模擬訓(xùn)練：人類邁向太空的序曲

文 李冠哲 吳玲達(dá) 郝紅星

隨著2022年的到來，按計(jì)劃“神舟十三號(hào)”航天員乘組在中國(guó)空間站為期半年的太空生活已經(jīng)過半。繼圓滿完成出艙活動(dòng)全部既定任務(wù)、成功開展中國(guó)空間站首次太空授課活動(dòng)之后，3名航天員將在中國(guó)空間站度過第一個(gè)春節(jié)。

航天員在進(jìn)入太空前，必須熟練掌握飛船發(fā)射、在軌飛行、空間站任務(wù)、出艙活動(dòng)、飛船返回等各類復(fù)雜技能，避免任何人為失誤。因此，地面的模擬訓(xùn)練體系對(duì)于航天員的成長(zhǎng)不可或缺。

模擬器在早期航天飛行模擬訓(xùn)練中占主導(dǎo)地位

早期載人航天飛行停留太空時(shí)間短，任務(wù)以天地往返為主。因此，模擬訓(xùn)練注重航天員對(duì)飛行器的熟練操作及對(duì)指令程序的熟悉程度。

20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)研制的航天飛行訓(xùn)練模擬器，位于加加林航天員訓(xùn)練中心“東方號(hào)飛船”的復(fù)刻模型內(nèi)。它能模擬操作系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、信號(hào)傳輸?shù)葘?shí)際情況。人類首位進(jìn)入太空的航天員加加林，曾使用該模擬器訓(xùn)練。蘇聯(lián)的“聯(lián)盟號(hào)飛船”也有自己專屬的固定基全任務(wù)模擬器，航天員在其中能模擬飛船發(fā)射、在軌運(yùn)行、回收等過程的控制，并模擬飛船對(duì)接和降落定位等操作。隨著航天任務(wù)日益豐富，他們?cè)诤笃谘兄瞥鼋粫?huì)對(duì)接專項(xiàng)訓(xùn)練模擬器、出艙活動(dòng)程序訓(xùn)練模擬器和國(guó)際空間站乘員訓(xùn)練模擬器等，技術(shù)方面以物理環(huán)境和艙載設(shè)備模擬為主。

美國(guó)在20世紀(jì)載人航天計(jì)劃開始之初，就建立了飛船和任務(wù)相關(guān)的模擬器。目前仍在超齡服役的“國(guó)際空間站”，有著全尺寸、高仿真度模擬器，用于航天員日常模擬訓(xùn)練。其訓(xùn)練內(nèi)容涵蓋天地往返、艙內(nèi)工作、出艙活動(dòng)、交會(huì)對(duì)接以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等。

我國(guó)自載人航天工程啟動(dòng)以來，同步開展航天飛行訓(xùn)練模擬器的研制。2002年在“神舟三號(hào)”飛船基礎(chǔ)上，研制出第一臺(tái)固定基全任務(wù)飛行訓(xùn)練模擬器。隨后，根據(jù)飛船技術(shù)狀態(tài)又進(jìn)行了改造。該模擬器先后完成了“神舟五號(hào)”至“神舟七號(hào)”航天員訓(xùn)練與選拔任務(wù)。由于出艙太空行走已在計(jì)劃當(dāng)中，2008年我國(guó)研制出第一臺(tái)出艙活動(dòng)程序訓(xùn)練模擬器，用于航天員出艙活動(dòng)程序訓(xùn)練。

當(dāng)前航天飛行模擬訓(xùn)練方法呈現(xiàn)多樣化

模擬訓(xùn)練通常根據(jù)航天任務(wù)來實(shí)施?？臻g站是當(dāng)前載人航天飛行的主要形式，是從事太空探索的主要場(chǎng)地。因此，對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練方法也更加多樣化。

——微重力模擬?？臻g微重力是航天飛行環(huán)境中最具特征、也是最有別于地球環(huán)境的因素之一。因此，微重力下的模擬訓(xùn)練是各國(guó)航天飛行訓(xùn)練中最重要的項(xiàng)目之一。

建造中性浮力水池是通用辦法。航天員穿戴好配重航天服，利用水的浮力和地球引力方向相反的特性，來平衡自身重力，模擬太空中的真實(shí)活動(dòng)。

美國(guó)宇航局最新一代垂直懸吊模擬技術(shù)，打破了傳統(tǒng)垂直懸吊系統(tǒng)水平自由度受限的瓶頸，訓(xùn)練者可在空間X、Y、Z這3個(gè)軸位方向進(jìn)行移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)6自由度隨動(dòng)控制垂直懸吊模擬微重力。我國(guó)也有自主研發(fā)的懸吊移動(dòng)裝置，主要用于模擬航天員在太空艙內(nèi)水平移動(dòng)的訓(xùn)練。

