更新时间：2023-01-31 21:55
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。
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；（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。
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。
载人航天器在地球轨道飞行时，每绕地球飞行1周，光环境会发生2次变化。因为舱外活动时间达6～7h，该因素应当予以考虑。由于有阳光时航天员工作区域能见度好，航天员的活动会轻松；而在黑暗时，航天员在独立生保系统和移动系统的控制、工具的使用、完成舱外活动目标任务方面会出现问题。此外，航天员应会正确地使用舱外活动用的独立照明设备和航天服照明器。所以，必须使人适应常规的光环境，必须确立在这种环境下的最佳动作和工作方法。对舱外活动明暗环境的物理模拟，可在密封舱、水槽及各阶段功能模拟器上进行。在这种情况下，要获取航天飞行因素对舱外活动系统的综合影响，并保障最逼真地再现太空工作的客观环境。明暗环境的模拟归根结底就是，按一定的规律对上述技术设施的照明设备进行控制。
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。
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。舱内可配置载人航天器的常规设备，包括：过渡舱段、气闸系统、航天服、技术系统和监控设备，物理载荷仿真器等。在这些舱内可以研究航天服在各种制度下的使用效果、气闸系统的工作能力及其控制方法、人对物理载荷和低压的承受能力，评价航天员穿着航天服时的生理卫生指标，并进行航天员穿着航天服在太空真空环境下的工作技术（如太空焊接作业）和心理训练。在气压舱内进行舱外活动作业训练时，需要解决的一个重要问题是：创造航天服内总压力、气体成份、通风和热感方面与常规环境相同的条件。该训练方法的主要优点是：在模拟航天飞行条件下，具有再现航天员完成常规舱外活动的能力。其缺点是工作量大、工作费用高和模拟意外情况能力有限。
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、振动台、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1～0.35atm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。
（3）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。失重模拟训练主要是使用中性浮力水槽和失重飞机。在水介质中模拟失重被认为是失重训练最普遍和有效的方法之一，同其他方法相比，该方法具有许多优势：模拟时间客观上不受限制，可按原尺寸大小配置载人航天器的模型，工作费用不高。在失重条件下研究舱外活动时应考虑到以下因素：地球的万有引力，水介质的推动力，流体动力的液体阻力对物体平移运动和旋转运动的影响、介质的惯性。在为某些类型设备制造水压模拟器时，上述因素会造成技术上的困难，这就决定了该方法并不是万能的。
（4）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，从而考验和锻炼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。
（5）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。
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。
据英国《每日邮报》2011年2月28日报道，英国国防部日前推出的一套可全部模拟高空降落的地面伞兵训练设备，有望填补实战跳伞训练和地面基础训练间缺少过渡的空白。据介绍，这套跳伞训练设备可以让受训者在地面上完全模拟真实高空跳伞的所有程序，其中包括在飞机上排队等待、打开降落伞、安全落地等内容。
俄罗斯/苏联是最早实现舱外活动的国家，在舱外活动方面有大量、丰富的经验，多年来已形成了一套完整的训练体系。俄罗斯航天员舱外活动训练内容主要包括理论训练、单项实践训练、出舱程序训练和出舱任务训练。出舱和舱外活动训练的大型设备主要有中性浮力水槽、失重飞机、舱外活动训练模拟器、气压舱、航天员移动设备动力学制度模拟器、脱挂试验台和气垫平台等。我国与俄罗斯在载人航天领域的交流比较广泛，也充分借鉴了俄罗斯在舱外活动方面的经验。
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，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。
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。
Apollo 训练器主要包括4 大类，即指令舱任务模拟器、登月舱任务模拟器、出舱活动模拟器、月面科学仪器模拟设备和月球车模拟器。
（1） 指令舱任务模拟器
指令舱任务模拟器主要用于指令舱飞行程序和操作训练，其训练功能分配到指令舱模拟器、指令舱程序模拟器、动态乘组程序模拟器和交会对接模拟器等模拟器，由它们共同完成在不同飞行阶段需要掌握的程序和操作技能训练。其中，指令舱模拟器模拟阿波罗飞船的指令舱，高近30英尺，重约40吨。它可以让乘组熟悉设备、乘组工作、任务程序和应急飞行情况。共有3台指令舱模拟器，一台位于德州休斯顿的载人飞船中心，2 台位于佛罗里达的肯尼迪中心。
