馬愛(ài)軍，閆 利，徐水紅，趙 維，張 磊，逯忠國(guó)，鄧金輝，畢建智

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

在載人航天飛行過(guò)程中，航天員會(huì)遇到各種特殊的航天環(huán)境因素（航天特因環(huán)境）——包括超重環(huán)境，失重環(huán)境，振動(dòng)沖擊、噪聲環(huán)境，載人航天器乘員艙環(huán)境，以及真空、冷黑、空間熱輻射、粒子輻射、原子氧、微流星等惡劣環(huán)境因素——的作用，這些對(duì)航天員生理和心理會(huì)產(chǎn)生巨大影響，給其正常工作、生活和進(jìn)行特定操作造成許多意想不到的困難。因此，需要選拔對(duì)航天特因環(huán)境具有良好的耐力和適應(yīng)能力的人員作為航天員[1]78-83,[2]。同時(shí)，對(duì)航天員進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的航天環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練，可以提高和維持航天員對(duì)這些航天特因環(huán)境的耐力和適應(yīng)能力[1]190-193,[3]。世界各航天國(guó)家在實(shí)施載人航天活動(dòng)過(guò)程中，均設(shè)計(jì)建造有大型地面環(huán)境模擬設(shè)備，作為開(kāi)展航天員航天特殊環(huán)境因素選拔和訓(xùn)練的試驗(yàn)平臺(tái)[4]7-9。本文對(duì)這些設(shè)備及其應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 航天超重環(huán)境選拔訓(xùn)練設(shè)備

利用載人離心機(jī)進(jìn)行超重耐力訓(xùn)練是提高航天員對(duì)超重環(huán)境的耐受能力最有效的方法之一，世界各航天國(guó)家都將其列為航天員的重要基礎(chǔ)訓(xùn)練項(xiàng)目。

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心超重模擬訓(xùn)練設(shè)備（圖1），旋轉(zhuǎn)半徑8 m，吊艙為單軸被動(dòng)阻尼擺動(dòng)式，最大超重過(guò)載16g，G值最高增速為6g/s，最大降速為2g/s，有效載荷165 kg，采用電氣拖動(dòng)系統(tǒng)和減速器傳動(dòng)方式[4]170-175,[5]。

圖1 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心超重模擬訓(xùn)練設(shè)備Fig. 1 Human centrifuge test facility in the Astronaut Center of China(ACC)

除了中國(guó)以外，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)、加拿大、法國(guó)、瑞典、韓國(guó)、日本、新加坡、土耳其和尼日利亞等國(guó)家都裝備有載人離心機(jī)。各國(guó)載人離心機(jī)的主要差別體現(xiàn)在性能指標(biāo)和吊艙上，即能達(dá)到的最大G值和G值增速，吊艙是單軸被動(dòng)擺動(dòng)還是兩軸可控等[4]162-164, [5]。

載人離心機(jī)應(yīng)具有冗余的超速保護(hù)功能和應(yīng)急停車(chē)措施，必須有完善的安全連鎖保護(hù)措施。

2 航天失重（低重力）環(huán)境選拔訓(xùn)練模擬設(shè)備

2.1 失重飛機(jī)

飛機(jī)進(jìn)行拋物線飛行時(shí)，可經(jīng)歷一個(gè)與自由落體大體相當(dāng)?shù)氖е剡^(guò)程。因此，經(jīng)常用經(jīng)過(guò)改裝的失重飛機(jī)飛拋物線來(lái)模擬失重環(huán)境。

2004年以前，美國(guó)NASA用KC-135空中加油機(jī)改裝的失重飛機(jī)進(jìn)行航天員訓(xùn)練和相關(guān)試驗(yàn)[6]168-175, [7]，之后使用C-9失重飛機(jī)[8]122-125, [9-10]以及ZERO-G公司的波音727進(jìn)行航天員失重飛行訓(xùn)練[8]122-125,[10-11]（圖2）。蘇聯(lián)改裝過(guò)多種型號(hào)的失重飛機(jī)，其中伊爾-76延用至今[6]168-175,[8]122-125,[12]。

圖2 美國(guó)失重飛機(jī)Fig. 2 Weightless planes of the US

失重飛機(jī)改裝的關(guān)鍵是增加輔助裝置，保證飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)在失重環(huán)境下能夠正常工作[4]212-213，飛機(jī)內(nèi)艙壁應(yīng)敷設(shè)柔軟的防撞保護(hù)層。

