俄罗斯航天员中心模拟训练体系的完善与发展

赵东明 谷志明（中国航天员科研训练中心）

航天员在首批载人运输飞船模拟器上训练

俄罗斯加加林航天员科研试验训练中心（简称“加加林中心”）的历史是与国家和世界载人航天的诞生和发展紧密相关的。在其发展的各个阶段均致力于建立和推广创新技术，形成了独特的航天员选拔、训练和飞行后康复体系。

现阶段加加林中心的创新发展瞄准了世界载人航天的发展趋势，保障更高效地利用低地球轨道实现未来月球开发计划，验证星际考察的训练和飞行的关键技术。为保障实现未来的载人航天计划，该中心进一步发展和完善了现行的航天员选拔和训练系统，改进了航天员教学和模拟训练技术。

1 航天员选拔系统的完善

发展俄罗斯国家航天计划，未来将实现载人月球和深空飞行，这需要用新的方法优化航天员队伍的结构，要基于医学、心理学、教育学和信息学的最新成果，制定和推广使用航天员选拔的新方法。

2012年，在俄罗斯国内载人航天实践中，首次制定和实施了公开选拔俄联邦候选航天员的方法。以前在航天员的选拔中主要是检查候选人的医学和心理学指标，而现如今测试和检查的范围有了极大的拓展，其中包括对航天事业的认知、学习能力、掌握复杂技术的能力、计算机技能、外语、逻辑思维、物理、数学、文学、俄语等。

相对于低地球轨道的飞行，对于执行月球、火星和小行星飞行任务的航天员选拔要求和选拔方法有其自身的特点，应当考虑深空探索任务所面临的环境和因素。应当具有以下要求：

1）必须选拔健康的人员，其发生重大疾病的概率要低；

2）没有任何在任务过程中可能恶化的疾病；

3）要有超重耐力（返回地球时是第二宇宙速度）；

4）要有飞行经验，对远离地球长时间自主生活环境要具备稳定的心理素质。

航天员选拔、训练和飞行后的康复过程

2 航天员训练系统的完善

在70多年的发展过程中，加加林中心逐步建立和完善了航天员选拔和训练体系，为航天员的选拔训练提供了科学、方法、医学、培训、组织和其他保障。苏联/俄罗斯航天员选拔训练系统不仅在国内，而且在国际上都具有较高的声誉。其突出的特点是：具有科学的论证基础，人员技能独特，具有先进的技术资源、软件和计划系统，总体上保障了高质量的航天员训练任务。

3 开发和实施模拟器制造新技术

现在加加林中心负责航天员训练技术设备的研制、布置、使用和改进。从传统意义上讲，模拟器是航天员训练技术设备的关键要素。模拟器被称为互动式培训系统，用于开展航天员综合性和专业性的职业训练，模拟训练载人航天器的控制、舱载系统和科学仪器的使用，模拟太空环境包括航天飞行因素作用条件。

现阶段还无法完全满足航天员系统对航天员训练技术设备的所有要求，解决这个问题需要用创新的方法，完善航天员训练综合技术设备研制的组织机制。结合对航天模拟器建造的规律、趋势、特点的分析，加加林中心将所有的技术设备均纳入统一整体的航天员训练技术设备总体框架之中。这能够：

1）建立统一的、开放的、多功能的航天员训练设备综合系统，有利于使用先进的数字和无线网络技术，有利于引入新的航天员训练技术设备的制造工艺，也有利于为航天员、教练员和工程人员提供更高水平的功能。

航天员在中性浮力水槽中进行着航天服训练

2）有利于使用标准软件和硬件平台，在统一原则上开发航天员训练技术设备，统一规划综合系统中同样功能的子系统。

3）有利于为开发和创建航天员训练技术设备建立统一的信息环境，包括统一的初始数据库，统一的舱载系统模型、载人航天器运动模型和其他程序模型的软件库。

建立统一联合的航天员训练技术设备是阶段性改进整个航天员中心模拟基地的基础。由于航天员训练的强度和总量的不断增长，提高航天员中心的训练能力成为了紧迫的任务，必须保障每个模拟器和整个综合模拟系统所必需的运行和拓展能力。确保在特殊情况下按时、保质、保量地完成乘员的训练任务，并保证训练的连续性。

4 开发创新型航天员训练综合设备，训练航天员完成空间科学应用研究和试验

随着在“国际空间站”俄罗斯舱段开展研究和试验的计划大量增加，需要完善供航天员开展科学应用研究和试验训练的技术设备。2011－2013年，加加林中心开发出了新型独特的空间科学应用研究模拟训练综合设备，目前该设备正在发挥积极的作用。这套综合设备的构成是：专业化的训练模拟器（“视觉仪器观测模拟器”），用于航天员进行地球物理研究和地球监测方面的训练；自动化的移动工位，用于在实验飞机上进行航空视觉仪器观测；综合性功能模拟器，包括基于交互式3D模型的计算机虚拟模拟器（“科学”功能模拟器），用于模拟空间试验和科学仪器。

专用的“视觉仪器观测模拟器”数学软件能够显示地球数字视觉模型，在航天员地球物理研究和从太空探测地球训练的各个阶段发挥着重要作用。

“科学”功能模拟器综合系统，用于模拟空间试验和科学仪器。其主要功能包括：使用空间试验和科学仪器的3D模型，用于航天员训练；使用3D模型检验和评价航天员训练的阶段性结果；反复地使用3D模型达到一定的数量，使航天员能够逐渐地掌握知识，提高能力和技能；使用3D模型能够按科学计划因材施训。

