陳金盾，翟志宏，付元華，王 在，劉偉波

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094)

1 引言

空間站在軌組裝建造、維護維修，空間應(yīng)用與科學(xué)實驗，都需要航天員實施出艙活動，完成大量復(fù)雜的艙外作業(yè)任務(wù)。出艙活動(Extra Vehicular Activity，EVA)已成為載人航天任務(wù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

航天員出艙活動是一項高風(fēng)險、高負(fù)荷的復(fù)雜太空作業(yè)，涉及人(航天員)、機(艙外服、氣閘艙、作業(yè)對象、艙外機械臂、輔助設(shè)施等)、環(huán)境(空間失重、低壓、熱真空等)等多種要素，是個復(fù)雜的人-機-環(huán)系統(tǒng)，存在機械、供電、換熱、通信、人機界面等復(fù)雜接口，且這些接口是隨著出艙活動進展動態(tài)變化的。為保證出艙活動任務(wù)成功和航天員安全，需對人-機-環(huán)要素進行充分的地面驗證。但是在地面難以創(chuàng)造出失重和真空的復(fù)合環(huán)境，需合理設(shè)計驗證項目，分階段、分現(xiàn)場驗證出艙活動剖面[1]。

NASA要求在出艙活動系統(tǒng)的初步設(shè)計評審前、關(guān)鍵設(shè)計階段和詳細(xì)設(shè)計等各階段都要進行地面驗證，并且驗證時還需考慮出艙活動特有的艙外環(huán)境因素(失重、熱環(huán)境、晝夜交替)、人服工作能力(機動性、可達域、操作力)等影響因素。NASA常用的地面驗證方法有模擬失重水槽模擬操作驗證、失重飛機驗證、懸吊操作驗證、手套箱操作驗證、數(shù)字仿真驗證等[2]。同時，美俄均利用在軌飛行開展了大量的在軌EVA驗證，如美國在國際空間站發(fā)射前，利用航天飛機和和平號空間站開展了大量空間站建造及艙外作業(yè)所需的專項驗證；國際空間站建造初期，還對因天地差異導(dǎo)致地面無法充分驗證的項目，開展飛行驗證，初期以艙外服、空間站平臺支持、人服能力驗證為主，后期重點針對新的重大任務(wù)、出艙活動技術(shù)改進持續(xù)開展飛行驗證[3]。

我國神七任務(wù)研制中，圍繞出艙活動涉及的人、船、服、出艙程序、真空和失重環(huán)境，分別組織實施了水下出艙活動驗證試驗、載人低壓試驗、地面常壓工況的艙外服與飛船接口聯(lián)試等驗證試驗[1]。

國內(nèi)外都非常注重航天員出艙活動驗證。在驗證策劃和設(shè)計上注重天地統(tǒng)籌，一方面盡可能充分利用地面試驗現(xiàn)場，開展充分的地面研制驗證，體現(xiàn)“設(shè)計-驗證-修改設(shè)計-再驗證-確定狀態(tài)”的迭代過程；同時識別天地差異，開展必要的飛行驗證。這些經(jīng)驗值得借鑒，但出艙活動驗證總體設(shè)計如何保證覆蓋出艙活動所涉及人、機和環(huán)境等要素及各要素間的接口，驗證方法的選取等，均未見文獻報道。

本文首先介紹航天員出艙活動驗證方法，指出各種方法的適用范圍和優(yōu)缺點；其次，以出艙活動程序為牽引，分析空間站出艙活動任務(wù)剖面，全面識別出艙活動系統(tǒng)驗證需求，并針對需求特點，合理選取驗證方法；然后，針對出艙活動的復(fù)雜剖面，從獲得準(zhǔn)確結(jié)果、提高驗證效益出發(fā)，合理分類，將各項驗證需求及其對應(yīng)的驗證方法，按同一模擬試驗環(huán)境的驗證子項，合理整合，一并驗證，提高驗證效率；最后，按循序漸進、先易后難的原則選擇試驗現(xiàn)場，通過地面試驗可提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并修改設(shè)計，使整個驗證的可實施性更好。提出的一套出艙活動驗證方法已用于指導(dǎo)中國空間站出艙活動系統(tǒng)驗證。

2 出艙活動驗證方法

當(dāng)前的空間環(huán)境地面模擬技術(shù)，難以模擬出適用于出艙活動驗證的失重和真空復(fù)合環(huán)境，需要以單一環(huán)境要素構(gòu)建不同環(huán)境現(xiàn)場實施模擬驗證，從而將“大綜合”劃分為多個人-機-環(huán)“小綜合”模擬試驗[1]。

