航天员低重力运动模拟训练方法与研究综述

江一帆，乔 兵∗，赵 颖

（1.南京航空航天大学航天学院飞行器设计系，南京210016；2.上海宇航系统工程研究所，上海201109）

1 引言

太空环境与人类已经适应了的地面环境有着极大的区别。恶劣而极端的太空环境对载人航天任务的顺利开展构成了极大挑战，最为明显的就是太空中的低重力（指失重和微重力，即重力加速度大于或等于零而小于地表重力速度）环境对人体所造成的种种负面影响，包括肌肉萎缩、平衡能力变差、心血管功能减弱和骨骼疏松等［1］，从而导致人体有氧运动能力下降、肌力下降等问题，严重影响航天员的安全、健康和工作效能。人在微重力环境下不仅生理机能受到影响，肢体运动模式也会发生很大变化。以阿波罗登月任务为例，航天员在月球表面上行走的步态、步距等与在地表重力环境下大不相同［2-4］。研究低重力对人体运动机能与模式的影响最直接的方式就是在空间低重力环境中进行实验，但这在现有技术条件下并不现实，除了成本高昂外，在数据采集仪器的使用与实验样本的数量方面都存在困难［5］。自阿波罗计划时代至今，为了保证航天员在空间环境下的安全与健康，确保载人航天任务的顺利完成，国内外航天机构纷纷开展了在地面模拟低重力环境并进行航天员训练的研究与尝试，在实践中摸索出了一系列进行模拟失重训练的方法。

近年，随着NASA提出登陆火星计划［6］以及以SpaceX为代表的私营航天公司抛出各种商业太空旅行方案，低重力环境下的人体科学研究受到了越来越多关注［7］。根据我国载人航天发展战略规划［8］：2020年前后我国将建成长期驻人的空间站，之后将进入深空探索阶段，着力实施载人登月并建立月球基地；载人火星登陆也已被纳入发展计划，针对载人探索小行星等深空天体的基础技术研究也已经开始。为实现这些目标，需要加强与人体有关的空间科学与航天工程研究，发展模拟低重力环境的航天员训练技术，提高对太空环境下人生理与运动变化规律的认识。

本文旨在通过分析比较国内外开展航天员低重力环境模拟训练的方法与设施，为发展新型的航天员低重力环境模拟训练技术和研制低重力人体生物运动力学实验研究平台提供参考。

2 低重力环境模拟方法

经过多年的研究和探索，在地面人工复现或者模拟失重／低重力环境有以下几种方法：1）利用自由落体运动形成失重环境，如利用落塔测试航天设备或进行科学实验、驾驶飞机进行抛物线机动飞行；2）利用其它的力，如浮力、吊索的拉力等，平衡或部分平衡重力；3）利用虚拟现实技术，营造出低重力环境的场景；4）利用亚轨道环境模拟低重力，如亚轨道飞行器以及高空气球。在上述方法中，落塔与高空气球这两种手段仅仅被用于测试航天设备或进行一些科学实验［9-12］，没有资料显示这两类设备曾被用于航天员低重力模拟训练，因此本文将着重对其他几种模拟低重力环境的方法与设施进行介绍。值得注意的是，NASA的研究人员指出［10］：不同的低重力模拟方法各有优劣，应该根据载人航天任务的具体情况选择最合适的方法，而且，由于各种方法模拟的低重力环境都存在偏差，实践中至少应采用两种方法来进行模拟失重测试以便交叉分析。

2.1 抛物线飞行

抛物线机动也被称为开普勒机动［13-14］。在典型的抛物线机动飞行中，飞机在24000英尺的高度以350节的速度呈45°角拉起，产生1.8g的过载，之后快速减小仰角形成一个弧线轨迹，此时即进入了失重飞行阶段；在抛物线机动轨迹的最高点（大约10 km）将速度减至150节并以45°俯仰角进行俯冲，产生1.8g的过载［15］（图1）。 通常情况下这样能维持20 s左右的失重环境［16］，如果以2.5g的过载进行抛物线机动，则能维持30 s左右，考虑到机身机械疲劳寿命的因素，波音公司建议以1.8g的过载进行抛物线机动［15］。

图1 抛物线飞行［17］Fig．1 Parabola flight［17］

自1957年起，美国空军利用C-131飞机飞行了数以千计的抛物线机动来研究人体在低重力环境下的生理功能［15］。1960年，美国空军开始使用KC-135 A来执行抛物线飞行项目［15］。当1969年失重飞行项目与用于抛物线飞行的KC-135 A被移交给 NASA，由约翰逊航天中心（Johnson Space Center，JSC）负责［17］。 另外，NASA 的刘易斯研究中心（Lewis Research Center）也利用DC-9飞机开展了失重飞行试验［18］。

俄罗斯的伊尔-76MDK以及ESA的空客A330飞机也被用于进行抛物线机动飞行［14］。Ransom S和Zier M提出了一种通过在空客“大白鲸”运输机的机舱内悬吊安装实验舱进行多种加速度与重力环境模拟的方法［19］。我国在上世纪70年代进行载人航天论证时，空军组建了“714”办公室筹备航天员训练，也曾提出改装“三叉戟”或图124飞机以进行航天员失重训练［20］。

NASA的研究人员利用抛物线飞行进行了一系列失重科学实验［21-22］，对航天设备人机工效学进行验证、为研制新一代宇航服采集人体运动数据以及研究心血管系统在失重条件下的血液循环与血压问题等。Witt与Perusek等进行了抛物线飞行失重状态下与悬吊重力补偿下的人体运动步态对比研究并对两者的差异进行了分析［23］。Lee与Cobb等则在抛物线飞行状态下测试人体行走的足部反作用力以研究应对失重环境下肌肉萎缩骨质流失的对策［24］。

