陳金盾，翟志宏，付元華，王 在，劉偉波

(中國(guó)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(hù)維修，空間應(yīng)用與科學(xué)實(shí)驗(yàn)，都需要航天員實(shí)施出艙活動(dòng)，完成大量復(fù)雜的艙外作業(yè)任務(wù)。出艙活動(dòng)(Extra Vehicular Activity，EVA)已成為載人航天任務(wù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

航天員出艙活動(dòng)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高負(fù)荷的復(fù)雜太空作業(yè)，涉及人(航天員)、機(jī)(艙外服、氣閘艙、作業(yè)對(duì)象、艙外機(jī)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(gè)復(fù)雜的人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)，存在機(jī)械、供電、換熱、通信、人機(jī)界面等復(fù)雜接口，且這些接口是隨著出艙活動(dòng)進(jìn)展動(dòng)態(tài)變化的。為保證出艙活動(dòng)任務(wù)成功和航天員安全，需對(duì)人-機(jī)-環(huán)要素進(jìn)行充分的地面驗(yàn)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(jì)驗(yàn)證項(xiàng)目，分階段、分現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證出艙活動(dòng)剖面[1]。

NASA要求在出艙活動(dòng)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)評(píng)審前、關(guān)鍵設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)等各階段都要進(jìn)行地面驗(yàn)證，并且驗(yàn)證時(shí)還需考慮出艙活動(dòng)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(jī)動(dòng)性、可達(dá)域、操作力)等影響因素。NASA常用的地面驗(yàn)證方法有模擬失重水槽模擬操作驗(yàn)證、失重飛機(jī)驗(yàn)證、懸吊操作驗(yàn)證、手套箱操作驗(yàn)證、數(shù)字仿真驗(yàn)證等[2]。同時(shí)，美俄均利用在軌飛行開(kāi)展了大量的在軌EVA驗(yàn)證，如美國(guó)在國(guó)際空間站發(fā)射前，利用航天飛機(jī)和和平號(hào)空間站開(kāi)展了大量空間站建造及艙外作業(yè)所需的專項(xiàng)驗(yàn)證；國(guó)際空間站建造初期，還對(duì)因天地差異導(dǎo)致地面無(wú)法充分驗(yàn)證的項(xiàng)目，開(kāi)展飛行驗(yàn)證，初期以艙外服、空間站平臺(tái)支持、人服能力驗(yàn)證為主，后期重點(diǎn)針對(duì)新的重大任務(wù)、出艙活動(dòng)技術(shù)改進(jìn)持續(xù)開(kāi)展飛行驗(yàn)證[3]。

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

國(guó)內(nèi)外都非常注重航天員出艙活動(dòng)驗(yàn)證。在驗(yàn)證策劃和設(shè)計(jì)上注重天地統(tǒng)籌，一方面盡可能充分利用地面試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)展充分的地面研制驗(yàn)證，體現(xiàn)“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-修改設(shè)計(jì)-再驗(yàn)證-確定狀態(tài)”的迭代過(guò)程；同時(shí)識(shí)別天地差異，開(kāi)展必要的飛行驗(yàn)證。這些經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，但出艙活動(dòng)驗(yàn)證總體設(shè)計(jì)如何保證覆蓋出艙活動(dòng)所涉及人、機(jī)和環(huán)境等要素及各要素間的接口，驗(yàn)證方法的選取等，均未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文首先介紹航天員出艙活動(dòng)驗(yàn)證方法，指出各種方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)；其次，以出艙活動(dòng)程序?yàn)闋恳?，分析空間站出艙活動(dòng)任務(wù)剖面，全面識(shí)別出艙活動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證需求，并針對(duì)需求特點(diǎn)，合理選取驗(yàn)證方法；然后，針對(duì)出艙活動(dòng)的復(fù)雜剖面，從獲得準(zhǔn)確結(jié)果、提高驗(yàn)證效益出發(fā)，合理分類，將各項(xiàng)驗(yàn)證需求及其對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證方法，按同一模擬試驗(yàn)環(huán)境的驗(yàn)證子項(xiàng)，合理整合，一并驗(yàn)證，提高驗(yàn)證效率；最后，按循序漸進(jìn)、先易后難的原則選擇試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)地面試驗(yàn)可提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并修改設(shè)計(jì)，使整個(gè)驗(yàn)證的可實(shí)施性更好。提出的一套出艙活動(dòng)驗(yàn)證方法已用于指導(dǎo)中國(guó)空間站出艙活動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證。

