俄罗斯航天员舱外活动地面模拟训练方法与设备

孙海鹏 王永生（中国航天员科研训练中心）

俄罗斯/苏联是最早实现舱外活动的国家，在舱外活动方面有大量、丰富的经验，多年来已形成了一套完整的训练体系。俄罗斯航天员舱外活动训练内容主要包括理论训练、单项实践训练、出舱程序训练和出舱任务训练。出舱和舱外活动训练的大型设备主要有中性浮力水槽、失重飞机、舱外活动训练模拟器、气压舱、航天员移动设备动力学制度模拟器、脱挂试验台和气垫平台等。我国与俄罗斯在载人航天领域的交流比较广泛，也充分借鉴了俄罗斯在舱外活动方面的经验。

1 航天员舱外活动地面模拟训练的方法

空间失重因素模拟

目前，失重模拟训练主要是使用中性浮力水槽和失重飞机。在水介质中模拟失重被认为是失重训练最普遍和有效的方法之一，同其他方法相比，该方法具有许多优势：模拟时间客观上不受限制，可按原尺寸大小配置载人航天器的模型，工作费用不高。在失重条件下研究舱外活动时应考虑到以下因素：地球的万有引力，水介质的推动力，流体动力的液体阻力对物体平移运动和旋转运动的影响，介质的惯性。在为某些类型设备制造水压模拟器时，上述因素会造成技术上的困难，这就决定了该方法并不是万能的。

使用失重飞机对失重因素进行模拟，是指利用飞机沿开普勒抛物线曲线飞行过程中产生的失重进行失重模拟。使用失重飞机可进行以下训练：与舱口相关的各项工作，身穿航天服移动的姿势和路线，设备安装和拆卸作业，航天员使用工具和设备进行仪器固定等。飞机的使用是为了模拟一些工艺过程及对航天员进行训练，其中包括使人的肌体对失重适应而预防“运动病”。该方法的最大缺点就是不能长时间模拟失重。此外，在失重飞机的舱内只能配置相对较小的载人航天器片段，而不能进行原尺寸配置，这严重地限制了该方法的应用范围。飞机在机动飞行的开始和结束阶段，需克服超重达2gn～3gn所引起的具体困难。还需指出的是，使用失重飞机的费用是非常昂贵的。

另一个使用广泛的方法是借助平衡器或万向接头吊架装置将穿着航天服的人悬挂。这种借助负荷的悬挂系统的优势是：它不要求建造全套相关装置，具有费用很低的优点，且短期内即可见效。配置时在万向接头吊架装置内操作员的重心与X、Y、Z、B悬挂轴的交叉点相吻合。该系统能保障比一般的悬浮情况下有更强的移动能力，并且穿着航天服的操作员在万向接头吊架装置内有6个自由度。该方法的主要缺点是失重感有一定的失真。

上面两种方法能够有效地运用于模拟使用舱外活动工具和其他装置的作业。最近几年，在半实物模拟航天员穿着航天服在太空出舱活动时，悬浮模拟得到广泛的运用。

在训练舱外活动时，穿着航天服的航天员和结构元件借助气体的悬浮进行作业。该方法在航天员移动系统模型内运用得非常顺利，这种模型是建立在气垫平台基础上的。众所周知，气垫平台同样可以用于悬浮物体，如外设工作地点、安装平台、载人航天器密封舱。悬浮时经常使用轻质量气体，如氦。气瓶内装满气，然后把气瓶固定在结构元件上，训练人员直接或借助操纵器能够相对轻松地移动它们。该方法的缺点是，悬浮结构明显庞大，严重限制了操作员的移动。

失重模拟训练的实践告诉我们：不能局限于一种方法，只有在舱外活动系统生命周期各个阶段合理地使用各种实物模拟及其他模拟方法，才能有效解决与失重影响有关的一系列问题。

空间压力及温度变化模拟

对舱外活动中的减压、高温和低温这些不利因素的模拟训练，可在气压舱、温控舱和热压舱中进行。根据任务的特点，这些舱的容积可在几十到几百立方米之间。从工作的安全角度出发，舱内应急增压时间是重要关注点，一般是5～15s，且热工制度的变化保障在50～150℃之间。

