俄羅斯航天員中心模擬訓(xùn)練體系的完善與發(fā)展

趙東明 谷志明（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

航天員在首批載人運(yùn)輸飛船模擬器上訓(xùn)練

俄羅斯加加林航天員科研試驗(yàn)訓(xùn)練中心（簡(jiǎn)稱“加加林中心”）的歷史是與國家和世界載人航天的誕生和發(fā)展緊密相關(guān)的。在其發(fā)展的各個(gè)階段均致力于建立和推廣創(chuàng)新技術(shù)，形成了獨(dú)特的航天員選拔、訓(xùn)練和飛行后康復(fù)體系。

現(xiàn)階段加加林中心的創(chuàng)新發(fā)展瞄準(zhǔn)了世界載人航天的發(fā)展趨勢(shì)，保障更高效地利用低地球軌道實(shí)現(xiàn)未來月球開發(fā)計(jì)劃，驗(yàn)證星際考察的訓(xùn)練和飛行的關(guān)鍵技術(shù)。為保障實(shí)現(xiàn)未來的載人航天計(jì)劃，該中心進(jìn)一步發(fā)展和完善了現(xiàn)行的航天員選拔和訓(xùn)練系統(tǒng)，改進(jìn)了航天員教學(xué)和模擬訓(xùn)練技術(shù)。

1 航天員選拔系統(tǒng)的完善

發(fā)展俄羅斯國家航天計(jì)劃，未來將實(shí)現(xiàn)載人月球和深空飛行，這需要用新的方法優(yōu)化航天員隊(duì)伍的結(jié)構(gòu)，要基于醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)和信息學(xué)的最新成果，制定和推廣使用航天員選拔的新方法。

2012年，在俄羅斯國內(nèi)載人航天實(shí)踐中，首次制定和實(shí)施了公開選拔俄聯(lián)邦候選航天員的方法。以前在航天員的選拔中主要是檢查候選人的醫(yī)學(xué)和心理學(xué)指標(biāo)，而現(xiàn)如今測(cè)試和檢查的范圍有了極大的拓展，其中包括對(duì)航天事業(yè)的認(rèn)知、學(xué)習(xí)能力、掌握復(fù)雜技術(shù)的能力、計(jì)算機(jī)技能、外語、邏輯思維、物理、數(shù)學(xué)、文學(xué)、俄語等。

相對(duì)于低地球軌道的飛行，對(duì)于執(zhí)行月球、火星和小行星飛行任務(wù)的航天員選拔要求和選拔方法有其自身的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮深空探索任務(wù)所面臨的環(huán)境和因素。應(yīng)當(dāng)具有以下要求：

1）必須選拔健康的人員，其發(fā)生重大疾病的概率要低；

2）沒有任何在任務(wù)過程中可能惡化的疾病；

3）要有超重耐力（返回地球時(shí)是第二宇宙速度）；

4）要有飛行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)遠(yuǎn)離地球長(zhǎng)時(shí)間自主生活環(huán)境要具備穩(wěn)定的心理素質(zhì)。

航天員選拔、訓(xùn)練和飛行后的康復(fù)過程

2 航天員訓(xùn)練系統(tǒng)的完善

在70多年的發(fā)展過程中，加加林中心逐步建立和完善了航天員選拔和訓(xùn)練體系，為航天員的選拔訓(xùn)練提供了科學(xué)、方法、醫(yī)學(xué)、培訓(xùn)、組織和其他保障。蘇聯(lián)/俄羅斯航天員選拔訓(xùn)練系統(tǒng)不僅在國內(nèi)，而且在國際上都具有較高的聲譽(yù)。其突出的特點(diǎn)是：具有科學(xué)的論證基礎(chǔ)，人員技能獨(dú)特，具有先進(jìn)的技術(shù)資源、軟件和計(jì)劃系統(tǒng)，總體上保障了高質(zhì)量的航天員訓(xùn)練任務(wù)。

3 開發(fā)和實(shí)施模擬器制造新技術(shù)

現(xiàn)在加加林中心負(fù)責(zé)航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的研制、布置、使用和改進(jìn)。從傳統(tǒng)意義上講，模擬器是航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵要素。模擬器被稱為互動(dòng)式培訓(xùn)系統(tǒng)，用于開展航天員綜合性和專業(yè)性的職業(yè)訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練載人航天器的控制、艙載系統(tǒng)和科學(xué)儀器的使用，模擬太空環(huán)境包括航天飛行因素作用條件。

