载人登月任务航天员地质学训练综述

赵 静， 黄伟芬， 张贵平， 管春磊， 张 相， 姚 志

（中国航天员科研训练中心， 北京 100094）

1 引言

随着载人航天任务向深空扩展，开展月面科学探测、进行月球地质考察、获取高质量月球样品，是载人登月航天员重要任务之一。 各国在进行载人登月任务和计划时，都非常重视航天员地质学训练。 阿波罗登月计划开始时，就已经设计了一系列航天员地质训练课程，对航天员地质学训练提出了明确的要求［1］。

2015 年，ESA 开发了航天员行星模拟地质学和天体生物学训练（Planetary ANalogue Geological and Astrobiological Exercise for Astronauts，PAN⁃GAEA）课程、训练流程及训练工具，成功实施了4期航天员地质学和天体生物学训练，建立了相对完善的训练体系［2］。

随着载人登月任务的开展，中国航天员也将面临着月面地质勘探、科考等任务，需要进行相关地质学训练。 本文综述了NASA、ESA 和中国航天员地质学训练进展，以及国内地质学教育主要课程和方法，结合中国航天员训练实践经验，对中国航天员未来的地质学训练进行展望。

2 NASA 航天员地质学训练

NASA 航天员地质学训练目的是为了支持航天员月面出舱活动和从空间站观察地球。 自阿波罗登月任务开始，持续到航天飞机计划，并在空间站任务中仍然是重要的训练科目［3］。 随着2022年7 月开始的新一批航天员训练以及为阿尔忒弥斯计划登月任务准备，航天员地质学训练成为实现登月任务科考研究顺利实施的前提。

2.1 阿波罗登月任务航天员地质训练

20 世纪60 年代阿波罗（Apollo）登月计划开始时，每位NASA 航天员都要进行250 ～300 h 教室学习和至少16 次野外实地考察，从而为每项月球地质考察任务做好充分准备［4］。 在J 任务（A⁃pollo 15～17）期间，对每个进入乘组的航天员训练超过1000 h，地质考察训练对乘组特别是那些没有地质学背景的航天员尤为重要［5］。 作为J 任务的第一次（Apollo 15 任务）前几个月里，任务乘组共进行了18 次地质实地考察［6］。

阿波罗计划制定的培训课程包括基础培训和面向任务的训练，训练形式包括课堂授课（约翰逊航天中心授课）和野外考察（美国、墨西哥和冰岛等），提供给不同级别的航天员训练。 野外考察包括入门级野外练习（步骤I）、引导式野外练习（步骤II）以及个人（自主）野外演练（步骤III）［1］。

在早期航天员地质学训练时，存在的问题主要为课堂授课和野外考察之间脱节，如负责野外考察训练的教员通常不知道航天员在课堂授课时学习的科目和内容，反之亦然，课堂教学内容并不总是与野外活动完全呼应；2 种形式的训练提供的教材和讲义深浅程度、术语等有不一致的情况［2，7］。 在后期训练时，所有教员团队对教学策略达成共识，每项活动都必须采用“知识迁移”或“以问题为导向”的方法。 课堂授课教员通过演示、解释说明，向学员传授地质场地或概念相关的知识；野外授课教员提出科学问题、数据和建议，允许学员设计自己的假设并解释现场观察的结果。 尽管这两种方法都可以使用，但根据野外考察的目的及其复杂性，大多数航天员发现第二种方法更有效、更具吸引力，能够使他们通过积极参与来牢固掌握知识［2］。 此外，这一过程不仅是掌握知识的有效方法，而且还学习了野外科学探索基本技能。

1967 年，Apollo 第六期地质训练得到了进一步的改进，有几位参加训练的航天员具有很强的科学背景，并为训练提供了重要的资源。 在这一轮地质训练中，重点转移到确保航天员作为野外地质勘查者的操作效能上，专注于尽可能在短时间内获得大量有价值信息、优质的样本和正确的记录［2］。 此外，在进行了一定量的观察和自主野外考察后，在培训中加入更多的任务操作。 完成了基础训练之后，训练进入任务导向阶段，该阶段是专门为Apollo 号的每一名航天员和已选定的着陆地点而设计。 在J 任务期间，策略完全转向了T3（Train，Trust，Turn，Loose），以乘组为主进行地质探索，地面仅提供支持和建议，而不是完全指导该任务，实践证明J 任务在提供新的科学发现方面是最具成效的［1⁃2］。 同时，在训练过程中，通过模拟任务控制和远程系统对航天员进行支持，使得支持人员能够参与进来，形成远程支持团队。

