俄羅斯航天員中心模擬訓練體系的完善與發展

趙東明 谷志明（中國航天員科研訓練中心）

航天員在首批載人運輸飛船模擬器上訓練

俄羅斯加加林航天員科研試驗訓練中心（簡稱“加加林中心”）的歷史是與國家和世界載人航天的誕生和發展緊密相關的。在其發展的各個階段均致力于建立和推廣創新技術，形成了獨特的航天員選拔、訓練和飛行后康復體系。

現階段加加林中心的創新發展瞄準了世界載人航天的發展趨勢，保障更高效地利用低地球軌道實現未來月球開發計劃，驗證星際考察的訓練和飛行的關鍵技術。為保障實現未來的載人航天計劃，該中心進一步發展和完善了現行的航天員選拔和訓練系統，改進了航天員教學和模擬訓練技術。

1 航天員選拔系統的完善

發展俄羅斯國家航天計劃，未來將實現載人月球和深空飛行，這需要用新的方法優化航天員隊伍的結構，要基于醫學、心理學、教育學和信息學的最新成果，制定和推廣使用航天員選拔的新方法。

2012年，在俄羅斯國內載人航天實踐中，首次制定和實施了公開選拔俄聯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學和心理學指標，而現如今測試和檢查的范圍有了極大的拓展，其中包括對航天事業的認知、學習能力、掌握復雜技術的能力、計算機技能、外語、邏輯思維、物理、數學、文學、俄語等。

相對于低地球軌道的飛行，對于執行月球、火星和小行星飛行任務的航天員選拔要求和選拔方法有其自身的特點，應當考慮深空探索任務所面臨的環境和因素。應當具有以下要求：

1）必須選拔健康的人員，其發生重大疾病的概率要低；

2）沒有任何在任務過程中可能惡化的疾病；

3）要有超重耐力（返回地球時是第二宇宙速度）；

4）要有飛行經驗，對遠離地球長時間自主生活環境要具備穩定的心理素質。

航天員選拔、訓練和飛行后的康復過程

2 航天員訓練系統的完善

在70多年的發展過程中，加加林中心逐步建立和完善了航天員選拔和訓練體系，為航天員的選拔訓練提供了科學、方法、醫學、培訓、組織和其他保障。蘇聯/俄羅斯航天員選拔訓練系統不僅在國內，而且在國際上都具有較高的聲譽。其突出的特點是：具有科學的論證基礎，人員技能獨特，具有先進的技術資源、軟件和計劃系統，總體上保障了高質量的航天員訓練任務。

3 開發和實施模擬器制造新技術

現在加加林中心負責航天員訓練技術設備的研制、布置、使用和改進。從傳統意義上講，模擬器是航天員訓練技術設備的關鍵要素。模擬器被稱為互動式培訓系統，用于開展航天員綜合性和專業性的職業訓練，模擬訓練載人航天器的控制、艙載系統和科學儀器的使用，模擬太空環境包括航天飛行因素作用條件。

現階段還無法完全滿足航天員系統對航天員訓練技術設備的所有要求，解決這個問題需要用創新的方法，完善航天員訓練綜合技術設備研制的組織機制。結合對航天模擬器建造的規律、趨勢、特點的分析，加加林中心將所有的技術設備均納入統一整體的航天員訓練技術設備總體框架之中。這能夠：

1）建立統一的、開放的、多功能的航天員訓練設備綜合系統，有利于使用先進的數字和無線網絡技術，有利于引入新的航天員訓練技術設備的制造工藝，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行著航天服訓練

2）有利于使用標準軟件和硬件平臺，在統一原則上開發航天員訓練技術設備，統一規劃綜合系統中同樣功能的子系統。

3）有利于為開發和創建航天員訓練技術設備建立統一的信息環境，包括統一的初始數據庫，統一的艙載系統模型、載人航天器運動模型和其他程序模型的軟件庫。

建立統一聯合的航天員訓練技術設備是階段性改進整個航天員中心模擬基地的基礎。由于航天員訓練的強度和總量的不斷增長，提高航天員中心的訓練能力成為了緊迫的任務，必須保障每個模擬器和整個綜合模擬系統所必需的運行和拓展能力。確保在特殊情況下按時、保質、保量地完成乘員的訓練任務，并保證訓練的連續性。

4 開發創新型航天員訓練綜合設備，訓練航天員完成空間科學應用研究和試驗

隨著在“國際空間站”俄羅斯艙段開展研究和試驗的計劃大量增加，需要完善供航天員開展科學應用研究和試驗訓練的技術設備。2011－2013年，加加林中心開發出了新型獨特的空間科學應用研究模擬訓練綜合設備，目前該設備正在發揮積極的作用。這套綜合設備的構成是：專業化的訓練模擬器（“視覺儀器觀測模擬器”），用于航天員進行地球物理研究和地球監測方面的訓練；自動化的移動工位，用于在實驗飛機上進行航空視覺儀器觀測；綜合性功能模擬器，包括基于交互式3D模型的計算機虛擬模擬器（“科學”功能模擬器），用于模擬空間試驗和科學儀器。

專用的“視覺儀器觀測模擬器”數學軟件能夠顯示地球數字視覺模型，在航天員地球物理研究和從太空探測地球訓練的各個階段發揮著重要作用。

“科學”功能模擬器綜合系統，用于模擬空間試驗和科學儀器。其主要功能包括：使用空間試驗和科學儀器的3D模型，用于航天員訓練；使用3D模型檢驗和評價航天員訓練的階段性結果；反復地使用3D模型達到一定的數量，使航天員能夠逐漸地掌握知識，提高能力和技能；使用3D模型能夠按科學計劃因材施訓。