2 出艙活動(dòng)驗(yàn)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(dòng)驗(yàn)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(chǎng)實(shí)施模擬驗(yàn)證，從而將“大綜合”劃分為多個(gè)人-機(jī)-環(huán)“小綜合”模擬試驗(yàn)[1]。

2.1 模擬失重環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

航天員穿著艙外服，需在模擬失重環(huán)境中，完成出艙過(guò)閘、艙外行走、艙外作業(yè)等操作，驗(yàn)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(duì)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(yàn)證。航天員穿著水下艙外服，經(jīng)過(guò)浮力配平后可在水中達(dá)到保持任意姿勢(shì)的中性浮力狀態(tài)。水下環(huán)境中人的活動(dòng)范圍、操作能力、整體運(yùn)動(dòng)方式和在軌基本一致，為出艙活動(dòng)驗(yàn)證提供了可行方法。水下試驗(yàn)幾乎不受時(shí)間、運(yùn)動(dòng)范圍限制，具有6個(gè)自由度，適合長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的出艙活動(dòng)驗(yàn)證，尤其是從出艙到返回的航天員艙外活動(dòng)驗(yàn)證[3]。缺點(diǎn)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(tái)微重力運(yùn)動(dòng)模擬驗(yàn)證。氣浮臺(tái)提供近似無(wú)阻力的的平面運(yùn)動(dòng)環(huán)境，可對(duì)出艙活動(dòng)航天員轉(zhuǎn)移和安裝大體積、大質(zhì)量物體等運(yùn)動(dòng)過(guò)程的施力特性較為真實(shí)模擬[4]。但氣浮臺(tái)二維微重力運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)只能提供在平面3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，其他自由度受限，運(yùn)動(dòng)范圍也有限。

3)氣浮懸吊驗(yàn)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(dòng)，也可在垂直方向自由升降，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)4個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，能模擬微重力環(huán)境中航天員施力后的人服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性，適合開(kāi)展真實(shí)產(chǎn)品人機(jī)操作界面的驗(yàn)證[5]。缺點(diǎn)是不能模擬航天員俯仰和滾轉(zhuǎn)。

4)失重飛機(jī)驗(yàn)證。失重飛機(jī)拋物線飛行可提供真實(shí)的失重環(huán)境(0.01G左右)，一個(gè)拋物線飛行能夠提供15～45 s、一個(gè)起落架次提供累計(jì)10～20 min的真實(shí)失重環(huán)境[5]，可為重力敏感試驗(yàn)項(xiàng)目提供寶貴環(huán)境。但維持失重環(huán)境的時(shí)間短，空間有限，不適于開(kāi)展連續(xù)艙外操作。

2.2 低壓環(huán)境驗(yàn)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(guò)閘和返回過(guò)閘的壓力變化過(guò)程，以及模擬艙外真空環(huán)境，驗(yàn)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(wú)人低壓試驗(yàn)和有人低壓試驗(yàn)2種工況[6-7]。缺點(diǎn)是受低壓艙的容積限制、地面重力約束，活動(dòng)范圍受限，難以實(shí)施艙段級(jí)的低壓驗(yàn)證。

2.3 常壓環(huán)境驗(yàn)證

在地面常壓環(huán)境下，開(kāi)展與微重力環(huán)境和真空環(huán)境無(wú)關(guān)的出艙裝備之間的物理接口驗(yàn)證，如供電、供氣、通信、時(shí)序匹配等驗(yàn)證[1]。