2.2 近期地质学训练进展

目前美国航天员地质学训练对象包括预备航天员训练以及为阿尔忒弥斯计划准备的任务乘组训练。

训练分为3 个阶段。 第一阶段在2 年候选期间进行，所有航天员候选人参加培训。 这一阶段的培训计划是基于2009 年、2013 年和2017 年训练课程，为期4 周，包括课堂和现 场培训［3，8⁃9］。课堂培训模块包括地球科学基础（构造学、结构地质学、遥感、地貌学和火山活动）、地球系统（土地覆盖和土地利用、大气层和气候科学）以及行星科学和任务（月球、火星、小天体及天体生物学）。 实地训练包括加尔维斯顿湾探险（2017年）、新墨西哥州里约热内卢大裂谷（2018 年）、亚利桑那州流星陨石坑和火山目的地（2019 年）［8］训练。 第二阶段为中级训练，在航天员完成最初训练到被分配到一个任务的期间，训练内容包括国际空间站地球观测任务的准备训练，行星任务的模拟训练以及参与其他实地科学探险。 这些训练让航天员有机会复习在第一阶段学到的知识，在类似于未来太空飞行任务条件下进行科学研究。 作为第二阶段训练实例，2021 年8 月，NASA资助2 名航天员参与访问冰岛高地科学研究（图1）［3］。 第三阶段是飞行任务训练，主要针对执行任务乘组实施。 航天员将他们的地球科学和舱外技能训练与类似飞行的硬件和科学仪器模拟相结合，在类似的测试环境进行综合训练［8⁃9］。

图1 航天员Jasmin Moghbeli 在冰岛高地进行地质采样［3］Fig.1 Astronaut Jasmin Moghbeli conduct geological sampling in the highlands of Iceland［3］

从发展趋势上看，随着美国重返月球阿尔忒弥斯任务启动，NASA 将更加重视在月球模拟地点进行实地地质训练。 阿尔特弥斯III 团队报告特别建议：专门开发针对阿尔忒弥斯任务的航天员地质训练，以期最大化航天员在独特的月球环境中进行野外工作的价值［6］。

3 ESA 航天员行星模拟地质学和天体生物学训练

2015 年，ESA 创建了PANGAEA 课程。 课程体系和训练实施利用ADDIE（Analysis，Design，Develop，Implement，Evaluate）模型的5 个步骤实现，建立了较完善的课程体系及训练流程［2］。 开发了电子野外手册系统（ESA Electronic Field⁃Book， EFB），为学员、教员和远程支持系统之间提供了野外数据收集和信息共享的协调中心，提高了训练效率［4］。 PANGAEA 课程分为理论课程、实践练习、野外勘探，三者在课程结构中相互关联，从理论到实践是连贯的过程。

3.1 理论课程

理论课程共分6 类［2］：

1）地球和行星地质学。 主要为普通地质学和行星地质学的概述和介绍，重点是地球、火星和月球，并介绍陨石、小行星和彗星。

2）地球和火星的沉积地质。 包括侵蚀和沉积过程、沉积岩和火星表面地质等。

3）月球地质和撞击坑。 关注月球地质演化和撞击坑形成过程和产物、挥发物和原地资源。

4）地球和行星体的火山作用。 涵盖火成岩，包括地球、月球和火星上的火山活动。

5）侵入岩、地壳演化和月球高地。 涵盖地球和月球地壳的演化，包括岩浆海洋、地幔演化、侵入岩以及月球高地。

6）天体生物学和行星保护。 包括关于生命特征、行星保护和污染、火山环境中的生命以及生命和矿物演化的课程。

3.2 实践练习

实践练习主要培养航天员地质观察基本技能，在室内进行，在野外强化。

1）岩石样本识别［4］。 培训学员辨别手工标本中的岩石样本。 通过直接观察、使用地质手镜以及与EFB 系统相连的便携式显微镜来实现。内容是如何区分分层和叶理、岩石结构、岩石成分（碎屑、晶体、化石等）以及其他物理特征，并使用岩石识别流程图识别观察结果。

