空间站航天员出舱活动验证方法与项目

陈金盾，翟志宏，付元华，王 在，刘伟波

(中国航天员科研训练中心，北京100094)

1 引言

空间站在轨组装建造、维护维修，空间应用与科学实验，都需要航天员实施出舱活动，完成大量复杂的舱外作业任务。出舱活动(Extra Vehicular Activity，EVA)已成为载人航天任务中的一项关键技术。

航天员出舱活动是一项高风险、高负荷的复杂太空作业，涉及人(航天员)、机(舱外服、气闸舱、作业对象、舱外机械臂、辅助设施等)、环境(空间失重、低压、热真空等)等多种要素，是个复杂的人-机-环系统，存在机械、供电、换热、通信、人机界面等复杂接口，且这些接口是随着出舱活动进展动态变化的。为保证出舱活动任务成功和航天员安全，需对人-机-环要素进行充分的地面验证。但是在地面难以创造出失重和真空的复合环境，需合理设计验证项目，分阶段、分现场验证出舱活动剖面[1]。

NASA要求在出舱活动系统的初步设计评审前、关键设计阶段和详细设计等各阶段都要进行地面验证，并且验证时还需考虑出舱活动特有的舱外环境因素(失重、热环境、昼夜交替)、人服工作能力(机动性、可达域、操作力)等影响因素。NASA常用的地面验证方法有模拟失重水槽模拟操作验证、失重飞机验证、悬吊操作验证、手套箱操作验证、数字仿真验证等[2]。同时，美俄均利用在轨飞行开展了大量的在轨EVA验证，如美国在国际空间站发射前，利用航天飞机和和平号空间站开展了大量空间站建造及舱外作业所需的专项验证；国际空间站建造初期，还对因天地差异导致地面无法充分验证的项目，开展飞行验证，初期以舱外服、空间站平台支持、人服能力验证为主，后期重点针对新的重大任务、出舱活动技术改进持续开展飞行验证[3]。

我国神七任务研制中，围绕出舱活动涉及的人、船、服、出舱程序、真空和失重环境，分别组织实施了水下出舱活动验证试验、载人低压试验、地面常压工况的舱外服与飞船接口联试等验证试验[1]。

国内外都非常注重航天员出舱活动验证。在验证策划和设计上注重天地统筹，一方面尽可能充分利用地面试验现场，开展充分的地面研制验证，体现“设计-验证-修改设计-再验证-确定状态”的迭代过程；同时识别天地差异，开展必要的飞行验证。这些经验值得借鉴，但出舱活动验证总体设计如何保证覆盖出舱活动所涉及人、机和环境等要素及各要素间的接口，验证方法的选取等，均未见文献报道。

本文首先介绍航天员出舱活动验证方法，指出各种方法的适用范围和优缺点；其次，以出舱活动程序为牵引，分析空间站出舱活动任务剖面，全面识别出舱活动系统验证需求，并针对需求特点，合理选取验证方法；然后，针对出舱活动的复杂剖面，从获得准确结果、提高验证效益出发，合理分类，将各项验证需求及其对应的验证方法，按同一模拟试验环境的验证子项，合理整合，一并验证，提高验证效率；最后，按循序渐进、先易后难的原则选择试验现场，通过地面试验可提前发现潜在问题并修改设计，使整个验证的可实施性更好。提出的一套出舱活动验证方法已用于指导中国空间站出舱活动系统验证。

2 出舱活动验证方法

当前的空间环境地面模拟技术，难以模拟出适用于出舱活动验证的失重和真空复合环境，需要以单一环境要素构建不同环境现场实施模拟验证，从而将“大综合”划分为多个人-机-环“小综合”模拟试验[1]。

2.1 模拟失重环境试验验证

航天员穿着舱外服，需在模拟失重环境中，完成出舱过闸、舱外行走、舱外作业等操作，验证失重环境下航天员、舱外服、气闸舱、舱外辅助设备、作业对象等要素间匹配性和可操作性等。从模拟手段上又分为以下几种：

1)模拟失重水槽模拟验证。航天员穿着水下舱外服，经过浮力配平后可在水中达到保持任意姿势的中性浮力状态。水下环境中人的活动范围、操作能力、整体运动方式和在轨基本一致，为出舱活动验证提供了可行方法。水下试验几乎不受时间、运动范围限制，具有6个自由度，适合长时间、大范围的出舱活动验证，尤其是从出舱到返回的航天员舱外活动验证[3]。缺点是水的阻力较大，且配平后存在正稳定效应，不易自主变换并维持非配平姿态。

