人在太空:空間站工程師視角下的載人航天

發表于:2022-05-13 16:38:25

  宇宙在演化中創造了一個能夠部分理解它的物種:人類。

  從混沌初開到航天時代,作為唯一已知的智能生命,人利用各種工具認識世界改造世界,實現了物種的延續與文明的進化。

  然而,在人工智能技術快速發展的今天,為什么還要派人上天?人和機器在太空任務中如何協同工作?作為有人參與的航天活動,載人航天怎樣注入與升華“人”之價值?

  載人航天是多個系統組成的復雜工程,也是由人、機和空間環境建構的系統工程。在體現國家意志、振奮民族精神、推動科技進步和延續未來文明的維度之外,本文從空間站工程師的視角談談人在太空的作用,以及載人航天為滿足人在太空需求而進行的系統設計。

  人之珍貴,萬物難以替代;以人為本,航天始于初心。

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不可替代的人:智能物種的地外使命

  “假輿馬者,非利足也,而致千里;假舟楫者,非能水也,而絕江河?!痹缭趦汕Ф嗄昵?,我們的祖先就總結了騾馬、舟船等工具對人類能力的極大延伸。

  工業革命以來,人類能夠利用的工具進一步發展為自動化設備、機器人、人工智能等(本文以廣義的“機器”一詞概括)。機器的應用并未取代人力,而是催生了專業分工、產業鏈條、第三方服務眾多領域的更多崗位。

  站在太空時代的開端,航天先驅者馮·布勞恩認為,空間站里人的一項主要任務是更換相機膠片。今天,無論對地對天觀測都已經不使用膠片了,但人在太空不僅沒有失業,反而有了更多、更復雜、更有意義的工作,甚至連航天員職業都細分出了科學家、工程師等更多崗位。

  機器能替代人嗎?這個新鮮而古老的話題其實早已有了答案。幾百年來,從地球到天外,技術不斷進步,但人能做的工作超越了同時代的機器能力,或者是在當時代機器能力的基礎上又有了更高的需求,可以在機器補充或替代部分人力勞動的同時騰出手和腦去做更“高級”的事?!案呒墶笔窍鄬r代而言的,而人所擁有獨一無二的超越機器的能力是與時代無關的,因此載人航天也永遠是以“人”為設計起點的。

▲1984 年的航天飛機STS 41-D任務中,航天員 Michael L. Coats 從卡住的 IMAX 攝像機中取出膠卷。(圖源:Space.com/NASA)

  1、人在現場大不同

  空間遙操作已是人類開展航天活動的一種基本方式,但人在現場的參與能夠獲得更高效、更直接的操作效果和更加綜合、豐富的成果。這些典型的工作現場包括科學研究與技術試驗、空間站的運行操作、空間站及其他在軌設施的組裝建造等。它們的共同特點在于,有專業知識和技能的人能夠根據現場的多樣化信息進行綜合判斷,實時做出針對性的決策,并實施物理層面的操作。

 ?。?)科學研究與技術試驗

  這類工作是探索性的,按照“嘗試-評價-修正-再嘗試”的過程迭代進行。人在現場可以第一時間獲得全面的試驗信息,對當前狀態做出判斷并由此形成下一步的工作方案,調整并確定試驗狀態與參數。相比地面的專家隊伍只能依賴有限的遙測數據開展工作,載荷專家航天員在現場可以利用豐富的狀態信息做出綜合判斷和高效決策。

  現場專家還可以直接更換試驗樣品、調整試件或試驗設施狀態。這些操作必須“看得見摸得著”才能進行——至少,基于目前的技術能力,地面人員要想通過遠程操控達到同樣的效果,約束和難度要大得多。

  空間站內,高性能計算機的配置和在軌3D打印、原位材料加工等技術的發展,將進一步加強現場人員介入試驗的能力。依托天地鏈路,載人航天活動可以形成載荷專家在軌試驗與地面專業中心技術保障相結合的工作模式,充分發揮天地所長。