2）语音描述和绘图。 学习通过交互分析地球、月球、火星和小行星／彗星的图像来观察和描述地质景观和露出地面的岩层。 首先航天员用自己的语言描述观察结果，然后与教员讨论，由教员指导使用正确的术语准确有效表述，这些训练经常与地质绘图练习相结合［2］。

3）轨道图像和地质图识别和判读。 主要介绍卫星图像中不同地形和特征的地质判读。 首先进行轨道图像判读主要因素（照明条件、色调／颜色、对比度／阴影、空间布局）的理论授课，接着用地球、火星和月球的实际图像练习判读技能，此外还包括地质地图的介绍［2，10］。

4）围绕任务设计的练习。 航天员与科学家和工程师一起讨论着陆地点，并设计月球和火星上的地质勘探路线，从而将地质图和轨道图像知识付诸实践，学会在实现科学目标和操作限制之间取得平衡。 练习过程包括： ①使用卫星图像获得该地区的总体视图，并制定关于地质组成（光谱）和景观特征的假设； ②地面全景图可用于观察和预评估潜在的、有意义的露出地面的岩层；③对有意义的露出地面的岩层进行更深入的评估，以确定具有重要性的科学区域； ④岩石的特写视图，包括使用显微镜用于确认或辩驳通过卫星观测得出的假设［2，4］。

3.3 野外实践课程

1）地质采样练习［2，4，10］。 主要是采样工具的使用和技术的练习。 培训航天员使用正确的采样方法和采样操作，以及天体生物学采样时防止样本污染的程序，以确保采集到高质量样本。 学员还用EFB 来练习，以熟悉如何使用电子系统正确记录采样程序。

2）地域地质概况考察练习［2，4，11］。 当地专家和教员指导航天员进行勘查现场周围区域野外考察。 航天员练习观察标本和地质结构，从中推断出该地区地质历史，并通过地质图证实观察。 在过程中，让航天员自己假设问题，通过观察和收集信息解释问题。 这些野外考察区域一般选在不同区域，以显示出有所不同但具有可比性的地质特征。

3）引导式地质勘查练习［2，4，12⁃14］。 一般采用穿越法地质勘查方法，在教员引导下进行。 在勘查过程中，每位教员所带航天员不超过2 人，以确保训练效果。 教员引导航天员选择正确的露出地面的岩层和样本，遵循预先规划路线采集样本，并获得恰当的影像记录，通过无线通讯向地面支持团队提供描述和观察结果，练习清晰沟通和地质描述技术。 在训练过程中，强调灵活的弹性执行（Flexecution）能力训练。

4）自主式地质勘查练习［2，4，10⁃13］。 目的是让航天员完全沉浸在野外地质勘查过程中。 教员团队向乘组提出一组科学问题，让他们在勘查从未到过的区域时解决。 航天员参训小组负责完成不同站点之间路线规划，在有限的时间内，识别、收集和记录样品。 教员团队远程跟踪，在不干扰航天员活动情况下进行观察，记录行为和观察结果。 航天员通过无线通讯与地面小组进行沟通，对每个样本和一般环境进行口头描述，并通过EFB 分享记录信息。 地面团队根据收到的信息向野外小组提供建议，并与他们合作回答所提出的科学问题。

在自主地质勘查练习期间，进一步强化了弹性执行能力训练，航天员活动仍受安全和操作的限制，但航天员可以根据现场观察，对计划任务进行实时调整，重新确定科学目标的优先级和处理意料之外的发现，航天员具有最终决策权，地面人员以咨询角色存在，这与阿波罗J 任务期间的T3 训练策略类似。

5）分析和反馈。 在引导式勘查和自主勘查后，教员团队和航天员共同分析收集的样本和信息。 根据所提出的科学问题分析每个标本的意义，地面团队讨论乘组的观测和地质描述。随后，教员团队将对整个活动进行虚拟或真实的推演，为乘组和地面团队提供建设性反馈。

进行野外实践和勘查训练的地点包括：拥有二叠纪－三叠纪岩层的意大利布莱特巴赫地质公园，德国莱斯陨石坑地质公园，具有复杂火山岩的西班牙兰萨罗特岛地质公园，以及有很多斜长岩的挪威罗浮敦群岛地质公园等。