2.2 中性浮力水池

中心浮力水池利用浮力来平衡重力，营造出模拟的低重力环境。虽然航天员受到浮力的作用，主观上感觉不到重力，但是重力在客观上依旧作用在人身上。

美国最早有记录的中性浮力法EVA操作训练是1964年在兰利（Langley）空军基地的游泳池里进行的［25］。马歇尔空间飞行中心（Marshall Spaceflight Center）的中性浮力模拟器（Neutral Buoyancy Simulator，NBS）（图 2 a）也开展过航天员模拟失重训练［25］。1980年，JSC的失重环境训练设施（Weightlessness Environment Training Facility，WETF）（图 2b）投入使用，主要承担了 Space Shuttle项目中的EVA训练任务，于1998年被关闭［25］。 1997 年 3 月，中性浮力实验室（Neutral Buoyancy Laboratory，NBL）（图2c）投入使用，目前国际空间站（International Space Station，ISS）的EVA训练任务主要由其承担［26］。另外，佛罗里达国际大学Aquarius水下实验室也承担了NASA极端环境任务（NASA Extreme Environment Mission Operation，NEEMO）的训练与科研任务［22］。

图2 各种中性浮力水池Fig．2 Variety of neutral buoyancy pools

NBL是对ISS项目与未来NASA项目进行设计、测试与开发的重要设施。Prince介绍了NBL所能进行的各类训练任务［26］，Jairala 等［27］介绍了进行NBL测试的必要性、进行NBL测试的时间节点、NBL测试运行的流程、NBL测试的各个有关部门的职责、NBL测试的报告种类与内容，例举了一些NBL测试在EVA任务中起到重要作用的案例并且讨论了未来扩展NBL应用的可能性。

苏联／俄罗斯的中性浮力法训练设施被称为Hydro实验室，位于加加林航天员训练中心（Gagarin Cosmonaut Training Center，GCTC），于1980年投入使用至今［28］。日本筑波航天中心（Tsukuba Space Center）也建有名为失重环境测试系统 （Weightlessness Environment Test System，WETS）的类似设施，于1997年投入使用，在2011年由于受到地震的破坏而被迫关闭［25］。我国于2007年在航天员科研训练中心建成国内第一座大型浮力水池［29］（图2 d），与俄罗斯加加林航天员训练中心的水池规模相当。该水池成功完成了我国首次太空出舱活动的模拟训练任务，也是将来空间站出舱活动的主要训练设备。

除进行航天员模拟低重力环境训练，浮力水池设施还能用于评估穿着宇航服后航天员活动、验证与检查航天设备设计、新一代宇航服开发［22，28，30］以及太空病预防研究［31］等。

2.3 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术通过综合利用声光电技术、计算机图形技术等手段营造出逼真的模拟环境，已被逐步运用于操作飞机、车辆以及舰船等各种装备的训练。NASA也将VR技术引入了航天员模拟失重训练与相关的研究，用于进行人体工学分析、系统安全性与可靠性验证、航天员运动能力验证、硬件设备设计评估以及航天员训练等［32］。同时，虚拟现实仿真技术也对科研人员之间的技术交流以及与非科研部门之间的工作交流起到了帮助作用［33］。

利用VR技术进行航天员训练，可追溯到1993年第一次修补哈勃望远镜时，训练航天员进行遥控机械臂系统（Remote Manipulator System，RMS）操作［34］。VR技术还被用于EVA救援辅助（Simplified Aid For EVA Rescue，SAFER） 训练［34］ 。

在EVA训练中，将模拟的人物场景通过双焦点头盔投影在测试对象的视觉中，用于训练与测试定位与抓取活动的能力，可结合精确气浮地板（Precision Air Bearing Floor，PABF）用以帮助评估抓取对象的特性，也可以用来演练自救和在虚拟ISS中到达特定位置的操作［35］。这项技术配合一种名为Charlotte的机器人平衡补偿滑轮系统，可以将虚拟现实场景与实时力反馈结合起来［35］。

NASA利用沉浸式虚拟现实模拟技术与主动响应重力补偿系统ARGOS（详见2.5）结合，在多任务空间探索飞行器（Multi-mission Space Exploration Vehicle，MMSEV）的第二代原型机上进行登陆近地小行星Itokawa的EVA任务的模拟训练（图3），包括MMSEV搭载的双人任务小组的喷气背包训练与使用MMSEV前部的单人足部限位器（single-person foot restraint，APS）的训练［32］。

图3 利用VR技术进行Itokawa的EVA任务训练［32］Fig．3 EVA training with VR technology for Itokawa mission［32］

研究人员还将部分重力模拟器（Practical Gravity Simulator，POGO）与VR 技术结合起来，从而使得虚拟环境结合了视觉、听觉与全身的动作，为POGO训练提供模拟环境。系统包含一套头部显示器与手套，配套开发的软件PLAID／VE用于呈现空间站内外部的细致环境。另外，还配套开发了一种被称为JackTM的人体三维模型，能够根据不同的人体体型进行缩放［36］。

3D图像模拟软件DOUG（Dynamic Onboard Ubiquitous Graphics）也被用于航天员EVA任务训练［37］，该软件包含大量ISS舱段模型和EVA任务工具与设备的仿真模型（图4 a），航天员教官用这些模型进行训练任务规划，空间站上航天员则用该软件了解将要执行的EVA任务。

图4 虚拟现实技术模拟低重力环境Fig．4 Reduced gravity simulation with VR

Delmia公司则开发了一种三维仿真分析软件ENVISION／ERGO以及一个精确的虚拟三维人体模型（图4b），用于进行微重力环境下对人机工效、硬件设计以及任务流程的设计、分析与改进［38］。ERGO仿真软件包含了2维与 3维的CAD功能、工作模型的建模功能并采用了时事三维动画技术对产品、流程以及系统进行仿真与分析，而且还提供了人机工效的分析功能，集成了对能量损耗进行评估的相关功能包。NASA的人机工效学者和设计人员可以借助该软件进行硬件设计并对模拟航天员模型进行运动时序设定［38］。国内学者也进行了类似研究，开发了用于航天员EVA训练的VR模拟系统以及其关键技术，包括航天员身体运动追踪、手势追踪、手部的力反馈以及空间场景构建等［39］。该系统能够实行视觉与力觉的人机交互，通过手部的力觉反馈增强了仿真训练的真实性（图4c）。上海交通大学的徐安等人利用虚拟现实技术为航天员出舱活动的模拟搭建了一个进行预测、训练的虚拟实验环境（图4 d），用以配合载人机动装置的预研［40］。