2)气浮台微重力运动模拟验证。气浮台提供近似无阻力的的平面运动环境，可对出舱活动航天员转移和安装大体积、大质量物体等运动过程的施力特性较为真实模拟[4]。但气浮台二维微重力运动模拟系统只能提供在平面3个自由度运动，其他自由度受限，运动范围也有限。

3)气浮悬吊验证。利用气浮消除阻力、悬吊平衡重力2种方法相结合，穿着舱外服的航天员可在水平范围内自由活动，也可在垂直方向自由升降，实现一定范围内4个自由度运动，能模拟微重力环境中航天员施力后的人服系统运动特性，适合开展真实产品人机操作界面的验证[5]。缺点是不能模拟航天员俯仰和滚转。

4)失重飞机验证。失重飞机抛物线飞行可提供真实的失重环境(0.01G左右)，一个抛物线飞行能够提供15～45 s、一个起落架次提供累计10～20 min的真实失重环境[5]，可为重力敏感试验项目提供宝贵环境。但维持失重环境的时间短，空间有限，不适于开展连续舱外操作。

2.2 低压环境验证

使用低压舱模拟真空/低压环境，能够准确模拟出舱过闸和返回过闸的压力变化过程，以及模拟舱外真空环境，验证气闸舱、舱外服及其舱载设备的接口匹配性。通常分为无人低压试验和有人低压试验2种工况[6-7]。缺点是受低压舱的容积限制、地面重力约束，活动范围受限，难以实施舱段级的低压验证。

2.3 常压环境验证

在地面常压环境下，开展与微重力环境和真空环境无关的出舱装备之间的物理接口验证，如供电、供气、通信、时序匹配等验证[1]。

2.4 仿真验证

仿真验证可发现明显的人机界面设计问题，降低实物验证成本[5]。但受限于微重力条件下仿真建模能力，难以实现航天员穿舱外航天服条件下的空间活动、生物力学和视觉的协同仿真。

2.5 飞行验证

鉴于上述地面环境模拟和仿真验证的不足，重点需对施力特性、作业姿态、作业时间等存在较大天地差异的项目，安排出舱活动在轨验证，修正地面试验和仿真验证数据。

3 航天员出舱活动验证需求分析

3.1 空间站出舱活动系统

空间站节点舱配置泄复压系统、舱外服、舱外服舱载支持设备，在空间站建造初期兼做气闸舱，用于支持航天员出舱过闸；在空间站建造完成后，使用专用气闸舱出舱，节点舱作为备份。空间站外部配置空间机械臂、扶手、照明、摄像通信等出舱活动辅助设施，用于支持航天员自主舱外行走，或机械臂辅助航天员转移；配置作业工具，在舱外有效载荷等作业对象附近均设置作业点，为航天员作业提供支持[8]。还需制定出舱活动方案、故障预案、舱外作业规划，据此形成航天员出舱活动程序等。上述硬件设备和出舱方法一同构成空间站出舱活动系统[1]。

3.2 出舱活动系统验证需求

在出舱活动过程中，人、空间站、舱外服、失重和真空环境等要素通过出舱活动程序串联、组合在一起，各要素之间的接口复杂，且动态变化。为全面分析验证需求，需要以出舱活动程序为牵引，对出舱活动典型任务剖面进行分析[1]。

根据出舱活动程序，航天员出舱活动任务剖面可划分为出舱前准备段、出舱过闸段、舱外活动段、返回过闸段、出舱后恢复段5个时段[9]。

3.2.1 出舱前准备段

从出舱活动准备开始，到出舱当天航天员穿舱外服、关闭背包门为止的时间段。主要工作项目包括出舱消耗品安装，舱外服及舱载设备检查，舱外服尺寸调节与个人装备准备，通信、照明和摄像检查，舱门检漏，航天员穿舱外服并关闭背包门等。

涉及的要素主要有航天员、舱外服、气闸舱舱载设备、出舱泄复压设备、舱内常压及狭小空间环境等。需重点验证人与环境、机与机之间接口，主要有：航天员在舱内狭小空间环境作业可行性验证，包括航天员在气闸舱内完成舱外服组装测试与转移的可行性、气闸舱内设备布局合理性；设备与设备间接口匹配性验证，包括舱外服与气闸舱接口验证，舱外服舱载设备与空间站接口验证。

3.2.2 出舱过闸段

从航天员穿好舱外服开始，至准备打开出舱舱门为止的时间段。主要工作项目包括舱外服及舱载支持系统检查、气密性检查、气闸舱初步泄压(舱压约70 kPa)、大流量冲洗、吸氧排氮、气闸舱完全泄压(舱压低于2 kPa)、舱外服转自主工作模式等。