2.1 模擬失重環(huán)境試驗驗證

航天員穿著艙外服，需在模擬失重環(huán)境中，完成出艙過閘、艙外行走、艙外作業(yè)等操作，驗證失重環(huán)境下航天員、艙外服、氣閘艙、艙外輔助設(shè)備、作業(yè)對象等要素間匹配性和可操作性等。從模擬手段上又分為以下幾種：

1)模擬失重水槽模擬驗證。航天員穿著水下艙外服，經(jīng)過浮力配平后可在水中達到保持任意姿勢的中性浮力狀態(tài)。水下環(huán)境中人的活動范圍、操作能力、整體運動方式和在軌基本一致，為出艙活動驗證提供了可行方法。水下試驗幾乎不受時間、運動范圍限制，具有6個自由度，適合長時間、大范圍的出艙活動驗證，尤其是從出艙到返回的航天員艙外活動驗證[3]。缺點是水的阻力較大，且配平后存在正穩(wěn)定效應(yīng)，不易自主變換并維持非配平姿態(tài)。

2)氣浮臺微重力運動模擬驗證。氣浮臺提供近似無阻力的的平面運動環(huán)境，可對出艙活動航天員轉(zhuǎn)移和安裝大體積、大質(zhì)量物體等運動過程的施力特性較為真實模擬[4]。但氣浮臺二維微重力運動模擬系統(tǒng)只能提供在平面3個自由度運動，其他自由度受限，運動范圍也有限。

3)氣浮懸吊驗證。利用氣浮消除阻力、懸吊平衡重力2種方法相結(jié)合，穿著艙外服的航天員可在水平范圍內(nèi)自由活動，也可在垂直方向自由升降，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)4個自由度運動，能模擬微重力環(huán)境中航天員施力后的人服系統(tǒng)運動特性，適合開展真實產(chǎn)品人機操作界面的驗證[5]。缺點是不能模擬航天員俯仰和滾轉(zhuǎn)。

4)失重飛機驗證。失重飛機拋物線飛行可提供真實的失重環(huán)境(0.01G左右)，一個拋物線飛行能夠提供15～45 s、一個起落架次提供累計10～20 min的真實失重環(huán)境[5]，可為重力敏感試驗項目提供寶貴環(huán)境。但維持失重環(huán)境的時間短，空間有限，不適于開展連續(xù)艙外操作。

2.2 低壓環(huán)境驗證

使用低壓艙模擬真空/低壓環(huán)境，能夠準(zhǔn)確模擬出艙過閘和返回過閘的壓力變化過程，以及模擬艙外真空環(huán)境，驗證氣閘艙、艙外服及其艙載設(shè)備的接口匹配性。通常分為無人低壓試驗和有人低壓試驗2種工況[6-7]。缺點是受低壓艙的容積限制、地面重力約束，活動范圍受限，難以實施艙段級的低壓驗證。

2.3 常壓環(huán)境驗證

在地面常壓環(huán)境下，開展與微重力環(huán)境和真空環(huán)境無關(guān)的出艙裝備之間的物理接口驗證，如供電、供氣、通信、時序匹配等驗證[1]。

2.4 仿真驗證

仿真驗證可發(fā)現(xiàn)明顯的人機界面設(shè)計問題，降低實物驗證成本[5]。但受限于微重力條件下仿真建模能力，難以實現(xiàn)航天員穿艙外航天服條件下的空間活動、生物力學(xué)和視覺的協(xié)同仿真。

2.5 飛行驗證

鑒于上述地面環(huán)境模擬和仿真驗證的不足，重點需對施力特性、作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)時間等存在較大天地差異的項目，安排出艙活動在軌驗證，修正地面試驗和仿真驗證數(shù)據(jù)。

3 航天員出艙活動驗證需求分析

3.1 空間站出艙活動系統(tǒng)

空間站節(jié)點艙配置泄復(fù)壓系統(tǒng)、艙外服、艙外服艙載支持設(shè)備，在空間站建造初期兼做氣閘艙，用于支持航天員出艙過閘；在空間站建造完成后，使用專用氣閘艙出艙，節(jié)點艙作為備份?？臻g站外部配置空間機械臂、扶手、照明、攝像通信等出艙活動輔助設(shè)施，用于支持航天員自主艙外行走，或機械臂輔助航天員轉(zhuǎn)移；配置作業(yè)工具，在艙外有效載荷等作業(yè)對象附近均設(shè)置作業(yè)點，為航天員作業(yè)提供支持[8]。還需制定出艙活動方案、故障預(yù)案、艙外作業(yè)規(guī)劃，據(jù)此形成航天員出艙活動程序等。上述硬件設(shè)備和出艙方法一同構(gòu)成空間站出艙活動系統(tǒng)[1]。

