太空行走100问(十一)

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太空行走的训练设备(上)

62．航天员太空行走有哪些训练设备?

航天员太空行走的训练设备有很多，归纳起来可分为四大类：1-g模拟设备、失重飞机、水下训练设备和专用训练设备。在这四大类设备中，最常用的是失重飞机和水下训练设备。水下训练设备主要是中性浮力水池，这是航天员太空行走训练的必备设备，是在地面模拟太空失重环境的比较理想的一种方法。专用训练设备包括虚拟现实技术、遥控机械臂训练模拟器、载人机动装置太空操作模拟器和出舱活动程序训练模拟器。

63．什么是1-g模拟设备?有哪些1-g模拟设备?

1-g模拟设备就是在地球正常重力环境(1-g环境)下的训练设备。这种训练设备的优点是方便、简单、经济、实用，因此从载人航天计划一开始，美国和苏联就大量使用这种训练设备，这种训练方式一直持续到今天。

①1-g模拟演练

所谓1-g模拟演练就是让航天员在地球正常重力环境下按程序完成整个的太空行走过程。为了提高训练效果，应该制作一个与载人航天器同等大小的模型，也可以是部分结构的模型，以便让航天员熟悉载人航天器的外形结构，同时知道在什么部位有扶手或挂安全带的地方。在1-g模拟演练的时候，航天员最好穿着舱外航天服，这样训练出来的效果更好。

②低压舱

美国和苏联在航天员太空行走训练中部使用过低压舱。在双子星座计划中，美国航宇局曾将飞船模型放进低压舱中，让航天员练习在真空环境中打开和关闭舱门。现在常用的低压舱训练主要是穿脱舱外航天服。其实除了用低压舱对航天员进行训练以外，服装设计人员也常用低压舱来对新型服装进行测试和鉴定。

③空气轴承设备

所谓“空气轴承”就是在一个气垫上安放一块非常光滑的平板，航天员站在平板上可以作3个自由度的运动而不会产生摩擦阻力。这种设备主要用来试验航天员的机动装置。在美国航宇局约翰逊航天中心载人航天器模型大厅内，就有一台“精密空气轴承设备”，在以前的天空实验室和现在的航天飞机航天员训练中，用来让航天员练习操纵载人机动装置。航天员在太空行走中需要搬运大型笨重物体时，也让航天员先在这台设备上练习。

④部分重力模拟器

这种装置实际上就是用绳索将人体吊起来，用以模拟月球和火星上的低重力环境。航宇局约翰逊航天中心载人航天器模型大厅内也有一台部分重力模拟器，主要结构是一个高9米的A字形框架，框架下方有平衡架、空气轴承和伺服机构，能精确模拟低重力情况。这种模拟器主要用于训练航天员在低重力和微重力条件下完成任务的能力。

⑤地质勘查训练

美国航宇局一直重视对航天员进行地质勘查训练，除了阿波罗航天员以外，对天空实验室和航天飞机航天员也进行过这种训练，当然这种训练在阿波罗航天员中进行的最多。为了进行这种训练，阿波罗航天员(特别是登月航天员)几乎走遍了整个美国。他们在全国各地选择地质勘查点，阿波罗11号勘查了一个点，阿波罗16号勘查了18个点，阿波罗航天员总的地质勘查训练时间为1408小时，其中包括月球表面模拟和月行车的操作训练。

64．什么是失重飞机?什么是抛物线飞行?在失重飞机上如何进行训练?