▲2021年11月21日中國載人航天官方網站視頻截圖,神舟十三乘組進行在軌科學實(試)驗。(新華社發)

 ?。?)空間站的運行操作

  空間站是一個龐大的機、電、熱綜合設施,內含大量的機構和機電類產品,人進行直接操作不僅效率高,而且易于對操作結果進行判定。比如,對于閥門、動作機構等產品的開關或運動狀態,地面通常以“開/關指令是否發出”或機構某一部位“是否觸發壓點開關”作為依據;受傳感器原理及實現方法的制約,設備的運動部件“物理動作是否到位”在很多時候是難以直接判斷的,人操作則可以直接由手柄位置、閥門角度、機構形位等實時判明操作結果。

  人在現場的更大優勢在于快速處置能力。一旦發生“動作不到位”,可以迅速判明是實際物理動作故障還是傳感器或信息傳輸等其他環節的問題,并第一時間處置。機構類產品的物理動作最適宜“眼見為實”,這也是無人航天器越來越多地配置攝像機,讓地面人員能夠直接從圖像判斷太陽翼展開、機械臂運動等狀態的原因。

 ?。?)空間站及其他在軌設施的組裝建造

  我們常常把空間站的在軌建造比喻為在太空中搭積木、蓋房子。它實質上是基礎設施不斷增加、拼接或調整的過程,涉及艙內艙外大量復雜而精細的機械、電氣操作,最適合人在現場大顯身手。

  國際空間站去年的兩個大動作,就是這類操作的典型。一是美國艙段通過多組多次航天員出艙進行安裝、連接、展開等工作,完成了兩組新太陽電池陣的安裝升級。二是俄羅斯航天員通過出艙和艙內操作連接電纜、網線并安裝艙外設施,使新近發射的“科學號”(Nauka)多功能艙真正成為國際空間站的組成部分。

  首個模塊1998年發射升空以來,國際空間站主結構桁架的裝配和眾多艙段的擴展,都是航天員在機械臂輔助下完成的。截至2022年4月28日,國際空間站已開展250次航天員出艙活動,對空間站進行組裝、維護和升級。

▲2022年4月28日,俄羅斯航天員實施國際空間站第250次出艙活動,設置幫助啟用新的歐洲機械臂。(圖源:NASA)

  2、人是機器的備份或補充

  載人航天活動中,人控操作經常用作自動操作的備份或補充手段。我們可以理解為,人的操作與自動操作是兩套獨立且原理不同的異構控制器,二者配合能夠極大地提高系統可靠性。

  比較典型的獨立備份設計是交會對接。在交會的大部分過程中,系統需要進行測定軌和軌道計算,人是無法勝任的。交會末段,主動飛行器要進行位置和姿態的六自由度控制,人的視覺和運動能力就可在此關鍵時段發揮作用了。在這一階段,自動系統用雷達或光學測量設備進行位置和速度測量,用光學敏感器結合三維靶標測定相對姿態,用控制計算機解算控制參數并向推進系統發出控制指令;航天員則以直接目視或攝像機觀察靶標圖像,靠人的立體視覺判定姿態,依據自己的空間運動感和位姿判斷進行手柄操作,控制飛船的飛行動作。這樣的設計,可以確保在自動系統故障時立即以人控接管,保證安全并繼續任務。

  人控作為補充的設計則常見于機械臂操作。機械臂輔助艙外活動的過程中,大范圍的轉移通常是由計算機進行路徑規劃并執行的,這樣可以有效規避障礙并優化機構運動。當到達作業點需要微調時,現場航天員更了解自己的需求,通過直接觀察能夠比依靠攝像機圖像獲得更全面的三維空間信息,因此這一階段多采取“聽作業航天員指揮”的方式進行機械臂的局部位姿調整。為了提高效率,這種指揮和執行通常不再以天地協同模式進行,而是由艙內航天員按照艙外口令進行儀表和手柄操作。歐洲機械臂(European Robotic Arm/ERA)的現場操作更“現場”,專門為艙外航天員配置了一個操作盒。通過操作盒上的手柄和按鈕,航天員可以在艙外作業現場像開挖掘機那樣操作機械臂。