3.2 出艙活動系統(tǒng)驗證需求

在出艙活動過程中，人、空間站、艙外服、失重和真空環(huán)境等要素通過出艙活動程序串聯(lián)、組合在一起，各要素之間的接口復(fù)雜，且動態(tài)變化。為全面分析驗證需求，需要以出艙活動程序為牽引，對出艙活動典型任務(wù)剖面進行分析[1]。

根據(jù)出艙活動程序，航天員出艙活動任務(wù)剖面可劃分為出艙前準(zhǔn)備段、出艙過閘段、艙外活動段、返回過閘段、出艙后恢復(fù)段5個時段[9]。

3.2.1 出艙前準(zhǔn)備段

從出艙活動準(zhǔn)備開始，到出艙當(dāng)天航天員穿艙外服、關(guān)閉背包門為止的時間段。主要工作項目包括出艙消耗品安裝，艙外服及艙載設(shè)備檢查，艙外服尺寸調(diào)節(jié)與個人裝備準(zhǔn)備，通信、照明和攝像檢查，艙門檢漏，航天員穿艙外服并關(guān)閉背包門等。

涉及的要素主要有航天員、艙外服、氣閘艙艙載設(shè)備、出艙泄復(fù)壓設(shè)備、艙內(nèi)常壓及狹小空間環(huán)境等。需重點驗證人與環(huán)境、機與機之間接口，主要有：航天員在艙內(nèi)狹小空間環(huán)境作業(yè)可行性驗證，包括航天員在氣閘艙內(nèi)完成艙外服組裝測試與轉(zhuǎn)移的可行性、氣閘艙內(nèi)設(shè)備布局合理性；設(shè)備與設(shè)備間接口匹配性驗證，包括艙外服與氣閘艙接口驗證，艙外服艙載設(shè)備與空間站接口驗證。

3.2.2 出艙過閘段

從航天員穿好艙外服開始，至準(zhǔn)備打開出艙艙門為止的時間段。主要工作項目包括艙外服及艙載支持系統(tǒng)檢查、氣密性檢查、氣閘艙初步泄壓(艙壓約70 kPa)、大流量沖洗、吸氧排氮、氣閘艙完全泄壓(艙壓低于2 kPa)、艙外服轉(zhuǎn)自主工作模式等。

涉及的要素主要有人服系統(tǒng)(航天員穿著艙外服)、氣閘艙艙載設(shè)備、艙內(nèi)變壓力環(huán)境及狹小空間等。需驗證人服系統(tǒng)與環(huán)境、設(shè)備與設(shè)備之間接口匹配性，以及重要設(shè)備性能等，主要有：①驗證航天員穿著艙外服充壓狀態(tài)在氣閘艙狹小空間操作可行性，包括氣閘艙內(nèi)過閘設(shè)備布局合理性、過閘程序合理性；②驗證艙外服與氣閘艙接口匹配性，即過閘泄/復(fù)壓過程中艙外服與氣閘艙的壓力匹配性；③設(shè)備性能驗證，包括真空泵抽氣與氣閘艙泄/復(fù)壓速率、泄/復(fù)壓時間的匹配性，艙外服大流量沖洗耗氧量。

3.2.3 艙外活動段

從出艙艙門打開操作開始，至航天員完成作業(yè)任務(wù)返回氣閘艙、關(guān)閉出艙艙門并完成檢漏為止的時間段。主要工作項目包括艙外作業(yè)準(zhǔn)備、艙外作業(yè)和作業(yè)后撤收3類。艙外作業(yè)準(zhǔn)備的典型工作內(nèi)容包括航天員打開出艙艙門、出艙、安裝機械臂末端工作臺、艙內(nèi)外物品傳遞、航天員自主艙外行走或機械臂輔助轉(zhuǎn)移至作業(yè)點等；艙外作業(yè)主要是使用艙外工具進行設(shè)備安裝、維護維修、有效載荷操作等；作業(yè)后撤收主要包括工具和物品整理，攜帶物品從作業(yè)點返回到氣閘艙，關(guān)閉出艙艙門并檢漏等。

