与全任务飞行训练模拟器不同,专项训练模拟器是为了完成某单一的专项任务而研制的训练设备。
专项训练器由专项训练设备、仿真系统、教员系统等组成,可以进行某些系统的专门操作训练和飞行训练。目前国际上通用的专项训练器一般有出舱活动程序训练模拟器、手控交会对接训练模拟器和空间站模拟器等。
(1)出舱活动程序训练模拟器
我国研制的出舱程序训练模拟器属于典型的专项训练器,用于出舱活动中与航天员相关的气闸舱设备和舱外航天服的正常操作训练、故障训练和出舱程序训练。为防备在执行任务中气闸舱设备和舱外航天服出现故障,也针对这些设备的故障现象进行模拟,并训练航天员如何排除这些故障。同时,这种训练器也可应用于工程的一些试验验证。
按照模拟器的功能要求和相应的配置,将出舱活动程序训练模拟器系统分为七个分项:地面(常压)训练用舱外航天服分项(下称常压服)、气闸舱舱载设备分项、生保支持设备分项、悬吊移动装置分项、主控与仿真分项、教员台分项和辅助支持分项。
常压服分项和气闸舱舱载设备分项是模拟器系统的核心。常压服分项由两套常压服、服装控制台及配套设备组成;气闸舱设备由舱体及配套设备组成,它们是航天员训练过程中的载体和操作对象;生保支持系统为常压服提供气源压力和液冷支持,配合常压服完成压力制度、液冷功能的模拟,以满足受训航天员的生理需要;悬吊移动装置分项提供常压服的承载功能,并能满足常压服小阻力运动;主控与仿真分项负责系统压力模型、航天员操作模型、电源模型、系统监测以及接口控制与数据采集等功能;教员台分项则负责训练科目的设置、训练的指挥调度等;辅助支持分项负责对系统供电、电视监视和系统通话功能。各分项分别完成模拟器的相关配置,实现相应的功能,并且相互协调配合,共同组成模拟器系统,实现模拟器的所有技术指标和功能要求。
真实条件下的舱外航天服和过闸程序处于低压乃至真空环境中,带有很大的危险性。在实验室常压下,基本无医学风险,运行代价小,可以训练航天员熟练掌握过闸操作步骤,是航天员完成低压环境体验和执行飞行任务的基础。要掌握这种体验性的技能,航天员必须置身于一种相对真实的训练环境中,常压服和气闸舱舱载设备应当尽可能地接近真实的环境和功能。
由于这种操作技能与失重条件密切相关,为保障训练难度,接近真实飞行状态,缩短航天员在轨执行任务的适应过程,地面训练环境中设计了无支撑悬吊装置系统,以平衡重力,减少摩擦力,辅助其训练中的自主移动。
在真实气闸舱内设计悬吊移动机构,由于气闸舱和悬吊移动机构的复杂性,加上活动空间非常狭小,因此,无法建立完整一体的气闸舱舱体,只能通过舱压模型和仪表仿真显示来模拟。
在常压环境下,利用反向加压模式,可以模拟真实出舱活动中的服装相对压力变化情况,包括在轨检查、轨道舱泄压、大流量冲洗、吸氧排氮、轨道舱再次泄压、服装气密性检查、出舱、气闸舱复压等过程。
考虑模拟故障的功能,而真实设备在常压开放环境下无法工作(舱门检漏仪),为了降低研制代价,气闸舱与出舱活动相关的设备采用操作功能模拟件来实现。
构建起来的出舱活动程序训练模拟器,是一个以离散事件为驱动,集全实物仿真、半实物仿真和数字仿真于一体的人在回路中的实时仿真系统,利用受训者的操作事件,可以驱动整个程序操作的训练。
(2)交会对接训练模拟器
交会对接训练模拟器用于航天员交会对接任务的技能训练,主要是针对手动操作对接时的航天员技能训练。由于各国的手动操作方式不一样,所以手控训练的模式也不相同。俄罗斯采用的是平移、姿态两个手柄来进行手动交会对接,利用潜望镜模式来进行对接目标的辨识。美国的航天飞机采用的是平移、姿态合一的操作模拟进行手动交会对接,利用舷窗的辅助测量图形符号和视觉所见进行对接目标的辨识。
交会对接训练模拟器一般由仿真系统(仿真目标飞行器和追踪飞行器的动力学、运动学、GNC控制、对接机构)、交会对接任务相关的仪表系统和交会对接任务相关的视景系统等组成。相对于全任务飞行训练模拟器而言,交会对接模拟器仅模拟两个航天器近距离的对接和撤离训练,着重让航天员熟悉和掌握对接、撤离的手控操作。
(3)空间站模拟器
空间站模拟器主要仿真空间站上航天员需要操作的各种环境,包括各种空间站自身设备的功能模拟器与操作模拟,各种科学实验设备和生活照料设备的功能模拟与操作模拟。相对于全任务飞行训练模拟器,空间站模拟器主要用于航天员在空间站环境之中的设备操作和程序操作训练。图7-20为和平号空间站模拟器。