Наземные испытания и обучение неотделимы от методов моделирования и аналогового оборудования. Чтобы понять методы моделирования и имитационное оборудование, мы должны сначала понять пилотируемую космическую среду.

(1) Вакуумная среда и моделирование

На высоте 500 км орбиты, на которой находится пилотируемый космический аппарат, вакуум в космосе составляет около 10 - 6 Па; На высоте 1000 км орбиты вакуум пространства составляет около 10 - 8 Па.

При проведении экспериментов по термическому моделированию космической среды космических аппаратов и скафандров (главным образом термовакуумного и термостатического) основное внимание уделяется влиянию вакуумной среды на тепловые свойства испытуемых. Когда вакуум достигает 10 - 2 Па или более, радиационная теплопередача стала основной формой теплопередачи, и эффект конвекции и теплопередачи уже можно игнорировать. Таким образом, вакуум, смоделированный космическим аналоговым оборудованием, достигает порядка 10 - 3 Па, что позволяет более реалистично имитировать эффект теплообмена в вакуумной среде орбиты полета космического аппарата, не преследуя более высокой степени вакуума. Только некоторые специальные испытания, такие как вакуумное сухое трение и испытания на холодную сварку, требуют более высокого вакуума испытательного оборудования.

(2) Окружающая среда и моделирование солнечного облучения

Солнце излучает огромную энергию в космическое пространство каждую минуту, длина волны солнечного света покрывает широкую область от 10 - 14 метров (гамма - лучи) до 104 метров (радиоволны), солнечный свет на разных длинах волн и энергия излучения также различна. Наибольшая энергия излучается видимым светом, на долю которого приходится более 90% всей энергии солнечного излучения.

В ходе орбитальных полетов космические аппараты и скафандры получают в основном три части излучаемой энергии: энергию видимого и инфракрасного излучения Солнца, энергию отражения солнечного излучения Землей и энергию теплового излучения атмосферы Земли. Эта энергия, поглощаемая космическими аппаратами и скафандрами, влияет на их температуру и распределение, а размер поглощаемой энергии зависит от их структурной формы, характеристик поверхностного материала и орбиты полета. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 300 нанометров, излучающие энергию, хотя и составляют очень небольшую часть общей энергии солнечного излучения, могут значительно изменить оптические свойства поверхности материала. Эффекты ультрафиолетового излучения в основном проявляются в фотохимических эффектах и фотоквантовых эффектах.

Моделирование солнечного излучения позволяет моделировать спектральные тепловые и гелиохимические эффекты солнечной радиационной среды на космические аппараты и скафандры. Если моделировать только тепловой эффект, это называется моделированием внепространственного теплового потока. Существует два метода моделирования внепространственного теплового потока: один - метод моделирования входящей струи, также известный как метод моделирования Солнца; Другая категория - метод моделирования поглощающего теплового потока, также известный как инфракрасное моделирование. Испытания общей формы и сложной формы поверхностного материала должны быть смоделированы с помощью солнечного моделирования; Правила формы, образец с одной формой поверхностного материала, может быть использован инфракрасное моделирование. Если необходимо моделировать фотохимические эффекты ультрафиолетового излучения, то это можно сделать с помощью имитатора ультрафиолетового излучения.

(3) Космическая холодная черная среда и моделирование

Эквивалентная температура холодной черной среды в космическом пространстве составляет около 3K, а скорость поглощения тепла составляет 1, что можно рассматривать как идеальное черное тело без теплового излучения и теплового отражения. Когда нет солнечного облучения, космическое пространство является полностью « холодным» и « черным» пространством. В этой холодной черной среде вся тепловая энергия, испускаемая объектом, полностью поглощается и, следовательно, также известна как среда теплового погружения. Холодная и черная среда оказывает огромное влияние на тепловые свойства космических аппаратов и скафандров. Для разработки космических аппаратов и скафандров необходимо провести достаточные испытания теплового вакуума и теплового баланса в смоделированной холодной и черной среде, чтобы проверить, соответствуют ли их тепловая конструкция и тепловые свойства требованиям.

Чтобы имитировать холодную черную среду в пространстве, компоненты, обычно изготовленные из алюминия, меди или нержавеющей стали, окрашивают внутреннюю поверхность специальной черной краской с высокой скоростью поглощения и пропускают жидкий азот внутрь элемента, который называется тепловым погружением. В настоящее время все космические державы мира используют это тепловое погружение с жидким азотом в качестве источника охлаждения для моделирования космической холодной черной среды, поскольку теоретические расчеты теплового анализа и анализ данных испытаний показывают, что для моделирования космической холодной черной среды используется тепловое погружение с температурой жидкого азота 77K и коэффициентом поглощения более 0,9, погрешность моделирования составляет всего около 1%, что полностью отвечает требованиям моделирования холодной черной среды. Кроме того, стремление к более низким температурам не является необходимым и значительно увеличивает технические трудности и инвестиции в аналоговое оборудование.