2017-03-10 10:37:20

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地面模拟设备是指用人为的方法或手段创造出与自然环境相似或相同的环境称为"人造环境",也称为对自然环境的模拟。它所用的科学仪器设备就称为模拟设备。为保证人在太空的正常飞行,在航天员上天之前,必须在地面上就应熟悉航天中所遇到特殊环境因素要熟悉载人航天器的基本结构性能与驾驶操纵航天器的本领,就得使用地面上能模拟航天中遇到的各种环境因素的模拟设备。

基本信息

  • 中文名

    地面模拟设备

  • 作    用

    飞行任务模拟

  • 俗    称

    人造环境

  • 分    类

    三类

折叠 编辑本段 设备分类

​常用的载人航天地面模拟设备有三类:

1.针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备;用于电推进系统的温度真空地面模拟舱用于电推进系统的温度真空地面模拟舱2.为航天员训练航天作业所用的各种飞行模拟器;

3.建立各种舱体,模拟航天器内部环境的模拟设备。

折叠 特殊环境模拟

模拟航天中所遇到的特殊环境的模拟设备较多。例如,模拟超重环境的人用离心机,也称人工重力环境模拟器,其超重过载值可根据需要而变,以考验被试者抗重力过载负荷能力;模拟失重环境的失重飞机和模拟失重感觉的大水池;模拟载人航天器着陆冲击时产生冲击力的"冲击塔"模拟高速气流吹击的风洞设备;模拟瞬间弹射力的弹射塔、火箭车(滑轨车)和飞机弹射装置等,模拟压力、温湿度环境因素的模拟设备,如低压舱、高压舱、迅速减压舱、真空舱和高低温舱等模拟旋转力、角加速度环境因素的转椅、旋转台,这类设备在考 验人体平衡机能时最有用;模拟噪声环境的噪声室及其设备;模拟振动环境的振动台;还有模拟电离辐射、紫外线、激光、红外线和微波辐射的各种模拟设备等等。

折叠 飞行任务模拟

飞行模拟器是针对载人航天任务而设计的执行各种飞行任务的模拟器。其主要功能是在地面模拟(复现)太空中飞行条件和实际载人航天器运动状态,为航天员提供运动感觉、视觉、听觉和操纵负荷等各种感觉,使航天员感到好像真的在太空驾驶航天器一样。飞行模拟的基本组成有计算机管理控制和仿真系统、模拟座舱、视景系统、仪表系统、操纵负荷和音响系统等分系统。每个具体飞行模拟器都是针对具体载人航天器型号的。苏联和美国所发射的各种载人航天器都有各自的飞行模拟器,其中美国阿波罗号登月飞船的飞行模拟器,可以模拟从起飞到登月和返州地面等全程序飞行。也有只模拟载人航天某项飞行技术的模拟器,如模拟飞船的起飞,人轨和姿态如何控制等飞行技术的模拟器。还有模拟在太空作业的专项模拟装置,如太空对接、太空维修和出舱模拟器等等。

折叠 内部环境模拟

模拟航天员在太空生活与工作的微小空间环境,都是以各种舱室的形式来完成的。这种微小生活空间舱室与航天员在太空生活的空间,除不能模拟失重环境外,其他都模拟逼真。例如,它是密封舱体,内在环境完全按载人航天器设计要求加以控制。其气压、气体成份、氧氮比例、温度、湿度、供水、供电、供食(要吃航天食品)、废物收集处理和个人卫生等各种需求,都要全部或几项,单项模拟出来。这种微小生活空间模拟对于考察和训练人对长期在太空生活的适应性是很重要的。

折叠 编辑本段 失重模拟

失重环境是航天飞行所特有的环境因素,它也能模拟出来吗?能,失重模拟失重模拟只是失重的时间短。短期失重的模拟主要是落塔和失重飞机,落塔所造成的物体自由下落时间仅几秒钟,没有实际意义。人们用高性能的普通飞机改装或特意建造的失重飞机.能在一次飞行中创造出20~30秒钟的失重环境。这种飞机的机舱内有宽大的空间,内乘被训人员,并配备了实验用品。当飞机飞行到一定高度和速度时,以一定的操纵程序进入特别设计的失重抛物线飞行.即沿抛物式上升和下落。在整个过程中便产生了失重或微重力现象。这种飞机在一次飞行中,可以作若干次抛物线飞行。人们在失重的时间里可以做各种试验.如吃东西,喝水,穿脱衣服、闭眼与睁眼的定向运动,甚至可把一个舱体搬进机舱中.还可进行人在失重的时间里从舱体爬出来的试验,训练太空的出舱活动。总之,它是训练未进入太空的人在失重环境中的运动,消除人体对失重的"恐惧感"的有效途径。

