如何在地面再现纷繁复杂的载人航天环境，并通过对这些环境的模拟开展各种试验研究、试验验证以及航天员特殊环境因素的训练等工作，使航天员在训练过程中熟悉、适应这些环境，并为航天员找到应对这些环境的措施，以确保其安全、可靠地完成飞行任务，就是地面模拟设备需要解决的问题。
需要说明的是，在地面条件下模拟航天环境，存在“相对逼真性”与局限性。在地面条件下对航天环境进行模拟，既可以真实地复现航天环境，也可以是一种效应模拟。效应模拟并不一定完全真实地复现航天环境，而是采用适当的方法，仅产生航天环境所形成的效应，以便达到同样的试验目的，这就是所谓的等效模拟方法。采用等效模拟方法，是因为完全真实地复现航天环境，有时是不可能或不必要的；有时受科学技术发展水平的限制，等效模拟不可能实现，如长时间的真实失重环境和宇宙空间的超高真空环境等；有时虽然技术上有可能实现，但需要付出极大的代价（比如增加研制模拟设备的技术难度和投资），而仅模拟所需要的航天环境效应，也可以达到同样的试验效果。一般来说，大部分地面模拟试验都采用等效模拟方法，等效的目标既可以是物理效应等效，也可以是医学生物学效应等效，或者是主观感觉效应等效等。
（1）乘员舱大气环境模拟设备
飞船内环境模拟舱和舱内航天服试验舱，是典型的乘员舱大气环境模拟试验设备。
1）飞船内环境模拟舱。飞船内环境模拟舱可以提供不同的座舱压力、增压和减压速率、氧浓度、二氧化碳浓度、温度及湿度等试验环境，可用于航天环境医学实验。中国采用的乘员舱大气环境模拟舱舱体直径为2.8米，长6.8米，舱内分为生活间、工作间和卫生间三个舱室及过渡间，可以同时容纳5名受试者进行连续30天的试验。舱内压力可在101～25千帕范围内调节，增减压速率可调节；空气温度可在10～40℃范围内调节；相对湿度可在30%～70%范围内调节；氧浓度可在21%～50%范围内调节。试验中可监测并控制二氧化碳浓度，使其低于设定的限值。该舱载人试验安全措施完备，配有生理参数舱内外传输通道、舱内外通话系统、舱内摄像监视系统和舱内人员使用的供氧装置。
2）舱内航天服试验舱。舱内航天服试验舱可模拟载人航天器整个飞行过程中座舱内部可能出现的气候环境。该舱为长5.8米、内径2.6米卧式圆筒结构，分为高空舱和副舱两个舱室，两舱之间有双向密封门，可进行1～2人的载人试验。高空舱内压力可在0.667～101千帕范围内调节，副舱压力可在20～101千帕范围内调节，增减压速率可调节；副舱可进行减压速率最高达36千帕/秒（101～54千帕范围内）的快速减压试验；高空舱内空气温度在-20～55℃范围可调，露点温度在10～40℃范围可调（相对湿度在20％～90％范围内），空气紊流速度在0.5～4.0米/秒范围内可调节；高空舱配有服装气源系统，流量在40～350升/分范围内可调节，露点温度在6～26℃范围内可调节（相对湿度在20％～80％范围内），氧浓度在21％～95％范围内可调节；可监测舱内氧浓度和二氧化碳浓度。该舱载人试验安全措施完备，配有舱内外生理参数传输通道、通话和摄像监视系统、舱内人员使用的供氧装置以及用于救治减压病的高压氧舱。
（2）乘员舱压力应急环境模拟设备
除舱内航天服试验舱外，应急生保试验舱也可用于模拟乘员舱压力应急环境。科研人员通过大量压力应急模拟实验，研究乘员舱异常减压对人体的影响并提出防护措施，利用该舱可对舱内航天服系统和环控生保系统对抗压力应急状态的能力和有效性进行验证和评价。
应急生保试验舱由两个独立的试验舱——主舱和副舱组成。主舱是载人试验舱，模拟密封绝热的飞船返回舱和轨道舱。副舱是与主舱配套的非载人产品试验舱，模拟非密封的飞船推进舱。
主舱舱体结构为卧式，直径为2.3米，直筒段长4.0米；空载情况下舱壁温度在0～50℃范围内可调；舱内极限压力不大于2千帕，舱体密封并绝热。
副舱舱体为卧式结构，直径为2.3米，直筒段长为1.5米；空载时副舱内的极限压力不大于1.3×10-3帕；舱壁温度可在-30～70℃范围内交变，舱壁的温度变化率大于1℃/分。
