地面模擬設備

地面模擬設備，是指用人為的方法或手段創造出與自然環境相似或相同的環境稱為“人造環境”，也稱為對自然環境的模擬。它所用的科學儀器設備就稱為模擬設備。為保證人在太空的正常飛行，在航天員上天之前，必須在地面上就應熟悉航天中所遇到特殊環境因素要熟悉載人太空飛行器的基本結構性能與駕駛操縱太空飛行器的本領，就得使用地面上能模擬航天中遇到的各種環境因素的模擬設備。

基本介紹

• 中文名：地面模擬設備
• 外文名：Ground simulation equipment
• 俗稱：人造環境
• 分類：三類
• 作用：飛行任務模擬

設備分類

常用的載人航天地面模擬設備有三類：（1）針對航天中所遇到的特殊環境進行模擬的設備；（2）為航天員訓練航天作業所用的各種飛行模擬器；（3）建立各種艙體，模擬太空飛行器內部環境的模擬設備。

特殊環境模擬

模擬航天中所遇到的特殊環境的模擬設備較多。例如，模擬超重環境的人用離心機，也稱人工重力環境模擬器，其超重過載值可根據需要而變，以考驗被試者抗重力過載負荷能力；模擬失重環境的失重飛機和模擬失重感覺的大水池；模擬載人太空飛行器著陸衝擊時產生衝擊力的"衝擊塔"模擬高速氣流吹擊的風洞設備；模擬瞬間彈射力的彈射塔、火箭車（滑軌車）和飛機彈射裝置等，模擬壓力、溫濕度環境因素的模擬設備，如低壓艙、高壓艙、迅速減壓艙、真空艙和高低溫艙等模擬旋轉力、角加速度環境因素的轉椅、旋轉台，這類設備在考 驗人體平衡機能時最有用；模擬噪聲環境的噪聲室及其設備；模擬振動環境的振動台；還有模擬電離輻射、紫外線、雷射、紅外線和微波輻射的各種模擬設備等等。

載人太空飛行器在地球軌道飛行時，每繞地球飛行1周，光環境會發生2次變化。因為艙外活動時間達6～7h，該因素應當予以考慮。由於有陽光時航天員工作區域能見度好，航天員的活動會輕鬆；而在黑暗時，航天員在獨立生保系統和移動系統的控制、工具的使用、完成艙外活動目標任務方面會出現問題。此外，航天員應會正確地使用艙外活動用的獨立照明設備和航天服照明器。所以，必須使人適應常規的光環境，必須確立在這種環境下的最佳動作和工作方法。對艙外活動明暗環境的物理模擬，可在密封艙、水槽及各階段功能模擬器上進行。在這種情況下，要獲取航天飛行因素對艙外活動系統的綜合影響，並保障最逼真地再現太空工作的客觀環境。明暗環境的模擬歸根結底就是，按一定的規律對上述技術設施的照明設備進行控制。

飛行任務模擬

飛行模擬器是針對載人航天任務而設計的執行各種飛行任務的模擬器。其主要功能是在地面模擬（復現）太空中飛行條件和實際載人太空飛行器運動狀態，為航天員提供運動感覺、視覺、聽覺和操縱負荷等各種感覺，使航天員感到好像真的在太空駕駛太空飛行器一樣。飛行模擬的基本組成有計算機管理控制和仿真系統、模擬座艙、視景系統、儀表系統、操縱負荷和音響系統等分系統。每個具體飛行模擬器都是針對具體載人太空飛行器型號的。蘇聯和美國所發射的各種載人太空飛行器都有各自的飛行模擬器，其中美國阿波羅號登月飛船的飛行模擬器，可以模擬從起飛到登月和返州地面等全程式飛行。也有隻模擬載人航天某項飛行技術的模擬器，如模擬飛船的起飛，人軌和姿態如何控制等飛行技術的模擬器。還有模擬在太空作業的專項模擬裝置，如太空對接、太空維修和出艙模擬器等等。