航天员在水下进行失重模拟训练

舱内可配置载人航天器的常规设备，包括：过渡舱段、气闸系统、航天服、技术系统和监控设备，物理载荷仿真器等。在这些舱内可以研究航天服在各种制度下的使用效果、气闸系统的工作能力及其控制方法、人对物理载荷和低压的承受能力，评价航天员穿着航天服时的生理卫生指标，并进行航天员穿着航天服在太空真空环境下的工作技术（如太空焊接作业）和心理训练。在气压舱内进行舱外活动作业训练时，需要解决的一个重要问题是：创造航天服内总压力、气体成份、通风和热感方面与常规环境相同的条件。该训练方法的主要优点是：在模拟航天飞行条件下，具有再现航天员完成常规舱外活动的能力。其缺点是工作量大、工作费用高和模拟意外情况能力有限。

空间明暗环境模拟

载人航天器在地球轨道飞行时，每绕地球飞行1周，光环境会发生2次变化。因为舱外活动时间达6～7h，该因素应当予以考虑。由于有阳光时航天员工作区域能见度好，航天员的活动会轻松；而在黑暗时，航天员在独立生保系统和移动系统的控制、工具的使用、完成舱外活动目标任务方面会出现问题。此外，航天员应会正确地使用舱外活动用的独立照明设备和航天服照明器。所以，必须使人适应常规的光环境，必须确立在这种环境下的最佳动作和工作方法。

对舱外活动明暗环境的物理模拟，可在密封舱、水槽及各阶段功能模拟器上进行。在这种情况下，要获取航天飞行因素对舱外活动系统的综合影响，并保障最逼真地再现太空工作的客观环境。明暗环境的模拟归根结底就是，按一定的规律对上述技术设施的照明设备进行控制。

出舱程序模拟

为了模拟乘员在过闸过程中穿着舱外航天服时的常规作业情况，俄罗斯建造了出舱程序模拟训练器。该模拟训练器包括：航天服的有效通风模型，气闸系统设备，生命保障系统模拟器，航天员移动保障系统，地面控制台，医监、通信和电视系统，舱外活动目标任务训练综合装置，电子计算机及辅助设备等。生命保障系统能够再现航天服内的规定余压，航天服供氧系统常规工作时航天服主要气瓶和储备气瓶内的压力变化，接入机载系统内的压力变化，过渡舱释压和常规制度及意外情况下增压时的压力变化，航天服内和氧气瓶内发生外泄漏时的压力变化，以及测量容积时的遥测信号记录。地面操纵台包括下达指令和航天服及过渡舱状况监督台，航天服供气通风操纵台，航天服温控系统冷却剂供应操纵台。医学监督系统可以对身着航天服的试验员身体状况进行监督，借助于该系统可以解决对航天员生理指标的观察、记录和评价等问题。

此外，俄罗斯还建了过渡舱模拟训练器。该训练器是综合装置，除了能进行常规模拟训练外，还可以应用于模拟试验程序和方法，对参加地面试验的专业人员进行训练。该模拟训练器由装有相关机载设备的常规过渡舱模拟器、工艺设备、全套装置的综合体和地面试验设备综合体组成。该综合训练器是多功能系统，可以作为常效模拟器使用。

航天员通过水槽实验室中的模拟训练设备进行太空行走训练

水槽实验室设备构成图

2 航天员舱外活动地面模拟训练设备

加加林航天员训练中心水槽实验室

水槽实验室位于加加林航天员训练中心东部，由主试验楼、溢流应急排水湖和模型清洗准备间三部分组成。该水槽实验室自1970年开始筹备，1974年开始设计，1976年开始施工，1980年开始投入使用，在和平号空间站的建设和使用及“国际空间站”的建设过程中，发挥着举足轻重的作用。

主试验楼是整个实验室的中心和主体，总建筑面积4390m2。水槽位于这个圆形建筑的中心，水槽的储水池直径为22.8m，深11.92m，容积为5000m3，槽中装满了25～30℃的水，其氯含量为0.3～0.5mg/L。为了对水下目标实现照明及监视训练、试验进程，在水槽壁内设有45个观察窗，观察窗直径为500mm，它们按3种不同高度排列，其中20个观察窗装有探照灯，20个观察窗装有电视摄像机。