2.4 气浮台技术

精密气浮平台（Precision Air Bearing Floor，PABF）能够将EVA任务涉及到的大质量硬件设备悬浮于气浮层上，提供了两个平移自由度和一个旋转自由度的失重模拟能力［35］。PABF能准确的模拟低重力环境下物体的运动，在ISS的EVA任务的模拟训练中（图5 a），航天员能由此熟悉如何在低重力环境下推动和停止大质量物体的运动［35］。在航天员训练中，PABF可以与其他训练设备，例如POGO、ARGOS等结合起来，从而扩展其功能和应用范围［35，37］。

图5 利用气浮台进行航天员训练Fig．5 Astronaut training with air bearing floor

北京交通大学刘庭伟也设计了一套类似的气浮装置（见图5b）用于航天员EVA任务训练［41］。该系统将模拟空间站和穿航天服的航天员分别放置于气浮台上，向气浮台供气后，气浮台与支撑平台之间产生气膜，使气浮台在平台上自由移动与转动，从而模拟三自由度的微重力运动状态。模拟器上安装了电连接器的装拆操作组件和螺栓螺母装拆的操作组件，可供站立于另一个气浮台上的航天员做推拉以及扭转操作训练。

2.5 悬吊式重力补偿系统

悬吊式重力补偿系统利用吊索将人体悬吊起来，利用重力的分力（见图6 a），或利用一组悬吊改变人体姿势并平衡掉人体的重力，以另一组吊索的拉力在人体纵向上代替重力（见图6b），或保持吊索的拉力大小与一定比例的重力恒定相等，方向与重力反向（见图6c），从而模拟失重或部分失重的环境下人体的受力［28］。这类系统从原理上可分为主动重力补偿型（采用可控电机调整吊索张力）和被动重力补偿型（通过配重抵消重力，保持吊索张力不变）两种。

图6 悬吊式重力补偿系统原理Fig．6 Theory of suspension gravity offload system

上世纪六十年代起，NASA兰利研究中心（Langley Research Center，LRC）采用几种不同的悬吊式重力补偿系统开展模拟月球重力环境下人体步态与运动机能等问题的研究。Hewes与Spady研制了一种名为部分失重模拟器的装置，将测试人员以与水平面呈9.5°夹角的姿态悬吊起来站立在斜面上，这时垂直于斜面的重力分力为其自身重力的1／6，从而达到模拟月球表面环境的效果（图7 a）［42］。 当测试对象运动时，由于吊索倾斜角度的变化，会导致模拟重量产生一定的偏差［13］。由于受到绳索的约束，测试对象只能在一个面上运动，而且吊索的穿戴并不舒适［28］。研究人员还设计了一种类似的环形走道模拟装置（图7b）［13］。由于在沿着环状走道行走的过程中会受到离心力的作用，因此测试对象的行走速度受到限制。俄联邦太空总署 （Russian Federal Space Agency，Roscosmos）也研制了类似的装置（图 7c）［28］，航天员在一个与倾角 9.2°、60 m高的圆锥斜面上行走，其头部、躯干、双腿总共受到5条吊索的牵引作用。LRC还研制过一种结合了离心力原理的悬吊装置，被称为旋转空间站（Rotating Space Station）（图 7 d）［4］，用于研究在空间站通过旋转提供人工重力场的情况下测试对象的行走能力与行走效率。该装置由一台可调速的驱动电机带动平台转动，走道安装在旋转平台上。

图7 悬吊式重力补偿系统Fig．7 Suspension gravity offload systems

部分重力模拟器（Practical Gravity Simulator，POGO）（图8 a）集成了Apollo计划所遗留的一套失重模拟器的硬件与后期改进的数据采集与控制设备，主要由垂直伺服系统、控制系统以及万向节系统组成，通过向气缸内输送经过调节的压缩空气产生一个与重力反向的恒定托举力［43-44］。POGO的伺服系统可在气浮横梁上被动滑行，使测试者可在11.6 m长的水平面内进行直线平动，万向节系统能提供三个旋转自由度，俯仰角和偏航角都能达到 360°，滚转角只有 ＋ ／－30°［43，45］。

图 8 POGO［45］、eZlS［48］与 ARGOS［53］Fig．8 POGO［45］， eZLS［48］ and ARGOS［53］

POGO系统为数据采集设备提供了足够的空间，在其上进行测试也不受时间限制，能进行静态的稳态步态模式测试、测量步行速度以及全身运动学分析以及实时代谢率测试。但POGO的机械结构使得对测试对象的观察被限制在纵切面内，并且重力补偿范围有限（400 ～500 lb）［46］，而且忽略了四肢的重力补偿，测试对象与补偿力的相互作用也未得到深入研究。POGO悬吊系统的惯性质量过大，会在测试对象身上产生显著的惯性载荷，影响动力特性测试，系统存在的摩擦也使得模拟效果不甚理想［45］。而且POGO系统无法实时地跟随人的运动［45］。以上各因素对实验的数据质量存在着不利影响。

Norcross J等人利用POGO系统研究了模拟失重环境下重心位置改变对人体动作影响，通过并部分失重环境下集成宇航服测试的对比，评估了自疲劳感知分级（Ratings of Perceived Exertion，RPE）、重力补偿与性能分级（Gravity Compensation and Performance Scale， GCPS）、代谢消耗（VO2）、地面反作用力（GRF）、步距、关节运动角等指标［22，45-46］。