2.2 中性浮力模擬設(shè)備——模擬失重訓(xùn)練水槽[6]178-190, [8]129-143, [13-15]

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心2007年建成了模擬失重訓(xùn)練水槽（圖3），主要用于航天員出艙活動(dòng)訓(xùn)練、出艙活動(dòng)相關(guān)航天器設(shè)計(jì)驗(yàn)證、出艙程序驗(yàn)證、出艙活動(dòng)相關(guān)技術(shù)研究等。該設(shè)備槽體為圓筒形結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼材料制作，直徑23 m，有效水深10 m。

圖3 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心模擬失重訓(xùn)練水槽Fig. 3 Neutral buoyancy water tank of ACC

模擬失重訓(xùn)練水槽應(yīng)采取技術(shù)措施確保航天員和潛水員呼吸用氣符合要求；配置至少2臺(tái)岸邊吊車(chē)（1臺(tái)為備份），確保隨時(shí)能將水中航天員吊出水面；水下訓(xùn)練航天服應(yīng)配置能維持航天員15 min呼吸的應(yīng)急供氣設(shè)備，生保系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)急備用氣路；水槽內(nèi)水溫應(yīng)適宜，避免潛水員抽筋；大廳槽體周?chē)鷳?yīng)設(shè)計(jì)安全圍欄，防止有人意外跌落至水槽內(nèi)。

俄羅斯加加林航天員中心的中性浮力水槽（圖4）建于20世紀(jì)70年代，槽體為圓柱形不銹鋼結(jié)構(gòu)，直徑為22.8 m，深度為12 m，升降平臺(tái)占用2 m深度，有效深度為10 m。

圖4 俄羅斯中性浮力水槽Fig. 4 Neutral buoyancy water tank of Russia

美國(guó)NASA曾在MSFC（馬歇爾航天飛行中心）建成中性浮力模擬器NBS，在JSC（約翰遜航天中心）建成水下再現(xiàn)訓(xùn)練設(shè)施WETF，用于“天空實(shí)驗(yàn)室”、國(guó)際空間站和航天飛機(jī)建造過(guò)程中的相關(guān)試驗(yàn)和航天員出艙活動(dòng)的訓(xùn)練。

目前美國(guó)在用的中性浮力模擬設(shè)備N(xiāo)BL（圖5）是約翰遜航天中心的索尼·卡特訓(xùn)練設(shè)施，其槽體為矩形混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)61.6 m，寬31.1 m，深12.2 m，一半位于地面下，另一半位于地面之上。槽體分為2個(gè)區(qū)域，可同時(shí)開(kāi)展航天員訓(xùn)練任務(wù)。建成后主要應(yīng)用于航天飛機(jī)與國(guó)際空間站航天員出艙活動(dòng)訓(xùn)練以及國(guó)際空間站的裝配試驗(yàn)等。

圖5 美國(guó)中性浮力模擬設(shè)備N(xiāo)BLFig. 5 Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) of America

日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）在茨城筑波航天中心建設(shè)有一座失重環(huán)境試驗(yàn)樓（圖6），用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)艙的研制試驗(yàn)和確定實(shí)驗(yàn)艙的維護(hù)方法與實(shí)驗(yàn)架的更換程序，以及進(jìn)行航天員的基礎(chǔ)訓(xùn)練等。該設(shè)備槽體為半地下的鋼制圓筒結(jié)構(gòu)，直徑16 m，深10.5 m，于1995年1月投入使用。

圖6 日本失重環(huán)境模擬設(shè)備Fig. 6 Weightless environment test system of Japan

2.3 懸吊法模擬低重力設(shè)備

用懸吊法模擬低重力環(huán)境分水平/傾斜懸吊法和垂直懸吊法2種。

NASA的GRC（格林研究中心）聯(lián)合約翰遜航天中心等多家研究機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制零重力運(yùn)動(dòng)模擬器ZLS（Zero-gravity Locomotion Simulator），如圖7所示，用于研究國(guó)際空間站航天員在零重力條件下的步行動(dòng)力學(xué)和失重對(duì)人體肌肉骨骼健康的影響，包含垂直放置的跑步機(jī)和一套用于平衡人體重力的懸掛系統(tǒng)。