▲我國首次手控交會對接成功

  3、應對意外是人特有的優勢

  需要航天員執行的在軌設施維護主要是硬件設備更換或修理,即那些無法通過數據注入、軟件升級等“軟”方式實現且機器執行難度很大的項目。國際空間站二十余年的飛行中,航天員更新過壽命到期的機械泵組,拆換過發生故障的控制力矩陀螺,將氫鎳電池升級為鋰電池,人的操作涵蓋了各類設備的維修維護工作。

  航天員發揮更大作用的工作在于處置設計狀態之外、需要現場根據具體情況判斷的問題,典型例子包括哈勃望遠鏡的5次在軌維修和維護升級,以及國際空間站上阿爾法磁質譜儀( Alpha Magnetic Spectrometer/AMS)熱控系統的維修。為解決哈勃望遠鏡透鏡裝配誤差問題,航天員上天安裝為哈勃量身定制的修正鏡;要在受限體積內騰出安裝位置,還不得不拆除了一件相對不重要的設備(高速光度計)。在第二個案例中,工程研制了20余種專用工具,經過地面試驗后上天操作,并根據航天員每次出艙的實際操作情況制定后續任務方案,最終完成了AMS制冷系統管路的維修。

  應急搶險是航天員處理的最嚴酷故障,全球載人航天史上并不罕見。國際空間站密封艙泄漏,航天員通過關艙門隔離艙段、對疑似泄漏區域覆蓋塑料膜等方法定位泄漏點;和平號空間站發生火災,航天員以滅火器等手段撲滅火焰,之后又恢復空氣成分并修復部分設備;失控的禮炮7號空間站,則由聯盟T-13航天員手控對接后修復。正是有了航天員的在軌維修維護,設計壽命5年的和平號空間站持續工作了15年,國際空間站運行二十多年后在技術上仍可延壽。

  “隨機應變”式的現場處置與應急搶險,都屬于“意料之外”。這樣的非正常情況一旦出現,由于輸入數據與訓練數據相差太大,機器很難以最優性能應對。而人依靠自己的知識、經驗和邏輯做出判斷,往往能智慧地解決問題、化解危機。

▲1997年2月,美國宇航員在航天飛機 STS-82任務中出艙維修哈勃望遠鏡(圖源:NASA/ESA)

  4、研究人本身也是航天重要任務

  人是載人航天的活動主體,也是研究客體之一。從神舟五號的一天到空間站任務的6個月駐留,我國航天員連續在軌飛行時間越來越長;對身處空間環境的人進行研究既是保障當前飛行任務健康安全的基礎,也是未來載人登月、星際航行的前奏。

  通過對分別在太空和地球停留一年的同卵雙胞胎航天員生理、心理指標的對比研究,美國宇航局科學團隊部分揭示了太空飛行對人類染色體端粒、認知能力、基因表達等方面的影響。我國同樣結合歷次載人飛行任務對航天醫學問題的發生機理進行了深入研究,發展出了高效能的綜合干預防護措施。航天醫學實驗和空間科學研究與應用、航天技術試驗一起,構成了中國空間站的三大應用領域。

▲神舟十二號航天員聶海勝在軌測試心肺功能(圖源:CCTV)

  盡管腦科學研究已取得重大進展,我們對于人腦工作機制的理解仍然是非常有限的。復雜的信息加工能力和綜合判斷能力,簡直就像世界給予人類這一物種的特殊饋贈。

  讓機器執行運算量大、邏輯相對確定的工作而讓人投身高級的、創造性的、甚至不可預見的活動,不僅成為地球上科技與生產領域的共識,也是世界各國發展載人航天、要讓人從近地走向深空的系統設計之本。

