载人深空探测虚拟生活舱概念研究

张 政，李海阳

（国防科技大学空天科学学院，长沙410073）

1 引言

在载人深空探测任务中，航天员对生存空间的需求大小在很大程度上决定了任务规模与成本［1-2］。因而对飞行器进行合理设计，有效地降低航天员对生存空间的需求，可以大大地降低航天任务规模［3-4］。

自从加加林在1961年4月12日第一次成功航天飞行以来，高昂的太空运输成本使得航天员不得不接受狭小密闭、隔离的特殊生存环境。美国于1962年实施了第一个载人航天计划，航天员躺在“水星”号飞船仅有1.3 m3的狭长密闭舱中；双子星座系列飞船是美国第二代载人飞船，它的人均体积大约为1.275 m3；阿波罗计划是美国最宏大的工程之一，飞船登月舱人均生存空间体积仅为2.25 m3［1］。狭窄空间对航天员的心理与生理方面有很多消极的影响［5］。航天员对生存空间有较高的需求，NASA针对该问题做了很多研究［6-9］。

随着虚拟现实技术的发展，人类的活动从现实生存空间拓展到了虚拟生存空间。在航天领域，利用虚拟现实技术构建虚拟环境具有巨大的成本优势，因而得到了广泛重视。美国密歇根大学Ruissean等研究了虚拟训练效果对真实世界动作的影响关系，研究表明，两者的差别较小［10］。1993年以来，美国NASA马歇尔空间飞行中心计算机应用与虚拟环境实验室Hale等研究了人在虚拟环境中的反应特性［10］。韩国标准化与科学研究所的Jungsun Yoon等人研究了被试者在虚拟和真实的房间中对空间方位感知效果的对比，认为被试者在真实与虚拟环境中的感知结果没有明显差异，虚拟环境可以作为房间结构设计的手段［11］。在国内，刘相等利用虚拟现实技术对航天员进行了空间站舱内定向训练［12］。李孟钰以虚拟现实技术为基础，仿真模拟多舱段空间站，通过交互式漫游寻路的方式设计出一套模拟空间站舱内寻路的系统［13］。上述研究多局限于虚拟现实技术在人员训练以及方位定向中的运用，忽略了虚拟的数字空间对实体空间的替代功能。数字空间既可以降低航天员对航天器“实体空间”的需求，又能满足航天员生理，特别是心理对生存空间的期望。本文基于此，提出利用数字空间代替实体空间以降低航天员生存空间需求的设想。

本文针对航天员对生存空间的高要求，基于实际生活中数字空间对实体空间的替代功能，提出一种虚拟生活舱的概念及其功能定位，通过以往的航天任务经验，对虚拟生活舱的人均空间需求进行估计。以我国未来载人火星任务为背景，验证引入虚拟生活舱可以降低航天任务的规模，并梳理虚拟生活舱所涉及的关键技术。

2 虚拟生活舱的功能与生存空间需求

2.1 虚拟生活舱的概念与功能定位

数字空间替代实体空间可以大大降低人们对生存空间的需求。因此，空间的替换就成为了虚拟生活舱的核心内容。

所谓虚拟生活舱，是指利用数字技术将真实的飞行情景模拟成数字化空间，航天员可以在数字化场景中操作飞行器上的各种真实设备，乃至遥操作火星表面的探测设备。这里的数字技术不单单指虚拟现实技术，它也包括三维可视化、电子游戏、社交软件等各种工具软硬件。虚拟生活舱，其实质是利用数字空间对实体空间的替换来实现航天员生存空间的变形与拓展，通过营造舒适宽敞的数字空间令航天员沉浸其中，让航天员在数字空间里完成各种实际的航天任务操作。除了工作外，航天员也可以在数字空间下娱乐、运动、休闲，或通过场景中嵌入的社交软件与真实的朋友留言交流。

然而，并不是所有的社会活动都适合采用数字空间代替实体空间，由于太空隔离环境、通信时延等诸多问题，各种社会活动的可替代性强弱也有区别，如表1所示。

表1 各种社会活动的可替代性［8-9，14］Table 1 Substitutability of various social activities［8-9，14］

构建虚拟生活场景是虚拟生活舱的核心功能，虚拟生活舱的场景主要包括飞行操作场景、实验研究场景、社会娱乐场景、运动休闲场景等。各种场景的需求程度与重要性、可实现难度均有差别，如表2所示。

1）飞行器操作场景是飞行任务中最重要的场景，决定着整个飞行任务的成败。该场景意味着要将飞行器仪表子系统的操作面板完全移植到数字空间中，形成数字空间中舒适办公环境。飞行器仪表子系统全面数字化是容易实现的，通过建立飞行器的数字操控接口，可实现数字空间下对飞行器进行操纵。