圖7 零重力運(yùn)動(dòng)模擬器（ZLS）示意圖Fig. 7 Zero-gravity Locomotion Simulator(ZLS)

“阿波羅”載人登月任務(wù)時(shí)期，NASA蘭利研究中心曾建造了側(cè)向懸吊的低重力模擬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，傾斜平臺(tái)面與豎直面夾角約9.5°[11,16]，如圖8(a)所示。格林研究中心于2007年推出了增強(qiáng)型的零重力步行模擬器eZLS（enhanced ZLS），如圖8(b)所示，可通過(guò)調(diào)整受試者的懸吊角度和跑臺(tái)的角度模擬零重力和月球低重力[11,16]，人員采用背向懸吊方式。

圖8 傾斜懸吊方式模擬低重力Fig. 8 Low gravity simulation by inclined plane method

在“阿波羅”載人登月任務(wù)時(shí)期，NASA研制了POGO，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。采用直線氣缸控制重力補(bǔ)償力的大小，通過(guò)萬(wàn)向架被動(dòng)消除航天員軀體轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)吊索帶來(lái)的偏角干擾。POGO水平隨動(dòng)系統(tǒng)只有1個(gè)自由度[6]159-163, [7, 11, 17-18]。

圖9 低重力模擬設(shè)備POGOFig. 9 Low gravity simulator: POGO

在重返月球、探測(cè)火星等任務(wù)需求的推動(dòng)下，2011年，NASA約翰遜航天中心研制了主動(dòng)重力補(bǔ)償系統(tǒng)ARGOS，系統(tǒng)實(shí)物如圖10所示。該系統(tǒng)可用于火星、月球低重力和零（微）重力等環(huán)境下航天員的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，其用萬(wàn)向架懸吊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人體繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在垂直和水平方向分別采用3臺(tái)電機(jī)進(jìn)行伺服控制，使得垂直方向保持恒定的拉力；水平方向自動(dòng)檢測(cè)受試者的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制水平方向的2個(gè)電機(jī)，自動(dòng)保持繩索垂直[11,18-19]。

圖10 低重力模擬設(shè)備ARGOSFig. 10 Low gravity simulator: ARGOS

2.4 被動(dòng)式外骨骼補(bǔ)償系統(tǒng)

美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)針對(duì)懸吊法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢重力補(bǔ)償?shù)牟蛔?，研制了帶有外骨骼助力補(bǔ)償?shù)牡椭亓χС窒到y(tǒng)（圖11）。通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與彈簧剛度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員四肢與軀干的可調(diào)大小的重力補(bǔ)償，但補(bǔ)償機(jī)構(gòu)活動(dòng)范圍有限，航天員只能在小范圍內(nèi)訓(xùn)練，且重力補(bǔ)償?shù)木仁軝C(jī)構(gòu)摩擦影響[11]。

圖11 被動(dòng)式外骨骼重力補(bǔ)償系統(tǒng)Fig. 11 Gravity compensation system of passive exoskeleton

2.5 氣浮臺(tái)模擬空間失重狀態(tài)下的微摩擦力

氣浮臺(tái)主要模擬失重環(huán)境的無(wú)摩擦力或微摩擦力效應(yīng)，主要用于人員或裝備在失重狀態(tài)下自主機(jī)動(dòng)控制[6]159-163,[7,20]，如 SAFER（Simplified Aid for EVA Rescue）機(jī)動(dòng)、空間站拋垃圾試驗(yàn)、維修航天飛機(jī)隔熱瓦試驗(yàn)和訓(xùn)練[21]（圖12）。氣浮臺(tái)主要包括支撐平臺(tái)（國(guó)外稱(chēng)為地板）、滑橇和氣墊、氣源及控制系統(tǒng)、目標(biāo)模型、測(cè)試設(shè)備、攝像照明設(shè)備以及其他輔助設(shè)備。俄羅斯只利用氣浮臺(tái)進(jìn)行三自由度（水平面x軸、y軸和旋轉(zhuǎn)）訓(xùn)練[22]。美國(guó)早期進(jìn)行三自由度訓(xùn)練，后期根據(jù)不同的訓(xùn)練目的進(jìn)行三自由度和五自由度試驗(yàn)及訓(xùn)練[20]。