NASA联合克里夫兰诊所等单位，研制了ZLS（Zero-Gravity Locomotion，Simulator，ZLS）系列零重力步态模拟装置［47］。增强型零重力步态模拟器（enhanced ZLS，eZLS）则是 ZLS设备的最新一代型号（图8b）［48］。ZLS通过一套力反馈控制系统在测试对象跑动的过程中通过加载装置（subject load device，SLD）向其施加恒定的重力置换载荷，并能通过对测试对象施加不同的重力载荷，例如相当于50%、75%以及100%的体重的载荷，从而模拟不同的低重力效果［49］。测试对象四肢系上吊索被仰面悬吊起来，SLD通过测试对象穿戴的吊索背带对其施加一个朝向跑步机的牵引力［50-51］。ZLS系列三种系统在测试对象身的四肢与肩部设置了8组吊索固定点，使施加在测试对象身上的重力置换载荷得到了更真实的分布［49］。eZLS的跑步机固定在一个气浮平台上，可以通过改变跑步机的安装角度以模拟其他行星表面（例如月球与火星）的重力环境［51］。Genc K O等人利用ZLS进行实验并采集数据，包括地面反作用力、对舒适度的主观感受等来评估为ISS研发的新型伺服控制SLD装置［49］。此外，eZLS被用于研究低重力环境下人体运动的动力学问题以及低重力环境对骨骼肌肉健康的影响、开发与验证锻炼设施、研究微重力环境下的代谢消耗、研究如何改善航天员使用的锻炼设施的舒适性、研究如何制定锻炼方案以及研究优化硬件设备的设计［50-51］。De Witt J K等人利用eZLS与C-9飞机抛物线飞行进行了两种模拟失重状态下人体步态的对比实验，并对数据进行了分析与讨论［23］。

主动反应重力补偿系统（Active Response Gravity Offload System，ARGOS）是一种能够模拟不同重力场，包括月球重力、火星重力以及其它微重力场景的重力模拟系统（图8c），由跑步机、吊索以及卷扬装置等组成，提供了6.1 m×12.2 m的水平活动区域以及4.6 m的垂直升降空间［52］。ARGOS能够在测试对象进行走、跑、跳等运动时通过吊索的拉力对体重进行部分重力补偿。该系统使用激光角度传感器测量吊索的倾斜角度并进行相应地调整，在水平方向的两个平移自由度上采用了主动控制来追踪人体的运动以保持垂直方向上的重力补偿力直接作用于测试对象正上方；竖直方向的伺服控制系统则根据模拟重力的设定（例如月球重力、火星重力或者完全失重）调节吊索的拉力保持恒定［52-53］。ARGOS与测试对象间的人机接口是一个万向节系统，能够提供俯仰、偏航、滚转三个旋转自由度，并且能使重力补偿力矢量通过测试对象的身体质心，从而提升重力场模拟的真实感。设计者对万向节的惯性矩与质量进行了优化，最大程度避免了其自身惯性对测试对象的影响并且考虑到了穿戴的舒适性［51，54］。ARGOS的尺寸有限，但是能够实现有效的低重力环境模拟。虽然第一代ARGOS验证了系统自身的概念设计，但是其垂直与水平两个方向的控制系统都出现了许多问题，系统的快速反应能力不足，存在反应滞后，存在许多影响测力计的噪声源，而且滤波技术的处理能力有限，以上问题导致了系统的不稳定并影响了重力模拟的准确性［55］。第一代ARGOS系统在2012年退役，当前NASA使用的是第二代ARGOS系统，它在精度、动态特性和负载能力等性能有较大提升［55］。不仅适用于航天员的训练、EVA任务工具的开发、对行星探索载具与宇航服的设计进行评估，还能用于测试机器人在类似模拟环境下的工作［56］。

3 低重力环境模拟技术的新发展

近年来，出现了一种利用弹簧平行四边形机构进行重力补偿的被动外骨骼系统，通常采用弹簧平行四边形机构作为被动重力平衡措施，通过选配合适的弹性系数或调整弹簧的安装位置，可以在其工作空间内的任意位姿达成静态平衡，具体原理可以参见文献［57］。在工业机器人领域，类似机构通常被用于抵消连杆重力载荷对机器人关节力矩的影响，从而减轻关节驱动器的负担［58-59］。在康复医学领域，弹簧平行四边形机构也得到了广泛的应用，研究人员将类似的机构集成到外骨骼系统上，用于对肌肉无力或运动神经损伤等病患的康复训练治疗［60-62］。

美国新墨西哥州立大学的Ma O等人［63-64］研究了主要用于载人航天、生物力学和康复机器人等方面的自适应重力补偿外骨骼系统（图9 a），能够实现对多种不同重力环境的模拟。该系统以弹簧平行四边形机构为基本模块构建外骨骼系统，将人体各主要部位（躯干、大腿、小腿）的部分或全部重力载荷分布转嫁到被动机械外骨骼上，这一点与中性浮力法等可以说是异曲同工［65］。

弹性平行四边形机构外骨骼系统有以下优点：

图9 被动式外骨骼系统Fig．9 Passive exoskeleton systems

1）由于采用了被动重力平衡技术，无需对系统施加主动关节控制力矩，这就避免了进行复杂的关节控制系统设计及其稳定性分析，也无需根据肢体运动轨迹对外骨骼系统的关节载荷进行动态精确分配和主动协调驱动。

2）弹簧平行四边形机构不但可以补偿任意比例（0% ～100%）的人体重力，而且还能对相应的重力矩进行补偿，使穿戴人员在运动过程中感受到各主要关节失去相同比例重力载荷的效果［65］，从而获得逼真的低重力运动模拟效果。

3）该系统根据不同训练者的质量特性选择合适的弹簧弹性系数并调节调整弹簧的安装位置［61］，从而精确模拟不同的重力环境，例如月球、火星以及完全失重等。

4）该系统摆脱了复杂的吊索系统对测试人员运动的限制。

南京航空航天大学的陈卓鹏等人［65］对基于弹簧平行四边机构原理的外骨骼系统（图9b）进行了动力学仿真分析，验证了同类系统能够逼真地模拟不同重力条件下的人体步行效果。北京邮电大学的研究者也进行了类似研究（图9c）［66］。