表2 场景需求与实现难度Table 2 Scenes needed and the difficulty of realization

2）实验研究场景和飞行器操作场景类似，是飞行任务中重要的场景。需要将各种实验设备通过虚拟场景进行操作，为了实现较为复杂的空间实验，需要配备较为灵活的机械臂或者机器人系统与之配合。如果实验设备与操作员之间增加远距离通信环节，则实验研究场景就成为遥操作实验研究场景，可采用预显示技术得到实验设备的预估图像，将图像移植到虚拟场景中，可实现航天员在数字空间下进行实验研究，这种场景也是比较容易实现的。

3）社交娱乐场景是为了满足航天员与外界沟通交流的需要，航天员对该场景有很高的需求。对于深空探测的航天员而言，与地面的网络双向时延最短需要八分钟，最长则需要四十分钟左右［15］，因此在虚拟环境下实现航天员与外界人员的实时交流沟通显得非常困难。数字空间的社会娱乐交流主要以数据流量较小的留言板形式的交流软件为主，如互联网接入、微信朋友圈、单机电子游戏等等。

4）运动休闲场景是虚拟场景模拟的重点，是太空生活中最需要拓展的空间场景。如今虚拟现实技术仍处于初级阶段，虚拟场景可能显得很粗糙，这使得航天员无法真正地沉浸到虚拟生活中。另外，由于画面的高速移动会带来不同的焦点，如果运用不当会给用户带来恶心的感觉［13］。因此，运动休闲场景的营造需要更加成熟的虚拟场景生成技术。就目前而言，在太空实现高沉浸、高舒适度的虚拟运动场景还比较困难。

2.2 航天员的生存空间体积估算

生活舱中的每个工位应该满足一个人自由运动的基本要求，在质心运动受限的前提下，应该能够允许人员完成生活和工作中的各种动作，满足上述要求的最小空间体积也被称为单个航天员的基本包络体积［2，16］。

一般情况下，航天员的身高大约为1.7 m。考虑到质心近似保持不变，身高1.70 m左右的人体伸展范围可以用一个直径2.2 m左右的圆球包络［11］。考虑到人体不需要做大幅度的翻滚，可以引入上下和前后的不对称性，将人体包络在一个直径2 m左右的包络空间中，如图1所示［2］。因此，单个航天员的基本包络空间为一个2.2 m×2.2 m×2 m的椭球空间，根据椭球体积计算公式可得，单个航天员的基本包络体积为4.8 m3。

图1 航天员的基本包络体积［2］Fig．1 Basic envelope volume of astronaut［2］

在短期航天任务中，航天员可以在短时间内承受较为狭窄的生存空间。考虑到后方和上方利用空间有30%～40%可以缩减，并且几个航天员的空间可以部分交叠，可以将空间体积下限值取为标准值乘以0.6。因此短期航天任务内的航天员的基本包络体积可取为2.9 m3。

对于长期航天任务而言，航天员长期处在狭窄封闭的环境会导致人的身体功能退化［17］，因此需要扩大航天员的活动范围以求得更宽松、更灵活的生存空间，可将空间体积上限值取为标准值乘以2。因此长期航天任务内的航天员的基本包络体积可取为9.6 m3。

2.3 虚拟生活舱的空间需求估算

任务的持续时间对航天员所需的生存空间包络体积有很大的影响。图2给出了在以往的航天任务中任务时间与人均生存空间的参考案例。从图中可以看到，深空探测生活舱的人均生存空间体积会随着航天任务持续时间的增加而增大。这意味着增加航天任务持续时间，需要一个更大的包络体积来满足航天员对生存空间的需求。

图2 人均生存空间与任务天数的参考案例［1］Fig．2 Reference case of per capita survival volume and task days［1］

NASA在1995年公布的载人系统综合标准中，给出6个月以上空间任务的单人最小生活空间为5 m3，合理生活空间为10 m3，最佳生活空间为20 m3［2］，如图3所示，航天员对生存空间的需求往往是随任务时间的增加而递增的。

根据以往的航天任务经验，可以对虚拟生活舱的人均生存空间体积进行估算。虚拟生活舱的实质在于利用数字空间去取代实体的空间。然而，从前文可以看出，对于不同类型的现实活动，实体空间的可取代性也存在着差异。虚拟生活舱对于睡觉、吃饭、盥洗等空间往往无法替换，而这些空间需求恰恰是航天员的基本包络体积。因此，虚拟生活舱的人均生存空间需求往往和航天员的基本包络体积趋于一致。航天任务时间不同时，虚拟生活舱的空间需求也存在差异。从图3可知，虚拟生活舱的标准空间需求为4.8 m3，长期空间需求为9.6 m3，短期空间需求为2.9 m3。本文假设载人火星任务中虚拟生活舱的人均空间需求为5 m3，这与虚拟生活舱的标准空间需求基本一致。

