馬愛軍,閆 利,徐水紅,趙 維,張 磊,逯忠國,鄧金輝,畢建智
(中國航天員科研訓練中心,北京 100094)
在載人航天飛行過程中,航天員會遇到各種特殊的航天環(huán)境因素(航天特因環(huán)境)——包括超重環(huán)境,失重環(huán)境,振動沖擊、噪聲環(huán)境,載人航天器乘員艙環(huán)境,以及真空、冷黑、空間熱輻射、粒子輻射、原子氧、微流星等惡劣環(huán)境因素——的作用,這些對航天員生理和心理會產(chǎn)生巨大影響,給其正常工作、生活和進行特定操作造成許多意想不到的困難。因此,需要選拔對航天特因環(huán)境具有良好的耐力和適應能力的人員作為航天員[1]78-83,[2]。同時,對航天員進行專門的航天環(huán)境適應性訓練,可以提高和維持航天員對這些航天特因環(huán)境的耐力和適應能力[1]190-193,[3]。世界各航天國家在實施載人航天活動過程中,均設計建造有大型地面環(huán)境模擬設備,作為開展航天員航天特殊環(huán)境因素選拔和訓練的試驗平臺[4]7-9。本文對這些設備及其應用進行綜述。
利用載人離心機進行超重耐力訓練是提高航天員對超重環(huán)境的耐受能力最有效的方法之一,世界各航天國家都將其列為航天員的重要基礎訓練項目。
中國航天員科研訓練中心超重模擬訓練設備(圖1),旋轉(zhuǎn)半徑8 m,吊艙為單軸被動阻尼擺動式,最大超重過載16g,G值最高增速為6g/s,最大降速為2g/s,有效載荷165 kg,采用電氣拖動系統(tǒng)和減速器傳動方式[4]170-175,[5]。

圖1 中國航天員科研訓練中心超重模擬訓練設備Fig. 1 Human centrifuge test facility in the Astronaut Center of China(ACC)
除了中國以外,美國、俄羅斯、英國、德國、加拿大、法國、瑞典、韓國、日本、新加坡、土耳其和尼日利亞等國家都裝備有載人離心機。各國載人離心機的主要差別體現(xiàn)在性能指標和吊艙上,即能達到的最大G值和G值增速,吊艙是單軸被動擺動還是兩軸可控等[4]162-164, [5]。
載人離心機應具有冗余的超速保護功能和應急停車措施,必須有完善的安全連鎖保護措施。
飛機進行拋物線飛行時,可經(jīng)歷一個與自由落體大體相當?shù)氖е剡^程。因此,經(jīng)常用經(jīng)過改裝的失重飛機飛拋物線來模擬失重環(huán)境。
2004年以前,美國NASA用KC-135空中加油機改裝的失重飛機進行航天員訓練和相關(guān)試驗[6]168-175, [7],之后使用C-9失重飛機[8]122-125, [9-10]以及ZERO-G公司的波音727進行航天員失重飛行訓練[8]122-125,[10-11](圖2)。蘇聯(lián)改裝過多種型號的失重飛機,其中伊爾-76延用至今[6]168-175,[8]122-125,[12]。

圖2 美國失重飛機Fig. 2 Weightless planes of the US
失重飛機改裝的關(guān)鍵是增加輔助裝置,保證飛機發(fā)動機燃油系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)在失重環(huán)境下能夠正常工作[4]212-213,飛機內(nèi)艙壁應敷設柔軟的防撞保護層。
中國航天員科研訓練中心2007年建成了模擬失重訓練水槽(圖3),主要用于航天員出艙活動訓練、出艙活動相關(guān)航天器設計驗證、出艙程序驗證、出艙活動相關(guān)技術(shù)研究等。該設備槽體為圓筒形結(jié)構(gòu),采用不銹鋼材料制作,直徑23 m,有效水深10 m。