涉及的要素主要有人服系统(航天员穿着舱外服)、气闸舱舱载设备、舱内变压力环境及狭小空间等。需验证人服系统与环境、设备与设备之间接口匹配性，以及重要设备性能等，主要有：①验证航天员穿着舱外服充压状态在气闸舱狭小空间操作可行性，包括气闸舱内过闸设备布局合理性、过闸程序合理性；②验证舱外服与气闸舱接口匹配性，即过闸泄/复压过程中舱外服与气闸舱的压力匹配性；③设备性能验证，包括真空泵抽气与气闸舱泄/复压速率、泄/复压时间的匹配性，舱外服大流量冲洗耗氧量。

3.2.3 舱外活动段

从出舱舱门打开操作开始，至航天员完成作业任务返回气闸舱、关闭出舱舱门并完成检漏为止的时间段。主要工作项目包括舱外作业准备、舱外作业和作业后撤收3类。舱外作业准备的典型工作内容包括航天员打开出舱舱门、出舱、安装机械臂末端工作台、舱内外物品传递、航天员自主舱外行走或机械臂辅助转移至作业点等；舱外作业主要是使用舱外工具进行设备安装、维护维修、有效载荷操作等；作业后撤收主要包括工具和物品整理，携带物品从作业点返回到气闸舱，关闭出舱舱门并检漏等。

涉及的要素主要有人服系统、机械臂和辅助设施、舱外工具、作业对象、微重力和真空环境等。需重点验证人服系统与设备、设备与设备间接口匹配性，主要需验证人服系统在失重环境下完成作业的可行性，包括：①舱门开启力，出舱舱门开关和进出舱操作；②航天员携带设备进出舱；③航天员舱内、外传递设备；④航天员上、下机械臂，机械臂辅助转移；⑤航天员舱外自主转移路径、通道；⑥舱外作业点设置；⑦舱外工具操作；⑧舱外作业点空间布局、扶手、脚限制器等支持能力；⑨舱外作业程序。还需验证设备间接口匹配性，包括舱外服与空间站舱外无线通信接口、舱外载荷与空间站之间接口。

3.2.4 返回过闸段

从关闭出舱舱门并完成检漏开始，到气闸舱复压至80 kPa为止的时间段。主要工作项目包括气闸舱复压至40 kPa，舱外服转舱载模式，舱外服加压至80 kPa、气闸舱复压至80 kPa等。相关验证需求同出舱过闸段。

3.2.5 出舱后恢复段

从打开舱外服背包门开始，至完成气闸舱状态恢复为止的时间段。主要工作项目包括航天员脱舱外服、气闸舱复压至工作舱压力、打开气闸舱-工作舱舱门、更换个人装备、气闸舱和工作舱状态设置、舱外服及舱载支持系统状态恢复与整理等。

涉及的要素主要有航天员、舱外服及气闸舱舱载设备、舱内常压及狭小空间环境等。需重点验证人在狭小空间环境作业可行性、气闸舱恢复程序合理性。

3.2.6 出舱活动故障与应急措施验证需求

为保障航天员安全，需充分考虑出舱活动中的异常问题和应急对策，可能出现的故障或问题主要有以下4类：

1)舱外服故障。舱外活动期间舱外服可能出现风机故障、服装泄漏、供氧调节异常等故障，航天员须中止舱外作业，紧急返回气闸舱。需要验证机械臂支持航天员紧急返回、航天员自主紧急返回气闸舱2种情况下的返回时间；

2)气闸舱故障。航天员从舱外返回气闸舱过程中出现气闸舱故障无法复压时，航天员需转移至节点舱，利用其备份气闸功能，返回空间站舱内。需要验证航天员从舱外开启节点舱舱门可行性等；

3)机械臂故障。机械臂因故障停止运动，航天员需从机械臂末端回到空间站舱壁。需要验证机械臂支持航天员返回舱壁的可行性；

4)航天员失去工作能力。若一名航天员因故失去工作能力时，需由另一名航天员将其救援返回至气闸舱内。需验证舱外救援方法和程序。

综上，需要验证出舱活动故障应急预案，确保航天员安全。

3.2.7 出舱活动方案验证需求

为确保出舱任务成功和航天员舱外作业效率，在上述出舱活动系统工程设计验证的基础上，还要保证出舱活动方案设计、舱外作业规划、航天员分工与作业安排合理可行[3]。需验证出舱活动方案、舱外作业任务规划、乘组分工与作业安排的合理性与可行性。