ESA 自2016 年开始运行PANGAEA 系统，参与者包括ESA、NASA 及Roscosmos 航天员，以及任务设计师、操作人员和工程师等，目前已成功实施4 期［15⁃16］，图2、图3 为具体训练场景［11⁃12］。 此外，ESA 组织的航天员洞穴训练也包括部分地质学探险、勘查和测绘等内容［17］。 2016 年7 月，中国第二批航天员叶光富参加了ESA 组织的撒丁岛洞穴训练，与其他国家5 名航天员一起在洞穴内完成了6 天6 夜训练任务，图4 为撒丁岛洞穴训练场景。

图2 PANGAEA 训练期间的实践练习Fig.2 Practical exercises during PANGAEA training

图3 2022 年西班牙兰萨罗特岛布兰卡火山口地质学野外实践Fig.3 Geological field practice on the Blanca Crater of the island of Lanzarote， Spain，2022

图4 2016 年中国航天员叶光富参加撒丁岛洞穴训练Fig.4 Astronaut YE Guangfu participated in Sar⁃dinian cave training，2016

从发展趋势上看，ESA 不仅将航天员地质学训练作为必要训练科目，而且还在不断丰富优化训练课程体系，进行与其他训练形式相结合的训练实践探索，建立开放型航天员地质学训练系统，积极开展航天员训练国际合作。

4 国内地质学培训

4.1 中国航天员地质学训练

中国航天员入选后至执行飞行任务，训练包括基础训练阶段、航天专业技术训练阶段、飞行程序与任务模拟训练阶段、强化训练与任务准备阶段。 在基础训练阶段，安排了与飞行相关的地理基础知识学习，并进行了考核。 在后期训练阶段，则结合救生与生存训练，安排了丛林、沙漠等地质地貌实地观察训练，并以讲座形式进行了月球地貌、天体生物学等拓展知识培训。

4.2 地质学学历教育主要课程

航天员地质学训练需借鉴部分地质学学历教育课程设置。 以中国地质大学（北京）地质学专业本科教育为例，开设的课程包括学科基础课、专业核心课、实践教学3 大类［18］。 学科基础课包括地球科学概论、结晶学与矿物学、古生物学、地史学、晶体光学、岩石学、构造地质学等；专业核心课包括遥感地质学、地球化学、区域大地构造学、矿床学基础、区域地质调查学等；实践课分为地质认识实习、教学实习、生产实习3 个阶段。

中国地质大学（武汉）开设行星地质与比较行星学二级学科，课程包括行星地质学、行星科学导论、行星遥感、行星地貌地理、天体化学、天体生物学、比较行星学等。 行星地质学是从天文学和地质学中发展形成，借鉴传统地质学的方法和手段研究太阳系中行星、卫星、小行星、彗星和行星环等固态天体的形成和演化过程的交叉学科，根据研究对象和方向不同，可分为行星固体圈科学、行星环境科学、行星资源学、天体生物学［19］。 对地球野外极端地质环境进行勘查、采集岩石，利用比较行星学的方法开展矿物学、生物学等分析工作，是研究行星学地质的重要方法之一［20］。

4.3 地质野外科考训练方法

以中国地质大学（北京）地质专业本科教育为例，实习地点一般选取典型自然地貌作为基地，包括北戴河实习基地、周口店实习基地等。 地质认识实习和教学实习涉及基础地质知识、技能和方法，如通过大比例尺地质填图训练，初步了解地质调查的一般步骤，基本掌握野外地质调查的基本内容和方法，学会编写地质报告［21］。 专业实习通过实践使学生掌握地质工作的基本思路和方法，具备独立解决一般地质问题的能力。