圖3 中國航天員科研訓練中心模擬失重訓練水槽Fig. 3 Neutral buoyancy water tank of ACC
模擬失重訓練水槽應采取技術(shù)措施確保航天員和潛水員呼吸用氣符合要求;配置至少2臺岸邊吊車(1臺為備份),確保隨時能將水中航天員吊出水面;水下訓練航天服應配置能維持航天員15 min呼吸的應急供氣設備,生保系統(tǒng)應設計應急備用氣路;水槽內(nèi)水溫應適宜,避免潛水員抽筋;大廳槽體周圍應設計安全圍欄,防止有人意外跌落至水槽內(nèi)。
俄羅斯加加林航天員中心的中性浮力水槽(圖4)建于20世紀70年代,槽體為圓柱形不銹鋼結(jié)構(gòu),直徑為22.8 m,深度為12 m,升降平臺占用2 m深度,有效深度為10 m。

圖4 俄羅斯中性浮力水槽Fig. 4 Neutral buoyancy water tank of Russia
美國NASA曾在MSFC(馬歇爾航天飛行中心)建成中性浮力模擬器NBS,在JSC(約翰遜航天中心)建成水下再現(xiàn)訓練設施WETF,用于“天空實驗室”、國際空間站和航天飛機建造過程中的相關(guān)試驗和航天員出艙活動的訓練。
目前美國在用的中性浮力模擬設備NBL(圖5)是約翰遜航天中心的索尼·卡特訓練設施,其槽體為矩形混凝土結(jié)構(gòu),長61.6 m,寬31.1 m,深12.2 m,一半位于地面下,另一半位于地面之上。槽體分為2個區(qū)域,可同時開展航天員訓練任務。建成后主要應用于航天飛機與國際空間站航天員出艙活動訓練以及國際空間站的裝配試驗等。

圖5 美國中性浮力模擬設備NBLFig. 5 Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) of America
日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(NASDA)在茨城筑波航天中心建設有一座失重環(huán)境試驗樓(圖6),用于進行實驗艙的研制試驗和確定實驗艙的維護方法與實驗架的更換程序,以及進行航天員的基礎訓練等。該設備槽體為半地下的鋼制圓筒結(jié)構(gòu),直徑16 m,深10.5 m,于1995年1月投入使用。

圖6 日本失重環(huán)境模擬設備Fig. 6 Weightless environment test system of Japan
用懸吊法模擬低重力環(huán)境分水平/傾斜懸吊法和垂直懸吊法2種。
NASA的GRC(格林研究中心)聯(lián)合約翰遜航天中心等多家研究機構(gòu)于20世紀90年代開始研制零重力運動模擬器ZLS(Zero-gravity Locomotion Simulator),如圖7所示,用于研究國際空間站航天員在零重力條件下的步行動力學和失重對人體肌肉骨骼健康的影響,包含垂直放置的跑步機和一套用于平衡人體重力的懸掛系統(tǒng)。

圖7 零重力運動模擬器(ZLS)示意圖Fig. 7 Zero-gravity Locomotion Simulator(ZLS)
“阿波羅”載人登月任務時期,NASA蘭利研究中心曾建造了側(cè)向懸吊的低重力模擬運動系統(tǒng),傾斜平臺面與豎直面夾角約9.5°[11,16],如圖8(a)所示。格林研究中心于2007年推出了增強型的零重力步行模擬器eZLS(enhanced ZLS),如圖8(b)所示,可通過調(diào)整受試者的懸吊角度和跑臺的角度模擬零重力和月球低重力[11,16],人員采用背向懸吊方式。

圖8 傾斜懸吊方式模擬低重力Fig. 8 Low gravity simulation by inclined plane method
在“阿波羅”載人登月任務時期,NASA研制了POGO,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖9。采用直線氣缸控制重力補償力的大小,通過萬向架被動消除航天員軀體轉(zhuǎn)動對吊索帶來的偏角干擾。POGO水平隨動系統(tǒng)只有1個自由度[6]159-163, [7, 11, 17-18]。