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萬無一失的系統:人在太空的最佳平臺

  既然太空中人的作用不可替代,載人航天的根本職責就是要為人在太空打造工作生活的平臺。這一平臺雖然最直接體現為載人航天器,它的維度實際上遠遠超越了航天器本身,是通過工程各要素的人因設計與技術方案的優化組合,讓整個系統達到為“人”服務的最好狀態。

  作為航天工程師的我們,需要通過航天器及其運行系統的設計確保人的安全,在基本的生存環境之上建立人能夠處于舒適狀態的生活條件,最后才能設計和建造高效的工作場所與保障條件。這一切既是對載人航天任務需求的響應,也體現了中國空間站設計的后發優勢。

  1、安全第一的系統設計

  保證人在太空的安全是載人航天第一要務。載人航天作為多系統、多專業參與的系統工程,圍繞保證人安全的要求,在整個大系統的配置和運行上設計了多重安全措施。

 ?。?)多艙段空間站的安全邏輯

  多艙段空間站的一大優勢在于,各個艙段相對獨立,可以分布式地承擔安全保障功能,并且在局部出現問題時能夠通過物理隔離保證全局安全。

  比如,國際空間站艙段的功能分配上,安全性相關的功能是相互備份冗余的。盡管技術難度大且兩國技術路線不一致,俄美艙段仍然保證各配置了一套再生式生命保障系統。

  中國空間站以天和核心艙作為平臺控制管理中心,對整站進行統一控制。問天實驗艙備份了完整的能源管理、信息系統、控制系統和載人環境等關鍵功能,可以在核心艙故障時整體接管全站控制。針對核心艙失火、失壓等重大故障情況,它還特別配置了一套完整的再生式生命保障系統和應急物資,以備航天員長時間在此等待地面故障處置和救援。夢天實驗艙則具備關鍵功能的設備級備份,進一步提高系統安全性。針對航天員出艙活動安全性,問天實驗艙配置主份氣閘艙,天和核心艙節點艙作為備份氣閘艙。在出艙過程中如果主份氣閘艙出現問題,航天員能通過節點艙回到艙內,保證出艙活動的安全可靠。

▲中國空間站在軌組裝過程(圖源:中國載人航天工程辦公室)

 ?。?)救生船與終極安全方案

  一旦航天員遇到安全問題,終極解決方案是回到地面。地面環境規避了一切空間不安全因素,人在地面能夠獲得的保障與在軌相比也幾乎是無限大的。這一“最安全”原則對空間站提出了隨時能夠讓航天員返回地面的要求,由此引出“救生船”概念——載人飛船將航天員送到空間站后并不立即撤離,而是始終??吭谡旧?,成為站上人員的救生船。

  站上有多少人,就要有多少人的救生能力,這和輪船配置救生艇的要求是一致的。在任務安排上,還有一系列具體要求與措施加以保障:

  ——不能出現站上有人而無救生船,或是站上人數多于救生船容量的情況,臨時或長期都不允許。比如,如果需要進行交會試驗,或者飛船以暫時分離、重新對接的方式更換對接口,不論該次操作需要幾個人,相應的乘組必須全員進入飛船,以保證萬一任務出現問題時所有人都在飛船上,是可以安全返回地面的。

  ——救生船在??科陂g不能完全斷電,而是處于休眠狀態,測控等設備保持開機值班,隨時能接收指令喚醒全船。

  ——救生船內儲備必需的返回物資,定期加電巡檢,航天員也要定期進入飛船檢查,確保飛船狀態好,隨時可用。

  ——救生船萬一出現無法返回的故障,要第一時間、盡最大能力發射新的飛船上來接替。

▲2021年10月16日,神舟十三號飛船成功對接于天和核心艙徑向端口。(圖源:中國空間技術研究院)