圖12 氣浮臺(tái)訓(xùn)練Fig. 12 Air cushion training

2.6 頭低位臥床

一般用-6°長(zhǎng)期頭低位臥床模擬人體失重生理效應(yīng)，用快速（3～5 s）大角度（最大-30°）頭低位臥床來(lái)檢查人體對(duì)突然從重力狀態(tài)進(jìn)入微重力狀態(tài)的適應(yīng)能力（即頭低位耐力）[1]150-155,[23]。

立位轉(zhuǎn)床（又稱(chēng)傾斜床，見(jiàn)7.2節(jié)）旋轉(zhuǎn)快、角度可設(shè)定、角度定位準(zhǔn)確，可用于快速大角度頭低位臥床檢查，也可用于需要大量樣本的-6°長(zhǎng)期頭低位臥床試驗(yàn)，但為降低試驗(yàn)成本，一般用固定-6°或空載時(shí)可調(diào)節(jié)床面角度的床具進(jìn)行-6°長(zhǎng)期頭低位臥床試驗(yàn)。

3 沖擊振動(dòng)和噪聲環(huán)境選拔訓(xùn)練設(shè)備

載人沖擊塔、載人振動(dòng)臺(tái)和聲環(huán)境模擬室用于模擬沖擊振動(dòng)和噪聲環(huán)境。

3.1 載人沖擊塔[4]190-194

載人沖擊設(shè)備一般模擬較低加速度峰值和較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的沖擊。中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的跌落式水剎車(chē)沖擊塔是國(guó)內(nèi)僅有的一臺(tái)載人沖擊試驗(yàn)設(shè)備（圖13），塔架高15.5 m，沖擊平臺(tái)尺寸1530 mm×1025 mm，最大載荷500 kg，采用水作為阻尼介質(zhì)，可產(chǎn)生峰值為2g～100g、脈沖寬度為9～200 ms的多種常用沖擊波形，除用于沖擊環(huán)境對(duì)人體的生理效應(yīng)研究試驗(yàn)、人體沖擊防護(hù)措施研究、載人航天器沖擊過(guò)載醫(yī)學(xué)要求以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法研究等試驗(yàn)外，還用于航天員沖擊耐力檢查或體驗(yàn)。

圖13 水剎車(chē)沖擊塔Fig. 13 Water brake impact tower

3.2 載人振動(dòng)臺(tái)[4]186-188

載人振動(dòng)試驗(yàn)工作頻率一般為0.1～80 Hz，目前應(yīng)用比較廣泛的振動(dòng)臺(tái)有電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)（電磁振動(dòng)臺(tái)）和電液振動(dòng)臺(tái)（液壓振動(dòng)臺(tái)）。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作頻率范圍寬（5～3000 Hz），波形失真小，易于控制，故障率也比電液振動(dòng)臺(tái)低很多，但不適于較低的工作頻率，一般用于產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)，目前也將其用于航天員振動(dòng)環(huán)境體驗(yàn)。

電液振動(dòng)臺(tái)工作頻率為0.1～300 Hz，容易實(shí)現(xiàn)大推力和大位移振動(dòng)，適用于載人振動(dòng)試驗(yàn)，但性能易受溫度影響，故障率高，維護(hù)保養(yǎng)難度大。

3.3 聲環(huán)境模擬室[24]

高噪聲室模擬發(fā)射段和返回段噪聲，最大噪聲級(jí)不低于130 dB。半消聲室模擬無(wú)反射的自由聲場(chǎng)。隔聲室可模擬載人航天器軌道飛行段艙內(nèi)噪聲。測(cè)聽(tīng)室進(jìn)行聽(tīng)力測(cè)定。半消聲室、隔聲室和測(cè)聽(tīng)室室內(nèi)平均背景噪聲均低于16 dB。

4 載人航天器乘員艙環(huán)境模擬設(shè)備

4.1 短期飛行航天器乘員艙內(nèi)環(huán)境模擬設(shè)備

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心典型的短期飛行航天器乘員艙內(nèi)環(huán)境模擬設(shè)備有飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙、應(yīng)急生保試驗(yàn)艙（主艙）和艙內(nèi)航天服試驗(yàn)艙等。

飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙（圖14）直徑為2.8 m，長(zhǎng)6.8 m，艙內(nèi)分為生活間、工作間和衛(wèi)生間3個(gè)艙室及過(guò)渡間，可以同時(shí)容納5名受試者進(jìn)行連續(xù)30天的試驗(yàn)。該設(shè)備可以提供不同的乘員艙壓力、增壓和減壓速率、氧濃度、CO2濃度、溫度及濕度等試驗(yàn)環(huán)境，建成后完成了大量航天環(huán)境醫(yī)學(xué)研究試驗(yàn)、航天員教練員選拔、首批航天員選拔等試驗(yàn)任務(wù)[4]63-66, [25]406-409。

圖14 飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙Fig. 14 Spaceship inner environment simulation chamber

應(yīng)急生保試驗(yàn)艙（圖15）內(nèi)徑2.6 m，總長(zhǎng)度5.6 m，由隔板分隔為模擬返回艙和模擬軌道艙。該設(shè)備可用于航天飛行全任務(wù)綜合模擬試驗(yàn)，建成后完成了飛船乘員艙正常狀態(tài)和壓力應(yīng)急狀態(tài)飛行任務(wù)的綜合模擬試驗(yàn)、航天員手動(dòng)操作和故障處理能力訓(xùn)練、航天員座艙壓力應(yīng)急訓(xùn)練等試驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)[4]83-104, [25]413-417。

圖15 應(yīng)急生保試驗(yàn)艙Fig. 15 Emergency environmental control and life support test chamber

艙內(nèi)航天服試驗(yàn)艙（圖16）長(zhǎng)5.8 m、內(nèi)徑2.6 m，分為高空艙和副艙2個(gè)艙室。該設(shè)備可進(jìn)行1～2人的載人試驗(yàn)，可模擬航天員在整個(gè)航天飛行歷程中和陸上可能遇到的氣候環(huán)境（包括正常和應(yīng)急的壓力、溫度和濕度等環(huán)境），建成后完成了艙內(nèi)航天服爆炸減壓試驗(yàn)、艙內(nèi)航天服通風(fēng)散熱性能醫(yī)學(xué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)、歷年的航天員年度體檢和第二批航天員選拔等試驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)[4]70-83,[25]409-413。

圖16 艙內(nèi)航天服試驗(yàn)艙Fig. 16 Intra-vehicular space suit test chamber

美國(guó)NASA在約翰遜航天中心建有航天飛機(jī)ETA/ATA組合試驗(yàn)艙，由航天飛機(jī)環(huán)控生保系統(tǒng)試驗(yàn)單元ETA和航天飛機(jī)氣閘艙試驗(yàn)單元ATA組成。該設(shè)備最初用于航天飛機(jī)乘組訓(xùn)練，后用于人體低壓試驗(yàn)[26]24。

載人低壓艙應(yīng)設(shè)計(jì)緊急復(fù)壓系統(tǒng)和正常復(fù)壓系統(tǒng)。緊急復(fù)壓系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)將艙內(nèi)壓力恢復(fù)至安全壓力。正常復(fù)壓系統(tǒng)可以在規(guī)定的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)泄/復(fù)壓速率。艙內(nèi)應(yīng)配置供氧器，以便受訓(xùn)者出現(xiàn)低壓缺氧癥狀時(shí)可以吸純氧。斷電或試驗(yàn)中艙內(nèi)受試者出現(xiàn)緊急情況（艙內(nèi)外壓力已相同）時(shí)，艙門(mén)應(yīng)能夠快速開(kāi)啟，為緊急處置贏得寶貴時(shí)間。

4.2 中長(zhǎng)期載人航天器乘員艙內(nèi)環(huán)境模擬設(shè)備

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心建設(shè)的中長(zhǎng)期載人艙有飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙、環(huán)控生保系統(tǒng)集成演示驗(yàn)證試驗(yàn)艙、交會(huì)對(duì)接組合體模擬艙和空間站組合體模擬艙，該中心和深圳市太空科技南方研究院合作建設(shè)有“綠航星際”受控生態(tài)生保試驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)。下面簡(jiǎn)要介紹環(huán)控生保系統(tǒng)集成演示驗(yàn)證試驗(yàn)艙。

環(huán)控生保系統(tǒng)集成演示驗(yàn)證試驗(yàn)艙主要用于再生式生保系統(tǒng)產(chǎn)品的綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)艙內(nèi)徑4.2 m，長(zhǎng)9.3 m，為雙層艙，內(nèi)外艙之間抽真空以保證艙內(nèi)漏熱不超過(guò)187 W。該設(shè)備配置有真空機(jī)組用于提供模擬外太空的真空源，配置有外環(huán)系統(tǒng)用于模擬空間飛行器艙載制冷設(shè)備[25]417-420。