圖9 低重力模擬設備POGOFig. 9 Low gravity simulator: POGO
在重返月球、探測火星等任務需求的推動下,2011年,NASA約翰遜航天中心研制了主動重力補償系統(tǒng)ARGOS,系統(tǒng)實物如圖10所示。該系統(tǒng)可用于火星、月球低重力和零(微)重力等環(huán)境下航天員的運動訓練,其用萬向架懸吊機構(gòu)實現(xiàn)人體繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動,在垂直和水平方向分別采用3臺電機進行伺服控制,使得垂直方向保持恒定的拉力;水平方向自動檢測受試者的運動,通過控制水平方向的2個電機,自動保持繩索垂直[11,18-19]。

圖10 低重力模擬設備ARGOSFig. 10 Low gravity simulator: ARGOS
美國新墨西哥州立大學針對懸吊法不能實現(xiàn)對下肢重力補償?shù)牟蛔悖兄屏藥в型夤趋乐ρa償?shù)牡椭亓χС窒到y(tǒng)(圖11)。通過設計補償機構(gòu)與彈簧剛度等參數(shù),可以實現(xiàn)對航天員四肢與軀干的可調(diào)大小的重力補償,但補償機構(gòu)活動范圍有限,航天員只能在小范圍內(nèi)訓練,且重力補償?shù)木仁軝C構(gòu)摩擦影響[11]。

圖11 被動式外骨骼重力補償系統(tǒng)Fig. 11 Gravity compensation system of passive exoskeleton
氣浮臺主要模擬失重環(huán)境的無摩擦力或微摩擦力效應,主要用于人員或裝備在失重狀態(tài)下自主機動控制[6]159-163,[7,20],如 SAFER(Simplified Aid for EVA Rescue)機動、空間站拋垃圾試驗、維修航天飛機隔熱瓦試驗和訓練[21](圖12)。氣浮臺主要包括支撐平臺(國外稱為地板)、滑橇和氣墊、氣源及控制系統(tǒng)、目標模型、測試設備、攝像照明設備以及其他輔助設備。俄羅斯只利用氣浮臺進行三自由度(水平面x軸、y軸和旋轉(zhuǎn))訓練[22]。美國早期進行三自由度訓練,后期根據(jù)不同的訓練目的進行三自由度和五自由度試驗及訓練[20]。

圖12 氣浮臺訓練Fig. 12 Air cushion training
一般用-6°長期頭低位臥床模擬人體失重生理效應,用快速(3~5 s)大角度(最大-30°)頭低位臥床來檢查人體對突然從重力狀態(tài)進入微重力狀態(tài)的適應能力(即頭低位耐力)[1]150-155,[23]。
立位轉(zhuǎn)床(又稱傾斜床,見7.2節(jié))旋轉(zhuǎn)快、角度可設定、角度定位準確,可用于快速大角度頭低位臥床檢查,也可用于需要大量樣本的-6°長期頭低位臥床試驗,但為降低試驗成本,一般用固定-6°或空載時可調(diào)節(jié)床面角度的床具進行-6°長期頭低位臥床試驗。
載人沖擊塔、載人振動臺和聲環(huán)境模擬室用于模擬沖擊振動和噪聲環(huán)境。
載人沖擊設備一般模擬較低加速度峰值和較長持續(xù)時間的沖擊。中國航天員科研訓練中心的跌落式水剎車沖擊塔是國內(nèi)僅有的一臺載人沖擊試驗設備(圖13),塔架高15.5 m,沖擊平臺尺寸1530 mm×1025 mm,最大載荷500 kg,采用水作為阻尼介質(zhì),可產(chǎn)生峰值為2g~100g、脈沖寬度為9~200 ms的多種常用沖擊波形,除用于沖擊環(huán)境對人體的生理效應研究試驗、人體沖擊防護措施研究、載人航天器沖擊過載醫(yī)學要求以及評價標準和評價方法研究等試驗外,還用于航天員沖擊耐力檢查或體驗。

