在浩瀚太空中，航天员执行出舱任务时，需要面对失重、极端温度、复杂设备操作等多重挑战。如何在地面模拟真实的太空环境，让航天员提前“身临其境”熟悉流程？一套虚拟现实仿真系统给出了答案。该系统已成功支持自神舟十二号任务以来的多次出舱活动，为航天员训练保驾护航。本文将带你了解这项“黑科技”背后的奥秘。

 

中国在神舟七号任务时期已拥有转臂悬吊式出舱活动程序训练模拟器、密闭舱外航天服试验舱和模拟失重训练水槽三套实物/半实物模拟仿真大型地面设备，用于出舱活动分段式试验/训练。

随着空间站任务的开展，空间站系统结构复杂，参与的设备繁多，航天员在舱外需要完成的作业任务越来越多、越来越复杂，航天员和机械臂活动范围广。传统的实物/半实物模拟仿真手段由于物质结构的限制，无法实现出舱活动全流程模拟仿真，不能满足全流程使用需求。

 

 

虚拟现实技术具有构想性、沉浸感和实时交互性，能够突破物理环境限制，是出舱活动全流程仿真的关键手段。中国航天员科研训练中心利用该技术，结合现实需求创建了虚拟现实仿真系统，构建出逼真的出舱三维场景，让出舱航天员完全沉浸在出舱活动的场景中，进行出舱全流程的操作。

 

虚拟现实仿真系统在教员、训练保障人员和其他岗位人员组织保障下，支持参训航天员A、B和C协同训练。

 

 

其中，参训航天员A、B佩戴虚拟现实头盔观察出舱活动三维场景，场景中虚拟航天员是参训航天员在三维场景中的代理，通过虚拟现实交互设备完成出舱所有流程1∶1的操作动作输入和身体位置/姿态变化控制，沉浸式感知出舱任务各个步骤和空间站舱外三维逼真的动态场景。

 

 

航天员C由机械臂专项训练台提供的界面实现舱内航天员对机械臂运动的操控和舱外动态场景监视，出舱活动乘组舱内、舱外航天员联合协同训练。

教员通过训练控制实现系统科目选择、训练进程控制、指令发送等。其他岗位人员通过视频通话系统实现岗位间通话、视频传输与监控等。

 

出舱活动虚拟现实仿真系统直接服务于空间站出舱活动任务，解决实际工程问题。因此，系统仿真准确性、使用体验至关重要。其中，三维场景和交互操作是核心技术，交互操作还包括交互操作范式设计、舱外作业操作仿真设计、交互操作虚实一致性设计。

 

三维场景为用户通过虚拟现实头盔提供逼真的出舱活动沉浸式视觉图像，是用户感知出舱活动的主要通道之一。面向出舱活动交互式虚拟现实仿真系统，三维场景设计具体要求如下：

空间三维大场景包括空间站组合体（包括天和核心舱、问天舱、梦天舱、载人飞船、货运飞船）、机械臂、两名虚拟航天员、地球、太阳、星空等，空间站组合体在轨道上飞行，各太阳翼根据太阳矢量数据转动，机械臂和两名虚拟航天员在空间站舱壁外根据作业任务需求动态移动，在空间站飞行过程中整个场景经历着阳照区和阴影区的变化。

 

 

对象表面结构、材质、纹理、标识准确真实，如空间站舱外结构、表面防辐射布料、表面路径标识、扶手编号标识、象限标识、设备操作标识等与实际一致。地球表面纹理真实清晰、能根据太阳升起/降落实现阳照/阴影及晕轮动态变化效果。

 

 

场景中对象全部按照1∶1尺寸建模，按照真实位置放置。空间站和地球按照1∶1尺寸建模，空间站在正确的轨道高度上运行，模拟航天员在三维场景中出舱时通过地球的大小及距离远近、阴影/阳照连续变化等能够真实感知舱外活动时真实震撼场景。

 

 

