人在太空:空间站工程师视角下的载人航天

发表于:2022-05-13 16:38:25

  宇宙在演化中创造了一个能够部分理解它的物种:人类。

  从混沌初开到航天时代,作为唯一已知的智能生命,人利用各种工具认识世界改造世界,实现了物种的延续与文明的进化。

  然而,在人工智能技术快速发展的今天,为什么还要派人上天?人和机器在太空任务中如何协同工作?作为有人参与的航天活动,载人航天怎样注入与升华“人”之价值?

  载人航天是多个系统组成的复杂工程,也是由人、机和空间环境建构的系统工程。在体现国家意志、振奋民族精神、推动科技进步和延续未来文明的维度之外,本文从空间站工程师的视角谈谈人在太空的作用,以及载人航天为满足人在太空需求而进行的系统设计。

  人之珍贵,万物难以替代;以人为本,航天始于初心。

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不可替代的人:智能物种的地外使命

  “假舆马者,非利足也,而致千里;假舟楫者,非能水也,而绝江河。”早在两千多年前,我们的祖先就总结了骡马、舟船等工具对人类能力的极大延伸。

  工业革命以来,人类能够利用的工具进一步发展为自动化设备、机器人、人工智能等(本文以广义的“机器”一词概括)。机器的应用并未取代人力,而是催生了专业分工、产业链条、第三方服务众多领域的更多岗位。

  站在太空时代的开端,航天先驱者冯·布劳恩认为,空间站里人的一项主要任务是更换相机胶片。今天,无论对地对天观测都已经不使用胶片了,但人在太空不仅没有失业,反而有了更多、更复杂、更有意义的工作,甚至连航天员职业都细分出了科学家、工程师等更多岗位。

  机器能替代人吗?这个新鲜而古老的话题其实早已有了答案。几百年来,从地球到天外,技术不断进步,但人能做的工作超越了同时代的机器能力,或者是在当时代机器能力的基础上又有了更高的需求,可以在机器补充或替代部分人力劳动的同时腾出手和脑去做更“高级”的事。“高级”是相对时代而言的,而人所拥有独一无二的超越机器的能力是与时代无关的,因此载人航天也永远是以“人”为设计起点的。

▲1984 年的航天飞机STS 41-D任务中,航天员 Michael L. Coats 从卡住的 IMAX 摄像机中取出胶卷。(图源:Space.com/NASA)

  1、人在现场大不同

  空间遥操作已是人类开展航天活动的一种基本方式,但人在现场的参与能够获得更高效、更直接的操作效果和更加综合、丰富的成果。这些典型的工作现场包括科学研究与技术试验、空间站的运行操作、空间站及其他在轨设施的组装建造等。它们的共同特点在于,有专业知识和技能的人能够根据现场的多样化信息进行综合判断,实时做出针对性的决策,并实施物理层面的操作。

  (1)科学研究与技术试验

  这类工作是探索性的,按照“尝试-评价-修正-再尝试”的过程迭代进行。人在现场可以第一时间获得全面的试验信息,对当前状态做出判断并由此形成下一步的工作方案,调整并确定试验状态与参数。相比地面的专家队伍只能依赖有限的遥测数据开展工作,载荷专家航天员在现场可以利用丰富的状态信息做出综合判断和高效决策。

  现场专家还可以直接更换试验样品、调整试件或试验设施状态。这些操作必须“看得见摸得着”才能进行——至少,基于目前的技术能力,地面人员要想通过远程操控达到同样的效果,约束和难度要大得多。

  空间站内,高性能计算机的配置和在轨3D打印、原位材料加工等技术的发展,将进一步加强现场人员介入试验的能力。依托天地链路,载人航天活动可以形成载荷专家在轨试验与地面专业中心技术保障相结合的工作模式,充分发挥天地所长。

▲2021年11月21日中国载人航天官方网站视频截图,神舟十三乘组进行在轨科学实(试)验。(新华社发)

  (2)空间站的运行操作

  空间站是一个庞大的机、电、热综合设施,内含大量的机构和机电类产品,人进行直接操作不仅效率高,而且易于对操作结果进行判定。比如,对于阀门、动作机构等产品的开关或运动状态,地面通常以“开/关指令是否发出”或机构某一部位“是否触发压点开关”作为依据;受传感器原理及实现方法的制约,设备的运动部件“物理动作是否到位”在很多时候是难以直接判断的,人操作则可以直接由手柄位置、阀门角度、机构形位等实时判明操作结果。