失重飞机是通过作抛物线飞行来产生失重的一种训练飞机。所谓抛物线飞行就是飞机先以45度角迅速爬高(称急升段)，然后改为平飞(称平飞段)，最后又以45度角下降(称下降段)。飞机在急升段和下降段，飞行员和参加实验的人员会受到2g加速度的作用，而在平飞段可体验到30秒钟的失重。不过更确切地说应该是低重力而不是失重，因为飞机在平飞段产生的是15×10-2g(即低重力)，而不是真正的0g(即失重)。

失重飞机通常是由高性能的喷气式飞机改装而成，机舱内比较宽敞，能容纳20余人同时进行训练。机舱两边装有把杆，并在机舱的下部和周围舱壁上铺有厚厚的软垫，以防训练人员在训练时可能与舱壁碰撞而被撞伤。训练分为两类：一类是感受和体验失重环境；另一类是操作技能训练，包括航天员太空行走时的各种操作和技能。由于失重飞机做抛物线飞行时，是失重和加速度(即超重)交替进行的，航天员身体负荷大，操作难度高，对航天员身体和意志都是一种考验。

美国失重训练用的飞机是一种经改装的有4个引擎的KC-135喷气式运输机。这种飞机在作抛物线飞行时每次可产生25秒钟的失重。每堂课一般要连续飞行2～3小时，完成30～40个抛物线飞行。这种KC-135失重飞机除了能产生25秒钟的0g外，还能产生15秒的-g，40秒的1/6g(月面重力)和30秒的1/3g(火星表面重力。这种飞机的机舱长18.2米，宽3米，高2.1米。机舱内有电力供应、抽气系统、灯光照明、供氧和供氮系统、电影和电视摄影器材。美国航宇局从最早期的水星计划到现在的国际空间站，所有航天员都用这种飞机进行过失重训练，总共进行过8万次以上的抛物线飞行。机上一般有5名工作人员：一名驾驶员、一名副驾驶员、一名飞行工程师和两名失重训练教练。

苏联从上世纪60年代就开始用失重飞机对航天员进行失重训练。最早曾使用过米格-15，后来又用图-104。图-104的机舱比较宽敞，工作人员曾将联盟5号和联盟4号飞船模型放进去，两艘飞船对接在一起后，一名航天员可以在上面练习从一艘飞船“行走”到另一艘飞船，另一名航天员则练习打开舱门和进出飞船座舱。当航天员在练习进出飞船座舱时服装的机动性和生保系统背包给他们带来一些困难。后来苏联又用伊尔-76，这种飞机经过改装后称为“飞行实验舱”。飞行实验舱一般是从加加林航天员训练中心起飞，每一次能进行20多个抛物线飞行。飞行实验舱主要用来让航天员体验失重，在太空行走训练中则用来练习进出飞船座舱和在太空移动身体。

欧空局从1984年开始也用失重飞机训练航天员，不过他们当时没有自己的失重飞机，而是租用美国经改装的KC-135％机。1988年，欧空局开始用快帆式客机作失重飞行训练，到1995年已经飞过15次。1998年欧空局购买了一架空客A-300。这种飞机的体积为20米×5米×2.3米，是迄今为止世界上最大的失重飞机。

我国在20世纪70年代曾研制改装过一架歼-5失重飞机。它曾经完成了许多科学实验，并在70年代选拔航天员时立下功劳，但是因空间小、年代久远，现已放弃使用。现在我国航天员是赴俄罗斯租用他们的失重飞机进行失重训练。

65．什么是中性浮力?为什么要在水下训练?水下活动与实际的太空行走有没有区别?

所谓“中性浮力”在这里是指人体在水中的一种状态，在这种状态下人体的重量与水的浮力相等，这时人体既不下沉到水底也不上浮到水面上，而是处

于一种不上不下的水中“飘浮”状态。利用这种“飘浮”在水中的状态可以在地面上模拟失重。

在地面上模拟失重主要有两种方法，一种是用失重飞机，另一种就是用中性浮力水池。失重飞机一般仅能产生25秒左右的失重，由于时间太短，有许多出舱训练不能在这样短的时间内完成。中性浮力水池能产生一种模拟失重状态，所有需要较长时间才能完成的出舱任务都可以在这种水池中进行训练。如果水池很大，还可以将载人飞船、部分航天飞机和国际空间站的模型放进去，让航天员练习太空维修和组装，因而可以大大提高训练效果。