以贵州地质学院野外教学实习为例，野外教学实习分为4 个阶段，包括出队及踏勘阶段、测制地层剖面阶段、地质填图阶段、报告编写及成绩评定阶段［22］。 在出队及踏勘阶段进行出队、准备、踏勘、参观剖面，要求学生初步掌握了解实习区地形、地貌特征、出露地层层序、岩石特征、古生物分布、地层接触关系及地质时代，为下一阶段测制地质剖面打下基础。 测制地层剖面阶段包括室内教学和野外实践教学，室内教学包括实习剖面的方法、厚度计算、实测剖面图及地层柱状图编制，岩性描述；野外实践教学包括测制勘查地区寒武系中上统、奥陶系剖面、志留系剖面、泥盆系、石炭系剖面、奥陶系湄潭组上段短剖面。 填图阶段主要是对勘查地区构造格局有总体认识，按要求编制提交真实、准确、整洁、美观的地质图及构造纲要图。 地质报告要求用简练文字及相应的图件集中反映野外地质测量成果，揭示测区地质构造规律，实习成绩评定按野外实际工作能力、报告编写、图件绘制的内容及质量，根据实习考核项目办法及评分标准进行评定。

近年来，国内也有不少单位开发了地质野外训练信息系统，提高了地质野外实践训练效率，例如浙江大学开发了基于Android 和Web 的野外地质数据共享及可视化系统［23］，西南石油大学开发了虚拟野外地质实习系统［24］等。

5 载人登月任务中国航天员地质学训练思考

5.1 训练必要性

航天员地质学训练属于月面科考训练的必要科目，原因如下：

1）航天员熟悉及适应月球地形、地貌环境的需要。 月球是一个无大气、无水体、无生命活动且冷热环境剧烈变化的死寂世界，无明显地标特征，具有高地（月陆）、月海和撞击坑等复杂地貌，表面形貌特征复杂。 航天员在月球表面活动，面临着完成操作任务的运动感知能力下降、方向感不明显、1／6 重力行走和活动方式适应、孤独寂寞以及与地面通讯交流延迟等困难和挑战［25⁃26］。 选取和月球地貌相似的陨石坑、盆地、地质公园等场地进行野外地质实践，能够帮助航天员熟悉和适应月球地形及地貌环境，提高航天员在月球活动时的方位感知能力。

2）掌握月球地质科考技能的需要。 对地球野外极端地质环境进行踏勘、采集岩石，利用比较行星学的方法开展矿物学、生物学等分析工作，是研究行星学地质的重要方法之一。 在地球上地质特征和作业条件相似的地方进行训练，将有助于航天员识别相关特征，掌握月球岩石判别方法、采样工具使用、采样点选取、采样操作、样品封存等完成月球科考任务必备技能。

3）天地协同、深度科考的需要。 与空间站飞行任务仅按正确的程序就能实现实／试验目标不同，登月任务中观察和识别有意义的岩石岩层、灵活沟通和应用的能力更为关键，而固定的程序将极大地限制可能的发现。 航天员月面活动时间短、成本高，在通信延迟的情况下，航天员可能会直接或借助遥控探测器勘探复杂月球地质环境，回答具体科学问题，为地面研究提供尽可能多的有价值信息。 航天员地质学训练，能够使他们掌握正确的地质学术语，进行准确有效描述，实现航天员乘组之间、航天员与地面支持团队之间的有效沟通和更深入的科考。

5.2 训练复杂性及设计要求

NASA 和ESA 进行多年的地质学训练，目前尚处于不断实践优化的过程，充分说明了航天员地质学训练的复杂性。 主要表现为：理论培训课程涉及面广且大部分为天文地质科学研究前沿，需要针对具体登月任务背景及要求开发系列培训内容；地质实践技能种类多且专业化程度高，航天员在短时间内需要掌握岩石识别、地质语言描述、绘图、轨道图像和地质图识别和判读、地质采样、地质勘查等，对于没有专业背景的航天员来说训练难度极高；航天员执行空间站飞行任务的训练要求其按照规定程序执行，但登月地质科考要求航天员具有更强的弹性执行能力，在完成基本操作后，还要能够根据自己的观察判断进行深度科考。

航天员地质学训练的复杂性，要求相应的训练设计必须充分论证、科学可行，才能实现训练目标。 在进行训练设计时，需考虑如下要求：

1）成立航天员地质学训练专业教学小组。小组成员应包括地质学理论专家、地质学科考专家以及专职教员，统一编写训练手册及讲义，开发多媒体训练课件等，确保野外训练与理论授课教学内容和教学策略的统一性，地质学训练与任务要求的统一性。 专职教员为教学小组的沟通中枢，为保证其胜任，专职教员需培训先行，提前参加相关地质学培训或具备一定的地质学学历背景。

