載人深空探測虛擬生活艙概念研究

張 政，李海陽

（國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙410073）

1 引言

在載人深空探測任務(wù)中，航天員對生存空間的需求大小在很大程度上決定了任務(wù)規(guī)模與成本［1-2］。因而對飛行器進(jìn)行合理設(shè)計，有效地降低航天員對生存空間的需求，可以大大地降低航天任務(wù)規(guī)模［3-4］。

自從加加林在1961年4月12日第一次成功航天飛行以來，高昂的太空運輸成本使得航天員不得不接受狹小密閉、隔離的特殊生存環(huán)境。美國于1962年實施了第一個載人航天計劃，航天員躺在“水星”號飛船僅有1.3 m3的狹長密閉艙中；雙子星座系列飛船是美國第二代載人飛船，它的人均體積大約為1.275 m3；阿波羅計劃是美國最宏大的工程之一，飛船登月艙人均生存空間體積僅為2.25 m3［1］。狹窄空間對航天員的心理與生理方面有很多消極的影響［5］。航天員對生存空間有較高的需求，NASA針對該問題做了很多研究［6-9］。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，人類的活動從現(xiàn)實生存空間拓展到了虛擬生存空間。在航天領(lǐng)域，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境具有巨大的成本優(yōu)勢，因而得到了廣泛重視。美國密歇根大學(xué)Ruissean等研究了虛擬訓(xùn)練效果對真實世界動作的影響關(guān)系，研究表明，兩者的差別較小［10］。1993年以來，美國NASA馬歇爾空間飛行中心計算機(jī)應(yīng)用與虛擬環(huán)境實驗室Hale等研究了人在虛擬環(huán)境中的反應(yīng)特性［10］。韓國標(biāo)準(zhǔn)化與科學(xué)研究所的Jungsun Yoon等人研究了被試者在虛擬和真實的房間中對空間方位感知效果的對比，認(rèn)為被試者在真實與虛擬環(huán)境中的感知結(jié)果沒有明顯差異，虛擬環(huán)境可以作為房間結(jié)構(gòu)設(shè)計的手段［11］。在國內(nèi)，劉相等利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對航天員進(jìn)行了空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練［12］。李孟鈺以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，仿真模擬多艙段空間站，通過交互式漫游尋路的方式設(shè)計出一套模擬空間站艙內(nèi)尋路的系統(tǒng)［13］。上述研究多局限于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人員訓(xùn)練以及方位定向中的運用，忽略了虛擬的數(shù)字空間對實體空間的替代功能。數(shù)字空間既可以降低航天員對航天器“實體空間”的需求，又能滿足航天員生理，特別是心理對生存空間的期望。本文基于此，提出利用數(shù)字空間代替實體空間以降低航天員生存空間需求的設(shè)想。

本文針對航天員對生存空間的高要求，基于實際生活中數(shù)字空間對實體空間的替代功能，提出一種虛擬生活艙的概念及其功能定位，通過以往的航天任務(wù)經(jīng)驗，對虛擬生活艙的人均空間需求進(jìn)行估計。以我國未來載人火星任務(wù)為背景，驗證引入虛擬生活艙可以降低航天任務(wù)的規(guī)模，并梳理虛擬生活艙所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

2 虛擬生活艙的功能與生存空間需求

2.1 虛擬生活艙的概念與功能定位

數(shù)字空間替代實體空間可以大大降低人們對生存空間的需求。因此，空間的替換就成為了虛擬生活艙的核心內(nèi)容。

所謂虛擬生活艙，是指利用數(shù)字技術(shù)將真實的飛行情景模擬成數(shù)字化空間，航天員可以在數(shù)字化場景中操作飛行器上的各種真實設(shè)備，乃至遙操作火星表面的探測設(shè)備。這里的數(shù)字技術(shù)不單單指虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它也包括三維可視化、電子游戲、社交軟件等各種工具軟硬件。虛擬生活艙，其實質(zhì)是利用數(shù)字空間對實體空間的替換來實現(xiàn)航天員生存空間的變形與拓展，通過營造舒適寬敞的數(shù)字空間令航天員沉浸其中，讓航天員在數(shù)字空間里完成各種實際的航天任務(wù)操作。除了工作外，航天員也可以在數(shù)字空間下娛樂、運動、休閑，或通過場景中嵌入的社交軟件與真實的朋友留言交流。