美國(guó)NASA約翰遜航天中心的20 ft試驗(yàn)艙（圖17），主模擬室為φ6.1 m×8.4 m的立式圓柱體，2個(gè)氣閘艙串聯(lián)接在主模擬室上。該設(shè)備完成過(guò)“天空實(shí)驗(yàn)室”低壓醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)（SMEAT），后改造為可長(zhǎng)期載人低壓試驗(yàn)的生命保障系統(tǒng)綜合試驗(yàn)設(shè)備（LSSIF）。艙內(nèi)被分隔成3層：底層是公共活動(dòng)空間，中間層用以放置設(shè)備和儲(chǔ)物，上層為乘員私人空間[8]64-76, [25]439-440, [26]19-20, [27-28]。

圖17 NASA約翰遜航天中心的20 ft試驗(yàn)艙Fig. 17 The 20 ft test chamber of JSC, NASA

俄羅斯生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題研究所（IBMP）擁有曾用于Mars500試驗(yàn)的組合體試驗(yàn)艙（圖18），該試驗(yàn)艙由4個(gè)氣密艙段（醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙、生活艙、公用設(shè)施艙和模擬登陸艙）和1個(gè)非氣密段組成，每個(gè)氣密艙段具有獨(dú)立的地面生保系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，能監(jiān)測(cè)和控制艙內(nèi)氣體成分[22]。

圖18 俄羅斯生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題研究所組合體試驗(yàn)艙平面布置圖Fig. 18 Layout plan of combined test chamber in Biomedical Research Institute of Russia

5 出艙活動(dòng)訓(xùn)練用低壓艙[8]78-85, [25]420-443

中國(guó)用于出艙活動(dòng)訓(xùn)練的低壓艙主要有中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的艙外航天服試驗(yàn)艙和中國(guó)空間技術(shù)研究院的KM6水平艙。

艙外航天服試驗(yàn)艙（圖19）可模擬宇宙空間的真空、冷黑和熱輻射環(huán)境，艙體內(nèi)徑4.2 m，圓柱段長(zhǎng)6.5 m。艙壓變化能夠模擬飛船軌道艙泄復(fù)壓曲線，在艙外航天服總漏氧4 L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）以及水升華器排水蒸氣總量為2.8 kg/h工作條件下，能夠維持艙內(nèi)的壓力不高于10 Pa。該設(shè)備建成后完成了艙外航天服熱真空試驗(yàn)、低壓測(cè)試以及航天員低壓艙訓(xùn)練等試驗(yàn)和訓(xùn)練任務(wù)。

出艙活動(dòng)訓(xùn)練用低壓艙必須設(shè)計(jì)有完整的安全措施和試驗(yàn)輔助設(shè)備，例如，艙外航天服系統(tǒng)由10 Pa增壓至41.3 kPa的最短緊急復(fù)壓時(shí)間為5 s，即使斷電斷氣，艙壓與地面壓力相同時(shí)，艙內(nèi)也能靠重力快速開(kāi)啟。

圖19 艙外航天服試驗(yàn)艙Fig. 19 EVA pressure space suit test chamber

中國(guó)空間技術(shù)研究院的KM6水平艙（圖20）可用于人?船?艙外航天服匹配性測(cè)試。該設(shè)備總長(zhǎng)15 m，內(nèi)徑5 m，用隔板隔成氣閘艙和C艙2部分，氣閘艙又沿水平艙軸向分隔為A、B兩個(gè)艙。進(jìn)行過(guò)艙外航天服的熱真空試驗(yàn)以及2次人?船?服匹配試驗(yàn)。

圖20 KM6水平艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 20 Schematic diagram of KM6 horizontal chamber

俄羅斯用于出艙活動(dòng)低壓訓(xùn)練的設(shè)備主要是星星公司的低壓艙（圖21），該設(shè)備為臥式柱形結(jié)構(gòu)，艙體直徑為4 m，長(zhǎng)5 m，艙內(nèi)壓力能在5 s內(nèi)由工作壓力恢復(fù)到41.3 kPa。俄羅斯/蘇聯(lián)的航天員在執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù)前均在星星公司的低壓艙進(jìn)行艙外航天服的使用操作訓(xùn)練[22]。