水槽实验室除了对载人航天器乘员组进行舱外活动训练外，还有助于完成各类科学研究和试验任务。在水槽装配的升降平台上放置有全尺寸载人航天器模型或模型片段。在必要时平台控制机构可以将其升起，以便安装实物模型并下放到水槽内规定深度。其他起重机构用于抬起和放下身穿航天服在水槽工作的试验者。

水槽实验室通常每周进行2次实验，有时实验次数会增加到5次。只有那些潜水运动员和获得水下作业合格证书的人才被允许参加实验，而且每次实验前要对参加者进行体检和安全技术方面的专门指导。进行水下作业的维护人员组成数量，要根据所要完成任务特点和在水中作业的航天员数量来确定，一般为地面岗位专家33名和水中专家11～19名。

水槽实验室保障系统包括：记录系统，环境条件控制、数据加工和显示系统，水下照明系统，保障航天器运行、带有气动和电动传送装置的专用水下设备，供水和放水、温度调节及检查质量系统，通风和调节空气温度系统，运输起重机械。

脱挂试验台

脱挂试验台结构简单，使用可靠，一般包括航天服、增压和通风设备、索具系统和配重。航天服应当是密封的，并保障在规定的超压下符合航天员穿着的标准条件。

出舱程序训练模拟器及航天服

试验台的放置考虑到人将在台上站着工作这一因素，模拟的舱外活动主要是航天员在超压条件下身穿航天服执行的一系列飞行作业，包括控制气动和电动转换开关，使用各种液压和电动转换开关，使用各种液压和电动接头，钉销机构的连接和松开，安装和取下扶手，涉及锁扣、固定器和各种把手的工作，在控制台下达指令，检查仪器、控制航天服设备和过闸系统，以及提高使用随船工具的工作技能。

在某些情况下，通过综合使用带有配重的索具系统和气动上升系统，脱挂试验台作用最明显。这时气瓶可以放置在试验台外部或者内部，通过对尺寸、放置方法和结构材料的选择，可以脱挂、控制上下起重臂和安装平台。

还有一种是带有万向支架的试验台，该试验台能够完成上文介绍的所有作业，但是相当多的是工作姿势作业。这种试验台可以模拟近似于在宇宙空间工作的实际条件。

空气动力学支撑平台

空气动力学支撑平台又称为气垫平台，可用于模拟舱外活动任务。在这类平台上可以建造航天员自动移动设备模拟装置，它有助于完成制造和使用航天员移动设备方面的一系列重要任务，如完成“人-航天服-航天员移动设备”系统动力学特性评价，模拟与航天器对接的方法，调整随船文件。

在空气动力学支承平台基础上建造的模拟试验台的基本组成元件有航天员移动设备，航天服技术工艺模型，气动组块和支撑平台。在由气动组块向空气动力学支承供压时，它们与平台之间形成间隙，借助于航天员移动设备可以在水面和垂直轴周围实现移动。

舱外航天服活动训练和模拟过闸专用训练模拟器

俄罗斯的舱外航天服活动训练和模拟过闸专用训练模拟器是一种半实物模拟总体（成套）设备，借助于配重的航天服脱挂设备，用于训练在过闸和身穿航天服进行舱外活动过程中、在非正常情况下完成标准作业和动作的技能。

该训练模拟器装配有过闸和出舱航天服的全部标准系统，设有监督航天员和航天服医学生物学系统开关，以便于实现航天员与控制台教练员之间的双向联系。其工作制度包括制造航天服内的规定超压，在航天服供氧系统正常工作条件下改变航天服主瓶和备用瓶内压力，控制所有供氧系统，改变连接舱载系统的氧气瓶内压力，在正常和非正常情况下释压和增压时改变过渡舱内压力，在气瓶泄漏时改变航天服和气瓶压力，模拟航天服全部系统、过闸系统的工作，以及在正常测量范围内记录遥测信号。