圖13 水剎車沖擊塔Fig. 13 Water brake impact tower
載人振動試驗工作頻率一般為0.1~80 Hz,目前應用比較廣泛的振動臺有電動振動臺(電磁振動臺)和電液振動臺(液壓振動臺)。
電動振動臺工作頻率范圍寬(5~3000 Hz),波形失真小,易于控制,故障率也比電液振動臺低很多,但不適于較低的工作頻率,一般用于產(chǎn)品環(huán)境試驗,目前也將其用于航天員振動環(huán)境體驗。
電液振動臺工作頻率為0.1~300 Hz,容易實現(xiàn)大推力和大位移振動,適用于載人振動試驗,但性能易受溫度影響,故障率高,維護保養(yǎng)難度大。
高噪聲室模擬發(fā)射段和返回段噪聲,最大噪聲級不低于130 dB。半消聲室模擬無反射的自由聲場。隔聲室可模擬載人航天器軌道飛行段艙內(nèi)噪聲。測聽室進行聽力測定。半消聲室、隔聲室和測聽室室內(nèi)平均背景噪聲均低于16 dB。
中國航天員科研訓練中心典型的短期飛行航天器乘員艙內(nèi)環(huán)境模擬設備有飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙、應急生保試驗艙(主艙)和艙內(nèi)航天服試驗艙等。
飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙(圖14)直徑為2.8 m,長6.8 m,艙內(nèi)分為生活間、工作間和衛(wèi)生間3個艙室及過渡間,可以同時容納5名受試者進行連續(xù)30天的試驗。該設備可以提供不同的乘員艙壓力、增壓和減壓速率、氧濃度、CO2濃度、溫度及濕度等試驗環(huán)境,建成后完成了大量航天環(huán)境醫(yī)學研究試驗、航天員教練員選拔、首批航天員選拔等試驗任務[4]63-66, [25]406-409。

圖14 飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙Fig. 14 Spaceship inner environment simulation chamber
應急生保試驗艙(圖15)內(nèi)徑2.6 m,總長度5.6 m,由隔板分隔為模擬返回艙和模擬軌道艙。該設備可用于航天飛行全任務綜合模擬試驗,建成后完成了飛船乘員艙正常狀態(tài)和壓力應急狀態(tài)飛行任務的綜合模擬試驗、航天員手動操作和故障處理能力訓練、航天員座艙壓力應急訓練等試驗訓練任務[4]83-104, [25]413-417。

圖15 應急生保試驗艙Fig. 15 Emergency environmental control and life support test chamber
艙內(nèi)航天服試驗艙(圖16)長5.8 m、內(nèi)徑2.6 m,分為高空艙和副艙2個艙室。該設備可進行1~2人的載人試驗,可模擬航天員在整個航天飛行歷程中和陸上可能遇到的氣候環(huán)境(包括正常和應急的壓力、溫度和濕度等環(huán)境),建成后完成了艙內(nèi)航天服爆炸減壓試驗、艙內(nèi)航天服通風散熱性能醫(yī)學評價試驗、歷年的航天員年度體檢和第二批航天員選拔等試驗訓練任務[4]70-83,[25]409-413。