開發了新的航天飛行模擬器和未來航天計劃航天員訓練模擬器（包括月球和火星飛行計劃）。當今，航天員在進行星際考察（月球和火星）所需復雜工作訓練時，可基于對月球（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、失重飛機，出艙－2模擬器），再現航天飛行環境和條件（失重環境等）。

5 航天員訓練技術的整合

根據“國際空間站”計劃對國際乘組進行訓練時，基于使用空間分布式航天員訓練設施的結構得以廣泛使用，并不斷地完善航天員訓練整合技術。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練的經驗、傳統和技術，建立了國際乘組訓練的集成系統。

航天器的研制（改進）過程與乘組訓練過程的不可分性，也是技術過程整合的一個例子，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地面支持過程）、測試過程，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，同時航天員可以形象的表達自己的意見，提供自己的經驗，這本身就是學習和訓練，是經常性的學習提高。

空間技術和乘員訓練技術同步發展是一個客觀過程，這有助于航天員訓練技術設備和訓練體系的建設與完整。

離心機再現失重環境

在中性浮力水槽中為航天員模擬低重力環境

各國航天員聯合訓練

6 新培訓技術的開發、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技術的開發、推廣和使用，開發計算機培訓軟件，建立數據庫、知識庫，使用虛擬培訓環境等。

人工智能系統在航天員訓練技術設備中的使用，促進了計算機智能培訓設備的產生。基于這種設備在培訓中不一定需要教練的存在，或者減少參與人數（這些人員只負責工作監督，輸入初始數據，對故障做出反應等）。在這種情況下，會降低培訓的成本，在簡化教學過程中提高培訓的效率，最主要的是能夠使訓練適應受訓者的知識、能力和技能。由于信息技術的迅速發展，針對各類艙載系統進行訓練的多媒體課程得到了開發、推廣和使用。

7 研制和推廣虛擬模擬綜合系統

為了提高航天員訓練的效率和質量，使航天員更好地了解現行和未來載人航天器艙載系統的設計和布局、內部布置和外觀，了解目標設備和艙外活動細節，需要利用虛擬現實技術（包括3D技術）和計算機可視化技術，開發一整套綜合的模擬設備。

這種虛擬現實和計算機可視化模擬綜合設備的特點是，在其中可以模擬載人航天器上發生的物理過程，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、航天器對接過程的細節，以及大尺寸航天器外部和內部的布局）。利用計算機技術和人-機-環領域最新的成果，開發和擴展航天員訓練技術設備的能力，包括利用計算機生成設備形成立體圖像的技術。

虛擬現實技術能夠解決傳統模擬器工程中的大多數問題，并且可以顯著提高航天員的現實感，最終能夠提高訓練的效率。虛擬現實系統還能再現各類感覺（視覺、聽覺、觸覺、加速感等），這可部分或全部由計算生成，使人在特定環境中有現實的存在感，并與環境有真實互動感。

8 航天員參與下的載人航天綜合體開發（改進）工作

發展載人航天，實現未來前景規劃，不能沒有航天員的積極參與，需要航天員系統地參加相關的鑒定和試驗工作。俄羅斯航天員參與載人航天組合體開發（改進）工作的任務主要有以下幾個方面。

1）開發新型載人航天組合體階段。技術任務和技術提案預先設計、載人組合體設計草案和工作文件的鑒定工作；載人組合體試驗產品人體工程學鑒定；載人航天組合體產品地面試驗（參與自主的、綜合的和跨部門的測試）；航天員訓練技術設備的研制和試驗訓練（技術文件的開發與鑒定并參與試驗）；載人組合體艙載文件和其他支持乘組活動的信息設備的開發與試驗調整；科研試驗訓練計劃的制定；航天員訓練綜合設備的開發。

2）載人綜合體飛行設計試驗和飛行使用階段。對飛行中載人航天組合體乘組提供支持（地面）；對試驗（使用）結果進行評價；對完善載人組合體、航天員飛行中的工作效率和安全性、航天員訓練提出建議；“國際空間站”乘組根據飛行結果提出意見和建議。

3）航天員訓練技術設備改進階段。對航天員訓練技術設備與載人航天組合體的一致性進行評價，對完善航天員訓練技術設備提出建議；參與航天員訓練技術設備的試驗；載人組合體艙載文件和其他支持乘組活動的信息設備試驗調整。

4）科學研究和探索階段。對載人航天組合體開發（改進）和使用的整個過程進行技術跟蹤；提出和論證新的創新性提案，旨在提高載人飛行的效率和安全性；對未來航天技術樣品進行測試（包括作為試驗員），包括在模擬條件下和飛行條件下；發明活動。

9 利用“國際空間站”驗證未來航天計劃

與執行低地球軌道載人飛行的訓練相比，星際考察乘組的訓練和準備是陌生的，也是更加復雜的任務，需要專門的研究和論證。為此，必須制定綜合計劃，建立相應的科學技術儲備。需要指出的是，這方面研究計劃的許多目標可以在“國際空間站”半年至更長飛行中實現。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的技術儲備：

1）“國際空間站”乘員返回地面后，立即進行著陸行星后的行為訓練；

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

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

4）利用“國際空間站”航天員驗證系統和設備技術維護維修的方法；

5）開發新的心理支持方法，在“國際空間站”乘組飛行過程中進行驗證。