  人在现场的更大优势在于快速处置能力。一旦发生“动作不到位”,可以迅速判明是实际物理动作故障还是传感器或信息传输等其他环节的问题,并第一时间处置。机构类产品的物理动作最适宜“眼见为实”,这也是无人航天器越来越多地配置摄像机,让地面人员能够直接从图像判断太阳翼展开、机械臂运动等状态的原因。

  (3)空间站及其他在轨设施的组装建造

  我们常常把空间站的在轨建造比喻为在太空中搭积木、盖房子。它实质上是基础设施不断增加、拼接或调整的过程,涉及舱内舱外大量复杂而精细的机械、电气操作,最适合人在现场大显身手。

  国际空间站去年的两个大动作,就是这类操作的典型。一是美国舱段通过多组多次航天员出舱进行安装、连接、展开等工作,完成了两组新太阳电池阵的安装升级。二是俄罗斯航天员通过出舱和舱内操作连接电缆、网线并安装舱外设施,使新近发射的“科学号”(Nauka)多功能舱真正成为国际空间站的组成部分。

  首个模块1998年发射升空以来,国际空间站主结构桁架的装配和众多舱段的扩展,都是航天员在机械臂辅助下完成的。截至2022年4月28日,国际空间站已开展250次航天员出舱活动,对空间站进行组装、维护和升级。

▲2022年4月28日,俄罗斯航天员实施国际空间站第250次出舱活动,设置帮助启用新的欧洲机械臂。(图源:NASA)

  2、人是机器的备份或补充

  载人航天活动中,人控操作经常用作自动操作的备份或补充手段。我们可以理解为,人的操作与自动操作是两套独立且原理不同的异构控制器,二者配合能够极大地提高系统可靠性。

  比较典型的独立备份设计是交会对接。在交会的大部分过程中,系统需要进行测定轨和轨道计算,人是无法胜任的。交会末段,主动飞行器要进行位置和姿态的六自由度控制,人的视觉和运动能力就可在此关键时段发挥作用了。在这一阶段,自动系统用雷达或光学测量设备进行位置和速度测量,用光学敏感器结合三维靶标测定相对姿态,用控制计算机解算控制参数并向推进系统发出控制指令;航天员则以直接目视或摄像机观察靶标图像,靠人的立体视觉判定姿态,依据自己的空间运动感和位姿判断进行手柄操作,控制飞船的飞行动作。这样的设计,可以确保在自动系统故障时立即以人控接管,保证安全并继续任务。

  人控作为补充的设计则常见于机械臂操作。机械臂辅助舱外活动的过程中,大范围的转移通常是由计算机进行路径规划并执行的,这样可以有效规避障碍并优化机构运动。当到达作业点需要微调时,现场航天员更了解自己的需求,通过直接观察能够比依靠摄像机图像获得更全面的三维空间信息,因此这一阶段多采取“听作业航天员指挥”的方式进行机械臂的局部位姿调整。为了提高效率,这种指挥和执行通常不再以天地协同模式进行,而是由舱内航天员按照舱外口令进行仪表和手柄操作。欧洲机械臂(European Robotic Arm/ERA)的现场操作更“现场”,专门为舱外航天员配置了一个操作盒。通过操作盒上的手柄和按钮,航天员可以在舱外作业现场像开挖掘机那样操作机械臂。

▲我国首次手控交会对接成功

  3、应对意外是人特有的优势

  需要航天员执行的在轨设施维护主要是硬件设备更换或修理,即那些无法通过数据注入、软件升级等“软”方式实现且机器执行难度很大的项目。国际空间站二十余年的飞行中,航天员更新过寿命到期的机械泵组,拆换过发生故障的控制力矩陀螺,将氢镍电池升级为锂电池,人的操作涵盖了各类设备的维修维护工作。