圖16 艙內(nèi)航天服試驗艙Fig. 16 Intra-vehicular space suit test chamber
美國NASA在約翰遜航天中心建有航天飛機ETA/ATA組合試驗艙,由航天飛機環(huán)控生保系統(tǒng)試驗單元ETA和航天飛機氣閘艙試驗單元ATA組成。該設備最初用于航天飛機乘組訓練,后用于人體低壓試驗[26]24。
載人低壓艙應設計緊急復壓系統(tǒng)和正常復壓系統(tǒng)。緊急復壓系統(tǒng)能在短時間內(nèi)將艙內(nèi)壓力恢復至安全壓力。正常復壓系統(tǒng)可以在規(guī)定的范圍內(nèi)準確地調(diào)節(jié)泄/復壓速率。艙內(nèi)應配置供氧器,以便受訓者出現(xiàn)低壓缺氧癥狀時可以吸純氧。斷電或試驗中艙內(nèi)受試者出現(xiàn)緊急情況(艙內(nèi)外壓力已相同)時,艙門應能夠快速開啟,為緊急處置贏得寶貴時間。
中國航天員科研訓練中心建設的中長期載人艙有飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙、環(huán)控生保系統(tǒng)集成演示驗證試驗艙、交會對接組合體模擬艙和空間站組合體模擬艙,該中心和深圳市太空科技南方研究院合作建設有“綠航星際”受控生態(tài)生保試驗技術(shù)平臺。下面簡要介紹環(huán)控生保系統(tǒng)集成演示驗證試驗艙。
環(huán)控生保系統(tǒng)集成演示驗證試驗艙主要用于再生式生保系統(tǒng)產(chǎn)品的綜合驗證試驗。試驗艙內(nèi)徑4.2 m,長9.3 m,為雙層艙,內(nèi)外艙之間抽真空以保證艙內(nèi)漏熱不超過187 W。該設備配置有真空機組用于提供模擬外太空的真空源,配置有外環(huán)系統(tǒng)用于模擬空間飛行器艙載制冷設備[25]417-420。
美國NASA約翰遜航天中心的20 ft試驗艙(圖17),主模擬室為φ6.1 m×8.4 m的立式圓柱體,2個氣閘艙串聯(lián)接在主模擬室上。該設備完成過“天空實驗室”低壓醫(yī)學實驗(SMEAT),后改造為可長期載人低壓試驗的生命保障系統(tǒng)綜合試驗設備(LSSIF)。艙內(nèi)被分隔成3層:底層是公共活動空間,中間層用以放置設備和儲物,上層為乘員私人空間[8]64-76, [25]439-440, [26]19-20, [27-28]。

圖17 NASA約翰遜航天中心的20 ft試驗艙Fig. 17 The 20 ft test chamber of JSC, NASA
俄羅斯生物醫(yī)學問題研究所(IBMP)擁有曾用于Mars500試驗的組合體試驗艙(圖18),該試驗艙由4個氣密艙段(醫(yī)學實驗艙、生活艙、公用設施艙和模擬登陸艙)和1個非氣密段組成,每個氣密艙段具有獨立的地面生保系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控制子系統(tǒng),能監(jiān)測和控制艙內(nèi)氣體成分[22]。

圖18 俄羅斯生物醫(yī)學問題研究所組合體試驗艙平面布置圖Fig. 18 Layout plan of combined test chamber in Biomedical Research Institute of Russia
中國用于出艙活動訓練的低壓艙主要有中國航天員科研訓練中心的艙外航天服試驗艙和中國空間技術(shù)研究院的KM6水平艙。
艙外航天服試驗艙(圖19)可模擬宇宙空間的真空、冷黑和熱輻射環(huán)境,艙體內(nèi)徑4.2 m,圓柱段長6.5 m。艙壓變化能夠模擬飛船軌道艙泄復壓曲線,在艙外航天服總漏氧4 L/min(標準狀態(tài))以及水升華器排水蒸氣總量為2.8 kg/h工作條件下,能夠維持艙內(nèi)的壓力不高于10 Pa。該設備建成后完成了艙外航天服熱真空試驗、低壓測試以及航天員低壓艙訓練等試驗和訓練任務。
出艙活動訓練用低壓艙必須設計有完整的安全措施和試驗輔助設備,例如,艙外航天服系統(tǒng)由10 Pa增壓至41.3 kPa的最短緊急復壓時間為5 s,即使斷電斷氣,艙壓與地面壓力相同時,艙內(nèi)也能靠重力快速開啟。

圖19 艙外航天服試驗艙Fig. 19 EVA pressure space suit test chamber
中國空間技術(shù)研究院的KM6水平艙(圖20)可用于人?船?艙外航天服匹配性測試。該設備總長15 m,內(nèi)徑5 m,用隔板隔成氣閘艙和C艙2部分,氣閘艙又沿水平艙軸向分隔為A、B兩個艙。進行過艙外航天服的熱真空試驗以及2次人?船?服匹配試驗。