此外，美國(guó)、俄羅斯和歐洲均常規(guī)應(yīng)用失重飛機(jī)開展模擬失重訓(xùn)練。失重飛機(jī)是利用性能可靠的飛機(jī)進(jìn)行重復(fù)的拋物線飛行，每個(gè)拋物線可產(chǎn)生22～28秒的失重時(shí)間，每次飛行可飛15～30個(gè)拋物線。受訓(xùn)航天員利用這寶貴的20多秒時(shí)間，進(jìn)行漂浮訓(xùn)練、空間定向訓(xùn)練以及穿脫航天服、進(jìn)食飲水、設(shè)備儀器操作等航天飛行中的日常操作。

——飛行程序和任務(wù)模擬。全任務(wù)飛行訓(xùn)練模擬器是在地面建立的全尺寸全功能飛行器的復(fù)刻品，既用于航天員早期熟悉飛船環(huán)境、設(shè)備布局和基本操作，又用于飛船從發(fā)射到返回的全流程任務(wù)訓(xùn)練、故障處理能力訓(xùn)練、飛船手動(dòng)飛行操作訓(xùn)練、應(yīng)急救生模擬訓(xùn)練等。針對(duì)不同的航天計(jì)劃，需研發(fā)相應(yīng)的全任務(wù)飛行模擬器。

專項(xiàng)訓(xùn)練模擬器是針對(duì)航天飛行中某些專門操作或任務(wù)研發(fā)的。如交會(huì)對(duì)接手控訓(xùn)練模擬器、出艙活動(dòng)程序訓(xùn)練模擬器、機(jī)械臂操作訓(xùn)練臺(tái)等。

——環(huán)境模擬。除了空間微重力外，特殊的航天環(huán)境因素還包括發(fā)射及返回時(shí)經(jīng)歷的超重和沖擊環(huán)境。

載人飛船在發(fā)射過程中超重過載可達(dá)5～8G，在返回過程中最大過載為4～5G。地面模擬超重訓(xùn)練主要是采用載人離心機(jī)，通過訓(xùn)練能顯著提升航天員的超重耐力。

沖擊環(huán)境主要是發(fā)射階段火箭點(diǎn)火、燃燒、分離等過程產(chǎn)生的爆炸沖擊環(huán)境，以及返回著陸階段的開傘沖擊和著陸沖擊。目前，應(yīng)用垂直跌落式水剎車沖擊塔對(duì)該環(huán)境進(jìn)行模擬較為普遍。

——虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來應(yīng)用于航天飛行訓(xùn)練的新技術(shù)，在交會(huì)對(duì)接、空間站艙內(nèi)導(dǎo)航等訓(xùn)練中得到普遍運(yùn)用。尤其是空間站艙內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練，由于重力缺失，航天員會(huì)出現(xiàn)倒置錯(cuò)覺、視覺重定向錯(cuò)覺、導(dǎo)航困難等空間定向障礙問題。實(shí)物模擬器難以實(shí)現(xiàn)在失重條件下不同身姿在空間站內(nèi)漫游時(shí)的視覺反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬失重環(huán)境下的空間站艙內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練，能幫助航天員在腦海中建立空間認(rèn)知地圖、培養(yǎng)其關(guān)于空間站的三維記憶能力和三維視角變換能力。

載人飛行任務(wù)要求航天員必須具有自主決策和處理問題能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息融合到真實(shí)視覺信息中，形成一個(gè)虛擬信息和真實(shí)環(huán)境融合的場(chǎng)景，從而給航天員提供豐富的信息支持。目前，歐洲航天局的可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)“WEAR”，已得到驗(yàn)證和應(yīng)用。在成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)支持下，航天員關(guān)于程序性的模擬訓(xùn)練將大大減少，更多精力可投入到專項(xiàng)技能的強(qiáng)化訓(xùn)練上。

著眼未來展開深空模擬訓(xùn)練

載人航天的發(fā)展趨勢(shì)，是到達(dá)更遠(yuǎn)的星球、進(jìn)入更深的太空。月球是人類進(jìn)入深空的第一“跳板”。美國(guó)曾于20世紀(jì)完成載人登月計(jì)劃，但由于美蘇太空競(jìng)賽導(dǎo)致耗資巨大等因素，該計(jì)劃未得以延續(xù)。