此类系统是一种新颖的解决方案，不但能够满足航天员地面模拟失重训练的需要，而且能够为低重力运动生物力学研究和发展空间运动生物力学分支提供一个良好的实验手段，促进对低重力环境下的人体运动学和动力学问题的研究。

4 分析与比较

为了在地球上模拟低重力环境来训练航天员或者进行太空重力环境下的人体科学研究，研究人员进行了诸多探索，摸索出了以下几种主流的重力模拟手段，包括抛物线飞行、中性浮力水池、虚拟现实（VR）技术、悬吊式重力补偿系统以及近来出现的被动式外骨骼系统。

抛物线飞行法的优势非常明显，是目前唯一能复现真实低重力环境的方法，参训的航天员、宇航服以及装备均处于失重环境下，而且也能使航天员进行6个自由度的自由运动［14，22］，就这一点而言，该方法能为研究人体在微重力环境下的运动提供理想的环境。然而，抛物线飞行法的短板也非常明显：1）抛物线飞行不能长时间维持低重力环境。KC-135在抛物线飞行中复现完全失重环境的时间仅仅能维持大约20 s，复现月球表面的微重力环境（1／6g），可以持续约 30 s，复现火星表面的微重力环境（3／8g），则能维持约40 s［36，67］。 虽然 NASA 的研究人员提出了3 种针对这一问题的实验对策［17］，但客观上失重时间受制于飞行规律无法改变，因此无法进行时长的失重训练与人体运动研究实验，例如测量微重力环境下人体运动的代谢消耗率［14，22］。 2）进行航天员训练与人体运动实验的仪器设备受制于机舱容积与飞机运载能力的限制。KC-135搭载的测试人员只能在高2 m、宽0.9 m以及长6.3 m的空间内活动［36］，而C-9飞机的机舱中的测试区域有13.7 m 长，2.64 m 宽，2.03 m 高［45］，相比于其他地面训练设施，空间显得相当局促。3）复现低重力环境的逼真程度受到每次抛物线飞行的精度影响。4）维护飞机、飞行消耗的燃料以及机组人员的人工成本非常昂贵。5）进行抛物线飞行的时间安排受制于气象条件等因素，缺乏弹性。6）抛物线飞行容易造成晕机，影响测试与训练工作的开展，KC-135飞机因此被戏称为“呕吐彗星（Vomit Comet）”［15］。

中性浮力法有着以下优点：1）巨大的水池能够容纳全尺寸的航天飞船与空间站的模型，对航天员熟悉任务环境非常有利，而且能够同时开展多组航天员的训练。NASA的NBL水池长长61.5 m，宽 31 m，深 12.2 m，容积为 6.2×106gal［37］，其中搭建了全套的 ISS构架组件与所有美国承担研制任务的ISS部件，能够同时运行总人数为5人的两组训练任务［28］；俄国的Hydro实验室的圆型水池，深12 m，直径23 m，能够容纳一个全尺寸的礼炮号与联盟号飞船对接模型［21］。2）航天员在浮力水池中能够进行长时间的训练。NBL的生命保障系统能够保障参训的航天员在水下进行400 min的训练［28］。3）中性浮力法能够允许航天员随意在6个自由度上进行运动。而主要缺陷是：1）由于水存在动态阻尼和粘滞效应，使得航天员在水下的动力学特性与真实的太空失重环境存在差异［35］，在试验中发现，当运动速度越高时阻力也越大，稳定的步行速度大约在在0.61 m／s时达到最佳的平衡效果，更高的步行速度将会产出更显著的阻力作用［13］。水的阻力还会航天员产生额外的能量消耗［14］。2）中性浮力法在模拟月球表面的重力环境（1／6g）时效果不佳，Spady A A提出通过佩戴重量相当于航天员体重六分之一的铅块来实现对月球表面的重力环境进行模拟，并介绍了两种佩戴方法，但配重的方法将会极大影响测试结果的准确性［13］。3）修建与运营维护中性浮力水池的花费巨大。4）为了保证航天员安全，水池训练所使用的电器设备必须绝缘，航天员也不能直接暴露于水中，这就限制了某些训练的进行，例如在气闸舱穿／脱舱外服［30］。 5）航天员可能会面临潜水病的风险［36］。

利用VR技术进行航天员模拟失重训练的优势在于其数字化、可重复、安全可靠以及超越物理环境限制的特性。但是由于VR技术主要在视觉与局部力觉方面进行模拟，不能全面模拟低重力环境下人体的感觉，所以需要与其他物理模拟手段结合。值得一提的是，利用计算机人体模型研究低重力环境下人体健康与运动机能的问题，NASA已经开展了多项研究［68-72］，对于丰富航天员训练手段、提升航天员训练效果有积极作用。但计算机人体模型只是反映人类对人体的有限认识，真人实验对研究低重力环境下的人体健康与运动机能的问题依旧是必不可少的。