然而，并不是所有的社會活動都適合采用數(shù)字空間代替實體空間，由于太空隔離環(huán)境、通信時延等諸多問題，各種社會活動的可替代性強(qiáng)弱也有區(qū)別，如表1所示。

表1 各種社會活動的可替代性［8-9，14］Table 1 Substitutability of various social activities［8-9，14］

構(gòu)建虛擬生活場景是虛擬生活艙的核心功能，虛擬生活艙的場景主要包括飛行操作場景、實驗研究場景、社會娛樂場景、運動休閑場景等。各種場景的需求程度與重要性、可實現(xiàn)難度均有差別，如表2所示。

1）飛行器操作場景是飛行任務(wù)中最重要的場景，決定著整個飛行任務(wù)的成敗。該場景意味著要將飛行器儀表子系統(tǒng)的操作面板完全移植到數(shù)字空間中，形成數(shù)字空間中舒適辦公環(huán)境。飛行器儀表子系統(tǒng)全面數(shù)字化是容易實現(xiàn)的，通過建立飛行器的數(shù)字操控接口，可實現(xiàn)數(shù)字空間下對飛行器進(jìn)行操縱。

表2 場景需求與實現(xiàn)難度Table 2 Scenes needed and the difficulty of realization

2）實驗研究場景和飛行器操作場景類似，是飛行任務(wù)中重要的場景。需要將各種實驗設(shè)備通過虛擬場景進(jìn)行操作，為了實現(xiàn)較為復(fù)雜的空間實驗，需要配備較為靈活的機(jī)械臂或者機(jī)器人系統(tǒng)與之配合。如果實驗設(shè)備與操作員之間增加遠(yuǎn)距離通信環(huán)節(jié)，則實驗研究場景就成為遙操作實驗研究場景，可采用預(yù)顯示技術(shù)得到實驗設(shè)備的預(yù)估圖像，將圖像移植到虛擬場景中，可實現(xiàn)航天員在數(shù)字空間下進(jìn)行實驗研究，這種場景也是比較容易實現(xiàn)的。

3）社交娛樂場景是為了滿足航天員與外界溝通交流的需要，航天員對該場景有很高的需求。對于深空探測的航天員而言，與地面的網(wǎng)絡(luò)雙向時延最短需要八分鐘，最長則需要四十分鐘左右［15］，因此在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)航天員與外界人員的實時交流溝通顯得非常困難。數(shù)字空間的社會娛樂交流主要以數(shù)據(jù)流量較小的留言板形式的交流軟件為主，如互聯(lián)網(wǎng)接入、微信朋友圈、單機(jī)電子游戲等等。

4）運動休閑場景是虛擬場景模擬的重點，是太空生活中最需要拓展的空間場景。如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)仍處于初級階段，虛擬場景可能顯得很粗糙，這使得航天員無法真正地沉浸到虛擬生活中。另外，由于畫面的高速移動會帶來不同的焦點，如果運用不當(dāng)會給用戶帶來惡心的感覺［13］。因此，運動休閑場景的營造需要更加成熟的虛擬場景生成技術(shù)。就目前而言，在太空實現(xiàn)高沉浸、高舒適度的虛擬運動場景還比較困難。

2.2 航天員的生存空間體積估算

生活艙中的每個工位應(yīng)該滿足一個人自由運動的基本要求，在質(zhì)心運動受限的前提下，應(yīng)該能夠允許人員完成生活和工作中的各種動作，滿足上述要求的最小空間體積也被稱為單個航天員的基本包絡(luò)體積［2，16］。