涉及的要素主要有人服系統(tǒng)、機械臂和輔助設(shè)施、艙外工具、作業(yè)對象、微重力和真空環(huán)境等。需重點驗證人服系統(tǒng)與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間接口匹配性，主要需驗證人服系統(tǒng)在失重環(huán)境下完成作業(yè)的可行性，包括：①艙門開啟力，出艙艙門開關(guān)和進出艙操作；②航天員攜帶設(shè)備進出艙；③航天員艙內(nèi)、外傳遞設(shè)備；④航天員上、下機械臂，機械臂輔助轉(zhuǎn)移；⑤航天員艙外自主轉(zhuǎn)移路徑、通道；⑥艙外作業(yè)點設(shè)置；⑦艙外工具操作；⑧艙外作業(yè)點空間布局、扶手、腳限制器等支持能力；⑨艙外作業(yè)程序。還需驗證設(shè)備間接口匹配性，包括艙外服與空間站艙外無線通信接口、艙外載荷與空間站之間接口。

3.2.4 返回過閘段

從關(guān)閉出艙艙門并完成檢漏開始，到氣閘艙復(fù)壓至80 kPa為止的時間段。主要工作項目包括氣閘艙復(fù)壓至40 kPa，艙外服轉(zhuǎn)艙載模式，艙外服加壓至80 kPa、氣閘艙復(fù)壓至80 kPa等。相關(guān)驗證需求同出艙過閘段。

3.2.5 出艙后恢復(fù)段

從打開艙外服背包門開始，至完成氣閘艙狀態(tài)恢復(fù)為止的時間段。主要工作項目包括航天員脫艙外服、氣閘艙復(fù)壓至工作艙壓力、打開氣閘艙-工作艙艙門、更換個人裝備、氣閘艙和工作艙狀態(tài)設(shè)置、艙外服及艙載支持系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)與整理等。

涉及的要素主要有航天員、艙外服及氣閘艙艙載設(shè)備、艙內(nèi)常壓及狹小空間環(huán)境等。需重點驗證人在狹小空間環(huán)境作業(yè)可行性、氣閘艙恢復(fù)程序合理性。

3.2.6 出艙活動故障與應(yīng)急措施驗證需求

為保障航天員安全，需充分考慮出艙活動中的異常問題和應(yīng)急對策，可能出現(xiàn)的故障或問題主要有以下4類：

1)艙外服故障。艙外活動期間艙外服可能出現(xiàn)風(fēng)機故障、服裝泄漏、供氧調(diào)節(jié)異常等故障，航天員須中止艙外作業(yè)，緊急返回氣閘艙。需要驗證機械臂支持航天員緊急返回、航天員自主緊急返回氣閘艙2種情況下的返回時間；

2)氣閘艙故障。航天員從艙外返回氣閘艙過程中出現(xiàn)氣閘艙故障無法復(fù)壓時，航天員需轉(zhuǎn)移至節(jié)點艙，利用其備份氣閘功能，返回空間站艙內(nèi)。需要驗證航天員從艙外開啟節(jié)點艙艙門可行性等；

3)機械臂故障。機械臂因故障停止運動，航天員需從機械臂末端回到空間站艙壁。需要驗證機械臂支持航天員返回艙壁的可行性；

4)航天員失去工作能力。若一名航天員因故失去工作能力時，需由另一名航天員將其救援返回至氣閘艙內(nèi)。需驗證艙外救援方法和程序。

綜上，需要驗證出艙活動故障應(yīng)急預(yù)案，確保航天員安全。

3.2.7 出艙活動方案驗證需求

為確保出艙任務(wù)成功和航天員艙外作業(yè)效率，在上述出艙活動系統(tǒng)工程設(shè)計驗證的基礎(chǔ)上，還要保證出艙活動方案設(shè)計、艙外作業(yè)規(guī)劃、航天員分工與作業(yè)安排合理可行[3]。需驗證出艙活動方案、艙外作業(yè)任務(wù)規(guī)劃、乘組分工與作業(yè)安排的合理性與可行性。

3.2.8 出艙活動飛行驗證需求

氣閘艙、機械臂和人服系統(tǒng)作業(yè)能力是空間站出艙活動的關(guān)鍵要素，在軌微重力環(huán)境和地面模擬環(huán)境存在一定差異，需對節(jié)點艙和專用氣閘艙支持航天員過閘能力、機械臂輔助航天員和設(shè)備轉(zhuǎn)移能力、機械臂和輔助設(shè)施支持航天員定點作業(yè)能力，以及艙外典型作業(yè)和在軌救援流程等，開展在軌飛行驗證，確認(rèn)空間站具備出艙活動應(yīng)用能力[3]。

梳理上述各項驗證需求，可將這些驗證需求按屬性歸納合并為：設(shè)備間接口、氣閘艙內(nèi)狹小空間布局、艙外活動支持及作業(yè)、出艙活動程序、故障模式、出艙方案與艙外作業(yè)安排、飛行驗證7類33項驗證需求，詳見表1。