（3）空间环境模拟设备
空间环境模拟设备又称空间环境模拟器，是用来模拟航天器运行轨道空间环境因素的设备，可用于航天器和舱外航天服的研制和试验。
中国航天员中心2007年建成的空间环境模拟设备是舱外航天服试验舱。舱外航天服试验舱由舱体、热真空部分、粗抽系统（含普通复压）、紧急复压系统、服装悬吊装置、训练支持设备、测控系统（含摄像监视及通话系统）、循环冷却水系统、液氦系统等组成。其中热真空部分包括热沉、氮系统、高真空主抽气系统、检漏系统、红外模拟器、热真空功能测控系统等。训练支持设备包括服装参数显示系统（含服装物理参数﹑受试者生理参数）﹑服装气液供应装置（出舱保障综合控制台﹑服装控制台﹑舱载换热器等）﹑服装氧源和冷源﹑服装故障模拟装置等系统。
舱外航天服试验舱主要用于模拟轨道空间环境的真空、冷黑(热沉)和太阳辐射三个基本参数。
该舱圆柱段长6.5米，内径4.2米，为卧式圆筒结构，可容纳1套内装拟人载荷的舱外航天服进行真空热试验，可容纳2套舱外航天服进行压力性能试验，可容纳2名穿着舱外航天服的受训者进行训练和体验试验；舱内空载极限压力不高于1.3×10-4帕；在航天服向舱内的漏气速率为2标准升/分时，舱内压力小于6.7×10-3帕；出现紧急情况时，舱压在5秒内可复压到41.3千帕（相当于地面7千米高度的气压），可视情况在10秒内继续复压到地面气压；仅粗抽系统工作，在舱外航天服水升华器排水蒸气2.8千克/小时工作条件下，能够维持舱内的压力不高于10帕；能够模拟飞船气闸舱的泄压和复压曲线；热沉表面温度低于100K；配置红外模拟器，能模拟舱外航天服在太空受到的热辐射；配备有能在真空环境下工作的舱内照明和通话系统，在热真空环境下工作的舱内摄像监视系统；配备有服装悬吊装置，能抵消舱外航天服在地面的重量，便于航天员训练；配备有训练支持设备，能向进行训练的舱外航天服供应气液电，实时监视舱外航天服的物理参数和受训人员的生理参数，能模拟舱外航天服可能出现的故障。
（4）载人航天超重环境模拟设备
载人离心机是目前世界各航天国家普遍采用的超重环境模拟设备。这类设备具有安全、超重环境参数（过载值大小、增长速率、作用时间和方向等）可控制和重复性好等优点。实践证明，离心机训练是最为有效的航天员基础训练之一，是维持和提高航天员超重耐力最有效的手段。
载人离心机一般由转台、转臂、吊舱、拖动系统（包括驱动电机及传动装置）、转速控制系统、引电环系统、过载值测量系统、生理信号监测系统、摄像监视与通话系统等组成。
中国航天员中心在用的超重训练，是一台以大型载人离心机为主体，能够模拟飞船上升段和返回段超重过载环境及其他超重过载环境的综合训练设备。该设备的旋转半径为8米，最大过载值16g，最大过载增长率6g/秒，最大过载下降率2g/秒；吊舱为单人单轴舱，最大载荷165千克；设备运转中，可对吊舱内受试者的生理参数进行实时监测，同时设有通话及摄像监视系统，并具有完善的安全连锁及安全保护功能。
（5）载人航天冲击环境模拟设备
载人航天冲击环境模拟设备是进行载人航天冲击环境模拟实（试）验的主要手段，常见的有垂直跌落式冲击塔和水平火箭车式冲击机等。能够实现冲击环境模拟的试验设备，从结构形式上有水平式与垂直式两种；从刹车方式上有弹性金属带减速刹车、气动刹车、液体阻尼刹车等多种。
目前我国能够用于载人的冲击环境模拟设备是中国航天员中心的垂直式水刹车冲击塔。该冲击塔由塔架、冲击平台、水刹车阻尼装置、平台起吊机构和导向机构、电控系统、高度测量及冲击信号记录系统等组成。水刹车冲击塔用水作为阻尼介质，具有可产生大脉宽冲击波形、无二次反弹现象、重复性好等独特性能。该设备可产生过载峰值为2～80g、脉冲宽度为15～200毫秒的多种常用冲击波形，如半正弦波、任意三角形波、前锯齿波和后锯齿波等。平台使用尺寸为1 200毫米×900毫米，最大载荷500千克。
（6）载人航天失重环境模拟设备