一般情況下，航天員的身高大約為1.7 m?？紤]到質(zhì)心近似保持不變，身高1.70 m左右的人體伸展范圍可以用一個直徑2.2 m左右的圓球包絡(luò)［11］?？紤]到人體不需要做大幅度的翻滾，可以引入上下和前后的不對稱性，將人體包絡(luò)在一個直徑2 m左右的包絡(luò)空間中，如圖1所示［2］。因此，單個航天員的基本包絡(luò)空間為一個2.2 m×2.2 m×2 m的橢球空間，根據(jù)橢球體積計算公式可得，單個航天員的基本包絡(luò)體積為4.8 m3。

圖1 航天員的基本包絡(luò)體積［2］Fig．1 Basic envelope volume of astronaut［2］

在短期航天任務(wù)中，航天員可以在短時間內(nèi)承受較為狹窄的生存空間?？紤]到后方和上方利用空間有30%～40%可以縮減，并且?guī)讉€航天員的空間可以部分交疊，可以將空間體積下限值取為標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.6。因此短期航天任務(wù)內(nèi)的航天員的基本包絡(luò)體積可取為2.9 m3。

對于長期航天任務(wù)而言，航天員長期處在狹窄封閉的環(huán)境會導(dǎo)致人的身體功能退化［17］，因此需要擴(kuò)大航天員的活動范圍以求得更寬松、更靈活的生存空間，可將空間體積上限值取為標(biāo)準(zhǔn)值乘以2。因此長期航天任務(wù)內(nèi)的航天員的基本包絡(luò)體積可取為9.6 m3。

2.3 虛擬生活艙的空間需求估算

任務(wù)的持續(xù)時間對航天員所需的生存空間包絡(luò)體積有很大的影響。圖2給出了在以往的航天任務(wù)中任務(wù)時間與人均生存空間的參考案例。從圖中可以看到，深空探測生活艙的人均生存空間體積會隨著航天任務(wù)持續(xù)時間的增加而增大。這意味著增加航天任務(wù)持續(xù)時間，需要一個更大的包絡(luò)體積來滿足航天員對生存空間的需求。

圖2 人均生存空間與任務(wù)天數(shù)的參考案例［1］Fig．2 Reference case of per capita survival volume and task days［1］

NASA在1995年公布的載人系統(tǒng)綜合標(biāo)準(zhǔn)中，給出6個月以上空間任務(wù)的單人最小生活空間為5 m3，合理生活空間為10 m3，最佳生活空間為20 m3［2］，如圖3所示，航天員對生存空間的需求往往是隨任務(wù)時間的增加而遞增的。

根據(jù)以往的航天任務(wù)經(jīng)驗，可以對虛擬生活艙的人均生存空間體積進(jìn)行估算。虛擬生活艙的實質(zhì)在于利用數(shù)字空間去取代實體的空間。然而，從前文可以看出，對于不同類型的現(xiàn)實活動，實體空間的可取代性也存在著差異。虛擬生活艙對于睡覺、吃飯、盥洗等空間往往無法替換，而這些空間需求恰恰是航天員的基本包絡(luò)體積。因此，虛擬生活艙的人均生存空間需求往往和航天員的基本包絡(luò)體積趨于一致。航天任務(wù)時間不同時，虛擬生活艙的空間需求也存在差異。從圖3可知，虛擬生活艙的標(biāo)準(zhǔn)空間需求為4.8 m3，長期空間需求為9.6 m3，短期空間需求為2.9 m3。本文假設(shè)載人火星任務(wù)中虛擬生活艙的人均空間需求為5 m3，這與虛擬生活艙的標(biāo)準(zhǔn)空間需求基本一致。