这一训练模拟器的控制台包括下达指令、检测航天服技术状态和过闸系统操作台，按照规定流量向航天服供气的通风操作台和向航天服温控系统提供冷凝剂操作台。其医学电视系统能客观监督身穿航天服的航天员身体状况，可以完成对航天员生理卫生指标的观察、记录和评价。该训练模拟器有助于完成模拟舱外活动的某些专门任务，如使用标准工具、固定元件和装置模拟安装、拆卸和更换可拆卸式设备的正常作业，模拟空间修理-预防作业和组装结构等。

控制和模拟航天员移动设备动力学作业专用模拟器

训练模拟器实际上是一整套半实物模拟装置，有以下特性：使用手动控制对航天员移动设备进行模拟，并采用半自动机动、稳定和定向制度；对航天员移动设备进行控制并兼顾运输货物的惯性特性；在操作员身穿出舱航天服的超压条件下，模拟控制航天员移动设备的方法和技能；与地面控制中心进行双向通信；控制航天员移动设备技术系统并监督航天员的状态；评价操作活动的质量。

训练模拟器采用了专业数字技术，可应用于：模拟航天员移动设备相对运动的姿态，模拟外部视景、通信信息，监控系统，检查模拟器运行的技术状态，排除设备故障后的恢复过程模拟。

该模拟器能够对距离航天员数百米的被维护目标形成清晰视景图像。为了对技术维护作业进行模拟，这台模拟器的功能还可以进一步扩大。方法是可以给它预装上将被维护的独立航天飞行器模拟器和执行修理维护作业的相关设备。该训练模拟器经补充加工后还可以根据“国际空间站”计划对航天员进行安全救生方面的训练。

失重飞机

失重飞机可以在沿开普勒抛物线飞行时，产生20～30s的短时间模拟失重条件。这种飞机广泛用于模拟失重条件下的技术工艺流程、穿脱舱外航天服、移动货物、技术维护和修理方法等训练。俄罗斯用于训练的失重飞机有图－134、图－154、伊尔－76飞机。

除了装有标准的载人航天器部件、组件、片段或其模拟器之外，失重飞机还配有保障通信、医监、记录操作员活动技术参数和特性的各种仪器、系统及设备。因为失重飞机属于高风险技术设备，所以还需包括操作员和专门救生设备。制定安全措施时应考虑到失重飞机的特点，即在机动（拉起）开始和结束段的重力过载是2gn～2.5gn。

失重飞机通常在一次飞行中可以完成10～15次失重，飞机一天可以进行1～2次飞行。在失重飞机上可以模拟舱外活动的典型作业有以下几种：

· 身穿航天服在超压条件下的技术工艺作业（喷涂面层、焊接、钎焊、切割、填孔等）；

· 使用或者不使用专用工具进行安装和拆卸工作（打开或关闭销钉、取下或者安装电视摄像机、导电棒和磁带等）；

失重飞机飞行轨迹

· 运输不同质量和外形的货物（30～200kg）；

· 使用各种定位元件选择物体定向方法；

· 航天员在失重条件下进行设备维护的精准协调动作训练；

· 训练从不同工作位置运送“丧失工作能力”的操作员；

· 穿脱航天服，并在正常和应急条件下穿上航天服进行出舱训练。

使用失重飞机模拟舱外活动的缺点是费用高昂，失重时间短、不能准确模拟舱外活动的持续作业和过程，工作的高风险性。

气压舱总体

气压舱总体的使用技术特性取决于使用它们的目的和用途。对气压舱的尺寸、外形、排气系统、电力供应系统和温控设备的技术特性选择，可以根据载人航天器的类型和具体舱外活动任务来确定。

气压舱具有简单的外形，可以装配闸门，其附加装置安装有专用法兰盘，在必要时有助于增加或者减少压力，对载人航天器的装载可以借助于桥式吊车或者专用的自行装载设备。载人航天器的质量可达数十吨，长度为15～20m，高度为7～10m。为了吊挂电动、气动和水管管路，气压舱内配置有密封板。其供电系统能够将电压为115V、220V、380V的交流电和24～32V的直流电供给到加热和冷却回路系统的热载体中，这种温控系统足够保障热工制度。