內部環境模擬

模擬航天員在太空生活與工作的微小空間環境，都是以各種艙室的形式來完成的。這種微小生活空間艙室與航天員在太空生活的空間，除不能模擬失重環境外，其他都模擬逼真。例如，它是密封艙體，內在環境完全按載人太空飛行器設計要求加以控制。其氣壓、氣體成份、氧氮比例、溫度、濕度、供水、供電、供食（要吃航天食品）、廢物收集處理和個人衛生等各種需求，都要全部或幾項，單項模擬出來。這種微小生活空間模擬對於考察和訓練人對長期在太空生活的適應性是很重要的。艙內可配置載人太空飛行器的常規設備，包括：過渡艙段、氣閘系統、航天服、技術系統和監控設備，物理載荷仿真器等。在這些艙內可以研究航天服在各種制度下的使用效果、氣閘系統的工作能力及其控制方法、人對物理載荷和低壓的承受能力，評價航天員穿著航天服時的生理衛生指標，並進行航天員穿著航天服在太空真空環境下的工作技術（如太空焊接作業）和心理訓練。在氣壓艙內進行艙外活動作業訓練時，需要解決的一個重要問題是：創造航天服內總壓力、氣體成份、通風和熱感方面與常規環境相同的條件。該訓練方法的主要優點是：在模擬航天飛行條件下，具有再現航天員完成常規艙外活動的能力。其缺點是工作量大、工作費用高和模擬意外情況能力有限。

航天訓練

模擬訓練

這是一項非常重要和有效的訓練。內容包括在航天因素模擬器上的訓練和飛行操作練習器上的訓練兩項。

航天因素對於人類來說是異乎尋常的。這些因素主要有：飛船上升段和下降段的超重、震動、噪音；軌道飛行段的失重、真空、輻射和懸殊的溫差變化。為了使航天員熟悉和適應這些獨特環境狀況，在地麵條件下建立了一系列的模擬設備，諸如大型離心機、失重飛機、振動台、噪音模擬器、變溫艙、變壓艙、隔絕室、輻射室和彈射設備等，現分別介紹如下：

（1）宇宙空間條件模擬艙。除了低壓外還要模擬宇宙中的亮度和溫度變化。

（2）超重模擬器——離心機。這是航天員最有價值的訓練設備之一。離心機臂端的吊籃里有躺椅、儀錶板、手控制器和聯動裝置及環境控制系統、加壓服和生物醫學儀器。吊籃密閉後可減壓到實際飛行的座艙壓力。運轉時可模擬正常發射、再入及可能的失敗再入情況。

休斯頓研製載人飛船科研中心修建的離心機，其臂長15m，在以7.5g/s的速度增加超重時可達30g的超重狀態。臂端上的艙直徑為3.6m，容積14m3，重3624kg，可容納3名身穿航天服的航天員。艙內壓力可在1～0.35atm範圍內變化。相對濕度為40%～60%，溫度10～100℃。艙有3個自由度，因此可以建立不同方向作用於航天員的超重條件。改變離心機旋轉的角加速度可以獲得飛船發射過程中第一級火箭分離時刻、第二級火箭工作及分離時刻和第三級火箭發動機工作時出現的加速度。艙內設有生物遙測設備和電視機。

通過在離心機上的訓練可以提高航天員對超重的耐力及在超重條件下操縱飛船和通信的能力。

（3）失重模擬，是在飛機沿拋物線軌跡飛行時實現的。航天員在這樣的失重飛機上練習失重狀態下飲水、進食、通話、定向和完成各種精細的協調動作的能力。由於在失重飛機上模擬的失重時間較短，自1966年開始美國的航天員開始在特殊的“失重水池”中訓練。儘管身體在液體中移動時仍會遇到阻力，但潛水時所出現的中和飄浮現象可使航天員熟悉具有3個自由度的人體動態。飛行前在這種水池裡經受過訓練的航天員對這種訓練給予很高的評價。目前，失重模擬訓練主要是使用中性浮力水槽和失重飛機。在水介質中模擬失重被認為是失重訓練最普遍和有效的方法之一，同其他方法相比，該方法具有許多優勢：模擬時間客觀上不受限制，可按原尺寸大小配置載人太空飛行器的模型，工作費用不高。在失重條件下研究艙外活動時應考慮到以下因素：地球的萬有引力，水介質的推動力，流體動力的液體阻力對物體平移運動和旋轉運動的影響、介質的慣性。在為某些類型設備製造水壓模擬器時，上述因素會造成技術上的困難，這就決定了該方法並不是萬能的。

