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科普|出艙的背后:天上的每一個動作,地面都要反復模擬

2021-11-16  zhb學習閱...

2021年11月8日,神舟十三號航天員乘組翟志剛、王亞平成功完成出艙全部既定任務,出艙活動取得圓滿成功。從翟志剛的神舟七號首次出艙,到十三年后的今天,翟志剛再次出艙,王亞平成為中國首位出艙的女航天員,每一次出艙的背后,都有航天員和無數幕后英雄的辛勤汗水和鼎力相托,為了出艙一刻,航天員們都要在地面上經歷哪些“魔鬼式訓練”?今天就讓我們一起來感受下吧!

神舟十三號航天員乘組圓滿完成首次出艙活動。

天上做的每個動作,都有地上的模擬訓練

2008年9月27日,神舟七號航天員翟志剛完成出艙活動,成功返回軌道艙,我國航天員成功實現首次太空行走,標志著中國成為繼美蘇之后,世界上第三個獨立掌握空間出艙關鍵技術的國家。

神舟七號航天員翟志剛出艙。

隨著工程邁入空間站關鍵技術驗證階段,我國也將有更多的航天員漫步太空。神舟十二號航天員乘組的兩次出艙,只是一個開始,隨著神舟十三號航天員順利實施出艙活動,我國航天員乘組常態化開展出艙活動的時代已經到來。

與神舟七號任務相比,空間站階段的出艙任務,航天員出艙時間大大延長,作業任務及其難度也顯著增加:艙外設備安裝、維護、維修、更換和試驗樣品回收等,都需要出艙活動。

神舟十二號航天員乘組執行出艙活動。

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神舟十三號航天員乘組執行出艙活動。

天上做的每一個動作,地上都會反復模擬。要形成模擬失重環境艙外活動及作業訓練標準,難度之大,可想而知。每一位航天員在進入太空執行出艙活動之前,都要在地面經歷一番“魔鬼式訓練”。通過這番訓練,航天員可熟知艙外航天服和氣閘艙的結構、布局、性能及工作原理,熟練掌握相關設備的操作技能,包括正常操作和故障的識別、判斷與處理;熟練掌握正常出艙程序和應急故障處置程序,確保出艙活動順利實施。

訓練內容有哪些

出艙活動技術訓練包括出艙活動基礎理論、專業理論和操作技能、出艙程序以及出艙任務等類別的訓練,每一類由不同的訓練科目組成,既有理論學習,又有實際操作訓練,既有單項操作訓練,也有程序訓練。航天員每次出艙的任務不同,因此出艙任務訓練的內容也是不確定的,要根據航天員艙外作業的具體任務來確定,其他訓練科目和內容則相對確定。除理論學習外,航天員主要在出艙程序訓練模擬器、模擬失重訓練水槽、艙外服試驗艙、虛擬現實訓練器這四個設備上,進行艙外航天服和氣閘艙出艙活動相關設備的操作訓練及出艙程序訓練,包括正常操作和程序訓練,以及故障的識別、判斷和處理訓練。

出艙程序訓練模擬器

出艙程序訓練模擬器是一個實物、模擬件與計算機仿真相結合的系統,可以模擬艙外航天服和氣閘艙相關設備在使用過程中的大部分狀態,如艙外航天服壓力制度、服裝和設備的物理界面、顯示參數、操作特性、操作信息等,可以給航天員提供逼真的身體觸覺、視覺和聽覺環境,能進行正常狀態的仿真和典型故障仿真,包括艙外航天服、氣閘艙相關設備和艙門檢漏儀器故障。利用出艙程序訓練模擬器,航天員除進行艙外航天服和氣閘艙設備操作訓練外,主要進行正常出艙程序訓練和故障處置程序訓練。

模擬失重訓練水槽

模擬失重水槽可以給航天員提供模擬失重的訓練環境,這對于出艙活動訓練,特別是艙外行走、出艙裝配和維修等艙外作業,是最為有效的訓練手段。模擬失重訓練水槽規模龐大,可將1∶1的空間站或飛船模型放置其中。訓練時,潛水員可以通過調整航天員水槽訓練服上的配重鉛塊數量或位置來進行配平,以便調整航天員的姿態,模擬失重環境的操作效應。通過模擬失重訓練水槽訓練,可以使航天員體驗和熟練掌握模擬失重狀態下身體的運動與姿態控制以及出艙活動操作的特點、方法、技巧,包括開關艙門、出艙和進艙、艙外行走、艙外作業,如安裝新的設備、修理和更換部件等。

神舟十三號航天員乘組進行水下訓練。

艙外服試驗艙

艙外服試驗艙能模擬空間環境的真空,是航天員出艙活動訓練的重要設備。航天員在艙內主要進行常壓和低壓條件下的正常出艙程序訓練和故障訓練,其中常壓訓練是為低壓訓練作準備。從安全角度考慮,首先進行常壓訓練,之后再安排相同科目內容的低壓訓練。

低壓訓練一般設置53千帕和10帕兩種工況。53千帕低壓訓練既可安排正常出艙程序訓練,也可安排故障處置訓練。10帕低壓訓練一般是進行正常出艙程序訓練,其間,穿插安排打開水升華器等操作。通過低壓訓練,一方面可以考察和訓練航天員對近似真空環境的適應能力和工作能力,突破心理障礙,在心理上做好執行出艙活動任務的準備,另一方面也可使航天員感受真實低壓情況下的運動負荷和服裝溫度調控情況。

虛擬現實訓練器

虛擬現實訓練器能夠完整地模擬航天員在軌工作,模擬出艙活動等,并可與地面人員進行聯合訓練演練,每次上天之前,航天員乘組在地面至少要進行出艙全流程演練2~3次。

除了上述提到的各類針對性專項訓練,航天員還需要進行的就是身體力量訓練,航天員的力量訓練包括上肢力量訓練和核心力量訓練。航天員在太空失重環境中如開展工作,或者艙外作業(攀爬、設備安裝等)都更加依靠上肢力量,而這種力量訓練不僅要練,還要進行數據分析,測算要達到的具體標準。據了解,中國航天員的上肢力量數據與皮劃艇、體操等專業運動員的數據進行比對后得到的結論是:航天員的數據不亞于專業運動員。

據了解,已經返回地面的“神十二”乘組在完成了兩次出艙任務后,積累了一定經驗,他們通過與“神十三”乘組天地通話以及返回后開展座談的方式,進行了充分交流,為神舟十三號乘組分享了在軌獲取的經驗和感受,特別是針對出艙活動交流了天地差異該注意的事項,神舟十三號乘組對此在地面也提前開展了相應訓練,為提前進入狀態、順利執行任務打下基礎。

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