空间环境因素带来的这些操作问题都难以真实模拟 。在地面，人体动作通常以悬吊 *** 模拟，但无论施力/受力还是人自身体验都与天上不尽相同 。出舱活动的验证和训练可以由航天员穿轻质舱外服悬吊开展，更多的则是在中性浮力水槽中穿着配重与浮力平衡的舱外服模拟天上的操作 。水池与天上较为明显的差别在于水有阻力，人和物品的运动都因此存在天地差异 。结合生活常识看航天员出舱活动的影像，线缆、安全绳的运动远比在水中更“灵活”并因此不好控制 。物品漂移问题则要通过专门设计并结合操作规范进行控制，如连接在设备上不会分离的“松不脱”螺钉、工具安全绳及其使用要求等 。人机工效相关设计的合理性有效性、着舱外服出舱活动的可行性及效率、在轨操作规范及程序的正确性、航天员的操作能力及体验等等，都需要在轨进行实际验证并积累经验 。
文章插图
中性浮力水槽训练模拟空间操作（图源：我们的太空）
3、第三类：有人存在的物质和生态环境
空间站在密封舱内构建并维持了一个近乎封闭的载人环境，再生式生命保障系统和有限的地面补给共同保障站上人员持续不间断驻留 。由于环境的封闭性，其内部的物质循环和生态将会达到动态平衡 。（也只有达到物质和生态平衡，封闭的载人环境才能长期维持 。）
在这个平衡过程中，人的代谢是重要变量，也是生保系统要随之调节适应并保障的要素之一 。人体代谢存在显著的天地差异，微重力空间环境各种工况下的代谢指标本身就是航天医学研究的重点内容之一 。这要求生保系统的性能参数与之匹配，并且有足够的调节范围能够适应人体代谢变化 。这个封闭环境内的人-机系统既受到在轨环境的影响，又需要经历足够长的时间（一至两个月）才能达到动态平衡并全面覆盖主要工况——比如人的不同运动强度 。有人存在的物质和生态环境只能在轨实测并持续足够长时间，才能获得真实有效的数据 。
（二）在轨验证推动技术进步
工具、机器、设备等物质要素和知识、经验、技能等智力要素，是推动人类技术进步的主要力量 。融合了这两类要素的航天器在轨验证不仅是对系统设计的“盖章”，也将进一步推动科学、技术和工程的前行 。
1、国外空间站的进化
上一章所阐述的三类必要验证，在国际同行的太空探索中都有典型案例 。
（1）机械臂在发现问题中升级换代 。
空间机械臂最具代表性的是加拿大SPAR公司的产品 。1981年，六自由度加拿大臂（Shuttle Remote Manipulator，SRMS）首次发射入轨 。该臂长15.24米，由3组关节和2节臂杆组成，质量410公斤，随航天飞机多次执行任务，辅助完成过卫星释放和在轨故障卫星的维修及回收 。但有文献显示，实际应用中的每个动作结束后，航天飞机上的操作员要等20~40秒等待臂稳定下来，才可以进行下一个动作 。由于振动对臂的操作精度和效率产生非常不利的影响，加拿大臂工作时间的三分之一被用于等待振动衰减 。考虑到航天飞机平均每分钟高达2万美元的运行费用，振动增加的成本也是极高的 。
2002年，具有7个自由度的加拿大II臂（Space Station Remote Manipulator，SSRMS）被安装上国际空间站 。该臂长17.6米，包含3组关节和2节臂杆，质量1800公斤，承载116吨，性能较航天飞机上的加拿大臂有了大幅提升 。加拿大II臂解决了固定基座运动控制稳定性问题，进一步提升了能力，不仅可以通过两个末端执行器依次抓住安装在空间站上的适配器爬行，还可以抓住移动基座（MBS）、通过移动基座沿空间站桁架导轨移动，扩大了工作范围 。但使用者又发现，移动基座沿导轨移动时会激起导轨振动，基座和臂杆间的耦合效应进而导致机械臂末端轨迹发生偏差 。NASA和SPAR根据基座表现出的弹性振动特性制定了专门的控制方案，情况得以好转 。
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