（4）航天練習器。包括從簡單的操縱台到極複雜的全程式動、靜態模擬設備。按其用途的不同可分為三組。第一組是靜態裝置。它實際上就是讓航天員熟悉飛船上所有系統的精密製作的教具，這種練習器對於航天員掌握飛船的電力系統、燃料系統、生保系統和操縱、導航系統的工作是必不可少的。第二組練習器幫助航天員了解他即將要完成的任務並獲得相應的經驗。它們或是動態，或是靜態，可能比較簡單，也可能相當複雜，這取決於它們的用途。第三組練習器是靜態設備。模型內部精確地複製真實飛船內部的設備，可以發生髮射飛船時的噪音，投影機和反射鏡系統可以逼真地顯示星空地貌及飛船按假定軌道逐漸運動的變化，操縱台上的儀表向航天員提供必要的信息，由計算機調節儀表顯示、與給定顯示進行比較並使這些顯示發生相應的改變。藉助於這個計算機裝置，設計師可以模擬應急情況，從而考驗和鍛鍊航天員採取正確的解決方法、排除故障的能力。這種練習器對於訓練航天員和地面飛行控制中心的操縱員來說都是必要的，對於他們協同完成飛行任務起著重要作用。

（5）多軸旋轉慣性裝置。主要用於姿態控制的訓練，以便在飛船自動控制失靈時航天員建立信心，並通過手控停止飛船翻滾和恢復原來的姿態。

救生訓練

包括正常回收和在可能出現意外情況下的救生訓練。內容有彈射和跳傘訓練及學會在熱帶、沙漠和水上等各種惡劣環境下應急著陸後的生存手段。在整個訓練過程中可能還會發現並淘汰一些不十分理想的候選人員。只有經過上述極嚴格的選拔和訓練，證明是卓絕的人才能獲得航天員的資格。

英研製出虛擬跳傘訓練器

據英國《每日郵報》2011年2月28日報導，英國國防部日前推出的一套可全部模擬高空降落的地面傘兵訓練設備，有望填補實戰跳傘訓練和地面基礎訓練間缺少過渡的空白。據介紹，這套跳傘訓練設備可以讓受訓者在地面上完全模擬真實高空跳傘的所有程式，其中包括在飛機上排隊等待、打開降落傘、安全落地等內容。

中國地面模擬技術

俄羅斯/蘇聯是最早實現艙外活動的國家，在艙外活動方面有大量、豐富的經驗，多年來已形成了一套完整的訓練體系。俄羅斯航天員艙外活動訓練內容主要包括理論訓練、單項實踐訓練、出艙程式訓練和出艙任務訓練。出艙和艙外活動訓練的大型設備主要有中性浮力水槽、失重飛機、艙外活動訓練模擬器、氣壓艙、航天員移動設備動力學制度模擬器、脫掛試驗台和氣墊平台等。我國與俄羅斯在載人航天領域的交流比較廣泛，也充分借鑑了俄羅斯在艙外活動方面的經驗。

太空對接裝置

神舟八號與天宮一號在太空成功對接，使我國成為繼美、俄之後第3個掌握交會對接技術的國家。要在地面真實模擬兩個太空飛行器在太空對接運動的過程，首先必須克服地球引力的影響，比較真實地再現物體在失重環境的運動。由於地球引力使物體產生重力，重力產生摩擦力，摩擦力阻礙物體的運動。如果能夠消除或最大限度地減小摩擦力的影響，就能比較真實地再現物體在失重環境的運動。基於這一原理，由上海航天技術研究院805所、中科院瀋陽自動化所、哈爾濱工業大學、青島精密儀器公司等多家單位聯合研製的空間對接機構緩衝試驗台構思新穎、設計巧妙，目前已擁有多項國家專利發明技術。

該試驗裝置建造了兩艘質量、慣量、質心與真實的飛行器完全相同，並能夠安裝真實對接結構的飛行器模擬件，可通過獨創的氣浮技術，將兩個飛行器模擬件懸浮起來。由於空氣的摩擦阻力非常小，可以忽略不計，因此能較真實地模擬兩個飛行器的對接機構在失重狀態下，從碰撞、捕獲、緩衝、連線到分離的全過程，並能測量整個過程中，兩個飛行器模擬件的位置和速度，以及對接過程中的撞擊力和緩衝力的變化。總重量100多噸的空間對接機構綜合試驗台，是我國載人航天二期工程最大的地面試驗設備，由上海航天技術研究院805所牽頭，哈工大、上海交大、浙大、華東計算機所、上海重機廠等多家單位參與共同研製。