悬吊式重力补偿系统的原理简单直观，因此获得了广泛的应用，出现了多种型号。从早期单纯的利用不可调拉力［13］或者重力的分力进行重力补偿的系统［42］发展到了eZLS与ARGOS这类能主动调节吊索张力的系统，在重力模拟的准确性与多样性、开展测试实验的便捷性与使用的人机工效舒适性上取得了可观的进步。然而，悬吊式重力补偿系统依然存在着一定的技术局限性：1）系统结构复杂。早期的悬吊式重力补偿装置往往忽略对四肢的重力补偿，吊索仅仅固定在躯干上［4，13，42］，因此重力补偿效果欠佳。 若想对四肢也进行重力补偿，则需要增加吊索，显然会带来结构复杂的问题，不便于实现未来多人协作任务的模拟训练。除此之外，ARGOS这类主动重力补偿系统的控制系统对噪音滤波、响应迅速以及系统鲁棒性的要求很高，技术难度大。2）惯性力对重力模拟产生负面影响。利用类似POGO这类采用万向节做人机接口的系统进行低重力环境模拟时，均会受到不同程度的惯性力影响。3）难以实现对重力矩的补偿。只有当吊索的拉力矢量经过被悬吊物体／人体的质心时才能同时对重力及重力矩进行补偿，然而人体在活动时质心始终是移动的。现有的悬吊式重力补偿系统虽然能够从整体上对任意比例的人体重力进行补偿，然而此时人体的肘、肩、腰、髋、膝等关节依然承受着1g的重力矩作用，难以达到逼真的失重模拟效果。最后，柔性绳索造成的运动滞后和柔性抖动等耦合因素均会对重力补偿精度带来不利影响。对于悬吊式重力补偿系统而言，这是个与生俱来的问题。

表1从模拟重力范围、运动自由度、模拟持续时间、能否使用任务工具、多人协作能力等方面对上述各方法进行了总结。

表1 各种低重力模拟方法的比较Table 1 Comparison of differentreduced gravity simulationapproaches

虽然我国在航天设备与仪器的低重力环境模拟方面已经开展了大量的研究并研制出有效的模拟平台，但对于低重力环境下的载人航天任务，我国尚无具有针对性的航天员任务操作模拟与训练平台，并且在低重力模拟技术方面的研究正逐渐起步，国内航天员低重力运动训练手段还较为匮乏，因而对研制新一代的航天员低重力模拟系统作为航天员任务操作模拟与训练平台以及低重力环境下人体运动生物力学实验研究平台有着较为迫切的现实需求。根据上文分析，新一代的航天员低重力运动模拟训练系统应当满足以下要求：

1）低重力模拟功能完善，能够进行长时间的、低重力模拟还原度高的任务训练与科学测试；

2）重力模拟的范围可调，能够在0～1g重力加速度的范围内模拟月球、火星等天体的重力环境或完全失重条件下的不同任务环境；

3）人机接口具备较高的活动自由度且人机工效优良，能够进行载人航天任务中各类复杂动作的训练以及各类低重力环境下的人体科学研究；

4）是支持多人以及人机协同训练模式，未来的载人航天任务更为复杂多样，需要航天员与其成员组或者空间机器人相互协作来完成。

参考文献（References）

［1］ 李莹辉.航天医学研究现状与趋势［J］.航天医学与医学工程，2013，26（6）：421-425.Li Yinghui.The current status and trend of space medicine［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering，2013，26（6）：421-425.（in Chinese）.

［ 2 ］ CARR C E， MCGEE J.The Apollo number： space suits，self-support， and the walk-run transition［J］.PLOS ONE，2009， 4（8）： e6614.

［3］ Cavagna G A，Willems P A，Heglund N C.The role of gravity in human walking： pendular energy exchange， external work and optimal speed［J］.The Journal of Physiology，2000， 528（3）： 657-68.

［4］ Hewes D E.Reduced-gravity simulators for studies of man’s mobility in space and on the moon ［ J］.Human Factors，1969， 11（5）： 419-31.

［5］ Davis B L，Cavanagh P R.Simulating reduced gravity：a review of biomechanical issues pertaining to human locomotion［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 1993，64（6）： 557-66.

［6］ 李虹琳，李金钊.NASA发布载人火星探索之路［J］.中国航天，2015（11）：19-20.Li Hongling， Li Jingzhao.NASA’s description of manned Mars exploration［J］.Aerospace China， 2015（11）： 19-20.（in Chinese）

［7］ RS.NASA向波音和SpaceX各增订4次载人飞行任务［J］.航天工业管理，2017（01）：47.RS.4 Manned flight missions order placed to Boeing＆Space X by NASA ［ J］.Aerospace Industry Management， 2017（01）： 47.（in Chinese）

［8］ 顾逸东.我国载人航天发展战略的若干思考［C］／／中国空间科学学会空间探测专业委员会.第二十三届全国空间探测学术交流会论文摘要集.中国空间科学学会空间探测专业委员会，2010：1.Gu Yidong.Contemplations about China’s manned space development strategy［C］／／Committee of Space Exploration of Chinese Society of Space Research.Proceedings of the 23th National Space Exploration Seminar.Committee of Space Exploration of Chinese Society of Space Research，2010：1.（in Chinese）

［9］ Kuhlman J，Phillips K.Development of the WVU 1.25s reduced-gravity drop tower［ C］ ／／53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting：American Institute of Aeronautics and Astronautics， AIAA SciTech Forum， Florida， AIAA 2015-2018.

［10］ Lekan J F， Neumann E S， Thompson D M，Ground-based reduced-gravity facilities［R］.NASA／TM-1998-206312.US：NASA，1998.

［11］ Thompson D M.Zero gravity research facility user’ s guide［R］.NASA／TM-1999-209641.US： NASA， 1999.

［12］ Leavitt G， Wallace C， Cook M.A project overview of High Altitude Reduced Gravity Vehicle Experiments［C］／／AIAA 5th ATIO and16th Lighter-Than-Air Sys Tech and Balloon Systems Conferences， Arlington， Virginia， AIAA 2005-7493.

［13］ Spady A A.Comments on several reduced-gravity simulators used for studying lunar self-locomotive tasks（Subjective review of feel and operating characteristics of reduced-gravity simulators）［R］.NASA-TN-D-5802.US： NASA，1970.

［14］ Chappell S P， Klaus D M.Enhanced simulation of partial gravity for extravehicular activity［J］.Journal of Human Performance in Extreme Environments， 2013， 10（2）： 1.

［15］ Williams R， Billica L.JSC reduced gravity program and 1992 highlights［C］ ／／31st Aerospace Sciences Meeting： American Institute of Aeronautics and Astronautics， Reno，NV，U.S.A.AIAA 1993-572.

