人类迈向太空的序曲:航天飞行模拟训练呈现多样化

2022-01-07 15:37:24 | 来源:解放军报 | 参与: 0

来源:解放军报

随着2022年到来,按计划神舟十三号航天员乘组在中国空间站为期半年的太空生活已经过半。继圆满完成出舱活动全部既定任务、成功开展中国空间站首次太空授课活动之后,3名航天员将在中国空间站度过第一个春节。

航天员在进入太空前,必须熟练掌握飞船发射、在轨飞行、空间站任务、出舱活动、飞船返回等各类复杂技能,避免任何人为失误。因此,地面的模拟训练体系对于航天员成长不可或缺。

模拟器在早期航天飞行模拟训练中占主导地位

早期载人航天飞行停留太空时间短,任务以天地往返为主。因此,模拟训练注重航天员对飞行器的熟练操作以及对指令程序的熟悉程度。

20世纪60年代初,苏联研制的航天飞行训练模拟器,位于加加林航天员训练中心东方号飞船的复刻模型内。它能模拟操作系统、显示系统、信号传输等实际情况。人类首位进入太空的航天员加加林,曾使用该模拟器训练。苏联的联盟号飞船也有自己专属的固定基全任务模拟器,航天员在其中能模拟飞船发射、在轨运行、回收等过程的控制,并模拟飞船对接和降落定位等操作。随着航天任务日益丰富,他们在后期研制出交会对接专项训练模拟器、出舱活动程序训练模拟器和国际空间站乘员训练模拟器等,技术方面以物理环境和舱载设备模拟为主。

美国在20世纪载人航天计划开始之初,就建立了飞船和任务相关的模拟器。目前仍在超龄服役的“国际空间站”,有着全尺寸、高仿真度模拟器,用于航天员日常模拟训练。其训练内容涵盖天地往返、舱内工作、出舱活动、交会对接以及科学实验等。

我国自载人航天工程启动以来,同步开展航天飞行训练模拟器的研制。2002年在神舟三号飞船基础上,研制出第一台固定基全任务飞行训练模拟器。随后,根据飞船技术状态又进行了改造。该模拟器先后完成了神舟五号至神舟七号航天员训练与选拔任务。由于出舱太空行走已在计划当中,2008年我国研制出第一台出舱活动程序训练模拟器,用于航天员出舱活动程序训练。

当前航天飞行模拟训练方法呈现多样化

模拟训练通常根据航天任务来实施。空间站是当前载人航天飞行的主要形式,是从事太空探索的主要场地。因此,对应的训练方法也更加多样化。

——微重力模拟。空间微重力是航天飞行环境中最具特征、也是最有别于地球环境的因素。因此,微重力下的模拟训练是各国航天飞行训练中最重要的项目之一。

建造中性浮力水池是通用办法。航天员穿戴好配重航天服,利用水的浮力和地球引力方向相反的特性,来平衡自身重力,模拟太空中的真实活动。

美国宇航局最新一代垂直悬吊模拟技术,打破了传统垂直悬吊系统水平自由度受限的瓶颈,训练者可在空间X、Y、Z这3个轴位方向进行移动和转动,实现6自由度随动控制垂直悬吊模拟微重力。我国也有自主研发的悬吊移动装置,主要用于模拟航天员在太空舱内水平移动的训练。

此外,美国、俄罗斯和欧洲均常规应用失重飞机开展模拟失重训练。失重飞机是利用性能可靠的飞机进行重复的抛物线飞行,每个抛物线可产生22~28秒的失重时间,每次飞行可飞15~30个抛物线。受训航天员利用这宝贵的20多秒时间,进行漂浮训练、空间定向训练以及穿脱航天服、进食饮水、设备仪器操作等航天飞行中的日常操作。

——飞行程序和任务模拟。全任务飞行训练模拟器是在地面建立的全尺寸全功能飞行器的复刻品,既用于航天员早期熟悉飞船环境、设备布局和基本操作,又用于飞船从发射到返回的全流程任务训练、故障处理能力训练、飞船手动飞行操作训练、应急救生模拟训练等。针对不同的航天计划,需研发相应的全任务飞行模拟器。

专项训练模拟器是针对航天飞行中某些专门操作或任务研发的。如交会对接手控训练模拟器、出舱活动程序训练模拟器、机械臂操作训练台等。

——环境模拟。除了空间微重力外,特殊的航天环境因素还包括发射及返回时经历的超重和冲击环境。

载人飞船在发射过程中超重过载可达5~8G,在返回过程中最大过载为4~5G。地面模拟超重训练,主要是采用载人离心机,通过训练能显著提升航天员的超重耐力。

冲击环境,主要是发射阶段火箭点火、燃烧、分离等过程产生的爆炸冲击环境,以及返回着陆阶段的开伞冲击和着陆冲击。目前,应用垂直跌落式水刹车冲击塔对该环境进行模拟较为普遍。

——虚拟现实和增强现实模拟。虚拟现实技术是近年来应用于航天飞行训练的新技术,在交会对接、空间站舱内导航等训练中得到普遍运用。尤其是空间站舱内导航训练,由于重力缺失,航天员会出现倒置错觉、视觉重定向错觉、导航困难等空间定向障碍问题。实物模拟器难以实现在失重条件下不同身姿在空间站内漫游时的视觉反馈。虚拟现实技术模拟失重环境下的空间站舱内导航训练,能帮助航天员在脑海中建立空间认知地图、培养其关于空间站的三维记忆能力和三维视角变换能力。

载人飞行任务要求航天员必须具有自主决策和处理问题能力。增强现实技术可将计算机生成的虚拟信息融合到真实视觉信息中,形成一个虚拟信息和真实环境融合的场景,从而给航天员提供丰富的信息支持。目前,欧洲航天局的可穿戴增强现实系统“WEAR”,已得到验证和应用。在成熟的增强现实系统支持下,航天员关于程序性的模拟训练将大大减少,更多精力可投入到专项技能的强化训练上。

着眼未来展开深空模拟训练

载人航天的发展趋势,是到达更远的星球、进入更深的太空。月球是人类进入深空的第一“跳板”。美国曾于20世纪完成载人登月计划,但由于美苏太空竞赛导致耗资巨大等因素,该计划未得以延续。

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