2.4 仿真驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證可發(fā)現(xiàn)明顯的人機(jī)界面設(shè)計(jì)問(wèn)題，降低實(shí)物驗(yàn)證成本[5]。但受限于微重力條件下仿真建模能力，難以實(shí)現(xiàn)航天員穿艙外航天服條件下的空間活動(dòng)、生物力學(xué)和視覺(jué)的協(xié)同仿真。

2.5 飛行驗(yàn)證

鑒于上述地面環(huán)境模擬和仿真驗(yàn)證的不足，重點(diǎn)需對(duì)施力特性、作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)時(shí)間等存在較大天地差異的項(xiàng)目，安排出艙活動(dòng)在軌驗(yàn)證，修正地面試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

3 航天員出艙活動(dòng)驗(yàn)證需求分析

3.1 空間站出艙活動(dòng)系統(tǒng)

空間站節(jié)點(diǎn)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(guò)閘；在空間站建造完成后，使用專用氣閘艙出艙，節(jié)點(diǎn)艙作為備份?？臻g站外部配置空間機(jī)械臂、扶手、照明、攝像通信等出艙活動(dòng)輔助設(shè)施，用于支持航天員自主艙外行走，或機(jī)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(duì)象附近均設(shè)置作業(yè)點(diǎn)，為航天員作業(yè)提供支持[8]。還需制定出艙活動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)[1]。

3.2 出艙活動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證需求

在出艙活動(dòng)過(guò)程中，人、空間站、艙外服、失重和真空環(huán)境等要素通過(guò)出艙活動(dòng)程序串聯(lián)、組合在一起，各要素之間的接口復(fù)雜，且動(dòng)態(tài)變化。為全面分析驗(yàn)證需求，需要以出艙活動(dòng)程序?yàn)闋恳?，?duì)出艙活動(dòng)典型任務(wù)剖面進(jìn)行分析[1]。

根據(jù)出艙活動(dòng)程序，航天員出艙活動(dòng)任務(wù)剖面可劃分為出艙前準(zhǔn)備段、出艙過(guò)閘段、艙外活動(dòng)段、返回過(guò)閘段、出艙后恢復(fù)段5個(gè)時(shí)段[9]。

3.2.1 出艙前準(zhǔn)備段

從出艙活動(dòng)準(zhǔn)備開(kāi)始，到出艙當(dāng)天航天員穿艙外服、關(guān)閉背包門(mén)為止的時(shí)間段。主要工作項(xiàng)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(gè)人裝備準(zhǔn)備，通信、照明和攝像檢查，艙門(mén)檢漏，航天員穿艙外服并關(guān)閉背包門(mén)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(diǎn)驗(yàn)證人與環(huán)境、機(jī)與機(jī)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(yàn)證，包括航天員在氣閘艙內(nèi)完成艙外服組裝測(cè)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(yàn)證，包括艙外服與氣閘艙接口驗(yàn)證，艙外服艙載設(shè)備與空間站接口驗(yàn)證。

3.2.2 出艙過(guò)閘段

從航天員穿好艙外服開(kāi)始，至準(zhǔn)備打開(kāi)出艙艙門(mén)為止的時(shí)間段。主要工作項(xiàng)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(yàn)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(yàn)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(guò)閘設(shè)備布局合理性、過(guò)閘程序合理性；②驗(yàn)證艙外服與氣閘艙接口匹配性，即過(guò)閘泄/復(fù)壓過(guò)程中艙外服與氣閘艙的壓力匹配性；③設(shè)備性能驗(yàn)證，包括真空泵抽氣與氣閘艙泄/復(fù)壓速率、泄/復(fù)壓時(shí)間的匹配性，艙外服大流量沖洗耗氧量。

3.2.3 艙外活動(dòng)段

從出艙艙門(mén)打開(kāi)操作開(kāi)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(mén)并完成檢漏為止的時(shí)間段。主要工作項(xiàng)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(kāi)出艙艙門(mén)、出艙、安裝機(jī)械臂末端工作臺(tái)、艙內(nèi)外物品傳遞、航天員自主艙外行走或機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)移至作業(yè)點(diǎn)等；艙外作業(yè)主要是使用艙外工具進(jìn)行設(shè)備安裝、維護(hù)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(diǎn)返回到氣閘艙，關(guān)閉出艙艙門(mén)并檢漏等。