現(xiàn)階段還無法完全滿足航天員系統(tǒng)對(duì)航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的所有要求，解決這個(gè)問題需要用創(chuàng)新的方法，完善航天員訓(xùn)練綜合技術(shù)設(shè)備研制的組織機(jī)制。結(jié)合對(duì)航天模擬器建造的規(guī)律、趨勢(shì)、特點(diǎn)的分析，加加林中心將所有的技術(shù)設(shè)備均納入統(tǒng)一整體的航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備總體框架之中。這能夠：

1）建立統(tǒng)一的、開放的、多功能的航天員訓(xùn)練設(shè)備綜合系統(tǒng)，有利于使用先進(jìn)的數(shù)字和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有利于引入新的航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的制造工藝，也有利于為航天員、教練員和工程人員提供更高水平的功能。

航天員在中性浮力水槽中進(jìn)行著航天服訓(xùn)練

2）有利于使用標(biāo)準(zhǔn)軟件和硬件平臺(tái)，在統(tǒng)一原則上開發(fā)航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備，統(tǒng)一規(guī)劃綜合系統(tǒng)中同樣功能的子系統(tǒng)。

3）有利于為開發(fā)和創(chuàng)建航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備建立統(tǒng)一的信息環(huán)境，包括統(tǒng)一的初始數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一的艙載系統(tǒng)模型、載人航天器運(yùn)動(dòng)模型和其他程序模型的軟件庫。

建立統(tǒng)一聯(lián)合的航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備是階段性改進(jìn)整個(gè)航天員中心模擬基地的基礎(chǔ)。由于航天員訓(xùn)練的強(qiáng)度和總量的不斷增長(zhǎng)，提高航天員中心的訓(xùn)練能力成為了緊迫的任務(wù)，必須保障每個(gè)模擬器和整個(gè)綜合模擬系統(tǒng)所必需的運(yùn)行和拓展能力。確保在特殊情況下按時(shí)、保質(zhì)、保量地完成乘員的訓(xùn)練任務(wù)，并保證訓(xùn)練的連續(xù)性。

4 開發(fā)創(chuàng)新型航天員訓(xùn)練綜合設(shè)備，訓(xùn)練航天員完成空間科學(xué)應(yīng)用研究和試驗(yàn)

隨著在“國際空間站”俄羅斯艙段開展研究和試驗(yàn)的計(jì)劃大量增加，需要完善供航天員開展科學(xué)應(yīng)用研究和試驗(yàn)訓(xùn)練的技術(shù)設(shè)備。2011－2013年，加加林中心開發(fā)出了新型獨(dú)特的空間科學(xué)應(yīng)用研究模擬訓(xùn)練綜合設(shè)備，目前該設(shè)備正在發(fā)揮積極的作用。這套綜合設(shè)備的構(gòu)成是：專業(yè)化的訓(xùn)練模擬器（“視覺儀器觀測(cè)模擬器”），用于航天員進(jìn)行地球物理研究和地球監(jiān)測(cè)方面的訓(xùn)練；自動(dòng)化的移動(dòng)工位，用于在實(shí)驗(yàn)飛機(jī)上進(jìn)行航空視覺儀器觀測(cè)；綜合性功能模擬器，包括基于交互式3D模型的計(jì)算機(jī)虛擬模擬器（“科學(xué)”功能模擬器），用于模擬空間試驗(yàn)和科學(xué)儀器。

專用的“視覺儀器觀測(cè)模擬器”數(shù)學(xué)軟件能夠顯示地球數(shù)字視覺模型，在航天員地球物理研究和從太空探測(cè)地球訓(xùn)練的各個(gè)階段發(fā)揮著重要作用。

“科學(xué)”功能模擬器綜合系統(tǒng)，用于模擬空間試驗(yàn)和科學(xué)儀器。其主要功能包括：使用空間試驗(yàn)和科學(xué)儀器的3D模型，用于航天員訓(xùn)練；使用3D模型檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)航天員訓(xùn)練的階段性結(jié)果；反復(fù)地使用3D模型達(dá)到一定的數(shù)量，使航天員能夠逐漸地掌握知識(shí)，提高能力和技能；使用3D模型能夠按科學(xué)計(jì)劃因材施訓(xùn)。

