国内外典型航天特因环境选拔训练设备及其应用

马爱军，闫 利，徐水红，赵 维，张 磊，逯忠国，邓金辉，毕建智

（中国航天员科研训练中心，北京 100094）

0 引言

在载人航天飞行过程中，航天员会遇到各种特殊的航天环境因素（航天特因环境）——包括超重环境，失重环境，振动冲击、噪声环境，载人航天器乘员舱环境，以及真空、冷黑、空间热辐射、粒子辐射、原子氧、微流星等恶劣环境因素——的作用，这些对航天员生理和心理会产生巨大影响，给其正常工作、生活和进行特定操作造成许多意想不到的困难。因此，需要选拔对航天特因环境具有良好的耐力和适应能力的人员作为航天员[1]78-83,[2]。同时，对航天员进行专门的航天环境适应性训练，可以提高和维持航天员对这些航天特因环境的耐力和适应能力[1]190-193,[3]。世界各航天国家在实施载人航天活动过程中，均设计建造有大型地面环境模拟设备，作为开展航天员航天特殊环境因素选拔和训练的试验平台[4]7-9。本文对这些设备及其应用进行综述。

1 航天超重环境选拔训练设备

利用载人离心机进行超重耐力训练是提高航天员对超重环境的耐受能力最有效的方法之一，世界各航天国家都将其列为航天员的重要基础训练项目。

中国航天员科研训练中心超重模拟训练设备（图1），旋转半径8 m，吊舱为单轴被动阻尼摆动式，最大超重过载16g，G值最高增速为6g/s，最大降速为2g/s，有效载荷165 kg，采用电气拖动系统和减速器传动方式[4]170-175,[5]。

图1 中国航天员科研训练中心超重模拟训练设备Fig. 1 Human centrifuge test facility in the Astronaut Center of China(ACC)

除了中国以外，美国、俄罗斯、英国、德国、加拿大、法国、瑞典、韩国、日本、新加坡、土耳其和尼日利亚等国家都装备有载人离心机。各国载人离心机的主要差别体现在性能指标和吊舱上，即能达到的最大G值和G值增速，吊舱是单轴被动摆动还是两轴可控等[4]162-164, [5]。

载人离心机应具有冗余的超速保护功能和应急停车措施，必须有完善的安全连锁保护措施。

2 航天失重（低重力）环境选拔训练模拟设备

2.1 失重飞机

飞机进行抛物线飞行时，可经历一个与自由落体大体相当的失重过程。因此，经常用经过改装的失重飞机飞抛物线来模拟失重环境。

2004年以前，美国NASA用KC-135空中加油机改装的失重飞机进行航天员训练和相关试验[6]168-175, [7]，之后使用C-9失重飞机[8]122-125, [9-10]以及ZERO-G公司的波音727进行航天员失重飞行训练[8]122-125,[10-11]（图2）。苏联改装过多种型号的失重飞机，其中伊尔-76延用至今[6]168-175,[8]122-125,[12]。

图2 美国失重飞机Fig. 2 Weightless planes of the US

失重飞机改装的关键是增加辅助装置，保证飞机发动机燃油系统和润滑系统在失重环境下能够正常工作[4]212-213，飞机内舱壁应敷设柔软的防撞保护层。

2.2 中性浮力模拟设备——模拟失重训练水槽[6]178-190, [8]129-143, [13-15]

中国航天员科研训练中心2007年建成了模拟失重训练水槽（图3），主要用于航天员出舱活动训练、出舱活动相关航天器设计验证、出舱程序验证、出舱活动相关技术研究等。该设备槽体为圆筒形结构，采用不锈钢材料制作，直径23 m，有效水深10 m。

图3 中国航天员科研训练中心模拟失重训练水槽Fig. 3 Neutral buoyancy water tank of ACC

模拟失重训练水槽应采取技术措施确保航天员和潜水员呼吸用气符合要求；配置至少2台岸边吊车（1台为备份），确保随时能将水中航天员吊出水面；水下训练航天服应配置能维持航天员15 min呼吸的应急供气设备，生保系统应设计应急备用气路；水槽内水温应适宜，避免潜水员抽筋；大厅槽体周围应设计安全围栏，防止有人意外跌落至水槽内。