在地面还可用水池产生的漂浮感觉,训练航天员在失和维修状态。也可以用头低位卧床办法.模拟失重时人体的失重效应等。

折叠 编辑本段 航天训练

鉴于航天环境的严酷性,不经过专门训练,即使经过极严格挑选的最优秀的飞行员也不能胜任航天任务。训练的主要目的是增强航天员机体对特殊的航天因素的适应能力和掌握完成飞行任务的技能。

其内容包括:

折叠 理论技术

学习课程包括火箭技术基础、飞船设计原理、制导和控制原理、通信和导航原理、飞行力学、天文学、地球物理学、航天医学-生物学等。

折叠 体质训练

即大家都熟悉的早操、球类、田径、登山、游泳和各种体育比赛。这项训练是在医务人员的监督下进行的。目的是增强体质,提高机体对各种应急因素的耐力。登山运动还可向航天员提供低气压和氧分压、空气温度和湿度急剧变化及紫外线、红外线辐射的条件,以提高机体对特殊因素作用的稳定性。

折叠 飞行训练

可维持飞行技术、进一步提高在可能的失误情况下迅速作出判断和适应反应的能力。

折叠 模拟训练

这是一项非常重要和有效的训练。内容包括在航天因素模拟器上的训练和飞英研制出虚拟跳伞训练器英研制出虚拟跳伞训练器行操作练习器上的训练两项。

航天因素对于人类来说是异乎寻常的。这些因素主要有:飞船上升段和下降段的超重、震动、噪音;轨道飞行段的失重、真空、辐射和悬殊的温差变化。为了使航天员熟悉和适应这些独特环境状况,在地面条件下建立了一系列的模拟设备,诸如大型离心机、失重飞机、震动台、噪音模拟器、变温舱、变压舱、隔绝室、辐射室和弹射设备等,现分别介绍如下:

(1)宇宙空间条件模拟舱。除了低压外还要模拟宇宙中的亮度和温度变化。

(2)超重模拟器--离心机。这是航天员最有价值的训练设备之一。离心机臂端的吊篮里有躺椅、仪表板、手控制器和联动装置及环境控制系统、加压服和生物医学仪器。吊篮密闭后可减压到实际飞行的座舱压力。运转时可模拟正常发射、再入及可能的失败再入情况。

休斯顿研制载人飞船科研中心修建的离心机,其臂长15m,在以7.5g/s的速度增加超重时可达30g的超重状态。臂端上的舱直径为3.6m,容积14m3,重3624kg,可容纳3名身穿航天服的航天员。舱内压力可在1~0.35atm①范围内变化。相对湿度为40%~60%,温度10~100℃。舱有3个自由度,因此可以建立不同方向作用于航天员的超重条件。改变离心机旋转的角加速度可以获得飞船发射过程中第一级火箭分离时刻、第二级火箭工作及分离时刻和第三级火箭发动机工作时出现的加速度。舱内设有生物遥测设备和电视机。

通过在离心机上的训练可以提高航天员对超重的耐力及在超重条件下操纵飞船和通信的能力。

失重模拟是在飞机沿抛物线轨迹飞行时实现的。航天员在这样的失重飞机上练习失重状态下饮水、进食、通话、定向和完成各种精细的协调动作的能力。

由于在失重飞机上模拟的失重时间较短,自1966年开始美国的航天员开始在特殊的"失重水池"中训练。尽管身体在液体中移动时仍会遇到阻力,但潜水时所出现的中和飘浮现象可使航天员熟悉具有3个自由度的人体动态。飞行前在这种水池里经受过训练的航天员对这种训练给予很高的评价(这是后话)。