（2）登月舱任务模拟器
登月舱任务模拟器主要用于登月舱飞行程序和操作训练， 其训练功能分配到登月舱模拟器、登月训练飞行器、登月舱程序模拟器和全任务工程模拟器。以首次等月前任务为例，其中登月舱模拟器主要用于登月舱设备操作和环境熟悉训练，登月训练飞行器主要用于指令长登月操作训练，登月舱程序模拟器主要用于登月舱飞行程序训练，全任务工程模拟器具有飞行程序、操作设备和环境布局的工程设计仿真验证和训练功能。
（3） 出舱活动模拟器
出舱活动模拟器用于登月舱与指令舱之间的空间出舱训练、月面出舱训练，主要包括登月舱模拟舱、1/6 重力模拟器、六自由度模拟器和失重飞机等。以Apollo11 任务为例，登月舱模拟舱用于航天员月面出舱和返回训练，失重飞机用于空间出舱和压力服管路操作训练，水下训练用于CMM-LM 对接通道转移和压力服出舱训练，1/6 重力模拟器用于月面重力环境模拟训练，六自由度模拟器用于运动感知熟悉训练。
（4） 月面科学仪器模拟设备
在 Apollo11 任务后期，月面科学试验所占比重和复杂性增加，研制了高逼真度的地面模拟训练设备，开展了相关训练。主要模拟训练设备包括太阳风组成实验设备、阿波罗月面实验箱、舱载设备传送器、舱载设备组件包、S 波段天线等。
（5） 月球车模拟器
月球车相关的操作包括组装、巡航、车基实验等，对应的训练由相关模拟器完成，主要包括月球车1-G 训练器、月球车巡航模拟器、组装用训练器和户外训练用月球车训练器。
（6） ASTP 模拟器
除阿波罗计划之外，美国联合苏联开展了阿波罗-联盟飞船试验项目，在该项目中研制了相应的模拟器，例如对接舱训练器（对接舱用于连接阿波罗飞船和联盟飞船）。
前苏联载人登月工程中的载人登月飞行器包括绕月飞船探测器L-1、月球轨道器LOK(Luniy Orbitanlny Korabl)和登月舱LK(Luniy Korabl)。上世纪60 年代后期，前苏联研制了载人绕月飞船7K-L-1 的模拟器和用于落月训练的L-3 模拟器。但随着K-1 和L-3 飞行计划的推迟，模拟器的研制最终被取消。在阿波罗-联盟飞船试验项目ASTP 中，美国航天员Thomas P. Stafford、Steven J. Dick在前苏联模拟器中开展了飞行程序和交会对接飞行最后对接段的训练。
从国外登月训练模拟器和训练情况看，有以下几点启示：（1）模拟器训练是航天员训练的重要组成部分，阿波罗任务各阶段均占各类训练总时间的三分之一以上，具有其他训练手段不可替代性，因此，应该研制各种类型的训练模拟器，以丰富航天员模拟训练的手段，提高模拟训练的覆盖性；（2）由于1960s~1970s 计算机仿真水平低，虚拟现实仿真技术尚处于萌芽状态，因此，视景仿真、运动仿真主要的技术体制是半实物仿真和实物仿真；（3）运动感知和力学感知的综合仿真在阿波罗计划中采用地基运动平台或天基悬吊方案，对增加月面着陆和起飞模拟训练的真实感和航天员操控能力有积极促进作用；（4） 月面活动的训练可以在地球野外类似环境进行，例如尘土、沙漠或戈壁。
进入90 年代以后，计算流体力学已经获得了长足的进步。地面设备在高超音速流动的研究中已经不再是惟一的研究手段，而需要与计算流体力学相互配合，以便取长补短。这种情况下有相当大一部分试验工作可以由计算流体力学来承担。地面试验的一项新任务，就是为数值计算提供建立模型的依据，同时对计算流体力学的计算结果进行校核。地面试验已经不需要对所有模拟参数进行全程模拟，而只须对其中特定的参数进行模拟，然后通过计算流体力学进行补充计算。比如对于模型几何关系的描述，地面试验中由于设备尺寸的限制，模型的几何细节可能会有被抹平的地方，这些被抹平的地方就可以利用数值计算进行细节模拟。只要在二者之间保持一定的可比性就可以做到这一点。与此相类似的模拟参数，还有飞行高度、马赫数、雷诺数、克纽森数和试验气体构成等。将来随着计算流体力学的不断发展，地面试验对数值计算的校核工作会进一步增加。可以说，地面试验既是计算流体力学理论的基础，又是对其进行校核的工具。二者的有机结合，将在这一领域的研究中发挥巨大的作用。
新一代航天器可以分为空气助力的轨道间运送器(AOTV) 、美国国家空天飞机(NASP) 和火星探测器三类。新的地面设备主要用于模拟这三种飞行器的再入流场。新一代的航天运输系统的马赫数可以达到10～25，NASP 类飞行器还将使用吸气式空气发动机。基于这种设计构想，可知理想的地面设备应满足下列要求：（1） 试验段尺寸足够大。试验段尺寸是限制模型尺寸的主要因素。模型尺寸的大小，应该保证气动载荷对力平衡的能力，保证模型表面传感器具有适当的密度，保证绕模型流场的特征不变，边界层的发展应保证能满足将其推广到飞行条件中去的要求或与计算结果相对比的要求，以及模型的几何特征与更精细的模型试验结果相吻合的要求；（2）试验段流场品质足够高。试验段参数的变化所引起的测量数据的变化应控制在测试仪器和计算方法的误差范围以内。试验段中应不含有多余的化学反应，也就是说试验段流场应能代表真实飞行的条件；（3）试验时间足够长。应能保证流动可以充分发展并有足够的时间进行测量；（4）从建造费用和运行费用上考虑应尽可能经济；（5）设备必须可以对带控制面或控制系统、且带有推进系统的全机构形进行试验。因为这对于带空气吸入式推进器的高超音速飞行器的试验是非常重要的。这种飞行器的前机身对发动机性能的影响很大，同时发动机对全机的升力和阻力以及俯仰力矩特性都有很大的影响。