圖21 俄羅斯星星公司低壓艙Fig. 21 Low pressure chamber of Russia Star Corporation

美國(guó)用于出艙活動(dòng)低壓訓(xùn)練的設(shè)備主要是約翰遜航天中心的B艙（圖22），主模擬室為立式柱形結(jié)構(gòu)，其外形尺寸為φ10.7 m×13.1 m（高），從工作壓力復(fù)壓到41 kPa的最快緊急復(fù)壓時(shí)間為30 s。用于航天員的人?船?服訓(xùn)練，訓(xùn)練的人數(shù)通常為2人。整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程只有真空，沒(méi)有冷熱背景，受訓(xùn)航天員始終處在放置于B容器中的飛船模型艙外，不進(jìn)出飛船模型艙[26]7-9,[29]。

圖22 約翰遜航天中心的B艙Fig. 22 Chamber B of JSC

6 前庭功能選拔訓(xùn)練設(shè)備[4]178-184

四柱秋千和轉(zhuǎn)椅等前庭功能試驗(yàn)設(shè)備可產(chǎn)生線加速度和角加速度環(huán)境，提供對(duì)人體前庭器官的刺激，用于進(jìn)行航天運(yùn)動(dòng)病研究實(shí)驗(yàn)以及航天員前庭功能選拔和訓(xùn)練試驗(yàn)。

6.1 線加速度刺激設(shè)備

四柱電動(dòng)秋千能夠產(chǎn)生線性加速度模擬環(huán)境，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的四柱電動(dòng)秋千（圖23）由吊籃艙及機(jī)械框架、座椅、電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和升降系統(tǒng)等組成。該設(shè)備擺長(zhǎng)6 m，擺動(dòng)周期為自然擺動(dòng)周期，擺角范圍為0°～45°，具有手動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)控制2種控制方式。

圖23 四柱電動(dòng)秋千Fig. 23 Four-pole electric swing

6.2 角加速度刺激設(shè)備

轉(zhuǎn)椅是角加速度前庭試驗(yàn)設(shè)備，常規(guī)的轉(zhuǎn)椅只能繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心曾研制多功能轉(zhuǎn)椅（見(jiàn)圖24），在繞垂直軸作水平旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，可以繞其他2個(gè)軸作前后俯仰擺動(dòng)和左右滾轉(zhuǎn)擺動(dòng)。該設(shè)備曾完成了我國(guó)首批預(yù)備航天員選拔工作。

圖24 轉(zhuǎn)椅Fig. 24 Swivel chair

7 血液重新分布選拔訓(xùn)練設(shè)備[23]

7.1 下體負(fù)壓耐力檢查設(shè)備

下體負(fù)壓耐力檢查設(shè)備一般稱(chēng)為下體負(fù)壓桶，分為坐式和臥式2種，由桶體、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和腰部密封裝置組成。下體負(fù)壓的施加分為恒定負(fù)壓量和階梯式負(fù)壓量，航天員選拔和體檢中采用階梯式施加負(fù)壓量的方式。

7.2 立位轉(zhuǎn)床

立位轉(zhuǎn)床（又稱(chēng)傾斜床）是一個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的臺(tái)面或床面，可手動(dòng)旋轉(zhuǎn)也可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸大致在人體+床板的重心位置，設(shè)計(jì)有配重以保證旋轉(zhuǎn)過(guò)程中床體的平穩(wěn)性。旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°（用于立位耐力檢查）和0°～-30°（用于頭低位檢查）；可快速由立位/頭低位旋轉(zhuǎn)回水平位，用時(shí)為 3～5 s。

8 結(jié)束語(yǔ)

隨著人類(lèi)現(xiàn)代科技水平的提高，航天探索活動(dòng)正在逐步拓展，各航天國(guó)家將對(duì)月球以及更遠(yuǎn)的天體及其所在空間環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，作為當(dāng)前和未來(lái)航天領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)之一。新的載人航天任務(wù)必將對(duì)航天員選拔訓(xùn)練提出新的要求?？偨Y(jié)航天特因環(huán)境選拔訓(xùn)練設(shè)備研制經(jīng)驗(yàn)，跟蹤前沿科學(xué)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)適應(yīng)航天任務(wù)發(fā)展需求的載人航天環(huán)境模擬設(shè)備將會(huì)是擺在我們面前的重要課題。