試驗台性能

綜合試驗台採用“半物理仿真試驗”原理，能模擬最大質量為8噸－100噸的空間飛行器對接動力學全過程，並能模擬飛行器的在軌高低溫環境運行。其中，參與試驗的主動對接機構和被動對接機構是真實產品，飛船和空間站的質量、慣性等特徵則採用數字模型描述。根據給定的交會對接初始條件，通過控制“六自由度運動模擬器”來實現兩個飛行器對接過程的相對運動，使對接機構進行碰撞、捕獲、緩衝、校正試驗，與緩衝試驗平台在功能上相互補充，在試驗結果上相互驗證。

由上海航天技術研究院牽頭、哈爾濱工業大學承制的空間對接機構整機特性測試台，可對空間對接機構裝配完成後的特性參數進行測試，主要包括對接配合尺寸、對接環運動和力學特性、傳動系統和捕獲系統承載能力、機電配合特性等。

以哈爾濱工業大學為主研製的空間對接機構熱真空試驗台，則專門用於考核對接機構在真空高、低溫環境條件下的工作性能。該試驗裝置能將對接機構放入一個足夠大的真空罐中，建立高空高低溫試驗環境，利用飛輪模擬兩個飛行器的動能，建立初始條件實現對接過程，進行碰撞、緩衝、密封連線、分離試驗。這些高水平的大型試驗設備的成功研製大大提升了我國航天技術水平，為我國從航天大國邁向航天強國打下了堅實的基礎。

國外訓練模擬器及啟示

美國阿波羅計畫訓練模擬器

Apollo 訓練器主要包括4 大類，即指令艙任務模擬器、登月艙任務模擬器、出艙活動模擬器、月面科學儀器模擬設備和月球車模擬器。

（1） 指令艙任務模擬器

指令艙任務模擬器主要用於指令艙飛行程式和操作訓練，其訓練功能分配到指令艙模擬器、指令艙程式模擬器、動態乘組程式模擬器和交會對接模擬器等模擬器，由它們共同完成在不同飛行階段需要掌握的程式和操作技能訓練。其中，指令艙模擬器模擬阿波羅飛船的指令艙，高近30英尺，重約40噸。它可以讓乘組熟悉設備、乘組工作、任務程式和應急飛行情況。共有3台指令艙模擬器，一台位於德州休斯頓的載人飛船中心，2 台位於佛羅里達的甘迺迪中心。

（2）登月艙任務模擬器

登月艙任務模擬器主要用於登月艙飛行程式和操作訓練， 其訓練功能分配到登月艙模擬器、登月訓練飛行器、登月艙程式模擬器和全任務工程模擬器。以首次等月前任務為例，其中登月艙模擬器主要用於登月艙設備操作和環境熟悉訓練，登月訓練飛行器主要用於指令長登月操作訓練，登月艙程式模擬器主要用於登月艙飛行程式訓練，全任務工程模擬器具有飛行程式、操作設備和環境布局的工程設計仿真驗證和訓練功能。

（3） 出艙活動模擬器

出艙活動模擬器用於登月艙與指令艙之間的空間出艙訓練、月面出艙訓練，主要包括登月艙模擬艙、1/6 重力模擬器、六自由度模擬器和失重飛機等。以Apollo11 任務為例，登月艙模擬艙用於航天員月面出艙和返回訓練，失重飛機用於空間出艙和壓力服管路操作訓練，水下訓練用於CMM-LM 對接通道轉移和壓力服出艙訓練，1/6 重力模擬器用於月面重力環境模擬訓練，六自由度模擬器用於運動感知熟悉訓練。

（4） 月面科學儀器模擬設備

在 Apollo11 任務後期，月面科學試驗所占比重和複雜性增加，研製了高逼真度的地面模擬訓練設備，開展了相關訓練。主要模擬訓練設備包括太陽風組成實驗設備、阿波羅月面實驗箱、艙載設備傳送器、艙載設備組件包、S 波段天線等。