对所有的设备都简化优化三维模型网格，只保留结构和活动部件外壳。对需要操作的设备，把需要操作的部件独立成单独的网格模型，满足设备连续操作仿真的要求。

 

在出舱活动虚拟现实仿真中，为更好地与实际使用场景相结合，带给用户更好的体验，设计了手柄多模式交互操作范式。

 

 

在交互操作设计中，采用指令结合动画方式实现小部件和精细动作模拟，支持航天员实现连续操作动作程序训练。此外，在设备操作到位时，激活交互设备的振动，给用户以触感提醒，模拟实物操作时的视觉、力/触觉综合感知效果。

 

 

舱外作业操作仿真设计包括设备功能仿真和舱外作业连续操作动作仿真两方面。

在设备功能仿真方面，只对影响操作判断、与操作响应相关的功能进行仿真，当操作触发启动了设备自身功能时，设备展示相应功能。例如M5电动工具，当手指开启了电动工具电源按钮后，电动工具相应的电源指示灯亮起。当启动了电动工具工作按钮后，电动工具前端螺杆开始转动、相应工作指示灯亮起。

舱外作业连续操作动作仿真方面，空间站设备/部件的活动自由度分为7类，即自由态类、绕轴转动类、旋钮类、滑动类、复杂的挂钩类、柔性变形的安全绳类、锁片/按钮类。

 

针对各类设备，按照不同方法实现抓取后的连续动作仿真，把现实世界用户的动作过程转化为虚拟操作对象的操作响应，使虚拟操作方法与现实用户动作一致。例如，抓取安全绳挂钩后，虚拟挂钩跟随手部移动，松手时自动闭合锁定。

 

虚拟场景中的虚拟人为现实用户的虚拟化身。交互操作时，用户在通过虚拟现实头盔观察虚拟三维场景视觉图像确定自身位置的同时，还会通过本体感觉系统确定现实世界中自身的位置。如果两个位置不重合，会给用户带来操作上和大脑感知上的冲突和疲劳，影响系统使用。为确保交互操作虚实感知一致，虚拟现实仿真系统从以下三个方面设计。

 

 

首先，通过校准训练场地地面与虚拟场景仿真高度基面以及虚拟化身与用户身体尺寸，确保虚实在尺度上一致。

其次，考虑到当虚拟手抓握到固定物体时，用户完全保持虚拟场景视觉图像给定的手部不动，难度很大，设定虚拟位置与现实位置容差范围。

最后，采用“手部走路”设计。对于舱壁航天员，现实中参训航天员站在原地不移动，通过双手交替控制虚拟航天员在舱外扶手上攀爬，并转动手腕角度控制身体姿势，实现舱外移动。

 

在空间站任务中，虚拟现实仿真系统已成功应用于自神舟十二号任务以来的多次出舱活动，包括航天员训练、方案验证、联合演练和在轨VR视频支持等，虚拟现实技术已在出舱活动中发挥了重要作用。

航天员没有进入任务乘组或任务乘组的出舱活动没有确定之前，该系统主要对航天员进行出舱通用流程的虚拟现实训练。

在出舱前的任务设计与论证阶段，总体部门结合航天员训练、联合演练等，按需进行出舱方案验证。

在出舱任务准备完毕后，虚拟现实仿真系统与机械臂专项训练台互联，进行出舱任务联合演练。

在航天员出舱前，地面通过虚拟现实仿真系统录制出舱全流程视频，上行到空间站供航天员在轨学习。

 

出舱活动虚拟现实仿真系统通过高精度建模、智能交互与虚实一致性设计，为航天员出舱任务提供了安全、高效的训练与验证平台。从地面到太空，虚拟与现实的交织，正推动中国载人航天迈向新高度。

 

本文整理自《空间站出舱活动虚拟现实仿真设计与应用研究》

 [1]陈学文,晁建刚,黄伟芬,等.空间站出舱活动虚拟现实仿真设计与应用研究[J].航天医学与医学工程,2025,36(01):58-64.DOI:10.16289/j.cnki.1002-0837.2025.01010.