 ?。?)上天之前它叫地面救援船

  第一時間接替故障救生船的飛船,即地面救援船??臻g站長期載人運行,要求地面必須有持續待命的救援飛船,才能真正地全時保證在軌人員的安全。

  從神舟十二號任務開始,我國結合連續任務,以滾動方式進行地面救援值班。神舟十二號準備發射時,神舟十三號也進發射場并完成測試;神舟十二號發射后,神舟十三號在發射場作為救援船待命,接到救援指令后可以最短時間發射并執行救援;神舟十三號正式任務開始前,神舟十四號進發射場并完成測試……如此循環,各船滾動執行救援待命和正常飛行任務。這種任務模式的優點在于,每艘飛船地面等待時間不長且近似,避免了專用救援船長期存貯帶來的一系列問題。

▲2021年9月17日,隨著神舟十二號返回地球,神舟十三號從救援飛船轉為正式任務飛船。(新華社記者琚振華 攝)

 ?。?)軌道設計瞄準安全返回

  返回地球最安全,因此空間站的軌道設計也要為各種情況下盡快回地球創造最佳條件。

  ——采用回歸軌道。各國的載人空間站都位于340-450km高度的軌道,這既是均衡考慮大氣層對宇宙輻射防護效應與軌道衰減因素的結果,也因為這個高度的軌道具有2-3天回歸的特性。也就是說,空間站經過的地面區域(包括返回落區和地面測控站)以2-3天的周期重復,可以制定相對固定的返回飛行程序。這對于保證返回安全性、特別是應對發生時刻不確定的應急返回是非常有利的。

  ——設計選擇返回落區。正常返回時,飛船應落在地理、氣候、搜救等條件都比較好的區域。我國采取陸上返回著陸的方案,相比海上濺落方案設計約束更大,因為符合著陸場條件的落區有限且地理位置固定,這就要通過軌道傾角設計使得空間站在回歸周期內盡可能多地通過著陸區。如每天經過一次,即每天都可按正常程序返回預定著陸區。為了應對地面氣象條件的不確定性,還需要考慮在距主著陸區足夠遠、天氣有差異的地方設置副著陸區。當空間站運行穩定、能夠提供足夠的安全和物資保障時,則可以通過在軌等待來規避地面不良天氣,降低對于副著陸場的依賴。也就是說,以時間(等天氣)換空間(選擇另一個地區著陸)。

  ——設計選擇應急落區。應急著陸區的設置,是針對飛船在沒有空間站支持單獨飛行時發生故障、需要盡快著陸保證航天員安全的情況。這里的“盡快”,是指飛船要在自身能源、氧氣等資源消耗完之前安全落地??紤]最惡劣情況,故障可能在任意時刻發生,工程須結合軌道回歸特性,在全球范圍選擇足夠多且合適的區域作為應急著陸區,保證在“盡快”的時間內飛船可以有選擇地落在這些區域內,而不會落到設計之外的地方。

▲天宮一號空間實驗室飛行軌跡(圖源:Phillyvoice)

 ?。?)載人月球探測的安全策略

  近地軌道的載人航天飛行,緊急情況下飛船約45小時即可返回地面;即使是一定要回到主著陸場,也不超過1天時間。因此,“返回地面”成為近地飛行任務中很多應急模式的對策。前文所述的和平號火災事故,當時即考慮過立即放棄空間站返回,最后因火勢得以控制改為先返回3人,留3人繼續在站進行修復工作。

  但月球任務就不同了。即使不考慮月面起飛和環月軌道的變軌等工作,僅僅從環月軌道回到地球軌道即需要3天以上,就應急情況而言這個時間太長了。筆者與俄羅斯同行交流時,對方非常重視的一點是,如果要進行月面持續工作的載人月球探測,必須改變近地軌道的應急策略,形成新的應急體系。

  事實上,各國目前提出的長期月球探測任務方案中,都設計了月球軌道空間站。月軌站的一個重要角色,就是成為月面人員應急情況下的臨時安全庇護所。相對月面的未知環境和落月所需的推進劑等代價,在穩定的月球軌道上可以建造和運行更安全可靠且保障資源更充足的空間站。從安全性視角看這樣的配置方案,實際上是形成了“前沿探索(月面活動)-前方基地(月軌空間站)-大后方(地球)”的安全體系。