（5） 月球車模擬器

月球車相關的操作包括組裝、巡航、車基實驗等，對應的訓練由相關模擬器完成，主要包括月球車1-G 訓練器、月球車巡航模擬器、組裝用訓練器和戶外訓練用月球車訓練器。

（6） ASTP 模擬器

除阿波羅計畫之外，美國聯合蘇聯開展了阿波羅-聯盟飛船試驗項目，在該項目中研製了相應的模擬器，例如對接艙訓練器（對接艙用於連線阿波羅飛船和聯盟飛船）。

蘇聯載人登月訓練模擬器

前蘇聯載人登月工程中的載人登月飛行器包括繞月飛船探測器L-1、月球軌道器LOK(Luniy Orbitanlny Korabl)和登月艙LK(Luniy Korabl)。上世紀60 年代後期，前蘇聯研製了載人繞月飛船7K-L-1 的模擬器和用於落月訓練的L-3 模擬器。但隨著K-1 和L-3 飛行計畫的推遲，模擬器的研製最終被取消。在阿波羅-聯盟飛船試驗項目ASTP 中，美國航天員Thomas P. Stafford、Steven J. Dick在前蘇聯模擬器中開展了飛行程式和交會對接飛行最後對接段的訓練。

啟示

從國外登月訓練模擬器和訓練情況看，有以下幾點啟示：（1）模擬器訓練是航天員訓練的重要組成部分，阿波羅任務各階段均占各類訓練總時間的三分之一以上，具有其他訓練手段不可替代性，因此，應該研製各種類型的訓練模擬器，以豐富航天員模擬訓練的手段，提高模擬訓練的覆蓋性；（2）由於1960s~1970s 計算機仿真水平低，虛擬現實仿真技術尚處於萌芽狀態，因此，視景仿真、運動仿真主要的技術體制是半實物仿真和實物仿真；（3）運動感知和力學感知的綜合仿真在阿波羅計畫中採用地基運動平台或天基懸吊方案，對增加月面著陸和起飛模擬訓練的真實感和航天員操控能力有積極促進作用；（4） 月面活動的訓練可以在地球野外類似環境進行，例如塵土、沙漠或戈壁。

高超音速地面模擬設備的研究進展

進入90 年代以後，計算流體力學已經獲得了長足的進步。地面設備在高超音速流動的研究中已經不再是惟一的研究手段，而需要與計算流體力學相互配合，以便取長補短。這種情況下有相當大一部分試驗工作可以由計算流體力學來承擔。地面試驗的一項新任務，就是為數值計算提供建立模型的依據，同時對計算流體力學的計算結果進行校核。地面試驗已經不需要對所有模擬參數進行全程模擬，而只須對其中特定的參數進行模擬，然後通過計算流體力學進行補充計算。比如對於模型幾何關係的描述，地面試驗中由於設備尺寸的限制，模型的幾何細節可能會有被抹平的地方，這些被抹平的地方就可以利用數值計算進行細節模擬。只要在二者之間保持一定的可比性就可以做到這一點。與此相類似的模擬參數，還有飛行高度、馬赫數、雷諾數、克紐森數和試驗氣體構成等。將來隨著計算流體力學的不斷發展，地面試驗對數值計算的校核工作會進一步增加。可以說，地面試驗既是計算流體力學理論的基礎，又是對其進行校核的工具。二者的有機結合，將在這一領域的研究中發揮巨大的作用。

新一代太空飛行器可以分為空氣助力的軌道間運送器(AOTV) 、美國國家空天飛機(NASP) 和火星探測器三類。新的地面設備主要用於模擬這三種飛行器的再入流場。新一代的航天運輸系統的馬赫數可以達到10～25，NASP 類飛行器還將使用吸氣式空氣發動機。基於這種設計構想，可知理想的地面設備應滿足下列要求：（1） 試驗段尺寸足夠大。試驗段尺寸是限制模型尺寸的主要因素。模型尺寸的大小，應該保證氣動載荷對力平衡的能力，保證模型表面感測器具有適當的密度，保證繞模型流場的特徵不變，邊界層的發展應保證能滿足將其推廣到飛行條件中去的要求或與計算結果相對比的要求，以及模型的幾何特徵與更精細的模型試驗結果相吻合的要求；（2）試驗段流場品質足夠高。試驗段參數的變化所引起的測量數據的變化應控制在測試儀器和計算方法的誤差範圍以內。試驗段中應不含有多餘的化學反應，也就是說試驗段流場應能代表真實飛行的條件；（3）試驗時間足夠長。應能保證流動可以充分發展並有足夠的時間進行測量；（4）從建造費用和運行費用上考慮應儘可能經濟；（5）設備必須可以對帶控制面或控制系統、且帶有推進系統的全機構形進行試驗。因為這對於帶空氣吸入式推進器的高超音速飛行器的試驗是非常重要的。這種飛行器的前機身對發動機性能的影響很大，同時發動機對全機的升力和阻力以及俯仰力矩特性都有很大的影響。