太空行走100问(十二)_中国人太空行走十周年

　　太空行走的训练设备(下) 　　 　　68.约翰逊航天中心的失重环境训练设备有何特点?有哪些辅助设施? 　　失重环境训练设备(WETF)是建在约翰逊航天中心的第29号大楼内。这个大楼原来是放置载人离心机的地方，因为航天飞机在发射时的加速度最高只有3g，航天员完全可以耐受，这样就不需要载人离心机的训练，因此在上世纪70年代中期航宇局将载人离心机拆除，改建成一个大型中性浮力水池。
　　失重环境训练设备是一个长方形的深水池，水池的大小是根据航天飞机模型的尺寸来决定的，因为在池中要放置一个航天飞机的货舱模型。该水池长24米，宽9.8米，深7.6米，蓄水量182万升，水温可维持在31℃。该水池除有标准的过滤、加氯消毒和水泵系统外，还有一整套辅助设施，其中包括：
　　①全尺寸的航天飞机轨道器货舱模型和遥控机械臂系统，货舱的两扇舱门可以打开和关闭；
　　⑦两台气吊，一台为4.5吨，另一台为4.99吨。主要用于吊起航天飞机模型，也可用来吊起水池中的航天员；
　　④环境控制系统，有一条脐带式软管可以向身穿舱外航天服的航天员提供氧气和水，在控制室中有一个环控系统控制台，用以对该系统进行控制。此外还有一个警报系统，一旦空气的流量和压力没有维持在预先设定的水平上系统即报警，如果环境控制系统发生故障，还有一套应急供氧系统，能提供30分钟的氧气供应；
　　④通讯系统，所有参加训练的航天员都提供两路通话，通讯线路就包在脐带式软管内，该系统有主要系统和备用系统两部分，如果主要系统发生故障，可以使用备用系统，如果两个系统都发生故障，还有一个由电池供电的应急系统，可提供单路通讯；
　　⑤服装加重系统，为了抵消水的浮力，还要在训练用的舱外航天服外加上重物，包括前后加重背包、上肢加重袖套和下肢加重膝套，通过对加重物的调节，可以保证全身重量平衡分布，以实现中性浮力，如果发生紧急情况，加重系统应能在5～10秒钟内取下；
　　⑥闭路电视系统，由两台水下全景摄像机、两台水下手持摄像机和控制室中的电视监视器组成；
　　⑦穿衣室。分男女两间，此外还有一间储藏室，专供训练用舱外航天服的保管与储存；
　　⑧医务室，配有2名医助和1名医生，还有一辆急救车，一旦发生情况可以将伤病员及时送到附近的高压氧舱救治。
　　69俄罗斯加加林航天中心的中性浮力水池在结构上有何特点?航天员如何在水池中进行训练?
　　俄罗斯加加林航天中心的中性浮力水池于上世纪70年代修建而成，曾经对礼炮号、和平号和国际空间站的航天员进行过太空行走训练。水池曾装下一些大型载人航天器的模型，以前是和平号空间站核心舱的模型，现在则改成国际空间站上俄罗斯的服务舱模型。
　　俄罗斯中性浮力水池的主要性能：水池呈圆形，直径22.4米，深12米，水池周围设置观察窗口和照明窗口；水温约30℃；水下生命保障系统提供的压缩空气中氧浓度为17～23％；升降平台长20米，宽10米，升降速率每分钟50厘米、承载重量15吨；10套蛙人装备；在安保方面，配备有防火灾、防水灾、防压力容器爆裂措施。
　　水池池体由不锈钢板焊接而成，钢板厚度随水深而加厚；在不同深度的水池周围安装了45个舷窗。其中有两个为长方形，作为主监视窗口，其余均为圆形。有20个舷窗安装了投射灯，为水池内提供照明。另外，安装有蛙人出入水平台。水系统采用次氯酸钠消毒杀菌，用石英砂为介质的机械过滤装置，可滤除水中的杂质颗粒。高压空气系统为训练用舱外航天服和蛙人潜水服提供高压空气。照明系统由四部分组成：屋顶天棚照明灯、窗口投射灯、水下照明灯和应急照明灯。水下监视摄像及记录系统主要由防水摄像头、放大器、视频分配器、磁带录像机、数字视频音频编辑机、数字磁带录像机以及视频监视器等组成。通讯系统包括有线通讯、无线通讯、声音有线广播通讯。
　　航天员身穿训练用的海鹰型舱外航天服，这种服装外形跟真的航天服一样。只是背包内没有生命保障系统，航天员呼吸和服装内通风都是通过一根脐带式软管进行。脐带式软管的一端与水池上的一台空气压缩机相连，另一端与航天员的航天服相连。这种服装供氧方式跟一般的潜水服差不多。服装重100千克。每套服装可供训练40次，然后进行保养和维修；经过150次训练使用后，就需要送到工厂去进行大修。服装加重系统要求在航天员的前胸、后背、腰部、手腕和膝关节部位加上重物。这种海鹰型航天服在太空失重环境中，航天员可以自己穿上不需要别人帮助，但是在地面上穿时，则需要工作人员帮忙。当航天员穿好服装后，用安装在水池边的升降机将其下降到水池中。过去每次只训练2名航天员，现在为了提高训练效率，每次训练3名航天员。每次训练时间是5小时，最长不超过7小时。每次训练都配有6至7名潜水员。对航天员进行帮助和指导。此外还有2名摄影师，负责将整个训练过程记录下来。
　　每次训练之前航天员都要进行体检，然后到水池边的穿衣区域穿服装。穿着的顺序是先穿液冷服，然后戴上通讯帽，最后才穿航天服。训练完毕后，航天员可先洗个热水澡，然后参加一个简短的会议，参加会议的还有医生、训练员、太空行走专家和其他航天员。
　　每次训练课至少有7名潜水员负责安全保护，他们都背着便携式水下呼吸器(即水肺)。水下训练，安全第一。为确保安全，训练负责^要求，在紧急情况下应在4分钟内将遇险的航天员从水中救出来。除了水下有安全措施以外，在训练过程中还有一辆急救车随时待命，同时训练中心的低压舱还要做好随时接收伤病员的准备。
　　70.日本的中性浮力水池有什么特别之处?