近年來，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，人類有了進(jìn)一步探測(cè)月球的能力。在月球建立永久基地，繼而為飛向火星提供服務(wù)，成為各國(guó)探索太空的又一目標(biāo)。目前，美國(guó)已提出明確的載人登陸火星計(jì)劃，俄羅斯也在加緊準(zhǔn)備。

為保障深空探測(cè)任務(wù)安全進(jìn)行，任務(wù)前，航天員乘組須在深空模擬訓(xùn)練平臺(tái)上進(jìn)行大量能高度還原真實(shí)任務(wù)場(chǎng)景的訓(xùn)練。

深空模擬訓(xùn)練平臺(tái)主要分為地基和天基兩類。

——地基模擬訓(xùn)練平臺(tái)。這一平臺(tái)的構(gòu)建相對(duì)容易，在緊急情況下航天員可快速安全撤離。美、俄兩國(guó)的地基模擬訓(xùn)練平臺(tái)，主要包括位于航天中心內(nèi)部的密閉艙和暴露在荒漠、極地、海底、火山等極端環(huán)境中的訓(xùn)練設(shè)施。

“月球-火星生命保障測(cè)試項(xiàng)目”是美國(guó)研發(fā)長(zhǎng)期航天任務(wù)的測(cè)試平臺(tái)，航天員乘組需在密閉艙內(nèi)停留15～91天不等，并通過集成的閉環(huán)式系統(tǒng)完成廢物處理、水和空氣再生等任務(wù)。

“人類探索研究模擬項(xiàng)目”是美國(guó)2014年在約翰遜航天中心啟動(dòng)的研究型模擬訓(xùn)練，4名航天員在模擬密閉太空艙中居住45天，任務(wù)聚焦醫(yī)療和行為對(duì)抗措施、提高人員績(jī)效，并基于研究成果，改進(jìn)執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)的航天器生活艙。

美國(guó)還在夏威夷火山、猶他州荒漠等地建立了全套模擬火星居住和工作的設(shè)施，展開地質(zhì)、地球物理、生物、氣候?qū)W和技術(shù)性的表面勘探活動(dòng)模擬訓(xùn)練，并研究隔離對(duì)航天員乘組生理和心理的影響。

除了地面設(shè)施，美國(guó)在海底也建有模擬設(shè)施，用于模擬航天器上的生活并練習(xí)艙外活動(dòng)技術(shù)。海底模擬的優(yōu)勢(shì)在于通過水下配重來等效模擬微重力狀態(tài)。

俄羅斯2010年在全封閉模擬設(shè)施中進(jìn)行了名為“火星-500”的火星任務(wù)實(shí)驗(yàn)型模擬訓(xùn)練。模擬設(shè)施包括居住艙、儲(chǔ)存艙、醫(yī)療艙和火星著陸艙。模擬訓(xùn)練設(shè)計(jì)時(shí)間為520天，著重探索人類登陸火星可能遇到的一切情況，以及在長(zhǎng)期密閉環(huán)境下航天員乘組的健康狀態(tài)和工作能力變化。整個(gè)過程包括從飛船發(fā)射、飛向火星、登陸火星到返回地球的全步驟。6名男性志愿者在訓(xùn)練期間，共完成百余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這也是迄今為止最真實(shí)、最精確的火星任務(wù)地基模擬訓(xùn)練。

——天基模擬訓(xùn)練平臺(tái)。從早期的飛船繞地飛行，到現(xiàn)在的空間站長(zhǎng)期駐留，都可看作深空飛行的天基模擬訓(xùn)練。近年來，美、俄兩國(guó)開始針對(duì)深空飛行設(shè)計(jì)進(jìn)行專門研究。

2015年，美國(guó)開展了人類首次同卵雙胞胎天地對(duì)照生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)。兩位雙胞胎受試者分別在空間站和地面完成了為期340天的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證長(zhǎng)期微重力對(duì)于人體的影響，為深空飛行任務(wù)的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和防護(hù)應(yīng)用需求提供了一手?jǐn)?shù)據(jù)。

載人深空模擬訓(xùn)練，是人類進(jìn)駐近地軌道以遠(yuǎn)太空探索的序曲，目前所有模擬訓(xùn)練都不能復(fù)制真實(shí)長(zhǎng)期深空任務(wù)中發(fā)揮作用的所有因素。為了實(shí)施更加逼真的模擬深空任務(wù)訓(xùn)練，科研人員還在不斷改進(jìn)和探索。