模拟训练：人类迈向太空的序曲

文 李冠哲 吴玲达 郝红星

随着2022年的到来，按计划“神舟十三号”航天员乘组在中国空间站为期半年的太空生活已经过半。继圆满完成出舱活动全部既定任务、成功开展中国空间站首次太空授课活动之后，3名航天员将在中国空间站度过第一个春节。

航天员在进入太空前，必须熟练掌握飞船发射、在轨飞行、空间站任务、出舱活动、飞船返回等各类复杂技能，避免任何人为失误。因此，地面的模拟训练体系对于航天员的成长不可或缺。

模拟器在早期航天飞行模拟训练中占主导地位

早期载人航天飞行停留太空时间短，任务以天地往返为主。因此，模拟训练注重航天员对飞行器的熟练操作及对指令程序的熟悉程度。

20世纪60年代初，苏联研制的航天飞行训练模拟器，位于加加林航天员训练中心“东方号飞船”的复刻模型内。它能模拟操作系统、显示系统、信号传输等实际情况。人类首位进入太空的航天员加加林，曾使用该模拟器训练。苏联的“联盟号飞船”也有自己专属的固定基全任务模拟器，航天员在其中能模拟飞船发射、在轨运行、回收等过程的控制，并模拟飞船对接和降落定位等操作。随着航天任务日益丰富，他们在后期研制出交会对接专项训练模拟器、出舱活动程序训练模拟器和国际空间站乘员训练模拟器等，技术方面以物理环境和舱载设备模拟为主。

美国在20世纪载人航天计划开始之初，就建立了飞船和任务相关的模拟器。目前仍在超龄服役的“国际空间站”，有着全尺寸、高仿真度模拟器，用于航天员日常模拟训练。其训练内容涵盖天地往返、舱内工作、出舱活动、交会对接以及科学实验等。

我国自载人航天工程启动以来，同步开展航天飞行训练模拟器的研制。2002年在“神舟三号”飞船基础上，研制出第一台固定基全任务飞行训练模拟器。随后，根据飞船技术状态又进行了改造。该模拟器先后完成了“神舟五号”至“神舟七号”航天员训练与选拔任务。由于出舱太空行走已在计划当中，2008年我国研制出第一台出舱活动程序训练模拟器，用于航天员出舱活动程序训练。

当前航天飞行模拟训练方法呈现多样化

模拟训练通常根据航天任务来实施。空间站是当前载人航天飞行的主要形式，是从事太空探索的主要场地。因此，对应的训练方法也更加多样化。

——微重力模拟。空间微重力是航天飞行环境中最具特征、也是最有别于地球环境的因素之一。因此，微重力下的模拟训练是各国航天飞行训练中最重要的项目之一。

建造中性浮力水池是通用办法。航天员穿戴好配重航天服，利用水的浮力和地球引力方向相反的特性，来平衡自身重力，模拟太空中的真实活动。

美国宇航局最新一代垂直悬吊模拟技术，打破了传统垂直悬吊系统水平自由度受限的瓶颈，训练者可在空间X、Y、Z这3个轴位方向进行移动和转动，实现6自由度随动控制垂直悬吊模拟微重力。我国也有自主研发的悬吊移动装置，主要用于模拟航天员在太空舱内水平移动的训练。

此外，美国、俄罗斯和欧洲均常规应用失重飞机开展模拟失重训练。失重飞机是利用性能可靠的飞机进行重复的抛物线飞行，每个抛物线可产生22～28秒的失重时间，每次飞行可飞15～30个抛物线。受训航天员利用这宝贵的20多秒时间，进行漂浮训练、空间定向训练以及穿脱航天服、进食饮水、设备仪器操作等航天飞行中的日常操作。

——飞行程序和任务模拟。全任务飞行训练模拟器是在地面建立的全尺寸全功能飞行器的复刻品，既用于航天员早期熟悉飞船环境、设备布局和基本操作，又用于飞船从发射到返回的全流程任务训练、故障处理能力训练、飞船手动飞行操作训练、应急救生模拟训练等。针对不同的航天计划，需研发相应的全任务飞行模拟器。

专项训练模拟器是针对航天飞行中某些专门操作或任务研发的。如交会对接手控训练模拟器、出舱活动程序训练模拟器、机械臂操作训练台等。

——环境模拟。除了空间微重力外，特殊的航天环境因素还包括发射及返回时经历的超重和冲击环境。

载人飞船在发射过程中超重过载可达5～8G，在返回过程中最大过载为4～5G。地面模拟超重训练主要是采用载人离心机，通过训练能显著提升航天员的超重耐力。

冲击环境主要是发射阶段火箭点火、燃烧、分离等过程产生的爆炸冲击环境，以及返回着陆阶段的开伞冲击和着陆冲击。目前，应用垂直跌落式水刹车冲击塔对该环境进行模拟较为普遍。