3 虚拟空间舱质量影响估算

3.1 载人火星任务方案

以2033年从地球出发的载人火星任务为例［15］，星际往返轨道如图4所示，航天任务的具体过程与变轨的速度增量估计如图5所示。

图4 载人火星任务转移轨道设计［15］Fig．4 Design of transfer trajectory［15］

图5 载人火星探测轨道速度增量估计［15］Fig．5 Estimation of orbital velocity increment for manned Mars exploration［15］

在长期飞行任务中，人员的生命安全需要得到充足的物质保障，这里主要包括氧气、食品、饮用水、卫生用水等［18］。在星际飞行和环火星飞行阶段，人员生保系统采用部分循环利用模式，单个人员消耗速率为0.2854 kg／h。而在火星表面则采用开式系统，单个人员消耗为 0.98 kg／h［1，19］。载人火星任务的任务时间及消耗品质量估算如表3所示，载人火星任务的总体时间为900天［15］，任务过程中所需的消耗品质量大约为19.5 t［15］，参与航天任务的航天员人数为3个［20］。

表3 载人火星任务时间及消耗品估算［15］Table 3 Time of task and estimation of consumables［15］

3.2 引入虚拟生活舱的具体规模与质量估算

飞行过程中，根据功能划分，可以把飞行模块分为六大部分，主要包括地火推进舱、火星制动及火地推进舱、星际转移飞船居住舱（虚拟生活舱）、货舱、地球返回舱、登火飞船［21］。 下面将对这六个模块进行介绍。

1）星际转移飞船居住舱：它是航天员在地火转移、环火飞行、火星返回过程中的主要活动场所，航天员在该舱段内逗留的时间最长。因此，虚拟生活舱也主要针对星际转移飞船居住舱来进行设计。前文提到，虚拟生活舱的人均生存体积为5 m3，大致平面分区如图6。整个加压舱内部容积约45 m3，其中约30 m3为各类设备和器材所占体积，15 m3为宇航员自由活动空间，包括3个虚拟工位。

图6 虚拟生活舱示意图Fig．6 Sketch of virtual habitation cabin

虚拟生活舱的质量估计如表4所示，它除了为航天员提供人均5 m3的生存空间外，还要装载大约9.4 t的人员消耗品，它的总质量大约为20 .3 t［22］。

2）登火星飞船：质量为25 t，支持2人30天的火星表面探测任务。

3）货舱：质量为13 t，主要任务是装载消耗品，它大约装载了10 t的消耗品。

4）地火推进舱：液氢液氧发动机，燃料比冲为450 s，结构质量比为15%，负责在地球出发时为飞行器总体提供3.9 km／s的变轨速度增量。它的质量根据公式（1）［23］估算：

其中，mL，mP分别为有效载荷质量和推进舱质量，k为结构推进剂质量比，Δv为变轨速度增量，I为比冲。

5）火星制动及火地推进舱：甲肼推进剂发动机，燃料比冲为320 s，结构质量比为12%，负责在环火轨道的制动与火星返回时为飞行器提供2.5 km／s的变轨速度增量。它的质量根据式（1）进行估算，通过估算，可得到如表5所示的结果。

表5 有效载荷与推进舱质量Table 5 Mass of payload and propulsion cabin

从表5可以得到，地火推进舱的质量为497.7 t，火星制动及火地推进舱质量为172.4 t。载人火星任务的飞行器总体质量规模为731.88 t。

6）地球返回舱：总质量为3.5 t，支持三人地球再入返回。

3.3 普通生活舱的具体规模与质量估算

按一般标准［2］，我国未来火星飞行器居住舱总容积145 m3，其中约100 m3为各类设备和器材所占体积，45 m3为三名宇航员自由活动空间，人均生存空间为15 m3，大致平面分区如图7所示。普通生活舱的质量估计如表6所示［22］。

图7 普通生活舱示意图Fig．7 Mass of common habitation cabin

表6 普通生活舱质量分配［22］Table 6 Mass allocation of common habitation cabin［22］

从表6可以看出，普通生活舱总体质量大约为29.8 t。引入虚拟生活舱后，星际转移飞船居住舱整体上可以降低约30%的质量。在其他舱段质量保持不变的情况下，重新估算推进舱质量与飞行器的总体质量，可得到如表7所示的结果。