开发了新的航天飞行模拟器和未来航天计划航天员训练模拟器（包括月球和火星飞行计划）。当今，航天员在进行星际考察（月球和火星）所需复杂工作训练时，可基于对月球（火星）往返飞行因素的模拟，使用极端航天飞行条件模拟器（中性浮力水槽、离心机、失重飞机，出舱－2模拟器），再现航天飞行环境和条件（失重环境等）。

5 航天员训练技术的整合

根据“国际空间站”计划对国际乘组进行训练时，基于使用空间分布式航天员训练设施的结构得以广泛使用，并不断地完善航天员训练整合技术。加加林中心利用俄罗斯、美国、法国、德国、日本及其他国家航天员训练的经验、传统和技术，建立了国际乘组训练的集成系统。

航天器的研制（改进）过程与乘组训练过程的不可分性，也是技术过程整合的一个例子，要求航天员参与航天器研制、空间站组装和展开过程（航天飞行和乘组在轨活动地面支持过程）、测试过程，以及轨道站的回收过程。在参与这些过程中，航天员真正地掌握了航天器新的控制方法及使用方法，同时航天员可以形象的表达自己的意见，提供自己的经验，这本身就是学习和训练，是经常性的学习提高。

空间技术和乘员训练技术同步发展是一个客观过程，这有助于航天员训练技术设备和训练体系的建设与完整。

离心机再现失重环境

在中性浮力水槽中为航天员模拟低重力环境

各国航天员联合训练

6 新培训技术的开发、推广和使用

目前，加加林中心正在致力于基于智能化新培训技术的开发、推广和使用，开发计算机培训软件，建立数据库、知识库，使用虚拟培训环境等。

人工智能系统在航天员训练技术设备中的使用，促进了计算机智能培训设备的产生。基于这种设备在培训中不一定需要教练的存在，或者减少参与人数（这些人员只负责工作监督，输入初始数据，对故障做出反应等）。在这种情况下，会降低培训的成本，在简化教学过程中提高培训的效率，最主要的是能够使训练适应受训者的知识、能力和技能。由于信息技术的迅速发展，针对各类舱载系统进行训练的多媒体课程得到了开发、推广和使用。

7 研制和推广虚拟模拟综合系统

为了提高航天员训练的效率和质量，使航天员更好地了解现行和未来载人航天器舱载系统的设计和布局、内部布置和外观，了解目标设备和舱外活动细节，需要利用虚拟现实技术（包括3D技术）和计算机可视化技术，开发一整套综合的模拟设备。

这种虚拟现实和计算机可视化模拟综合设备的特点是，在其中可以模拟载人航天器上发生的物理过程，这些过程是在全尺寸模拟器上很难或不可能模拟或展示的（比如，空气的流动、航天器对接过程的细节，以及大尺寸航天器外部和内部的布局）。利用计算机技术和人-机-环领域最新的成果，开发和扩展航天员训练技术设备的能力，包括利用计算机生成设备形成立体图像的技术。

虚拟现实技术能够解决传统模拟器工程中的大多数问题，并且可以显著提高航天员的现实感，最终能够提高训练的效率。虚拟现实系统还能再现各类感觉（视觉、听觉、触觉、加速感等），这可部分或全部由计算生成，使人在特定环境中有现实的存在感，并与环境有真实互动感。

8 航天员参与下的载人航天综合体开发（改进）工作

发展载人航天，实现未来前景规划，不能没有航天员的积极参与，需要航天员系统地参加相关的鉴定和试验工作。俄罗斯航天员参与载人航天组合体开发（改进）工作的任务主要有以下几个方面。

1）开发新型载人航天组合体阶段。技术任务和技术提案预先设计、载人组合体设计草案和工作文件的鉴定工作；载人组合体试验产品人体工程学鉴定；载人航天组合体产品地面试验（参与自主的、综合的和跨部门的测试）；航天员训练技术设备的研制和试验训练（技术文件的开发与鉴定并参与试验）；载人组合体舱载文件和其他支持乘组活动的信息设备的开发与试验调整；科研试验训练计划的制定；航天员训练综合设备的开发。

2）载人综合体飞行设计试验和飞行使用阶段。对飞行中载人航天组合体乘组提供支持（地面）；对试验（使用）结果进行评价；对完善载人组合体、航天员飞行中的工作效率和安全性、航天员训练提出建议；“国际空间站”乘组根据飞行结果提出意见和建议。

3）航天员训练技术设备改进阶段。对航天员训练技术设备与载人航天组合体的一致性进行评价，对完善航天员训练技术设备提出建议；参与航天员训练技术设备的试验；载人组合体舱载文件和其他支持乘组活动的信息设备试验调整。

4）科学研究和探索阶段。对载人航天组合体开发（改进）和使用的整个过程进行技术跟踪；提出和论证新的创新性提案，旨在提高载人飞行的效率和安全性；对未来航天技术样品进行测试（包括作为试验员），包括在模拟条件下和飞行条件下；发明活动。

9 利用“国际空间站”验证未来航天计划

与执行低地球轨道载人飞行的训练相比，星际考察乘组的训练和准备是陌生的，也是更加复杂的任务，需要专门的研究和论证。为此，必须制定综合计划，建立相应的科学技术储备。需要指出的是，这方面研究计划的许多目标可以在“国际空间站”半年至更长飞行中实现。比如，可以建议利用“国际空间站”开展以下工作，以建立火星飞行任务的技术储备：

1）“国际空间站”乘员返回地面后，立即进行着陆行星后的行为训练；

2）在“国际空间站”的考察中，给乘组最大的自主性，独立完成工作和飞行计划，独立摆脱异常情况；

3）基于人工智能系统的使用，建立乘员意外情况信息支持系统并配备在“国际空间站”；

4）利用“国际空间站”航天员验证系统和设备技术维护维修的方法；

5）开发新的心理支持方法，在“国际空间站”乘组飞行过程中进行验证。