俄罗斯加加林航天员中心的中性浮力水槽（图4）建于20世纪70年代，槽体为圆柱形不锈钢结构，直径为22.8 m，深度为12 m，升降平台占用2 m深度，有效深度为10 m。

图4 俄罗斯中性浮力水槽Fig. 4 Neutral buoyancy water tank of Russia

美国NASA曾在MSFC（马歇尔航天飞行中心）建成中性浮力模拟器NBS，在JSC（约翰逊航天中心）建成水下再现训练设施WETF，用于“天空实验室”、国际空间站和航天飞机建造过程中的相关试验和航天员出舱活动的训练。

目前美国在用的中性浮力模拟设备NBL（图5）是约翰逊航天中心的索尼·卡特训练设施，其槽体为矩形混凝土结构，长61.6 m，宽31.1 m，深12.2 m，一半位于地面下，另一半位于地面之上。槽体分为2个区域，可同时开展航天员训练任务。建成后主要应用于航天飞机与国际空间站航天员出舱活动训练以及国际空间站的装配试验等。

图5 美国中性浮力模拟设备NBLFig. 5 Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) of America

日本宇宙开发事业团（NASDA）在茨城筑波航天中心建设有一座失重环境试验楼（图6），用于进行实验舱的研制试验和确定实验舱的维护方法与实验架的更换程序，以及进行航天员的基础训练等。该设备槽体为半地下的钢制圆筒结构，直径16 m，深10.5 m，于1995年1月投入使用。

图6 日本失重环境模拟设备Fig. 6 Weightless environment test system of Japan

2.3 悬吊法模拟低重力设备

用悬吊法模拟低重力环境分水平/倾斜悬吊法和垂直悬吊法2种。

NASA的GRC（格林研究中心）联合约翰逊航天中心等多家研究机构于20世纪90年代开始研制零重力运动模拟器ZLS（Zero-gravity Locomotion Simulator），如图7所示，用于研究国际空间站航天员在零重力条件下的步行动力学和失重对人体肌肉骨骼健康的影响，包含垂直放置的跑步机和一套用于平衡人体重力的悬挂系统。

图7 零重力运动模拟器（ZLS）示意图Fig. 7 Zero-gravity Locomotion Simulator(ZLS)

“阿波罗”载人登月任务时期，NASA兰利研究中心曾建造了侧向悬吊的低重力模拟运动系统，倾斜平台面与竖直面夹角约9.5°[11,16]，如图8(a)所示。格林研究中心于2007年推出了增强型的零重力步行模拟器eZLS（enhanced ZLS），如图8(b)所示，可通过调整受试者的悬吊角度和跑台的角度模拟零重力和月球低重力[11,16]，人员采用背向悬吊方式。

图8 倾斜悬吊方式模拟低重力Fig. 8 Low gravity simulation by inclined plane method

在“阿波罗”载人登月任务时期，NASA研制了POGO，系统结构见图9。采用直线气缸控制重力补偿力的大小，通过万向架被动消除航天员躯体转动对吊索带来的偏角干扰。POGO水平随动系统只有1个自由度[6]159-163, [7, 11, 17-18]。

图9 低重力模拟设备POGOFig. 9 Low gravity simulator: POGO

在重返月球、探测火星等任务需求的推动下，2011年，NASA约翰逊航天中心研制了主动重力补偿系统ARGOS，系统实物如图10所示。该系统可用于火星、月球低重力和零（微）重力等环境下航天员的运动训练，其用万向架悬吊机构实现人体绕x、y、z轴转动，在垂直和水平方向分别采用3台电机进行伺服控制，使得垂直方向保持恒定的拉力；水平方向自动检测受试者的运动，通过控制水平方向的2个电机，自动保持绳索垂直[11,18-19]。

图10 低重力模拟设备ARGOSFig. 10 Low gravity simulator: ARGOS

2.4 被动式外骨骼补偿系统

美国新墨西哥州立大学针对悬吊法不能实现对下肢重力补偿的不足，研制了带有外骨骼助力补偿的低重力支持系统（图11）。通过设计补偿机构与弹簧刚度等参数，可以实现对航天员四肢与躯干的可调大小的重力补偿，但补偿机构活动范围有限，航天员只能在小范围内训练，且重力补偿的精度受机构摩擦影响[11]。