圖20 KM6水平艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 20 Schematic diagram of KM6 horizontal chamber
俄羅斯用于出艙活動低壓訓練的設備主要是星星公司的低壓艙(圖21),該設備為臥式柱形結(jié)構(gòu),艙體直徑為4 m,長5 m,艙內(nèi)壓力能在5 s內(nèi)由工作壓力恢復到41.3 kPa。俄羅斯/蘇聯(lián)的航天員在執(zhí)行出艙活動任務前均在星星公司的低壓艙進行艙外航天服的使用操作訓練[22]。

圖21 俄羅斯星星公司低壓艙Fig. 21 Low pressure chamber of Russia Star Corporation
美國用于出艙活動低壓訓練的設備主要是約翰遜航天中心的B艙(圖22),主模擬室為立式柱形結(jié)構(gòu),其外形尺寸為φ10.7 m×13.1 m(高),從工作壓力復壓到41 kPa的最快緊急復壓時間為30 s。用于航天員的人?船?服訓練,訓練的人數(shù)通常為2人。整個訓練過程只有真空,沒有冷熱背景,受訓航天員始終處在放置于B容器中的飛船模型艙外,不進出飛船模型艙[26]7-9,[29]。

圖22 約翰遜航天中心的B艙Fig. 22 Chamber B of JSC
四柱秋千和轉(zhuǎn)椅等前庭功能試驗設備可產(chǎn)生線加速度和角加速度環(huán)境,提供對人體前庭器官的刺激,用于進行航天運動病研究實驗以及航天員前庭功能選拔和訓練試驗。
四柱電動秋千能夠產(chǎn)生線性加速度模擬環(huán)境,中國航天員科研訓練中心的四柱電動秋千(圖23)由吊籃艙及機械框架、座椅、電磁驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和升降系統(tǒng)等組成。該設備擺長6 m,擺動周期為自然擺動周期,擺角范圍為0°~45°,具有手動控制和計算機控制2種控制方式。

圖23 四柱電動秋千Fig. 23 Four-pole electric swing
轉(zhuǎn)椅是角加速度前庭試驗設備,常規(guī)的轉(zhuǎn)椅只能繞垂直軸轉(zhuǎn)動。中國航天員科研訓練中心曾研制多功能轉(zhuǎn)椅(見圖24),在繞垂直軸作水平旋轉(zhuǎn)的同時,可以繞其他2個軸作前后俯仰擺動和左右滾轉(zhuǎn)擺動。該設備曾完成了我國首批預備航天員選拔工作。

圖24 轉(zhuǎn)椅Fig. 24 Swivel chair
下體負壓耐力檢查設備一般稱為下體負壓桶,分為坐式和臥式2種,由桶體、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和腰部密封裝置組成。下體負壓的施加分為恒定負壓量和階梯式負壓量,航天員選拔和體檢中采用階梯式施加負壓量的方式。
立位轉(zhuǎn)床(又稱傾斜床)是一個可以自由旋轉(zhuǎn)的臺面或床面,可手動旋轉(zhuǎn)也可以自動旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)軸大致在人體+床板的重心位置,設計有配重以保證旋轉(zhuǎn)過程中床體的平穩(wěn)性。旋轉(zhuǎn)角度為0°~90°(用于立位耐力檢查)和0°~-30°(用于頭低位檢查);可快速由立位/頭低位旋轉(zhuǎn)回水平位,用時為 3~5 s。
隨著人類現(xiàn)代科技水平的提高,航天探索活動正在逐步拓展,各航天國家將對月球以及更遠的天體及其所在空間環(huán)境進行探測,作為當前和未來航天領域的發(fā)展重點之一。新的載人航天任務必將對航天員選拔訓練提出新的要求。總結(jié)航天特因環(huán)境選拔訓練設備研制經(jīng)驗,跟蹤前沿科學技術(shù),研究設計適應航天任務發(fā)展需求的載人航天環(huán)境模擬設備將會是擺在我們面前的重要課題。