从上世纪60年代以来，美国、苏联／俄罗斯都使用这种方法训练航天员的太空行走，目前美国更是大量使用这种方法训练航天员组装国际空间站。因此中性浮力水池是航天员太空行走训练最主要的方法。

不过用中性浮力水池训练航天员也有不足之处：首先，中性浮力水池产生的是一种模拟失重，而不是真实的失重。在中性浮力水池中重力并没有消失，仅只是人体的重量被水的浮力所抵消。在水中的航天员仍然感觉到自己衣服的存在。其次，人在水中活动会有阻力，航天员在中性浮力水池中进行操作或完成任务，由于水的阻力，会感到很费劲，比在太空实际操作费劲得多。

66．为训练航天员的太空行走，世界上共建了多少个中性浮力水池?

世界上主要的中性浮力水池共有五个，其中美国有三个：马歇尔航天中心的中性浮力模拟器、约翰逊航天中心的失重环境训练设备和中性浮力实验室；俄罗斯和日本各有一个。这五个中性浮力水池中，俄罗斯、日本和马歇尔航天中心的是一种圆形的深水池，约翰逊航天中心的两个是长方形的深水池。

67．马歇尔航天中心的中性浮力模拟器是什么样子?

马歇尔航天中心的这个中性浮力模拟器建于1968年，水池呈圆形，直径22.8米，深12米，蓄水量1100万升。水池由钢板焊接制成，内壁涂聚酯树脂。水池的外周建有三层平台：顶层用于放置潜水支持装备，中层设有维修间、贮存间及水池观察窗，底层即为地面。绕水池舱壁上的观察窗既可用于观察也可用作照明孔，使用泛光灯为水池内照明。水池的过滤与净化系统使用硅藻土和自动氯化装置，可提供清洁的具有良好可见度的水。使用蒸汽换热器控制水温，使其保持在30℃左右。

供气系统可供应4套训练用舱外航天服(每套流量为每秒2.83升)与4只头盔的用气。供气系统是一个重要系统，为保证其运行的绝对可靠，每次试验前需要对系统的所有部件进行认真检查，每周需进行两次空气取样分析。当供气系统出现故障时由应急供气系统供气。应急供气系统由管式拖车及附属装置组成。

控制系统由位于水池旁的现场控制台和控制室中的总控制台组成。现场控制台的主要任务是保障试验人员的安全。通话系统由有线广播系统、双向通话系统和水下扬声器组成。

装备运输和起吊系统。起吊系统包括水池边的升降机和气动高架单轨吊车。试验用的水下小型设备先放置在位于水池边的升降机台面上，然后由升降机放入水中，潜水员卸下后移至预定位置。试验用的水下大型设备则由叉车运输，使用气动高架单轨吊车将其吊至水面并移至水池中心位置，由潜水员帮助转移到气动水面浮动吊车上并运送到预定位置。

安全保障系统由气闸舱系统、安全潜水员和报警系统组成。气闸舱系统由两舱组成，位于水池内的为湿气闸舱，位于水池外的为干气闸舱，两舱由池壁的闸门相连。气闸舱系统用于试验中发生紧急情况时航天员(或潜水员)从水池底部紧急撤离，同时位于气闸舱内待命的医务人员可以立即进入水池内对航天员进行救治。

水下训练前首先要对航天员进行课堂培训，熟悉水下训练用舱外航天服的特性、穿上这种服装后的操作以及相关的医学问题等。水下训练时，每名航天员至少应有两名安全潜水员陪伴在左右以保证其安全；在水池边应有两名安全潜水员巡视水下情况，出现紧急情况时直接下水进行处理或采取其他救助措施。

救护与医疗系统，主要使用高压氧舱对与潜水有关的疾病(如气泡栓塞或潜水病等)进行治疗。