3 虛擬空間艙質(zhì)量影響估算

3.1 載人火星任務(wù)方案

以2033年從地球出發(fā)的載人火星任務(wù)為例［15］，星際往返軌道如圖4所示，航天任務(wù)的具體過程與變軌的速度增量估計如圖5所示。

圖4 載人火星任務(wù)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計［15］Fig．4 Design of transfer trajectory［15］

圖5 載人火星探測軌道速度增量估計［15］Fig．5 Estimation of orbital velocity increment for manned Mars exploration［15］

在長期飛行任務(wù)中，人員的生命安全需要得到充足的物質(zhì)保障，這里主要包括氧氣、食品、飲用水、衛(wèi)生用水等［18］。在星際飛行和環(huán)火星飛行階段，人員生保系統(tǒng)采用部分循環(huán)利用模式，單個人員消耗速率為0.2854 kg／h。而在火星表面則采用開式系統(tǒng)，單個人員消耗為 0.98 kg／h［1，19］。載人火星任務(wù)的任務(wù)時間及消耗品質(zhì)量估算如表3所示，載人火星任務(wù)的總體時間為900天［15］，任務(wù)過程中所需的消耗品質(zhì)量大約為19.5 t［15］，參與航天任務(wù)的航天員人數(shù)為3個［20］。

表3 載人火星任務(wù)時間及消耗品估算［15］Table 3 Time of task and estimation of consumables［15］

3.2 引入虛擬生活艙的具體規(guī)模與質(zhì)量估算

飛行過程中，根據(jù)功能劃分，可以把飛行模塊分為六大部分，主要包括地火推進(jìn)艙、火星制動及火地推進(jìn)艙、星際轉(zhuǎn)移飛船居住艙（虛擬生活艙）、貨艙、地球返回艙、登火飛船［21］。 下面將對這六個模塊進(jìn)行介紹。

1）星際轉(zhuǎn)移飛船居住艙：它是航天員在地火轉(zhuǎn)移、環(huán)火飛行、火星返回過程中的主要活動場所，航天員在該艙段內(nèi)逗留的時間最長。因此，虛擬生活艙也主要針對星際轉(zhuǎn)移飛船居住艙來進(jìn)行設(shè)計。前文提到，虛擬生活艙的人均生存體積為5 m3，大致平面分區(qū)如圖6。整個加壓艙內(nèi)部容積約45 m3，其中約30 m3為各類設(shè)備和器材所占體積，15 m3為宇航員自由活動空間，包括3個虛擬工位。

圖6 虛擬生活艙示意圖Fig．6 Sketch of virtual habitation cabin

虛擬生活艙的質(zhì)量估計如表4所示，它除了為航天員提供人均5 m3的生存空間外，還要裝載大約9.4 t的人員消耗品，它的總質(zhì)量大約為20 .3 t［22］。

2）登火星飛船：質(zhì)量為25 t，支持2人30天的火星表面探測任務(wù)。

3）貨艙：質(zhì)量為13 t，主要任務(wù)是裝載消耗品，它大約裝載了10 t的消耗品。

4）地火推進(jìn)艙：液氫液氧發(fā)動機(jī)，燃料比沖為450 s，結(jié)構(gòu)質(zhì)量比為15%，負(fù)責(zé)在地球出發(fā)時為飛行器總體提供3.9 km／s的變軌速度增量。它的質(zhì)量根據(jù)公式（1）［23］估算：

其中，mL，mP分別為有效載荷質(zhì)量和推進(jìn)艙質(zhì)量，k為結(jié)構(gòu)推進(jìn)劑質(zhì)量比，Δv為變軌速度增量，I為比沖。

5）火星制動及火地推進(jìn)艙：甲肼推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)，燃料比沖為320 s，結(jié)構(gòu)質(zhì)量比為12%，負(fù)責(zé)在環(huán)火軌道的制動與火星返回時為飛行器提供2.5 km／s的變軌速度增量。它的質(zhì)量根據(jù)式（1）進(jìn)行估算，通過估算，可得到如表5所示的結(jié)果。