中性浮力水槽是对航天员进行失重环境下运动与作业训练的一种极为有效的设备，在载人航天舱外活动技术的发展中，起到了极为重要的作用。利用中性浮力水槽可以进行出舱维修作业程序的研究，对航天员进行出舱维修作业技能训练，还可以进行载人航天器结构（乘员舱内整体布局、舱内外辅助器具和设施的设置等）和维修工具工效学的研究及评价试验等。
美国、俄罗斯、日本、法国、欧空局等均建有中性浮力水槽，并且不断提高中性浮力试验的技术水平。美国建有多个中性浮力水槽，且仍在不断改建，以扩大规模和改进性能。俄罗斯加加林航天员中心现有一个中性浮力水槽，使用频度很高。由此可见，各航天国家对中性浮力水槽和中性浮力模拟试验的重视程度。图7-7为美国约翰逊航天中心的中性浮力水槽。图7-8为日本失重环境试验设备。
中性浮力模拟方法以人在失重状态下对运动和力的感觉为模拟目标。其模拟原理是，将穿着水槽训练航天服的受试者全部浸没在水中，通过对人和服装组成的系统实施配重的方法，使其在水中受到的浮力和重力大小相等，即使其达到能够保持一定姿态的中性浮力状态，这时受试者会产生一种漂浮感。
由模拟原理可以看出，中性浮力模拟方法并没有产生真实的失重环境，也没有真正消除重力对受试者身体的作用，而是仅为受试者提供了人在失重状态下对运动和力的一种感觉上的效应。但是美俄两国进行过航天飞行的航天员普遍反映，这种模拟效果很好，十分逼真。
中国航天员中心2007年建成的中性浮力水槽，由水槽本体及支持系统、训练及试验支持系统、训练及试验指挥系统三大部分组成。其中水槽本体及支持系统是训练和试验的基础设备，包括槽体、水系统、冷却水系统、照明系统、起重设备等。训练及试验支持系统为航天员进行水下训练或试验提供生命保障条件和装备支持，包括水槽训练航天服及地面生保系统、潜水装备、航天器模型、加压舱等。训练及试验指挥系统为训练或试验提供指挥手段，包括摄像监视系统、通话系统、生理参数监测系统和测控系统等。
中国的中性浮力水槽槽体为圆筒形结构，直径23米，水深10米，用不锈钢材料制作而成。能保证2名航天员同时进行训练，训练期间水温维持在28～30℃；配备有起吊设备，以保障航天器模型的转运和组装，以及穿着水槽训练航天服的航天员出入水面；配备有水槽训练航天服及地面生保系统，潜水装备和航天器模型；配备有生理参数监测系统，可对航天员的心电、呼吸和体温等生理参数进行实时监测；配备有摄像监视和通话系统，可实时监视记录训练现场情况，并可随时与航天员进行通话联络。
利用失重飞机进行抛物线飞行获得失重环境，是目前被广泛应用的方法。世界上没有专门的制造商生产失重飞机，失重飞机一般由运输机、歼击机或其他现有机型改装而成。并不是所有的飞机都可以改装成失重飞机，失重飞机对机身强度、最大飞行速度、最大进入姿态角、最小操纵速度和气密舱容积等都有一定的要求。
对基本机型进行特别设计和改装而成的失重飞机，能够进行抛物线失重特技飞行，在飞行中可获得短时间的失重环境。这种特技飞行的轨迹，是位于与地面垂直的平面内的一条抛物线，所以称之为抛物线飞行。飞机作抛物线飞行时，先以45°角迅速爬高（称急升段），当飞机爬升至抛物线顶点时，又以30°角下降（称下降段）。飞机在急升段向下降段的转变过程中，在抛物线顶点附近能获得20～30秒的失重时间，此时参加训练的人员可以获得失重环境体验，进行失重环境操作训练。
美国早期由C-130B型运输机改装成的失重试验机，能够获得约15秒的失重时间，后来由KC-135喷气式空中加油机改装成的失重试验机，获得了约25秒的失重时间。美国还曾将T-33、F-104等型号的战斗机改装后进行失重飞行，但目前美国使用得最多的失重试验机还是KC-135。
苏联曾对图-104飞机进行改装，并获得了约30秒的失重时间。目前俄罗斯训练航天员的主力机型，是四发动机重型运输机伊尔-76改装的大型失重飞机。
我国曾在20世纪70年代初进行过失重飞机改装技术研究，成功研制改装TF-5型小型失重飞机，并获得了40秒左右的失重时间，此后完成了270余架次的各类失重飞行试验和实验研究。因该机型改装的年代已经久远，现已放弃使用。