图11 被动式外骨骼重力补偿系统Fig. 11 Gravity compensation system of passive exoskeleton

2.5 气浮台模拟空间失重状态下的微摩擦力

气浮台主要模拟失重环境的无摩擦力或微摩擦力效应，主要用于人员或装备在失重状态下自主机动控制[6]159-163,[7,20]，如 SAFER（Simplified Aid for EVA Rescue）机动、空间站抛垃圾试验、维修航天飞机隔热瓦试验和训练[21]（图12）。气浮台主要包括支撑平台（国外称为地板）、滑橇和气垫、气源及控制系统、目标模型、测试设备、摄像照明设备以及其他辅助设备。俄罗斯只利用气浮台进行三自由度（水平面x轴、y轴和旋转）训练[22]。美国早期进行三自由度训练，后期根据不同的训练目的进行三自由度和五自由度试验及训练[20]。

图12 气浮台训练Fig. 12 Air cushion training

2.6 头低位卧床

一般用-6°长期头低位卧床模拟人体失重生理效应，用快速（3～5 s）大角度（最大-30°）头低位卧床来检查人体对突然从重力状态进入微重力状态的适应能力（即头低位耐力）[1]150-155,[23]。

立位转床（又称倾斜床，见7.2节）旋转快、角度可设定、角度定位准确，可用于快速大角度头低位卧床检查，也可用于需要大量样本的-6°长期头低位卧床试验，但为降低试验成本，一般用固定-6°或空载时可调节床面角度的床具进行-6°长期头低位卧床试验。

3 冲击振动和噪声环境选拔训练设备

载人冲击塔、载人振动台和声环境模拟室用于模拟冲击振动和噪声环境。

3.1 载人冲击塔[4]190-194

载人冲击设备一般模拟较低加速度峰值和较长持续时间的冲击。中国航天员科研训练中心的跌落式水刹车冲击塔是国内仅有的一台载人冲击试验设备（图13），塔架高15.5 m，冲击平台尺寸1530 mm×1025 mm，最大载荷500 kg，采用水作为阻尼介质，可产生峰值为2g～100g、脉冲宽度为9～200 ms的多种常用冲击波形，除用于冲击环境对人体的生理效应研究试验、人体冲击防护措施研究、载人航天器冲击过载医学要求以及评价标准和评价方法研究等试验外，还用于航天员冲击耐力检查或体验。

图13 水刹车冲击塔Fig. 13 Water brake impact tower

3.2 载人振动台[4]186-188

载人振动试验工作频率一般为0.1～80 Hz，目前应用比较广泛的振动台有电动振动台（电磁振动台）和电液振动台（液压振动台）。

电动振动台工作频率范围宽（5～3000 Hz），波形失真小，易于控制，故障率也比电液振动台低很多，但不适于较低的工作频率，一般用于产品环境试验，目前也将其用于航天员振动环境体验。

电液振动台工作频率为0.1～300 Hz，容易实现大推力和大位移振动，适用于载人振动试验，但性能易受温度影响，故障率高，维护保养难度大。

3.3 声环境模拟室[24]

高噪声室模拟发射段和返回段噪声，最大噪声级不低于130 dB。半消声室模拟无反射的自由声场。隔声室可模拟载人航天器轨道飞行段舱内噪声。测听室进行听力测定。半消声室、隔声室和测听室室内平均背景噪声均低于16 dB。

4 载人航天器乘员舱环境模拟设备

4.1 短期飞行航天器乘员舱内环境模拟设备

中国航天员科研训练中心典型的短期飞行航天器乘员舱内环境模拟设备有飞船内环境模拟舱、应急生保试验舱（主舱）和舱内航天服试验舱等。

飞船内环境模拟舱（图14）直径为2.8 m，长6.8 m，舱内分为生活间、工作间和卫生间3个舱室及过渡间，可以同时容纳5名受试者进行连续30天的试验。该设备可以提供不同的乘员舱压力、增压和减压速率、氧浓度、CO2浓度、温度及湿度等试验环境，建成后完成了大量航天环境医学研究试验、航天员教练员选拔、首批航天员选拔等试验任务[4]63-66, [25]406-409。