  2、航天器作為空間生存之所

  安全得到保障的前提下,航天器要為人提供基本的生存條件。

 ?。?)大氣環境

  在軌飛行期間人大部分時間位于密封艙內,會消耗氧氣,產生二氧化碳和一些有害氣體,同時空間站上的設備和試驗裝置也會少量釋放有害氣體。因此,艙內環境需要對大氣壓力和成分進行動態控制。自和平號空間站起,長期飛行的空間站都攜帶了再生式的生命保障系統;中國空間站也配置了電解制氧、再生二氧化碳去除、微量有害氣體凈化、冷凝水處理以及尿處理等系統,實現高物質閉環度的載人環境控制。

 ?。?)微生物控制

  有人生活的環境就會有微生物滋生。如果不加以控制,微生物不僅危害人體健康,還會腐蝕設備。因此,微生物防控對于長期載人飛行而言,是涉及生存環境安全的重要問題。

  空間站的微生物控制也是系統工程??咕烂共牧线x用,設備生產和艙段總裝測試過程中的清潔、檢驗與環境控制,直到上天后通過空氣凈化、水凈化和表面擦拭等方法凈化,只有持續控制微生物,才能保證人健康生存的環境。

 ?。?)空間環境防護

  宇宙射線危害人體健康。大氣層防護、飛行器防護和飛行時間控制,為人體防護的三種方式。以防護當量評價,地球是貢獻最大的,近地軌道區域的地球大氣和磁場保護可使銀河宇宙射線輻射強度降低70%-90%;飛行器采用金屬結構,并且合理將設備布局在人活動區的周邊,是有效的防護手段;目前各國航天員每次飛行任務通常不超過半年,也是為了控制總的輻射劑量。

  下列情形中,以上三種手段不同時滿足,就會帶來空間環境影響的風險:

  ——出艙活動。航天員在出艙活動期間失去了航天器金屬外殼的保護,出艙時間累積的輻射劑量得單獨計算。另外,各國在規劃正常的出艙任務時,通常會讓航天員在艙外的6至8小時飛行中避開南大西洋異常區——該區域磁場強度比周邊弱30-50%,范艾倫輻射帶在此凹陷至200km,于400km軌道飛行的空間站穿過其間時會受到更強的輻射。

  ——柔性充氣艙。畢格羅宇航公司(Bigelow Aerospace)的可充氣活動太空艙(Bigelow Expandable Activity Module, BEAM)已對接在國際空間站上投入試驗應用,多家其他公司的商業空間站也采用了柔性艙方案。以多層新型材料構建的柔性艙,在保溫、空間碎片防護、結構強度、密封、內部防刮防刺等方面的性能都有了很大提升,但由于材料密度低,對空間輻射的防護效果還是遠低于金屬。因此,BEAM目前只是一個有正常大氣環境的試驗艙,人員可以進入但無法長期停留。柔性充氣艙的在軌性能,還在持續評估中。

  ——深空飛行。載人深空飛行動輒數月甚至數年,遠離地球,以目前的航天器技術水平無法保證載員的輻射劑量安全,三項防護手段都不足。在月面等無大氣環境長期工作也存在同樣問題。因此,深空飛行器的防輻射措施以及利用月面原位資源建造防護場所,是值得深入研究的。

▲空間站再生生保系統架構(圖源:航天醫學與醫學工程)

  3、太空生活可以更好

  生存問題解決后,就要為航天員改善生活條件,才能飛得更久、工作得更好。隨著載人航天實踐經驗的積累和技術的進步,空間站生活條件也逐漸從保障足夠的硬件條件發展到兼顧身心健康。