表5 有效載荷與推進(jìn)艙質(zhì)量Table 5 Mass of payload and propulsion cabin

從表5可以得到，地火推進(jìn)艙的質(zhì)量為497.7 t，火星制動及火地推進(jìn)艙質(zhì)量為172.4 t。載人火星任務(wù)的飛行器總體質(zhì)量規(guī)模為731.88 t。

6）地球返回艙：總質(zhì)量為3.5 t，支持三人地球再入返回。

3.3 普通生活艙的具體規(guī)模與質(zhì)量估算

按一般標(biāo)準(zhǔn)［2］，我國未來火星飛行器居住艙總?cè)莘e145 m3，其中約100 m3為各類設(shè)備和器材所占體積，45 m3為三名宇航員自由活動空間，人均生存空間為15 m3，大致平面分區(qū)如圖7所示。普通生活艙的質(zhì)量估計如表6所示［22］。

圖7 普通生活艙示意圖Fig．7 Mass of common habitation cabin

表6 普通生活艙質(zhì)量分配［22］Table 6 Mass allocation of common habitation cabin［22］

從表6可以看出，普通生活艙總體質(zhì)量大約為29.8 t。引入虛擬生活艙后，星際轉(zhuǎn)移飛船居住艙整體上可以降低約30%的質(zhì)量。在其他艙段質(zhì)量保持不變的情況下，重新估算推進(jìn)艙質(zhì)量與飛行器的總體質(zhì)量，可得到如表7所示的結(jié)果。

表7 有效載荷與推進(jìn)艙質(zhì)量Table 7 Mass of payload and propulsion cabin

從表7可以得到，引入普通的生活艙的地火推進(jìn)艙的質(zhì)量為636.56 t，火星制動及火地推進(jìn)艙質(zhì)量為228.2 t，載人火星任務(wù)的飛行器總體質(zhì)量為936.08 t。

從上述計算中得出，引入虛擬生活艙之后，飛行器總體質(zhì)量規(guī)模為731.88 t，相比于引入普通生活艙的設(shè)計方案，飛行器總體質(zhì)量規(guī)模下降了22%?？梢钥闯鲆胩摂M生活艙可以極大地降低航天任務(wù)的規(guī)模。

4 關(guān)鍵技術(shù)梳理

4.1 虛擬生活艙軟硬件支持

三維虛擬場景的實體幾何建?？蓱?yīng)用Solid-Works、3DMax等成熟的建模軟件實現(xiàn)。目前，已有的環(huán)境生成工具專用性很強(qiáng)，尚不具有通用性，這使得為航天員提供覆蓋生活主要方面的數(shù)字場景變得困難。另外，虛擬場景系統(tǒng)需要適應(yīng)與地球的通訊時延問題，太空環(huán)境的特殊性也為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性提出了更高的要求。

另一方面，為了使數(shù)字場景更加帶有沉浸感，航天員需要在虛擬空間內(nèi)實現(xiàn)有效的交互，包括視覺、聽覺、觸覺等方面。這需要虛擬場景硬件的支持，包括多自由度、高舒適度、保證肢體運動可達(dá)性的具有高真實度的體感交互設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、外骨骼設(shè)備）等。體感交互設(shè)備可以采集人體的三維運動數(shù)據(jù)，是將真實世界傳感數(shù)據(jù)合成到虛擬環(huán)境的重要方式，是增強(qiáng)虛擬環(huán)境沉浸感的重要設(shè)備。視覺的體驗是航天員感受數(shù)字空間的重要方式，需要可穿戴增強(qiáng)顯示設(shè)備（如VR頭盔顯示器）與三維立體顯示設(shè)備的支持。隨著業(yè)內(nèi)大公司的積極推動，可穿戴式三維顯示似乎進(jìn)入了一個新的高速發(fā)展時期，大大增加了增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的影響力。