图14 飞船内环境模拟舱Fig. 14 Spaceship inner environment simulation chamber

应急生保试验舱（图15）内径2.6 m，总长度5.6 m，由隔板分隔为模拟返回舱和模拟轨道舱。该设备可用于航天飞行全任务综合模拟试验，建成后完成了飞船乘员舱正常状态和压力应急状态飞行任务的综合模拟试验、航天员手动操作和故障处理能力训练、航天员座舱压力应急训练等试验训练任务[4]83-104, [25]413-417。

图15 应急生保试验舱Fig. 15 Emergency environmental control and life support test chamber

舱内航天服试验舱（图16）长5.8 m、内径2.6 m，分为高空舱和副舱2个舱室。该设备可进行1～2人的载人试验，可模拟航天员在整个航天飞行历程中和陆上可能遇到的气候环境（包括正常和应急的压力、温度和湿度等环境），建成后完成了舱内航天服爆炸减压试验、舱内航天服通风散热性能医学评价试验、历年的航天员年度体检和第二批航天员选拔等试验训练任务[4]70-83,[25]409-413。

图16 舱内航天服试验舱Fig. 16 Intra-vehicular space suit test chamber

美国NASA在约翰逊航天中心建有航天飞机ETA/ATA组合试验舱，由航天飞机环控生保系统试验单元ETA和航天飞机气闸舱试验单元ATA组成。该设备最初用于航天飞机乘组训练，后用于人体低压试验[26]24。

载人低压舱应设计紧急复压系统和正常复压系统。紧急复压系统能在短时间内将舱内压力恢复至安全压力。正常复压系统可以在规定的范围内准确地调节泄/复压速率。舱内应配置供氧器，以便受训者出现低压缺氧症状时可以吸纯氧。断电或试验中舱内受试者出现紧急情况（舱内外压力已相同）时，舱门应能够快速开启，为紧急处置赢得宝贵时间。

4.2 中长期载人航天器乘员舱内环境模拟设备

中国航天员科研训练中心建设的中长期载人舱有飞船内环境模拟舱、环控生保系统集成演示验证试验舱、交会对接组合体模拟舱和空间站组合体模拟舱，该中心和深圳市太空科技南方研究院合作建设有“绿航星际”受控生态生保试验技术平台。下面简要介绍环控生保系统集成演示验证试验舱。

环控生保系统集成演示验证试验舱主要用于再生式生保系统产品的综合验证试验。试验舱内径4.2 m，长9.3 m，为双层舱，内外舱之间抽真空以保证舱内漏热不超过187 W。该设备配置有真空机组用于提供模拟外太空的真空源，配置有外环系统用于模拟空间飞行器舱载制冷设备[25]417-420。

美国NASA约翰逊航天中心的20 ft试验舱（图17），主模拟室为φ6.1 m×8.4 m的立式圆柱体，2个气闸舱串联接在主模拟室上。该设备完成过“天空实验室”低压医学实验（SMEAT），后改造为可长期载人低压试验的生命保障系统综合试验设备（LSSIF）。舱内被分隔成3层：底层是公共活动空间，中间层用以放置设备和储物，上层为乘员私人空间[8]64-76, [25]439-440, [26]19-20, [27-28]。

图17 NASA约翰逊航天中心的20 ft试验舱Fig. 17 The 20 ft test chamber of JSC, NASA

俄罗斯生物医学问题研究所（IBMP）拥有曾用于Mars500试验的组合体试验舱（图18），该试验舱由4个气密舱段（医学实验舱、生活舱、公用设施舱和模拟登陆舱）和1个非气密段组成，每个气密舱段具有独立的地面生保系统、供电系统和控制子系统，能监测和控制舱内气体成分[22]。

图18 俄罗斯生物医学问题研究所组合体试验舱平面布置图Fig. 18 Layout plan of combined test chamber in Biomedical Research Institute of Russia

5 出舱活动训练用低压舱[8]78-85, [25]420-443

中国用于出舱活动训练的低压舱主要有中国航天员科研训练中心的舱外航天服试验舱和中国空间技术研究院的KM6水平舱。

舱外航天服试验舱（图19）可模拟宇宙空间的真空、冷黑和热辐射环境，舱体内径4.2 m，圆柱段长6.5 m。舱压变化能够模拟飞船轨道舱泄复压曲线，在舱外航天服总漏氧4 L/min（标准状态）以及水升华器排水蒸气总量为2.8 kg/h工作条件下，能够维持舱内的压力不高于10 Pa。该设备建成后完成了舱外航天服热真空试验、低压测试以及航天员低压舱训练等试验和训练任务。

