آزمایش و آموزش زمینی از تکنولوژی شبیه سازی و تجهیزات شبیه سازی جداگانه نیست. برای درک فناوری های شبیه سازی و تجهیزات شبیه سازی، ابتدا باید محیط فضایی انسانی را بشناسیم.

1- محیط خلاء و شبیه سازی

در ارتفاع مدار 500 کیلومتری فضاپیمای سرنشین، خلاء فضایی حدود 10 تا 6 پا است. در ارتفاع مدار ۱۰۰۰ کیلومتری، خلاء فضایی حدود ۱۰ تا ۸ پا است.

در زمان انجام آزمایش شبیه سازی حرارتی محیط فضایی فضاپیما و فضاپیما (عمدتا آزمایش خلاء حرارتی و آزمایش تعادل حرارتی) ، نگرانی عمدتا تاثیر محیط خلاء بر ویژگی های حرارتی آزمایش است. زمانی که درجه خلاء به 10-2 Pa یا بیشتر می رسد، انتقال گرما تابش به شکل اصلی انتقال گرما تبدیل شده است، اثر کنفلکشن و انتقال گرما می تواند نادیده گرفته شود. بنابراین، درجه خلاء شبیه سازی تجهیزات شبیه سازی فضایی به مقیاس 10-3 Pa رسیده است و قادر به شبیه سازی واقعی تر اثر تبادل حرارتی محیط خلاء مدار پرواز فضاپیما است، بدون نیاز به دنبال درجه خلاء بالاتر. تنها برخی از آزمایش های ویژه مانند اصطکاک خشک خلاء و آزمایش جوشکاری سرد نیاز به ارائه تجهیزات آزمایش خلاء بالاتر دارند.

2- شبیه سازی و تشعشع خورشیدی

خورشید در هر لحظه انرژی عظیمی را به فضا می تاباند، طول موج خورشید مناطق گسترده ای را از 10 تا 14 متر (اشعه گاما) تا 104 متر (امواج رادیویی) پوشش می دهد، طول موج مختلف نور خورشید، انرژی تشعشع نیز متفاوت است. نور مرئی بیشترین انرژی را دارد و نور مرئی و نور مادون قرمز بیش از 90 درصد از کل انرژی تابش خورشید را تشکیل می دهند.

در مدار، فضاپیما و لباس های فضایی خارج از کابین عمدتا سه بخش از انرژی تابش دریافت می کنند: انرژی از نور مرئی و تابش مادون قرمز خورشید، انرژی منعکس کننده زمین از تابش خورشید و انرژی تابش گرمایی اتمسفر زمین. این انرژی که توسط فضاپیما ها و لباس های فضایی خارج از کابینه جذب می شود، بر دما و توزیع آن تاثیر می گذارد و اندازه انرژی جذب شده به شکل ساختاری، ویژگی های مواد سطحی و مدار پرواز آن بستگی دارد. با طول موج کمتر از 300 نانومتر، انرژی اشعه، اگرچه تنها بخش بسیار کوچکی از کل انرژی اشعه خورشید را تشکیل می دهد، اما ویژگی های نوری سطح مواد را تغییر می دهد. اثرات اشعه ماوراء بنفش عمدتا به عنوان اثرات شیمیایی و اثرات کوانتومی نور ظاهر می شوند.

آزمایش شبیه سازی تابش خورشیدی می تواند اثرات حرارتی و فتوشیمی طیف خورشیدی را که محیط تابش خورشیدی بر روی فضاپیما و لباس های فضایی خارج از کابینه ایجاد می کند شبیه سازی کند. اگر فقط اثرات حرارتی شبیه سازی شود، شبیه سازی جریان حرارتی خارج از فضا نامیده می شود. دو روش برای شبیه سازی جریان گرما خارج از فضا وجود دارد، یکی از آنها شبیه سازی جریان ورودی است که به عنوان شبیه سازی خورشید نیز شناخته می شود. دسته دیگر روش شبیه سازی جریان جذب گرما است که به عنوان روش شبیه سازی مادون قرمز نیز شناخته می شود. شکل عمومی و شکل مواد سطحی آزمایش پیچیده، استفاده از روش شبیه سازی خورشیدی مناسب است؛ قوانین شکل، مواد سطحی شکل یک آزمایش، می تواند از روش شبیه سازی مادون قرمز استفاده شود. در صورت نیاز به شبیه سازی اثرات شیمیایی نوری محیط اشعه ماوراء بنفش، می توان از شبیه ساز اشعه ماوراء بنفش استفاده کرد.

3- سیاه و سرد فضایی و شبیه سازی

دمای معادل محیط سیاه و سرد فضا حدود 3K و میزان جذب گرما 1 است که می تواند به عنوان یک جسم سیاه ایده آل بدون تابش گرما و انعکاس گرما در نظر گرفته شود. زمانی که تابش خورشید وجود نداشت، فضا کاملاً سرد و سیاه بود. در این محیط سیاه و سرد، تمام انرژی گرمایی که توسط جسم منتشر می شود به طور کامل جذب می شود و بنابراین به عنوان محیط گرمایی شناخته می شود. محیط سیاه و سرد تاثیر زیادی بر ویژگی های حرارتی فضاپیما و لباس فضایی خارج از کاپین دارد، توسعه فضاپیما و لباس فضایی خارج از کاپین، باید آزمایش خلاء حرارتی و تعادل حرارتی کافی را در محیط سیاه و سرد شبیه سازی انجام دهد تا تایید کند که طراحی حرارتی و ویژگی های حرارتی آن با الزامات مطابقت دارد.

برای شبیه سازی محیط سیاه و سرد فضایی، معمولاً اجزای ساخته شده از آلومینیوم، مس یا فولاد ضد زنگ استفاده می شوند، سطح داخلی آن را با رنگ سیاه با میزان جذب بالا پوشش می دهند و نیتروژن مایع را به داخل اجزای آن منتقل می کنند، این دستگاه به نام غرق گرما شناخته می شود. در حال حاضر، کشورهای فضایی در سراسر جهان از این گرمایش نیتروژن مایع به عنوان منبع سرد برای شبیه سازی محیط سیاه و سرد فضایی استفاده می کنند، زیرا محاسبات تئوری تحلیل حرارتی و تجزیه و تحلیل داده های آزمایشی نشان می دهد که گرمایش با دمای نیتروژن مایع 77K و نرخ جذب بیش از 0.9 برای شبیه سازی محیط سیاه و سرد فضایی، خطای شبیه سازی تنها حدود 1٪ است، کاملا قادر به برآورده کردن نیازهای آزمایش شبیه ساز علاوه بر این، دنبال دمای پایین تر ضروری نیست و به شدت مشکلات فنی و سرمایه گذاری در تجهیزات شبیه سازی را افزایش می دهد.