　　日本的中性浮力水池位于日本筑波航天中心，这个中性浮力水池主要是为国际空间站上日本建造的希望号实验舱服务的。该水池为圆形，直径15米，深10.5米，能够容纳整个的希望号实验舱。通过过滤系统和加热系统对水池中水的质量和温度进行控制。航天员背上的背包是模型，因此航天员的氧气供应和服装内温度调控都是通过脐带式软管完成。水池旁边有控制室。室内有视频和通讯系统。水池旁还有应急高压氧舱、供航天员穿脱航天服的设备、1-g试验和训练设备、航天服维修和储藏设备、潜水装具和烘干航天服的设备等。
　　71.什么是虚拟现实技术?这种技术有何特点?美国航宇局用此技术训练航天员的太空行走效果如何?
　　虚拟现实技术，也称灵境技术或虚拟环境。这项技术是上世纪60年代提出来的，80年代得到迅速发展，作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新科研成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。它最早源于美国军方的作战模拟系统，90年代初逐渐 为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点是用计算机产生一种人为的虚拟环境。这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编触到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。
　　虚拟现实的最大特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受，它在航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。
　　一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成。虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性。为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入工具和演示设备，以识别人的各种输入命令，且提供相应反馈信息，实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用选择这些工具，主要包括：头盔式显示器、跟踪器、传感手套、屏幕式显示系统、房式立体显示系统、三维立体声音生成装置。
　　美国航宇局早在上世纪70年代就开始探索这种技术在航天员太空行走训练中的应用。1993年为了维修发生严重故障的哈勃太空望远镜，航宇局决定用虚拟现实技术对航天飞机STS-61的航天员进行训练，结果取得良好效果。1997年，约翰逊航天中心的虚拟现实实验室在火星探路者探测器的飞行中又使用该技术，也取得非常满意的效果。2005年，航宇局在航天飞机STS-114飞行任务中再次用这种技术对航天员的太空行走进行了训练，这次训练主要是为了更好地完成对航天飞机的维修任务。
　　通过多年的实践证明，虚拟现实技术在航天员太空行走训练中是一种非常有效的训练工具，美国航宇局准备继续使用这种技术，发展这种技术，让这种技术在未来航天员的太空行走训练中发挥更大的作用。
　　72.什么是遥控机械臂训练模拟器?
　　1977年美国航宇局建造了一种新型模拟设备，简称为SIMFAC。这种设备可以对航天飞机的遥控机械臂进行实时的模拟和训练，设备建在一间30米×18米的大跨度无菌大厅中，大厅内放置航天飞机遥控机械臂、航天飞机轨道飞行器货舱和其中的有效载荷。此外还有一个遥控机械臂的控制台，其外形和功能跟航天飞机上的控制台完全一样，控制台上的显示器能从四个角度实时的显示遥控机械臂、货舱和有效载荷的状态。
　　73.什么是载人机动装置太空操作模拟器?
　　为了高保真地模拟航天飞机载人机动装置在太空操作的情况，美国航宇局建造了这台模拟器。这台模拟器能进行6个自由度的运动，由电脑控制，能显示航天员操纵载人机动装置时手的控制输入。航天员可以穿航天服进行操作，也可以不穿航天服；可以在白天操作，也可以在夜间操作。该模拟器还包括航天飞机轨道飞行器的驾驶舱模型和货舱后部模型。如果航天员太空行走的目的是要维修卫星，在航天飞机货舱中还有一个需要维修的卫星模型。模拟器有一个大屏幕显示器，能够显示载人机动装置在航天飞机货舱周围机动的方向和速度。
　　俄罗斯也有载人机动装置训练设备，俄罗斯的设备是一种旋转模拟设备，能做3个自由度的运动，用于研究两个方向角运动的速率。
　　74.什么是出舱活动程序训练模拟器?
　　出舱活动程序训练模拟器是为航天员在出舱活动时，针对出舱活动应进行的出舱前各种准备活动而研制的专用训练设备。设备的主要功能是出舱程序训练，包括舱外航天服和气闸舱的操作技能训练、出舱程序训练、故障与应急程序训练。此外该设备也用于对出舱程序的设计、气闸舱操作、舱外航天服的工效学评价；验证正常出舱程序和故障程序在可操作性和时序上的正确性。
　　设备的组成：训练用舱外航天服；地面生保系统；运动辅助设施；气闸舱和舱载设备；测控、数据管理与仿真设备；通话监控与训练调度设备。