4.2 長期生存的舒適性、安全性支撐技術(shù)

不可否認(rèn)，虛擬生活引入的交互硬件對航天員的機(jī)體可能造成損傷，包括前庭系統(tǒng)、頭部、眼睛視覺、聽力等等。另一方面，硬件設(shè)備的性能也存在不確定性，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致虛擬生活效果變差，甚至徹底失效，這對航天員心理會造成巨大影響。因此，需要引入支撐技術(shù)以及有效的備份手段來保證長期虛擬生存的舒適性與安全性。

具體的支撐技術(shù)包括硬件技術(shù)方面與醫(yī)療方面兩個部分。硬件技術(shù)方面主要針對視覺疲勞與聽覺損傷問題，在電子產(chǎn)品原有基礎(chǔ)上改進(jìn)視頻、音頻設(shè)備，提高航天員的感官舒適性；另外，針對突發(fā)的設(shè)備故障，需要在設(shè)計時設(shè)置足夠的冗余量，或采用有效的備份手段予以支持。醫(yī)療方面主要針對前庭損傷、大腦眩暈的問題，通過加強(qiáng)航天員前庭功能訓(xùn)練、配備抑制副交感神經(jīng)和興奮交感神經(jīng)的藥物，或開發(fā)新的有效藥物，豐富航天員訓(xùn)練內(nèi)容來提高航天員對虛擬場景的適應(yīng)能力。

4.3 虛擬艙內(nèi)設(shè)施的接口設(shè)計

虛擬生活艙作為一個整體，需要明確內(nèi)部之間的接口關(guān)系。虛擬生活艙的功能組成，包括生活功能、衣食住行功能、運動功能、通行功能等系統(tǒng)，各個系統(tǒng)之間又包括電氣接口、網(wǎng)絡(luò)通信、結(jié)構(gòu)、航天員操作等子系統(tǒng)模塊，是一個非常復(fù)雜的大系統(tǒng)。因此，需要開展系統(tǒng)各組成部分之間接口關(guān)系的分析研究。

4.4 數(shù)字空間下心理指導(dǎo)

虛擬生活艙在替換實體空間時，可能給航天員帶來一些新的心理問題。類比于《盜夢空間》中人們對夢境和真實的混淆，虛擬生活也可能帶來真實和虛假之間的錯亂，并由此引發(fā)心理認(rèn)知方面的問題。另外，虛擬生存是人的現(xiàn)實生存的延伸，是一種相對于人的現(xiàn)實生存又超越人的感覺的體驗。航天員長期蝸居，容易在數(shù)字空間中享受一種“沉浸狀態(tài)”的最佳體驗，一旦乘員出現(xiàn)類似地球上的“網(wǎng)癮”并引發(fā)心理情緒障礙，將得不償失。這就需要專業(yè)的心理團(tuán)隊對航天員進(jìn)行實時的心理監(jiān)控與有效的心理建設(shè)，避免虛擬場景對航天員心理造成消極的影響。

5 結(jié)論

針對航天員對生存空間的高需求，本文基于現(xiàn)實生活中數(shù)字空間在一定程度上可以替代實體空間的實例，提出了虛擬生活艙的概念。通過以往的航天任務(wù)經(jīng)驗以及我國未來載人火星任務(wù)的想定，對虛擬生活艙的人均空間需求以及載人火星任務(wù)的整體質(zhì)量規(guī)模進(jìn)行了估計，并得到了以下結(jié)論：

1）虛擬生活艙的人均空間需求往往和航天員的基本包絡(luò)體積趨于一致。隨著航天任務(wù)時間的不同，虛擬生活艙的空間需求也存在差異。

2）引入虛擬生活艙之后，載人火星任務(wù)的總體質(zhì)量規(guī)?？梢韵陆?0%左右。在長期航天任務(wù)中引入虛擬生活艙具有很大的成本優(yōu)勢。

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