  國際空間站上的穹頂艙(Cupola)就是一項優秀的設計。它是一個凸出艙段表面1.5米的全景閣樓,在機械臂操作、來訪飛行器對接等任務時為飛行工程師提供觀察點,更有意義的作用是讓長期生活在狹小密閉空間的航天員到此處眺望地球與星空,調節舒緩情緒。穹頂艙應該是設計理念和技術進步雙重作用的成果,過去很難想象誰會專門研制一個直徑近3米、重達1.8噸、似乎沒啥實質性工程功能的全景天窗送上天去。

▲國際空間站上的穹頂艙(圖源:NASA)

  在生活條件方面,中國空間站引入宜居設計理念,為航天員便利生活和心理生理健康提供保障:

  ——生活區和工作區。兩個區域相對獨立,對空間尺寸、照明、色彩、標識等都做了專門設計。生活區配置臥室、廚房和衛生間,并在布局和設備配置上充分考慮便利性與私密性。作為設計要求,每個臥室內都有舷窗,生活區和工作區都有相應的噪聲指標和控制措施。

  ——鍛煉設施。艙內配置了跑步機、自行車等固定的鍛煉設施,航天員也配備了拉力器等便攜式鍛煉器材和阻抗鍛煉裝置??茖W的在軌鍛煉幫助航天員保持體能和身體機能,對完成在軌任務和返回地面的恢復都有益處。

  ——智能家居管理及娛樂?;跓o線WiFi網絡,工程為航天員設計了工作、生活、娛樂APP,通過智能手機、平板電腦控制實現空間站智能家居管理和物資管理。

  ——天地網絡。天地網絡保障了雙向音視頻,航天員不僅可以看地面的電視節目,也可以利用網絡電話與家人、隊友、醫生、技術支持人員通話。這是真正的“天涯若比鄰”。

▲神舟十二號航天員在軌鍛煉(圖源:中國空間技術研究院)

  4、上天是為了工作

  上天,是為了執行任務。在安全宜居的前提下,載人航天要為航天員設計更好的工作場所和便利的工作方式。

 ?。?)人機界面設計

  對航天員操作和使用的設備及交互界面,從方案階段即同步開展工效學設計。伴隨空間站的研制,相關產品在地面驗證是也要進行系統至單機各個層級的工效驗證和評價,確保上天后航天員能夠安全、高效、便捷地進行操控。

 ?。?)維修性設計

  工欲善其事,必先利其器。既然維修維護是航天員在軌工作的重要內容,空間站必須以滿足維修需求為目標開展一系列設計。其主要工作包括:

  ——維修需求識別。簡單地說,相對容易壞和壽命短的設備,或者是壞了就影響安全和任務的重要設備,就得在設計上保證它們是可維修的。前者比如壽命有限的蓄電池和泵,后者比如生命保障設備。反之,如果某些設備不可維修或維修的代價過大,那么就必須將其設計、制造得足夠可靠,比如管路系統和干線電纜網。這和裝修房子類似:水龍頭和燈泡都是可更換的,但埋在墻里的上下水管和供電線通常是不修不換而且不容易壞的。

  ——設備可維修。對于單臺設備,要保證航天員在失重環境甚至著艙外服的情況下看清并可靠操作,且能夠有效測試維修效果,必要時可以設計專用工具。艙外設備的維修難度更大,為了讓航天員能夠在帶著艙外手套的條件下開展相應操作,操作手柄、電纜插頭等等都是專門設計的。在進行設備安裝布局時,要考慮航天員有足夠的操作空間和照明條件。

  ——系統對維修性的支持。在軌維修無法像地面一樣整站斷電停機,維修期間必須能夠隔離故障設備并保持系統運行。正如換水龍頭時要把上游的水閥關掉,換燈泡時要把這個房間的電閘拉開,而其他房間還能正常用水用電。在航天器上的設計包括:可維修設備有替代設備繼續工作維持功能,或者其本身可以短時間斷電而不影響系統運行;供電系統可以局部斷電以維修或更換故障設備,其余保持供電的設備能維持系統運行;信息系統則要允許設備在切除和接入時不會產生網絡協議沖突等問題。