［16］ Lambot T， Ord S F.Analysis of the quality of parabolic flight［R］.ARC-E-DAA-TN32699-1.US： NASA，2016.

［17］ Robinson D W.Prolonging microgravity on parabolic airplane flights［R］.GSC-14521.US： NASA，2003.

［18］ Neumann E S， Withrow J P， Yaniec J S.Users guide for NASA Lewis research center DC-9 reduced-gravity aircraft program［R］.NASA-TM-106755／Rev-1.US： NASA，1996.

［19］ Ransom S， Zier M.Method and apparatus for aircraft-based simulation of variable accelerations and reduced gravity conditions： US， US6743019 B2［P］.2004.

［20］ 叶介甫.我国早期筹备宇航员训练始末［J］.文史精华，2011（6）： 19-21.YE Jiefu.The whole story of the early preparations for Chinese astronaut training［J］.Wenshijinhua， 2011（6）： 19-21（in Chinese）.

［21］ Cintala M J， Hoerz F， See T H.Impact cratering in reducedgravity environments：Early experiments on the NASA KC-135 aircraft［R］.89N15008.US： NASA， 1987.

［22］ Norcross J R.Using analogs for performance testing of humans in spacesuits in simulated reduced gravity［R］.JSC-CN-29695.US：NASA，2013.

［23］ De Witt J K， Perusek G P， Lewandowski B E， et al.Locomotion in simulated and real microgravity：horizontal suspension vs.parabolic flight［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 2010， 81（12）： 1092-9.

［24］ Lee S M C，Cobb K，Loehr J A，et al.Foot-ground reaction force during resistive exercise in parabolic flight［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 2004， 75（5）：405-12.

［25］ Laughlin M S，Murray J D，Lee L R，et al.Compiling a comprehensive eva training dataset for NASA astronauts［R］.JSC-CN-34681.US： NASA，2016.

［26］ Prince A，Neutral Buoyancy laboratory capabilities［R］.JSCCN-38569.US： NASA，2016.

［27］ Jairala J， Durkin R， Marak R， et al.Extravehicular activity development and verification testing at NASA’s Neutral Buoyancy Laboratory［C］ ／／42nd International Conference on Environmental Systems， San Diego， California， AIAA 2012-3592.

［28］ Syloslabini F， Lacquaniti F， Ivanenko Y P.Human locomotion under reduced gravity conditions：biomechanical and neurophysiological considerations［J］.BioMed Research International， 2014（2014）： 547242.

［29］ 马爱军，黄晓慧.载人航天环境模拟技术的发展 ［J］.航天医学与医学工程，2008，21（3）：224-32.Ma Aijun，Huang Xiaohui.Development of manned space environment simulation technology［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering， 2008， 21（3）： 224-232.（in Chinese）

［30］ Young J R， Dees G， Brewer L.Training capabilities in support of crew and ground Space Station payload operations［C］ ／／Space Programs and Technologies Conference， Huntsville，AL，U.S.A， AIAA 1996-4372.

［31］ Simanonok K E， Moseley E C， Charles J B.Space sickness predictors suggest fluid shift involvement and possible countermeasures［R］.92N22350.US： NASA， 1992.

［32］ Abercromby A F， Chappell S P， Litaker H， et al.NASA Research and Technology Studies（RATS） 2012： virtual simulation and evaluation of human and robotic systems for exploration of near-Earth asteroids［C］ ／／43rd International Conference on Environmental Systems，International Conference on Environmental Systems （ICES）， Vail， CO.AIAA 2013-3506.

［33］ Osterlund J， Lawrence B.Virtual reality： Avatars in human spaceflight training ［J］.Acta Astronautica， 2012， 71： 139-150.

［34］ Homan D， Gott C.An integrated EVA／RMS virtual reality simulation，including force feedback for astronaut training［C］／／Flight Simulation Technologies Conference， San Diego，CA，U.S.A.， AIAA 1996-3498.

［35］ Ney Z， Looper C， Parazynski S.Developing the infrastructure for exploration EVA training［C］／／Space 2006， AIAA SPACE Forum，San Jose，California，AIAA 2006-7451.

［36］ Ray D M，Vanchau M N，Virtual environment application with partial gravity simulation［R］.95N15988.US： NASA，1994.

［37］ Bell E， Coan D.A review of the approach to ISS increment crew EVA training［C］／／AIAA SPACE 2007 Conference ＆Exposition.2007：6236.

［38］ Hunter S L， Dischinger C， Estes S.Three-dimensional simulation： Microgravity environments and applications［J］.Journal of Spacecraft and Rockets， 2002， 39（2）： 194-197.

［39］ Liu Y， Chen S， Jiang G， et al.VR simulation system for EVA astronaut training［C］ ／／AIAA SPACE 2010 Conference＆ Exposition.2010：8696.

［40］ 徐安，范秀敏，洪鑫，等.交互式宇航员太空行走仿真系统的研究与开发［J］. 系统仿真学报， 2004， 16（9）：1953-1956.Xu An， Fan Xiumin， Hong Xin， et al.Research and development on interactive simulation system for astronauts walking in the outer space［J］.Journal of System Simulation.2004，16（9）：1953-1956.（in Chinese）

［41］ 刘庭伟.宇航员微重力操作训练设备的关键技术研究［D］.北京：北京交通大学，2012.Liu Tingwei.Key Technologies of the Astronauts EVA Operation Training Equipment in Microgravity Environment［D］.Beijing： Beijing Jiaotong University， 2012.（in Chinese）

［42］ Hewes D E， Letko W， Spady A A.The problems of man’s adaptation to the lunar environment［R］.NASA-TM-X-57241.US：NASA，1966.

［43］ Ray D M.Partial gravity simulation using a pneumatic actuator with closed loop mechanical amplification［R］.NASATM-104798.US：NASA，1994.

［44］ Norcross J R， Lee L R， Clowers K G， et al.Feasibility of performing a suited 10-km ambulation on the Moon final report of the EVA walkback test（EWT）［R］.TP-2009-214796.US：NASA，2009.