出舱活动训练用低压舱必须设计有完整的安全措施和试验辅助设备，例如，舱外航天服系统由10 Pa增压至41.3 kPa的最短紧急复压时间为5 s，即使断电断气，舱压与地面压力相同时，舱内也能靠重力快速开启。

图19 舱外航天服试验舱Fig. 19 EVA pressure space suit test chamber

中国空间技术研究院的KM6水平舱（图20）可用于人−船−舱外航天服匹配性测试。该设备总长15 m，内径5 m，用隔板隔成气闸舱和C舱2部分，气闸舱又沿水平舱轴向分隔为A、B两个舱。进行过舱外航天服的热真空试验以及2次人−船−服匹配试验。

图20 KM6水平舱结构示意图Fig. 20 Schematic diagram of KM6 horizontal chamber

俄罗斯用于出舱活动低压训练的设备主要是星星公司的低压舱（图21），该设备为卧式柱形结构，舱体直径为4 m，长5 m，舱内压力能在5 s内由工作压力恢复到41.3 kPa。俄罗斯/苏联的航天员在执行出舱活动任务前均在星星公司的低压舱进行舱外航天服的使用操作训练[22]。

图21 俄罗斯星星公司低压舱Fig. 21 Low pressure chamber of Russia Star Corporation

美国用于出舱活动低压训练的设备主要是约翰逊航天中心的B舱（图22），主模拟室为立式柱形结构，其外形尺寸为φ10.7 m×13.1 m（高），从工作压力复压到41 kPa的最快紧急复压时间为30 s。用于航天员的人−船−服训练，训练的人数通常为2人。整个训练过程只有真空，没有冷热背景，受训航天员始终处在放置于B容器中的飞船模型舱外，不进出飞船模型舱[26]7-9,[29]。

图22 约翰逊航天中心的B舱Fig. 22 Chamber B of JSC

6 前庭功能选拔训练设备[4]178-184

四柱秋千和转椅等前庭功能试验设备可产生线加速度和角加速度环境，提供对人体前庭器官的刺激，用于进行航天运动病研究实验以及航天员前庭功能选拔和训练试验。

6.1 线加速度刺激设备

四柱电动秋千能够产生线性加速度模拟环境，中国航天员科研训练中心的四柱电动秋千（图23）由吊篮舱及机械框架、座椅、电磁驱动系统、控制系统和升降系统等组成。该设备摆长6 m，摆动周期为自然摆动周期，摆角范围为0°～45°，具有手动控制和计算机控制2种控制方式。

图23 四柱电动秋千Fig. 23 Four-pole electric swing

6.2 角加速度刺激设备

转椅是角加速度前庭试验设备，常规的转椅只能绕垂直轴转动。中国航天员科研训练中心曾研制多功能转椅（见图24），在绕垂直轴作水平旋转的同时，可以绕其他2个轴作前后俯仰摆动和左右滚转摆动。该设备曾完成了我国首批预备航天员选拔工作。

图24 转椅Fig. 24 Swivel chair

7 血液重新分布选拔训练设备[23]

7.1 下体负压耐力检查设备

下体负压耐力检查设备一般称为下体负压桶，分为坐式和卧式2种，由桶体、真空系统、控制系统和腰部密封装置组成。下体负压的施加分为恒定负压量和阶梯式负压量，航天员选拔和体检中采用阶梯式施加负压量的方式。

7.2 立位转床

立位转床（又称倾斜床）是一个可以自由旋转的台面或床面，可手动旋转也可以自动旋转，转轴大致在人体+床板的重心位置，设计有配重以保证旋转过程中床体的平稳性。旋转角度为0°～90°（用于立位耐力检查）和0°～-30°（用于头低位检查）；可快速由立位/头低位旋转回水平位，用时为 3～5 s。

8 结束语

随着人类现代科技水平的提高，航天探索活动正在逐步拓展，各航天国家将对月球以及更远的天体及其所在空间环境进行探测，作为当前和未来航天领域的发展重点之一。新的载人航天任务必将对航天员选拔训练提出新的要求。总结航天特因环境选拔训练设备研制经验，跟踪前沿科学技术，研究设计适应航天任务发展需求的载人航天环境模拟设备将会是摆在我们面前的重要课题。