——虚拟现实和增强现实模拟。虚拟现实技术是近年来应用于航天飞行训练的新技术，在交会对接、空间站舱内导航等训练中得到普遍运用。尤其是空间站舱内导航训练，由于重力缺失，航天员会出现倒置错觉、视觉重定向错觉、导航困难等空间定向障碍问题。实物模拟器难以实现在失重条件下不同身姿在空间站内漫游时的视觉反馈。虚拟现实技术模拟失重环境下的空间站舱内导航训练，能帮助航天员在脑海中建立空间认知地图、培养其关于空间站的三维记忆能力和三维视角变换能力。

载人飞行任务要求航天员必须具有自主决策和处理问题能力。增强现实技术可将计算机生成的虚拟信息融合到真实视觉信息中，形成一个虚拟信息和真实环境融合的场景，从而给航天员提供丰富的信息支持。目前，欧洲航天局的可穿戴增强现实系统“WEAR”，已得到验证和应用。在成熟的增强现实系统支持下，航天员关于程序性的模拟训练将大大减少，更多精力可投入到专项技能的强化训练上。

着眼未来展开深空模拟训练

载人航天的发展趋势，是到达更远的星球、进入更深的太空。月球是人类进入深空的第一“跳板”。美国曾于20世纪完成载人登月计划，但由于美苏太空竞赛导致耗资巨大等因素，该计划未得以延续。

近年来，随着航天技术的飞速发展，人类有了进一步探测月球的能力。在月球建立永久基地，继而为飞向火星提供服务，成为各国探索太空的又一目标。目前，美国已提出明确的载人登陆火星计划，俄罗斯也在加紧准备。

为保障深空探测任务安全进行，任务前，航天员乘组须在深空模拟训练平台上进行大量能高度还原真实任务场景的训练。

深空模拟训练平台主要分为地基和天基两类。

——地基模拟训练平台。这一平台的构建相对容易，在紧急情况下航天员可快速安全撤离。美、俄两国的地基模拟训练平台，主要包括位于航天中心内部的密闭舱和暴露在荒漠、极地、海底、火山等极端环境中的训练设施。

“月球-火星生命保障测试项目”是美国研发长期航天任务的测试平台，航天员乘组需在密闭舱内停留15～91天不等，并通过集成的闭环式系统完成废物处理、水和空气再生等任务。

“人类探索研究模拟项目”是美国2014年在约翰逊航天中心启动的研究型模拟训练，4名航天员在模拟密闭太空舱中居住45天，任务聚焦医疗和行为对抗措施、提高人员绩效，并基于研究成果，改进执行深空探测任务的航天器生活舱。

美国还在夏威夷火山、犹他州荒漠等地建立了全套模拟火星居住和工作的设施，展开地质、地球物理、生物、气候学和技术性的表面勘探活动模拟训练，并研究隔离对航天员乘组生理和心理的影响。

除了地面设施，美国在海底也建有模拟设施，用于模拟航天器上的生活并练习舱外活动技术。海底模拟的优势在于通过水下配重来等效模拟微重力状态。

俄罗斯2010年在全封闭模拟设施中进行了名为“火星-500”的火星任务实验型模拟训练。模拟设施包括居住舱、储存舱、医疗舱和火星着陆舱。模拟训练设计时间为520天，着重探索人类登陆火星可能遇到的一切情况，以及在长期密闭环境下航天员乘组的健康状态和工作能力变化。整个过程包括从飞船发射、飞向火星、登陆火星到返回地球的全步骤。6名男性志愿者在训练期间，共完成百余项实验。这也是迄今为止最真实、最精确的火星任务地基模拟训练。

——天基模拟训练平台。从早期的飞船绕地飞行，到现在的空间站长期驻留，都可看作深空飞行的天基模拟训练。近年来，美、俄两国开始针对深空飞行设计进行专门研究。

2015年，美国开展了人类首次同卵双胞胎天地对照生物医学实验。两位双胞胎受试者分别在空间站和地面完成了为期340天的实验，验证长期微重力对于人体的影响，为深空飞行任务的医学基础研究和防护应用需求提供了一手数据。

载人深空模拟训练，是人类进驻近地轨道以远太空探索的序曲，目前所有模拟训练都不能复制真实长期深空任务中发挥作用的所有因素。为了实施更加逼真的模拟深空任务训练，科研人员还在不断改进和探索。