［45］ Norcross J R， Chappell S P， Clowers K G， et al.Characterization of partial-gravity analog environments for extravehicular activity suit testing［R］.TM-2010-216139.US： NASA，2010.

［46］ Norcross J， Clowers K， Clark T， et al.Effects of changing center of gravity on shirtsleeve human performance in reduced gravity［R］.TM-2010-216127.US： NASA， 2010.

［47］ Totman C， Perusek G， Grodsinsky C， et al.Ground-based simulations of ISS exercise countermeasures at NASA Glenn Research Center’ s Exercise Countermeasures Laboratory：compliant interface dynamics using a floating treadmill［C］ ／／46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.2008：804.

［48］ Davis B L， Cavanagh P R， Sommer H J， et al.Ground reaction forces during locomotion in simulated microgravity［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 1996， 67（3）： 235-242.

［49］ Genc K O， Mandes V E， Cavanagh P R.Gravity replacement during running in simulated microgravity［J］.Aviation， Space，and Environmental Medicine， 2006， 77（11）： 1117-24.

［50］ Perusek G P， Dewitt J K， Cavanagh P R， et al.Zero-gravity locomotion simulators：new ground-based analogs for microgravity exercise simulation［R］.WBS 516724.02.02.03.US：NASA，2007.

［51］ Nall M，Perusek G，Lewandowski B，et al.Exercise countermeasures and a new ground-based partial-g analog for exploration［C］ ／／45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit：543.

［52］ Valle P， Dungan L， Cunningham T， et al.Active response gravity offload system［R］.MSC-24815-1／24-1.US： NASA，2011.

［53］ Dungan L K， Valle P， Shy C.Generating a reduced gravity environment on Earth［R］.JSC-CN-32578.US： NASA，2015.

［54］ Norcross J， Gernhardt M， Chappell S， et al.A new method for interfacing unsuited subjects to overhead suspension partial gravity simulators［R］.JSC-CN-23561： NASA， 2011.

［55］ Dungan L K， Valle P S， Bankieris D R， et al.Active response gravity offload and method： US， U.S.9，194，977［P］.2015.

［56］ Norcross J R， Gernhardt M L.Selecting tasks for evaluating human performance as a function of gravity［R］.JSC-CN-23243.US：NASA，2011.

［57］ Herder J L.Energy-free Systems.Theory： Conception and Design of statically balanced Spring Mechanisms［D］.Delft，Netherlands： Delft University of Technology， 2001.

［58］ Russo A， Sinatra R， Xi F.Static balancing of parallel robots［J］.Mechanism and Machine Theory， 2005， 40（2）： 191-202.

［59］ Gosselin C M， Wang J.Static balancing of spatial six-degreeof-freedom parallel mechanisms with revolute actuators［J］.2000， 17（3）： 170.

［60］ Dunning A G，Janssen M M H P，Kooren P N，et al.Evaluation of an arm support with trunk motion capability［J］.Journal of Medical Devices-transactions of The Asme， 2016， 10（4）： 044509.

［61］ Gijbels D， Lamers I， Kerkhofs L， et al.The Armeo Spring as training tool to improve upper limb functionality in multiple sclerosis： a pilot study［J］.Journal of Neuroengineering and Rehabilitation， 2011， 8（1）： 5.

［62］ Sanchez R J， Liu J， Rao S， et al.Automating arm movement training following severe stroke：functional exercises with quantitative feedback in a gravity-reduced environment［J］.International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， 2006， 14（3）： 378-89.

［63］ Ma O， Lu Q， Mcavoy J， et al.Concept study of a passive reduced-gravity simulator for training astronauts ［ C ］／／the ASME 2010 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference.Volume 2：34th Annual Mechanisms and Robotics Conference， Parts A and B： American Society of Mechanical Engineers：655-64.

［64］ Xiu W， Ruble K， Ma O.A reduced-gravity simulator for physically simulating human walking in microgravity or reduced-gravity environment［C］／／2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA）：4837-43.

［65］ 乔兵，陈卓鹏.航天员低重力步行训练被动外骨骼机器人模拟［J］. 宇航学报，2014，35（4）：474-480.Qiao B，Chen Z P.A passive exoskeleton robotic simulator for reduced-gravity locomotion training of astronaut［J］.Journal of Astronautics， 2014， 35（4）： 474-80. （in Chinese）

［66］ 叶平，宋爽，何雷，等.基于弹簧机构的宇航员抗阻力训练器 ［J］.机械工程学报，2014，23）：1-7.Ye Ping， Song Shuang， He lei， et al.Resistive exercise device based on spring mechanism for astronauts［J］.Journal of Mechanical Engineering.2014， 50（23）： 1-7 （in Chinese）.

［67］ Morris R B， Whitmore M.Measuring human performance on NASA’s microgravity aircraf［R］.94N11537.US： NASA，1993.

［68］ Gallo C A，Thompson W K，Lewandowski B E， et al.Computational modeling using opensim to simulate a squat exercise motion［R］.GRC-E-DAA-TN19807.US： NASA， 2015.

［69］ Lewandowski B E，Pennline J A，Thompson W K，et al.Development of the NASA digital astronaut project muscle model［R］.GRC-E-DAA-TN20325.US：NASA，2015.

［70］ Thompson W K，Gallo C A， Crentsil L， et al.Digital astronaut project biomechanical models：biomechanical modeling of squat，single-leg squat and heel raise exercises on the Hybrid Ultimate Lifting Kit（HULK） ［R］.NASA／TM-2015-218852.US：NASA，2015.

［71］ Lewandowski B E，Pennline J A，Stalker A R，et al.Musculoskeletal modeling component of the NASA digital astronaut project［R］.E-17763.US： NASA， 2011.

［72］ Mulugeta L， Myers J G， Lewandowski B， et al.The value of biomedical simulation environments to future human space flight missions［R］.JSC-CN-23697.US： NASA， 2011.