3.2.8 出舱活动飞行验证需求

气闸舱、机械臂和人服系统作业能力是空间站出舱活动的关键要素，在轨微重力环境和地面模拟环境存在一定差异，需对节点舱和专用气闸舱支持航天员过闸能力、机械臂辅助航天员和设备转移能力、机械臂和辅助设施支持航天员定点作业能力，以及舱外典型作业和在轨救援流程等，开展在轨飞行验证，确认空间站具备出舱活动应用能力[3]。

梳理上述各项验证需求，可将这些验证需求按属性归纳合并为：设备间接口、气闸舱内狭小空间布局、舱外活动支持及作业、出舱活动程序、故障模式、出舱方案与舱外作业安排、飞行验证7类33项验证需求，详见表1。

4 航天员出舱活动验证项目

4.1 确定出舱活动验证项目原则

确定验证项目的思路和原则：

1)全面覆盖验证需求。每项验证需求均需确定合理的验证试验环境和方法；

2)归类整合验证项目。同一模拟试验环境的项目，合理整合，一并验证，提高验证效率；

3)循序渐进、先易后难。先仿真验证，后实物验证；先常压环境验证，后低压/真空环境验证；先地面(悬吊)验证，后水下验证；

4)识别天地差异，针对性安排飞行验证。重点围绕航天员空间施力特性、操作体态、作业时间的天地差异，以及空间站出舱活动支持关键性能，开展在轨验证。

根据设计思路和项目特性，对梳理出的33项验证需求，从仿真验证、常压环境验证、低压环境验证、模拟失重环境验证、飞行验证等几种验证方法中选择一种主要验证方法，见表1。

4.2 出舱活动验证项目分类

根据上述思路，给出空间站航天员出舱活动验证项目及其验证方法，可按试验环境和现场归类成仿真验证、常压环境验证、低压环境验证、模拟失重环境验证、飞行验证等5类18个验证试验，表2给出了验证项目分类及实施的试验现场。在此基础上，对各项验证项目进一步细化，给出每个项目的验证目的、方法、内容、技术状态、所需保障条件等，可作为空间站航天员出舱活动系统验证实施的依据。

该验证项目优势在于：①做到了地面验证充分，化解飞行试验风险；②解决了地面难以创造失重和真空/低压复合环境的难题；③几种模拟环境验证互相补充，提高了研制效益。

4.3 应用情况

在空间站研制过程中，遵循该出舱活动验证方法和项目分类，在不同现场组织实施各类系统级综合验证试验。

表2 空间站航天员出舱活动验证试验现场Table 2 Verification test sites for space station EVA

1)采用仿真验证方法，使用气闸舱模型、舱外设备模型、人服系统模型开展仿真，初步验证了核心舱节点舱空间布局、典型舱外作业的合理性(图1)等；

2)在地面常压环境，开展了舱外服与气闸舱接口匹配验证试验，验证了舱外服和气闸舱的气、液、电、机械以及信息接口匹配性；

3)在模拟失重性能水槽，配置水下舱段和设备，利用水下模拟失重环境，开展了出舱活动水下模拟失重环境验证试验(图2)，验证了航天员进出舱、舱外作业方案的合理性；

图1 航天员典型舱外作业仿真验证Fig.1 Simulation verification for a typical EVA operation

4)利用低压舱模拟真空环境，对气闸舱进行了泄复压试验，验证了气闸舱泄复压速率、时间以及气体回收率等指标，并开展出舱过闸载人低压试验。

图2 出舱活动水下模拟失重环境验证试验Fig.2 EVA verification test in neutral buoyancy lab

通过上述试验，改进了机械臂末端接口、舱外人机界面的工效学设计，确定了核心舱出舱活动技术状态，以及舱外服与气闸舱的接口状态，建立了空间站出舱活动能力包络，并为后续研制提供依据。

5 结论

1)给出出舱活动验证的主要方法，指出各种验证方法的适用范围和优缺点，为验证方法选择提供参考；

2)以航天员出舱活动程序为牵引，分5个程序时段系统分析出舱活动中所涉及的人、机和环境要素，识别各要素之间接口验证需求。将同一模拟试验环境的验证内容，合理整合，形成验证项目，便于工程实施；

3)研究提出的验证项目和方法，已应用于空间站核心舱出舱活动验证，验证结果表明提出项目的可行性，显著提高了工程验证效益，并可推广应用于空间站后续舱段研制。