  ——工具設計。航天員的手持工具、機械臂乃至機器人,都是需要設計的工具。從中國空間站已經完成的4次出艙任務,可以看到典型的艙外操作工具及其表現。航天員乘組進行高效的人機協同,操控機械臂完成人和設備轉移;艙外航天員使用功能完備的工具完成維修或裝配任務;在空間站的艙外壁上布置了航天員穿著艙外服時用來固定身體的腳限位器,保證了航天員可以在作業點施展開手腳。

▲地面測試中的中國空間站機械臂(圖源:中國空間技術研究院)

 ?。?)“太空港”設計

  整個空間站就是航天員“好使”的工作臺和“趁手”的工具,它還能成為來訪航天器的太空母港,為其提供服務保障。比如,基于共軌飛行航天器在軌服務的創新模式,巡天空間望遠鏡可短期??刻鞂m空間站,進行推進劑補給和設備維護升級。

  與當年美國不得不多次發射航天飛機去修理哈勃望遠鏡的巨大代價相比,共軌飛行服務模式便捷、經濟,大大拓展了載人航天器的“一專多能”。這種工作模式也充分發揮了無人和有人飛行器的特長,避免了不同工作狀態可能產生的矛盾。巡天望遠鏡平時工作時就是一顆無人衛星,沒有人員活動干擾,可以獲得高精度高穩定度的姿態控制,對天文觀測極為有利;需要維修維護時則??吭诳臻g站上,成為載人航天器的一部分,航天員可以進行相關操作。

 ?。?)天地協同保障

  航天員不是自己在天上戰斗。高效的天地協同,是充分發揮天地長項的重要保障。

  阿波羅13號的返回是經典案例:飛船已接近月球,服務艙氧氣罐發生爆炸,地面控制中心果斷決定取消登月任務;航天員在地面工程師團隊支持下實施了應急供電、空氣凈化器改造和返回制動,最終成功返回地球。前文提到的BEAM充氣艙則提供了當代的天地協同范例:BEAM在首次展開過程中曾經因充氣艙軟質織物間的摩擦力超過預期而導致展開中止,天地3個團隊——在軌的航天員乘組、飛控中心的美國宇航局團隊及畢格羅研制團隊——協同完成了故障定位和處置。地面工程師們徹夜觀察艙體狀態變化,結合航天員現場查看情況,幾方會商進行問題定位,并實時指導航天員操作,形成了“航天員操作—充氣艙變化—天地協同觀察判斷—討論形成下一步操作意見”的大閉環。第二次展開的7 個多小時里,航天員手動開充氣閥25 次,成功充滿并展開BEAM。

  中國空間站核心艙在軌飛行已逾一年。從已完成的出艙和艙內任務看,天地大系統保障下的在軌操作模式已成形。未來的空間站建造、擴展、升級以及在軌服務的應用中,地面專業團隊支持下的航天員在軌作業能力將更加強大,將更充分地發揮人在太空的作用。

▲2021年11月7日在北京航天飛行控制中心拍攝的神舟十三號航天員翟志剛出艙畫面(新華社記者郭中正 攝)

  千百年來,技術改變了人類的主要勞動形式,也進一步凸顯了人的智力優勢。技術的更新與人的進步,是在動態的互相補充、彼此適配中前行的。人以其智慧不斷創造更先進的技術,人必須自我提升才能適應技術迭代的速度;技術延伸了人的能力,拓展了人的生存空間,為實現人的全面發展提供了更好的條件。

  這正是人在太空的意義。

  中國空間站時代正在徐徐開啟。人成就了空間站,空間站也將成就和提升人的價值與尊嚴;人是載人航天的一部分,又與載人航天一起構成更大的系統,共同探索邊際、追問世界。(完)


監制:李曉云

編輯:王鑫蓉

校對:崔祎璁

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