設(shè)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(shè)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(shè)備技術(shù)系統(tǒng)并監(jiān)督航天員的狀態(tài)；評價操作活動的質(zhì)量。

訓(xùn)練模擬器采用了專業(yè)數(shù)字技術(shù)，可應(yīng)用于：模擬航天員移動設(shè)備相對運動的姿態(tài)，模擬外部視景、通信信息，監(jiān)控系統(tǒng)，檢查模擬器運行的技術(shù)狀態(tài)，排除設(shè)備故障后的恢復(fù)過程模擬。

該模擬器能夠?qū)嚯x航天員數(shù)百米的被維護目標形成清晰視景圖像。為了對技術(shù)維護作業(yè)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(yù)裝上將被維護的獨立航天飛行器模擬器和執(zhí)行修理維護作業(yè)的相關(guān)設(shè)備。該訓(xùn)練模擬器經(jīng)補充加工后還可以根據(jù)“國際空間站”計劃對航天員進行安全救生方面的訓(xùn)練。

失重飛機

失重飛機可以在沿開普勒拋物線飛行時，產(chǎn)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(shù)工藝流程、穿脫艙外航天服、移動貨物、技術(shù)維護和修理方法等訓(xùn)練。俄羅斯用于訓(xùn)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(yī)監(jiān)、記錄操作員活動技術(shù)參數(shù)和特性的各種儀器、系統(tǒng)及設(shè)備。因為失重飛機屬于高風(fēng)險技術(shù)設(shè)備，所以還需包括操作員和專門救生設(shè)備。制定安全措施時應(yīng)考慮到失重飛機的特點，即在機動（拉起）開始和結(jié)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(yè)有以下幾種：

· 身穿航天服在超壓條件下的技術(shù)工藝作業(yè)（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(guān)閉銷釘、取下或者安裝電視攝像機、導(dǎo)電棒和磁帶等）；

失重飛機飛行軌跡

· 運輸不同質(zhì)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(shè)備維護的精準協(xié)調(diào)動作訓(xùn)練；

· 訓(xùn)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(yīng)急條件下穿上航天服進行出艙訓(xùn)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(xù)作業(yè)和過程，工作的高風(fēng)險性。

氣壓艙總體

氣壓艙總體的使用技術(shù)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(tǒng)、電力供應(yīng)系統(tǒng)和溫控設(shè)備的技術(shù)特性選擇，可以根據(jù)載人航天器的類型和具體艙外活動任務(wù)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(shè)備。載人航天器的質(zhì)量可達數(shù)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(nèi)配置有密封板。其供電系統(tǒng)能夠?qū)㈦妷簽?15V、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(tǒng)的熱載體中，這種溫控系統(tǒng)足夠保障熱工制度。