表7 有效载荷与推进舱质量Table 7 Mass of payload and propulsion cabin

从表7可以得到，引入普通的生活舱的地火推进舱的质量为636.56 t，火星制动及火地推进舱质量为228.2 t，载人火星任务的飞行器总体质量为936.08 t。

从上述计算中得出，引入虚拟生活舱之后，飞行器总体质量规模为731.88 t，相比于引入普通生活舱的设计方案，飞行器总体质量规模下降了22%。可以看出引入虚拟生活舱可以极大地降低航天任务的规模。

4 关键技术梳理

4.1 虚拟生活舱软硬件支持

三维虚拟场景的实体几何建模可应用Solid-Works、3DMax等成熟的建模软件实现。目前，已有的环境生成工具专用性很强，尚不具有通用性，这使得为航天员提供覆盖生活主要方面的数字场景变得困难。另外，虚拟场景系统需要适应与地球的通讯时延问题，太空环境的特殊性也为整个系统的稳定性与可靠性提出了更高的要求。

另一方面，为了使数字场景更加带有沉浸感，航天员需要在虚拟空间内实现有效的交互，包括视觉、听觉、触觉等方面。这需要虚拟场景硬件的支持，包括多自由度、高舒适度、保证肢体运动可达性的具有高真实度的体感交互设备（如数据手套、外骨骼设备）等。体感交互设备可以采集人体的三维运动数据，是将真实世界传感数据合成到虚拟环境的重要方式，是增强虚拟环境沉浸感的重要设备。视觉的体验是航天员感受数字空间的重要方式，需要可穿戴增强显示设备（如VR头盔显示器）与三维立体显示设备的支持。随着业内大公司的积极推动，可穿戴式三维显示似乎进入了一个新的高速发展时期，大大增加了增强现实和虚拟现实技术的影响力。

4.2 长期生存的舒适性、安全性支撑技术

不可否认，虚拟生活引入的交互硬件对航天员的机体可能造成损伤，包括前庭系统、头部、眼睛视觉、听力等等。另一方面，硬件设备的性能也存在不确定性，一旦设备出现故障，会导致虚拟生活效果变差，甚至彻底失效，这对航天员心理会造成巨大影响。因此，需要引入支撑技术以及有效的备份手段来保证长期虚拟生存的舒适性与安全性。

具体的支撑技术包括硬件技术方面与医疗方面两个部分。硬件技术方面主要针对视觉疲劳与听觉损伤问题，在电子产品原有基础上改进视频、音频设备，提高航天员的感官舒适性；另外，针对突发的设备故障，需要在设计时设置足够的冗余量，或采用有效的备份手段予以支持。医疗方面主要针对前庭损伤、大脑眩晕的问题，通过加强航天员前庭功能训练、配备抑制副交感神经和兴奋交感神经的药物，或开发新的有效药物，丰富航天员训练内容来提高航天员对虚拟场景的适应能力。

4.3 虚拟舱内设施的接口设计

虚拟生活舱作为一个整体，需要明确内部之间的接口关系。虚拟生活舱的功能组成，包括生活功能、衣食住行功能、运动功能、通行功能等系统，各个系统之间又包括电气接口、网络通信、结构、航天员操作等子系统模块，是一个非常复杂的大系统。因此，需要开展系统各组成部分之间接口关系的分析研究。

4.4 数字空间下心理指导

虚拟生活舱在替换实体空间时，可能给航天员带来一些新的心理问题。类比于《盗梦空间》中人们对梦境和真实的混淆，虚拟生活也可能带来真实和虚假之间的错乱，并由此引发心理认知方面的问题。另外，虚拟生存是人的现实生存的延伸，是一种相对于人的现实生存又超越人的感觉的体验。航天员长期蜗居，容易在数字空间中享受一种“沉浸状态”的最佳体验，一旦乘员出现类似地球上的“网瘾”并引发心理情绪障碍，将得不偿失。这就需要专业的心理团队对航天员进行实时的心理监控与有效的心理建设，避免虚拟场景对航天员心理造成消极的影响。

5 结论

针对航天员对生存空间的高需求，本文基于现实生活中数字空间在一定程度上可以替代实体空间的实例，提出了虚拟生活舱的概念。通过以往的航天任务经验以及我国未来载人火星任务的想定，对虚拟生活舱的人均空间需求以及载人火星任务的整体质量规模进行了估计，并得到了以下结论：

1）虚拟生活舱的人均空间需求往往和航天员的基本包络体积趋于一致。随着航天任务时间的不同，虚拟生活舱的空间需求也存在差异。

2）引入虚拟生活舱之后，载人火星任务的总体质量规模可以下降20%左右。在长期航天任务中引入虚拟生活舱具有很大的成本优势。

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