(3)航天练习器。包括从简单的操纵台到极复杂的全程序动、静态模拟设备。按其用途的不同可分为三组。第一组是静态装置。它实际上就是让航天员熟悉飞船上所有系统的精密制作的教具,这种练习器对于航天员掌握飞船的电力系统、燃料系统、生保系统和操纵、导航系统的工作是必不可少的。第二组练习器帮助航天员了解他即将要完成的任务并获得相应的经验。它们或是动态,或是静态,可能比较简单,也可能相当复杂,这取决于它们的用途。第三组练习器是静态设备。模型内部精确地复制真实飞船内部的设备,可以发生发射飞船时的噪音,投影机和反射镜系统可以逼真地显示星空地貌及飞船按假定轨道逐渐运动的变化,操纵台上的仪表向航天员提供必要的信息,由计算机调节仪表显示、与给定显示进行比较并使这些显示发生相应的改变。借助于这个计算机装置,设计师可以模拟应急情况,从而考验和锻练航天员采取正确的解决方法、排除故障的能力。这种练习器对于训练航天员和地面飞行控制中心的操纵员来说都是必要的,对于他们协同完成飞行任务起着重要作用。

(4)多轴旋转惯性装置。主要用于姿态控制的训练,以便在飞船自动控制失灵时航天员建立信心,并通过手控停止飞船翻滚和恢复原来的姿态。

折叠 生活方式

在航天中的衣、食、住、行与地面上截然不同。飞行前应在未来的航天中在即将采用的特殊的作息制度、人工大气条件下生活一段时间。航天员还要学会特殊航天食品的进食方式。

折叠 救生训练

包括正常回收和在可能出现意外情况下的救生训练。内容有弹射和跳伞训练及学会在热带、沙漠和水上等各种恶劣环境下应急着陆后的生存手段。

在整个训练过程中可能还会发现并淘汰一些不十分理想的候选人员。只有经过上述极严格的选拔和训练,证明是卓绝的人才能获得航天员的资格。

折叠 编辑本段 地面模拟技术

折叠 太空对接装置

神舟八号与天宫一号在太空成功对接,使我国成为继美、俄之后第3个掌握交会对接技术的国家。

要在地面真实模拟两个航天器在太空对接运动的过程,首先必须克服地球引力的影响,比较真实地再现物体在失重环境的运动。由于地球引力使物体产生重力,重力产生摩擦力,摩擦力阻碍物体的运动。如果能够消除或最大限度地减小摩擦力的影响,就能比较真实地再现物体在失重环境的运动。

基于这一原理,由上海航天技术研究院805所、中科院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、青岛精密仪器公司等多家单位联合研制的空间对接机构缓冲试验台构思新颖、设计巧妙,目前已拥有多项国家专利发明技术。

该试验装置建造了两艘质量、惯量、质心与真实的飞行器完全相同,并能够安装真实对接结构的飞行器模拟件,可通过独创的气浮技术,将两个飞行器模拟件悬浮起来。由于空气的摩擦阻力非常小,可以忽略不计,因此能较真实地模拟两个飞行器的对接机构在失重状态下,从碰撞、捕获、缓冲、连接到分离的全过程,并能测量整个过程中,两个飞行器模拟件的位置和速度,以及对接过程中的撞击力和缓冲力的变化。

总重量100多吨的空间对接机构综合试验台,是我国载人航天二期工程最大的地面试验设备,由上海航天技术研究院805所牵头,哈工大、上海交大、浙大、华东计算机所、上海重机厂等多家单位参与共同研制。

折叠 试验台性能

综合试验台采用"半物理仿真试验"原理,能模拟最大质量为8吨-100吨的空间飞行器对接动力学全过程,并能模拟飞行器的在轨高低温环境运行。其中,参与试验的主动对接机构和被动对接机构是真实产品,飞船和空间站的质量、惯性等特征则采用数字模型描述。根据给定的交会对接初始条件,通过控制"六自由度运动模拟器"来实现两个飞行器对接过程的相对运动,使对接机构进行碰撞、捕获、缓冲、校正试验,与缓冲试验平台在功能上相互补充,在试验结果上相互验证。

由上海航天技术研究院牵头、哈尔滨工业大学承制的空间对接机构整机特性测试台,可对空间对接机构装配完成后的特性参数进行测试,主要包括对接配合尺寸、对接环运动和力学特性、传动系统和捕获系统承载能力、机电配合特性等。

以哈尔滨工业大学为主研制的空间对接机构热真空试验台,则专门用于考核对接机构在真空高、低温环境条件下的工作性能。该试验装置能将对接机构放入一个足够大的真空罐中,建立高空高低温试验环境,利用飞轮模拟两个飞行器的动能,建立初始条件实现对接过程,进行碰撞、缓冲、密封连接、分离试验。

这些高水平的大型试验设备的成功研制大大提升了我国航天技术水平,为我国从航天大国迈向航天强国打下了坚实的基础。

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