2）训练设计流程上进一步强化执行和评估。在ADDIE 模型5 步设计基础上，进一步强化执行和评估，包括分析、设计、开发、执行1（试训）、评估（1）、执行2（训练）、评估（2），共7 步：①通过任务分析，确定训练任务；②设计训练课程目标，明确训练具体内容；③依据课程计划，编制训练手册、讲义，开发多媒体影像资料、课件或电子手册辅助训练系统等；④实施教员试训；⑤根据教员试训，对训练设计进行评估和改进，形成正式训练方案；⑥实施训练；⑦根据参训航天员反馈，进行训练评估，形成训练总结，为后续训练提供经验及改进建议。

3）主要训练设计策略。 课程设计要考虑到面向没有地质学训练基础或者经验有限的航天员进行，课程训练目标要紧扣航天员执行任务和月面科考能力培养；航天员需要适当了解培训行星地质学和比较行星学基本概念和知识，并掌握地球地质勘查知识和实践技能。 需要更有针对性的月球地质学培训，使航天员详细掌握月球月貌分类及特征、月球地质成分及分布、月球地质勘探方法和手段；训练实施设计上，要充分考虑航天员训练时间的有限性，提高训练效率，重视理论学习与实践的连贯性和有机结合，将知识从理论学习快速转化为实际技能和经验。

5.3 实施要求

1）理论培训。 一般集中授课，聘请地质学理论专家以确保航天员掌握正确的地质学基本概念及最新研究进展。 在实施过程中可穿插安排航天员到地质博物馆等现场见学，更直观理解地质学基本概念。 在理论培训后期，需要专职教员结合航天员登月任务要求、训练目标进行综合复习指导，进一步使理论内化为航天员执行任务的知识能力。

2）实践练习。 应紧接着理论培训后实施，也可视情在理论培训期间穿插进行，可在教室、地质博物馆、野外地质学训练基地等，由地质科考实践专家讲解岩石样本识别、语音描述和绘图、轨道图像和地质图识别及判读等方法和技能，航天员具体操作练习，掌握地质考察实践基本技能。

3）野外地质实践。 可依托地质学野外训练基地进行，选择与月球地质、地貌相似性较高的陨石坑、地质公园等地实施。 首先，进行初步野外练习，在教员讲解下进行基本地质地貌认知、野外地质考察工具使用、分析和描述观察结果；然后，实施一般野外练习，专业教员设计基本地质考察问题，航天员在教员引导下实践解决具体问题；最后，实施野外科考练习，由航天员自主完成一定的野外科考任务，可以专门安排独立的科考任务，也可依托国内大型地质学科考项目实施。 过程中注重航天员灵活执行任务训练，允许航天员根据现场观察，提出优化方案，调整科考任务优先级。 每次进行野外练习后，教员均要组织讨论和反馈，并针对具体问题进行推演，总结提高认识和实践能力。

4）任务模拟野外地质训练。 选择与任务登月着陆地点相近的地貌特征，可选择多个不同地点实施，航天员按照任务设计的地质考察路线，使用任务配置的工具，实施地质考察和采样，期间由地面支持团队模拟对航天员进行支持和信息交互。 在完成基本科考任务的情况下，鼓励航天员进行灵活探索、多方位观察，给出科学描述和科考结果。

6 结语

本文综述了NASA、ESA 和中国航天员地质学训练进展，以及国内地质学教育主要课程和方法，分析和探讨航天员地质学训练的必要性、训练设计要求、训练实施要求等，以期为中国载人登月任务航天员地质学训练提供参考。

根据我国载人登月任务研制计划，未来必将系统开展航天员地质学训练。 围绕登月任务规划，充分借鉴国内外相关训练经验，论证设计出中国航天员地质学训练方案，给出明确的训练科目和内容、训练流程、训练实施方法等。 待基本训练方案确定后，可及早安排航天员地质学基础知识培训、地质勘察基本技能培训。 考虑到工程研制和航天员训练并行的基本特点和约束，训练方案设计有一个细化迭代的过程。 待具体月球科考任务进一步明确，后续需进一步细化训练方案设计和试训验证，实施野外地质实践及任务模拟野外地质训练，使航天员最终达到登月任务能力要求。