開發(fā)了新的航天飛行模擬器和未來航天計(jì)劃航天員訓(xùn)練模擬器（包括月球和火星飛行計(jì)劃）。當(dāng)今，航天員在進(jìn)行星際考察（月球和火星）所需復(fù)雜工作訓(xùn)練時(shí)，可基于對(duì)月球（火星）往返飛行因素的模擬，使用極端航天飛行條件模擬器（中性浮力水槽、離心機(jī)、失重飛機(jī)，出艙－2模擬器），再現(xiàn)航天飛行環(huán)境和條件（失重環(huán)境等）。

5 航天員訓(xùn)練技術(shù)的整合

根據(jù)“國際空間站”計(jì)劃對(duì)國際乘組進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，基于使用空間分布式航天員訓(xùn)練設(shè)施的結(jié)構(gòu)得以廣泛使用，并不斷地完善航天員訓(xùn)練整合技術(shù)。加加林中心利用俄羅斯、美國、法國、德國、日本及其他國家航天員訓(xùn)練的經(jīng)驗(yàn)、傳統(tǒng)和技術(shù)，建立了國際乘組訓(xùn)練的集成系統(tǒng)。

航天器的研制（改進(jìn)）過程與乘組訓(xùn)練過程的不可分性，也是技術(shù)過程整合的一個(gè)例子，要求航天員參與航天器研制、空間站組裝和展開過程（航天飛行和乘組在軌活動(dòng)地面支持過程）、測(cè)試過程，以及軌道站的回收過程。在參與這些過程中，航天員真正地掌握了航天器新的控制方法及使用方法，同時(shí)航天員可以形象的表達(dá)自己的意見，提供自己的經(jīng)驗(yàn)，這本身就是學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，是經(jīng)常性的學(xué)習(xí)提高。

空間技術(shù)和乘員訓(xùn)練技術(shù)同步發(fā)展是一個(gè)客觀過程，這有助于航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備和訓(xùn)練體系的建設(shè)與完整。

離心機(jī)再現(xiàn)失重環(huán)境

在中性浮力水槽中為航天員模擬低重力環(huán)境

各國航天員聯(lián)合訓(xùn)練

6 新培訓(xùn)技術(shù)的開發(fā)、推廣和使用

目前，加加林中心正在致力于基于智能化新培訓(xùn)技術(shù)的開發(fā)、推廣和使用，開發(fā)計(jì)算機(jī)培訓(xùn)軟件，建立數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫，使用虛擬培訓(xùn)環(huán)境等。

人工智能系統(tǒng)在航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備中的使用，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)智能培訓(xùn)設(shè)備的產(chǎn)生。基于這種設(shè)備在培訓(xùn)中不一定需要教練的存在，或者減少參與人數(shù)（這些人員只負(fù)責(zé)工作監(jiān)督，輸入初始數(shù)據(jù)，對(duì)故障做出反應(yīng)等）。在這種情況下，會(huì)降低培訓(xùn)的成本，在簡(jiǎn)化教學(xué)過程中提高培訓(xùn)的效率，最主要的是能夠使訓(xùn)練適應(yīng)受訓(xùn)者的知識(shí)、能力和技能。由于信息技術(shù)的迅速發(fā)展，針對(duì)各類艙載系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練的多媒體課程得到了開發(fā)、推廣和使用。

7 研制和推廣虛擬模擬綜合系統(tǒng)

為了提高航天員訓(xùn)練的效率和質(zhì)量，使航天員更好地了解現(xiàn)行和未來載人航天器艙載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局、內(nèi)部布置和外觀，了解目標(biāo)設(shè)備和艙外活動(dòng)細(xì)節(jié)，需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（包括3D技術(shù)）和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，開發(fā)一整套綜合的模擬設(shè)備。

這種虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)可視化模擬綜合設(shè)備的特點(diǎn)是，在其中可以模擬載人航天器上發(fā)生的物理過程，這些過程是在全尺寸模擬器上很難或不可能模擬或展示的（比如，空氣的流動(dòng)、航天器對(duì)接過程的細(xì)節(jié)，以及大尺寸航天器外部和內(nèi)部的布局）。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和人-機(jī)-環(huán)領(lǐng)域最新的成果，開發(fā)和擴(kuò)展航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的能力，包括利用計(jì)算機(jī)生成設(shè)備形成立體圖像的技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)模擬器工程中的大多數(shù)問題，并且可以顯著提高航天員的現(xiàn)實(shí)感，最終能夠提高訓(xùn)練的效率。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還能再現(xiàn)各類感覺（視覺、聽覺、觸覺、加速感等），這可部分或全部由計(jì)算生成，使人在特定環(huán)境中有現(xiàn)實(shí)的存在感，并與環(huán)境有真實(shí)互動(dòng)感。