4 航天員出艙活動驗證項目

4.1 確定出艙活動驗證項目原則

確定驗證項目的思路和原則：

1)全面覆蓋驗證需求。每項驗證需求均需確定合理的驗證試驗環(huán)境和方法；

2)歸類整合驗證項目。同一模擬試驗環(huán)境的項目，合理整合，一并驗證，提高驗證效率；

3)循序漸進、先易后難。先仿真驗證，后實物驗證；先常壓環(huán)境驗證，后低壓/真空環(huán)境驗證；先地面(懸吊)驗證，后水下驗證；

4)識別天地差異，針對性安排飛行驗證。重點圍繞航天員空間施力特性、操作體態(tài)、作業(yè)時間的天地差異，以及空間站出艙活動支持關(guān)鍵性能，開展在軌驗證。

根據(jù)設(shè)計思路和項目特性，對梳理出的33項驗證需求，從仿真驗證、常壓環(huán)境驗證、低壓環(huán)境驗證、模擬失重環(huán)境驗證、飛行驗證等幾種驗證方法中選擇一種主要驗證方法，見表1。

4.2 出艙活動驗證項目分類

根據(jù)上述思路，給出空間站航天員出艙活動驗證項目及其驗證方法，可按試驗環(huán)境和現(xiàn)場歸類成仿真驗證、常壓環(huán)境驗證、低壓環(huán)境驗證、模擬失重環(huán)境驗證、飛行驗證等5類18個驗證試驗，表2給出了驗證項目分類及實施的試驗現(xiàn)場。在此基礎(chǔ)上，對各項驗證項目進一步細(xì)化，給出每個項目的驗證目的、方法、內(nèi)容、技術(shù)狀態(tài)、所需保障條件等，可作為空間站航天員出艙活動系統(tǒng)驗證實施的依據(jù)。

該驗證項目優(yōu)勢在于：①做到了地面驗證充分，化解飛行試驗風(fēng)險；②解決了地面難以創(chuàng)造失重和真空/低壓復(fù)合環(huán)境的難題；③幾種模擬環(huán)境驗證互相補充，提高了研制效益。

4.3 應(yīng)用情況

在空間站研制過程中，遵循該出艙活動驗證方法和項目分類，在不同現(xiàn)場組織實施各類系統(tǒng)級綜合驗證試驗。

表2 空間站航天員出艙活動驗證試驗現(xiàn)場Table 2 Verification test sites for space station EVA

1)采用仿真驗證方法，使用氣閘艙模型、艙外設(shè)備模型、人服系統(tǒng)模型開展仿真，初步驗證了核心艙節(jié)點艙空間布局、典型艙外作業(yè)的合理性(圖1)等；

2)在地面常壓環(huán)境，開展了艙外服與氣閘艙接口匹配驗證試驗，驗證了艙外服和氣閘艙的氣、液、電、機械以及信息接口匹配性；

3)在模擬失重性能水槽，配置水下艙段和設(shè)備，利用水下模擬失重環(huán)境，開展了出艙活動水下模擬失重環(huán)境驗證試驗(圖2)，驗證了航天員進出艙、艙外作業(yè)方案的合理性；

圖1 航天員典型艙外作業(yè)仿真驗證Fig.1 Simulation verification for a typical EVA operation

4)利用低壓艙模擬真空環(huán)境，對氣閘艙進行了泄復(fù)壓試驗，驗證了氣閘艙泄復(fù)壓速率、時間以及氣體回收率等指標(biāo)，并開展出艙過閘載人低壓試驗。

圖2 出艙活動水下模擬失重環(huán)境驗證試驗Fig.2 EVA verification test in neutral buoyancy lab

通過上述試驗，改進了機械臂末端接口、艙外人機界面的工效學(xué)設(shè)計，確定了核心艙出艙活動技術(shù)狀態(tài)，以及艙外服與氣閘艙的接口狀態(tài)，建立了空間站出艙活動能力包絡(luò)，并為后續(xù)研制提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1)給出出艙活動驗證的主要方法，指出各種驗證方法的適用范圍和優(yōu)缺點，為驗證方法選擇提供參考；

2)以航天員出艙活動程序為牽引，分5個程序時段系統(tǒng)分析出艙活動中所涉及的人、機和環(huán)境要素，識別各要素之間接口驗證需求。將同一模擬試驗環(huán)境的驗證內(nèi)容，合理整合，形成驗證項目，便于工程實施；

3)研究提出的驗證項目和方法，已應(yīng)用于空間站核心艙出艙活動驗證，驗證結(jié)果表明提出項目的可行性，顯著提高了工程驗證效益，并可推廣應(yīng)用于空間站后續(xù)艙段研制。