涉及的要素主要有人服系統(tǒng)、機(jī)械臂和輔助設(shè)施、艙外工具、作業(yè)對(duì)象、微重力和真空環(huán)境等。需重點(diǎn)驗(yàn)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(yàn)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(mén)開(kāi)啟力，出艙艙門(mén)開(kāi)關(guān)和進(jìn)出艙操作；②航天員攜帶設(shè)備進(jìn)出艙；③航天員艙內(nèi)、外傳遞設(shè)備；④航天員上、下機(jī)械臂，機(jī)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(diǎn)設(shè)置；⑦艙外工具操作；⑧艙外作業(yè)點(diǎn)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(yàn)證設(shè)備間接口匹配性，包括艙外服與空間站艙外無(wú)線通信接口、艙外載荷與空間站之間接口。

3.2.4 返回過(guò)閘段

從關(guān)閉出艙艙門(mén)并完成檢漏開(kāi)始，到氣閘艙復(fù)壓至80 kPa為止的時(shí)間段。主要工作項(xiàng)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(yàn)證需求同出艙過(guò)閘段。

3.2.5 出艙后恢復(fù)段

從打開(kāi)艙外服背包門(mén)開(kāi)始，至完成氣閘艙狀態(tài)恢復(fù)為止的時(shí)間段。主要工作項(xiàng)目包括航天員脫艙外服、氣閘艙復(fù)壓至工作艙壓力、打開(kāi)氣閘艙-工作艙艙門(mén)、更換個(gè)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(diǎn)驗(yàn)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(dòng)故障與應(yīng)急措施驗(yàn)證需求

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

1)艙外服故障。艙外活動(dòng)期間艙外服可能出現(xiàn)風(fēng)機(jī)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(yàn)證機(jī)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(shí)間；

2)氣閘艙故障。航天員從艙外返回氣閘艙過(guò)程中出現(xiàn)氣閘艙故障無(wú)法復(fù)壓時(shí)，航天員需轉(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)艙，利用其備份氣閘功能，返回空間站艙內(nèi)。需要驗(yàn)證航天員從艙外開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)艙艙門(mén)可行性等；

3)機(jī)械臂故障。機(jī)械臂因故障停止運(yùn)動(dòng)，航天員需從機(jī)械臂末端回到空間站艙壁。需要驗(yàn)證機(jī)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(shí)，需由另一名航天員將其救援返回至氣閘艙內(nèi)。需驗(yàn)證艙外救援方法和程序。

綜上，需要驗(yàn)證出艙活動(dòng)故障應(yīng)急預(yù)案，確保航天員安全。

3.2.7 出艙活動(dòng)方案驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，還要保證出艙活動(dòng)方案設(shè)計(jì)、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(yàn)證出艙活動(dòng)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(dòng)飛行驗(yàn)證需求

氣閘艙、機(jī)械臂和人服系統(tǒng)作業(yè)能力是空間站出艙活動(dòng)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(duì)節(jié)點(diǎn)艙和專用氣閘艙支持航天員過(guò)閘能力、機(jī)械臂輔助航天員和設(shè)備轉(zhuǎn)移能力、機(jī)械臂和輔助設(shè)施支持航天員定點(diǎn)作業(yè)能力，以及艙外典型作業(yè)和在軌救援流程等，開(kāi)展在軌飛行驗(yàn)證，確認(rèn)空間站具備出艙活動(dòng)應(yīng)用能力[3]。

梳理上述各項(xiàng)驗(yàn)證需求，可將這些驗(yàn)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(dòng)支持及作業(yè)、出艙活動(dòng)程序、故障模式、出艙方案與艙外作業(yè)安排、飛行驗(yàn)證7類33項(xiàng)驗(yàn)證需求，詳見(jiàn)表1。

