文 李冠哲 吳玲達 郝紅星

隨著2022年的到來，按計劃“神舟十三號”航天員乘組在中國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全部既定任務、成功開展中國空間站首次太空授課活動之后，3名航天員將在中國空間站度過第一個春節(jié)。

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

模擬器在早期航天飛行模擬訓練中占主導地位

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

20世紀60年代初，蘇聯(lián)研制的航天飛行訓練模擬器，位于加加林航天員訓練中心“東方號飛船”的復刻模型內(nèi)。它能模擬操作系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、信號傳輸?shù)葘嶋H情況。人類首位進入太空的航天員加加林，曾使用該模擬器訓練。蘇聯(lián)的“聯(lián)盟號飛船”也有自己專屬的固定基全任務模擬器，航天員在其中能模擬飛船發(fā)射、在軌運行、回收等過程的控制，并模擬飛船對接和降落定位等操作。隨著航天任務日益豐富，他們在后期研制出交會對接專項訓練模擬器、出艙活動程序訓練模擬器和國際空間站乘員訓練模擬器等，技術(shù)方面以物理環(huán)境和艙載設(shè)備模擬為主。

美國在20世紀載人航天計劃開始之初，就建立了飛船和任務相關(guān)的模擬器。目前仍在超齡服役的“國際空間站”，有著全尺寸、高仿真度模擬器，用于航天員日常模擬訓練。其訓練內(nèi)容涵蓋天地往返、艙內(nèi)工作、出艙活動、交會對接以及科學實驗等。

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

當前航天飛行模擬訓練方法呈現(xiàn)多樣化

模擬訓練通常根據(jù)航天任務來實施。空間站是當前載人航天飛行的主要形式，是從事太空探索的主要場地。因此，對應的訓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，微重力下的模擬訓練是各國航天飛行訓練中最重要的項目之一。

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，模擬太空中的真實活動。

美國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，訓練者可在空間X、Y、Z這3個軸位方向進行移動和轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)6自由度隨動控制垂直懸吊模擬微重力。我國也有自主研發(fā)的懸吊移動裝置，主要用于模擬航天員在太空艙內(nèi)水平移動的訓練。

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

——飛行程序和任務模擬。全任務飛行訓練模擬器是在地面建立的全尺寸全功能飛行器的復刻品，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訓練、故障處理能力訓練、飛船手動飛行操作訓練、應急救生模擬訓練等。針對不同的航天計劃，需研發(fā)相應的全任務飛行模擬器。

專項訓練模擬器是針對航天飛行中某些專門操作或任務研發(fā)的。如交會對接手控訓練模擬器、出艙活動程序訓練模擬器、機械臂操作訓練臺等。

——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5～8G，在返回過程中最大過載為4～5G。地面模擬超重訓練主要是采用載人離心機，通過訓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，應用垂直跌落式水剎車沖擊塔對該環(huán)境進行模擬較為普遍。

——虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實模擬。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來應用于航天飛行訓練的新技術(shù)，在交會對接、空間站艙內(nèi)導航等訓練中得到普遍運用。尤其是空間站艙內(nèi)導航訓練，由于重力缺失，航天員會出現(xiàn)倒置錯覺、視覺重定向錯覺、導航困難等空間定向障礙問題。實物模擬器難以實現(xiàn)在失重條件下不同身姿在空間站內(nèi)漫游時的視覺反饋。虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬失重環(huán)境下的空間站艙內(nèi)導航訓練，能幫助航天員在腦海中建立空間認知地圖、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。

載人飛行任務要求航天員必須具有自主決策和處理問題能力。增強現(xiàn)實技術(shù)可將計算機生成的虛擬信息融合到真實視覺信息中，形成一個虛擬信息和真實環(huán)境融合的場景，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現(xiàn)實系統(tǒng)“WEAR”，已得到驗證和應用。在成熟的增強現(xiàn)實系統(tǒng)支持下，航天員關(guān)于程序性的模擬訓練將大大減少，更多精力可投入到專項技能的強化訓練上。

著眼未來展開深空模擬訓練

載人航天的發(fā)展趨勢，是到達更遠的星球、進入更深的太空。月球是人類進入深空的第一“跳板”。美國曾于20世紀完成載人登月計劃，但由于美蘇太空競賽導致耗資巨大等因素，該計劃未得以延續(xù)。

近年來，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，人類有了進一步探測月球的能力。在月球建立永久基地，繼而為飛向火星提供服務，成為各國探索太空的又一目標。目前，美國已提出明確的載人登陸火星計劃，俄羅斯也在加緊準備。

為保障深空探測任務安全進行，任務前，航天員乘組須在深空模擬訓練平臺上進行大量能高度還原真實任務場景的訓練。

深空模擬訓練平臺主要分為地基和天基兩類。

——地基模擬訓練平臺。這一平臺的構(gòu)建相對容易，在緊急情況下航天員可快速安全撤離。美、俄兩國的地基模擬訓練平臺，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)境中的訓練設(shè)施。

“月球-火星生命保障測試項目”是美國研發(fā)長期航天任務的測試平臺，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。

“人類探索研究模擬項目”是美國2014年在約翰遜航天中心啟動的研究型模擬訓練，4名航天員在模擬密閉太空艙中居住45天，任務聚焦醫(yī)療和行為對抗措施、提高人員績效，并基于研究成果，改進執(zhí)行深空探測任務的航天器生活艙。

美國還在夏威夷火山、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)性的表面勘探活動模擬訓練，并研究隔離對航天員乘組生理和心理的影響。

除了地面設(shè)施，美國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艙外活動技術(shù)。海底模擬的優(yōu)勢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)施中進行了名為“火星-500”的火星任務實驗型模擬訓練。模擬設(shè)施包括居住艙、儲存艙、醫(yī)療艙和火星著陸艙。模擬訓練設(shè)計時間為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名男性志愿者在訓練期間，共完成百余項實驗。這也是迄今為止最真實、最精確的火星任務地基模擬訓練。

——天基模擬訓練平臺。從早期的飛船繞地飛行，到現(xiàn)在的空間站長期駐留，都可看作深空飛行的天基模擬訓練。近年來，美、俄兩國開始針對深空飛行設(shè)計進行專門研究。

2015年，美國開展了人類首次同卵雙胞胎天地對照生物醫(yī)學實驗。兩位雙胞胎受試者分別在空間站和地面完成了為期340天的實驗，驗證長期微重力對于人體的影響，為深空飛行任務的醫(yī)學基礎(chǔ)研究和防護應用需求提供了一手數(shù)據(jù)。

載人深空模擬訓練，是人類進駐近地軌道以遠太空探索的序曲，目前所有模擬訓練都不能復制真實長期深空任務中發(fā)揮作用的所有因素。為了實施更加逼真的模擬深空任務訓練，科研人員還在不斷改進和探索。