在推动载人航天技术由近地走向深空,推进载人月球探测任务的过程中,世界各国都非常重视航天员地质学训练。
例如美国国家航空航天局(NASA)自阿波罗登月计划起,就对航天员进行了地质学训练,包括250-300小时的课堂学习和至少16次野外实地考察,确保航天员能够为每项月球地质考察任务做好充分准备。
欧洲航天局(ESA)自2015年开发了航天员行星模拟地质学和天体生物学训练(简称PANGAEA)课程,并于2016年开始运行PANGAEA系统,通过理论课程、实践练习和野外勘探三个方面,培养航天员对行星地质地貌的基本认识、地质观察的基本技能,提升实施任务所需的素质、技术和能力。
现正在中国空间站执行神舟十八号飞行任务的航天员叶光富,曾在2016年7月参加了ESA组织的撒丁岛洞穴训练,与其他国家5名航天员共同在洞穴内完成了6天6夜训练任务。
2016年中国航天员叶光富参加撒丁岛洞穴训练
训练必要性
随着我国载人登月任务的开展,面对“2030年前实现中国人登陆月球”的总体目标,中国航天员也将面临月面地质勘探、科学考察等任务,需要进行相关的地质学训练。
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载人登月任务涉及月面科学探测、月球地质考察、高质量月球样本获取等任务,航天员地质学训练将成为登月任务科考研究顺利实施的前提,是一项基础性的、不可或缺的训练项目。
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月球是一个具有高地(月陆)、月海和撞击坑等复杂地貌特征的星球,航天员在月面上的运动感知能力、空间定向能力,包括在1/6重力环境下的行走及活动方式,以及与地面通讯交流的及时性等各方面都将面临更多挑战。因此,航天员地质学训练将为其熟悉及适应任务环境提供重要的指导和支持。
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月球的形成、演化、结构、资源等方面均涉及到诸多地质学知识,航天员需要在有限的月面活动时段内,利用所学知识准确观察和识别出有意义的岩石岩层,在通信延迟情况下利用遥控探测器勘探复杂环境,为地面研究提供尽可能多的有价值信息。通过训练能够使航天员掌握正确的地质学术语,进行准确有效的描述,实现乘组之间、航天员与地面支持团队之间的有效沟通和深入科考。
训练复杂性及设计要求
我国预备航天员从入选后至执行飞行任务,通常要经历四个阶段的训练,分别为基础训练、航天专业技术训练、飞行程序与任务模拟训练、强化训练与任务准备。当前,在基础训练阶段,科研人员安排了与飞行相关的地理基础知识学习,并进行考核,其中包括与地质相关的课程。在后期训练阶段,结合救生与生存训练,安排了丛林、沙漠等地质地貌实地观察训练,并以讲座形式进行月球地貌、天体生物学等拓展知识培训。随着载人月球探测工程的持续推进,航天员地质学训练的复杂性也将逐步提升。
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从理论课程层面看,地质学理论培训课程涉及面广,大多为天文地质科学研究前沿,需针对具体登月任务背景及要求开发系列培训内容。
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从实践练习层面看,地质实践技能种类多、专业化程度高,对于没有相应专业背景的航天员来说,需要在短时间内掌握岩石识别、绘图、轨道图像和地质图识别与判读等大量专业内容,训练难度极高。
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从任务实施层面看,登月地质科考要求航天员具备更强的弹性执行能力,在完成基本操作任务后,还要能自主开展深度科考工作。
为此,在进行训练设计时,必须经过充分论证、科学可行,才能达成训练目标。
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成立专业地质学训练小组。组建由地质学理论专家、地质学科考专家和专职教员构成的教学团队,负责编写开发统一的训练教材和多媒体课件,确保教学内容与任务需求的一致性。其中,专职教员需具备地质学背景,作为小组沟通核心,确保训练质量。
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强化训练流程的执行与评估:在ESA的ADDIE(Analysis,Design,Development,Implement,Evaluate)模型基础上,扩展为7步流程,包括任务分析、课程目标设计、教材编制、教员试训、训练方案评估与改进、正式训练执行和最终评估反馈,以形成持续优化的训练体系。
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训练设计策略要点:课程面向没有地质学训练基础或者经验有限的航天员进行,帮助其了解行星地质学、比较行星学等基础知识,地球地质勘查知识和实践技能,重点加强月球月貌分类及特征、月球地质成分及分布等月球地质学培训。训练需高效利用有限时间,确保理论与实践的连贯性和有机结合,快速提升航天员的实际操作能力。
训练实施要求
航天员地质学训练的实施要求旨在通过理论与实践相结合的方式,全面提升航天员的地质学知识和实地作业能力,以满足载人登月任务的需求。
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理论培训:借鉴部分地质学学历教育课程设置,由地质学专家集中教授基础概念及学科进展,并安排实地考察以加深理解。专职教员将在培训后期进行综合复习指导,帮助航天员将理论知识转化为执行任务的能力。
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实践练习:在理论培训的基础上,由地质科考实践专家进行现场指导讲解,使航天员能通过实际、具体的操作练习掌握岩石识别、描述、绘图及地质图解读等关键技能。
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野外地质实践:选取和月球地貌相似的陨石坑、盆地、地质公园等场地进行训练,通过从增强基础认知等方面到独立完成科考任务的分阶段练习,培养航天员的自主作业和问题解决能力。
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任务模拟野外地质训练:选择与登月任务相似地貌,由航天员按照任务设计的地质考察路线,使用任务配置的工具,进行地质考察和采样模拟,由地面团队提供支持,并在完成基本科考任务情况下,鼓励航天员进行探索性观察,提升其科学描述和科考能力。
由此可见,航天员地质学训练是一个系统化、多阶段的过程,从理论学习到野外实践,再到模拟任务操作,每一步都旨在强化航天员的地质学素养和实际操作技能,确保他们能够在月球表面独立、高效地完成科学考察任务。
后续,相关研究人员将围绕登月任务规划,在充分借鉴国内外相关训练经验的基础上,论证设计中国航天员地质学训练方案,系统开展相关训练,并根据后续月球科考任务,不断细化训练方案设计和试训验证,使航天员完全符合执行登月任务应具备的能力要求。我们拭目以待!