4 航天員出艙活動(dòng)驗(yàn)證項(xiàng)目

4.1 確定出艙活動(dòng)驗(yàn)證項(xiàng)目原則

確定驗(yàn)證項(xiàng)目的思路和原則：

1)全面覆蓋驗(yàn)證需求。每項(xiàng)驗(yàn)證需求均需確定合理的驗(yàn)證試驗(yàn)環(huán)境和方法；

2)歸類整合驗(yàn)證項(xiàng)目。同一模擬試驗(yàn)環(huán)境的項(xiàng)目，合理整合，一并驗(yàn)證，提高驗(yàn)證效率；

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

4)識(shí)別天地差異，針對(duì)性安排飛行驗(yàn)證。重點(diǎn)圍繞航天員空間施力特性、操作體態(tài)、作業(yè)時(shí)間的天地差異，以及空間站出艙活動(dòng)支持關(guān)鍵性能，開(kāi)展在軌驗(yàn)證。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路和項(xiàng)目特性，對(duì)梳理出的33項(xiàng)驗(yàn)證需求，從仿真驗(yàn)證、常壓環(huán)境驗(yàn)證、低壓環(huán)境驗(yàn)證、模擬失重環(huán)境驗(yàn)證、飛行驗(yàn)證等幾種驗(yàn)證方法中選擇一種主要驗(yàn)證方法，見(jiàn)表1。

4.2 出艙活動(dòng)驗(yàn)證項(xiàng)目分類

根據(jù)上述思路，給出空間站航天員出艙活動(dòng)驗(yàn)證項(xiàng)目及其驗(yàn)證方法，可按試驗(yàn)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)歸類成仿真驗(yàn)證、常壓環(huán)境驗(yàn)證、低壓環(huán)境驗(yàn)證、模擬失重環(huán)境驗(yàn)證、飛行驗(yàn)證等5類18個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)，表2給出了驗(yàn)證項(xiàng)目分類及實(shí)施的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)各項(xiàng)驗(yàn)證項(xiàng)目進(jìn)一步細(xì)化，給出每個(gè)項(xiàng)目的驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)施的依據(jù)。

該驗(yàn)證項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)在于：①做到了地面驗(yàn)證充分，化解飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)；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(yàn)證互相補(bǔ)充，提高了研制效益。

4.3 應(yīng)用情況

在空間站研制過(guò)程中，遵循該出艙活動(dòng)驗(yàn)證方法和項(xiàng)目分類，在不同現(xiàn)場(chǎng)組織實(shí)施各類系統(tǒng)級(jí)綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。

表2 空間站航天員出艙活動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Table 2 Verification test sites for space station EVA

1)采用仿真驗(yàn)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(kāi)展仿真，初步驗(yàn)證了核心艙節(jié)點(diǎn)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(kāi)展了艙外服與氣閘艙接口匹配驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了艙外服和氣閘艙的氣、液、電、機(jī)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(kāi)展了出艙活動(dòng)水下模擬失重環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)(圖2)，驗(yàn)證了航天員進(jìn)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(yàn)證Fig.1 Simulation verification for a typical EVA operation

4)利用低壓艙模擬真空環(huán)境，對(duì)氣閘艙進(jìn)行了泄復(fù)壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了氣閘艙泄復(fù)壓速率、時(shí)間以及氣體回收率等指標(biāo)，并開(kāi)展出艙過(guò)閘載人低壓試驗(yàn)。

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

通過(guò)上述試驗(yàn)，改進(jìn)了機(jī)械臂末端接口、艙外人機(jī)界面的工效學(xué)設(shè)計(jì)，確定了核心艙出艙活動(dòng)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(dòng)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(dòng)驗(yàn)證的主要方法，指出各種驗(yàn)證方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，為驗(yàn)證方法選擇提供參考；

2)以航天員出艙活動(dòng)程序?yàn)闋恳?個(gè)程序時(shí)段系統(tǒng)分析出艙活動(dòng)中所涉及的人、機(jī)和環(huán)境要素，識(shí)別各要素之間接口驗(yàn)證需求。將同一模擬試驗(yàn)環(huán)境的驗(yàn)證內(nèi)容，合理整合，形成驗(yàn)證項(xiàng)目，便于工程實(shí)施；

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