8 航天員參與下的載人航天綜合體開發(fā)（改進(jìn)）工作

發(fā)展載人航天，實(shí)現(xiàn)未來前景規(guī)劃，不能沒有航天員的積極參與，需要航天員系統(tǒng)地參加相關(guān)的鑒定和試驗(yàn)工作。俄羅斯航天員參與載人航天組合體開發(fā)（改進(jìn)）工作的任務(wù)主要有以下幾個(gè)方面。

1）開發(fā)新型載人航天組合體階段。技術(shù)任務(wù)和技術(shù)提案預(yù)先設(shè)計(jì)、載人組合體設(shè)計(jì)草案和工作文件的鑒定工作；載人組合體試驗(yàn)產(chǎn)品人體工程學(xué)鑒定；載人航天組合體產(chǎn)品地面試驗(yàn)（參與自主的、綜合的和跨部門的測(cè)試）；航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的研制和試驗(yàn)訓(xùn)練（技術(shù)文件的開發(fā)與鑒定并參與試驗(yàn)）；載人組合體艙載文件和其他支持乘組活動(dòng)的信息設(shè)備的開發(fā)與試驗(yàn)調(diào)整；科研試驗(yàn)訓(xùn)練計(jì)劃的制定；航天員訓(xùn)練綜合設(shè)備的開發(fā)。

2）載人綜合體飛行設(shè)計(jì)試驗(yàn)和飛行使用階段。對(duì)飛行中載人航天組合體乘組提供支持（地面）；對(duì)試驗(yàn)（使用）結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)完善載人組合體、航天員飛行中的工作效率和安全性、航天員訓(xùn)練提出建議；“國際空間站”乘組根據(jù)飛行結(jié)果提出意見和建議。

3）航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備改進(jìn)階段。對(duì)航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備與載人航天組合體的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)完善航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備提出建議；參與航天員訓(xùn)練技術(shù)設(shè)備的試驗(yàn)；載人組合體艙載文件和其他支持乘組活動(dòng)的信息設(shè)備試驗(yàn)調(diào)整。

4）科學(xué)研究和探索階段。對(duì)載人航天組合體開發(fā)（改進(jìn)）和使用的整個(gè)過程進(jìn)行技術(shù)跟蹤；提出和論證新的創(chuàng)新性提案，旨在提高載人飛行的效率和安全性；對(duì)未來航天技術(shù)樣品進(jìn)行測(cè)試（包括作為試驗(yàn)員），包括在模擬條件下和飛行條件下；發(fā)明活動(dòng)。

9 利用“國際空間站”驗(yàn)證未來航天計(jì)劃

與執(zhí)行低地球軌道載人飛行的訓(xùn)練相比，星際考察乘組的訓(xùn)練和準(zhǔn)備是陌生的，也是更加復(fù)雜的任務(wù)，需要專門的研究和論證。為此，必須制定綜合計(jì)劃，建立相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)儲(chǔ)備。需要指出的是，這方面研究計(jì)劃的許多目標(biāo)可以在“國際空間站”半年至更長(zhǎng)飛行中實(shí)現(xiàn)。比如，可以建議利用“國際空間站”開展以下工作，以建立火星飛行任務(wù)的技術(shù)儲(chǔ)備：

1）“國際空間站”乘員返回地面后，立即進(jìn)行著陸行星后的行為訓(xùn)練；

2）在“國際空間站”的考察中，給乘組最大的自主性，獨(dú)立完成工作和飛行計(jì)劃，獨(dú)立擺脫異常情況；

3）基于人工智能系統(tǒng)的使用，建立乘員意外情況信息支持系統(tǒng)并配備在“國際空間站”；

4）利用“國際空間站”航天員驗(yàn)證系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)維護(hù)維修的方法；

5）開發(fā)新的心理支持方法，在“國際空間站”乘組飛行過程中進(jìn)行驗(yàn)證。