  航天员发挥更大作用的工作在于处置设计状态之外、需要现场根据具体情况判断的问题,典型例子包括哈勃望远镜的5次在轨维修和维护升级,以及国际空间站上阿尔法磁质谱仪( Alpha Magnetic Spectrometer/AMS)热控系统的维修。为解决哈勃望远镜透镜装配误差问题,航天员上天安装为哈勃量身定制的修正镜;要在受限体积内腾出安装位置,还不得不拆除了一件相对不重要的设备(高速光度计)。在第二个案例中,工程研制了20余种专用工具,经过地面试验后上天操作,并根据航天员每次出舱的实际操作情况制定后续任务方案,最终完成了AMS制冷系统管路的维修。

  应急抢险是航天员处理的最严酷故障,全球载人航天史上并不罕见。国际空间站密封舱泄漏,航天员通过关舱门隔离舱段、对疑似泄漏区域覆盖塑料膜等方法定位泄漏点;和平号空间站发生火灾,航天员以灭火器等手段扑灭火焰,之后又恢复空气成分并修复部分设备;失控的礼炮7号空间站,则由联盟T-13航天员手控对接后修复。正是有了航天员的在轨维修维护,设计寿命5年的和平号空间站持续工作了15年,国际空间站运行二十多年后在技术上仍可延寿。

  “随机应变”式的现场处置与应急抢险,都属于“意料之外”。这样的非正常情况一旦出现,由于输入数据与训练数据相差太大,机器很难以最优性能应对。而人依靠自己的知识、经验和逻辑做出判断,往往能智慧地解决问题、化解危机。

▲1997年2月,美国宇航员在航天飞机 STS-82任务中出舱维修哈勃望远镜(图源:NASA/ESA)

  4、研究人本身也是航天重要任务

  人是载人航天的活动主体,也是研究客体之一。从神舟五号的一天到空间站任务的6个月驻留,我国航天员连续在轨飞行时间越来越长;对身处空间环境的人进行研究既是保障当前飞行任务健康安全的基础,也是未来载人登月、星际航行的前奏。

  通过对分别在太空和地球停留一年的同卵双胞胎航天员生理、心理指标的对比研究,美国宇航局科学团队部分揭示了太空飞行对人类染色体端粒、认知能力、基因表达等方面的影响。我国同样结合历次载人飞行任务对航天医学问题的发生机理进行了深入研究,发展出了高效能的综合干预防护措施。航天医学实验和空间科学研究与应用、航天技术试验一起,构成了中国空间站的三大应用领域。

▲神舟十二号航天员聂海胜在轨测试心肺功能(图源:CCTV)

  尽管脑科学研究已取得重大进展,我们对于人脑工作机制的理解仍然是非常有限的。复杂的信息加工能力和综合判断能力,简直就像世界给予人类这一物种的特殊馈赠。

  让机器执行运算量大、逻辑相对确定的工作而让人投身高级的、创造性的、甚至不可预见的活动,不仅成为地球上科技与生产领域的共识,也是世界各国发展载人航天、要让人从近地走向深空的系统设计之本。

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万无一失的系统:人在太空的最佳平台

  既然太空中人的作用不可替代,载人航天的根本职责就是要为人在太空打造工作生活的平台。这一平台虽然最直接体现为载人航天器,它的维度实际上远远超越了航天器本身,是通过工程各要素的人因设计与技术方案的优化组合,让整个系统达到为“人”服务的最好状态。

  作为航天工程师的我们,需要通过航天器及其运行系统的设计确保人的安全,在基本的生存环境之上建立人能够处于舒适状态的生活条件,最后才能设计和建造高效的工作场所与保障条件。这一切既是对载人航天任务需求的响应,也体现了中国空间站设计的后发优势。

  1、安全第一的系统设计

  保证人在太空的安全是载人航天第一要务。载人航天作为多系统、多专业参与的系统工程,围绕保证人安全的要求,在整个大系统的配置和运行上设计了多重安全措施。

  (1)多舱段空间站的安全逻辑

  多舱段空间站的一大优势在于,各个舱段相对独立,可以分布式地承担安全保障功能,并且在局部出现问题时能够通过物理隔离保证全局安全。

  比如,国际空间站舱段的功能分配上,安全性相关的功能是相互备份冗余的。尽管技术难度大且两国技术路线不一致,俄美舱段仍然保证各配置了一套再生式生命保障系统。

  中国空间站以天和核心舱作为平台控制管理中心,对整站进行统一控制。问天实验舱备份了完整的能源管理、信息系统、控制系统和载人环境等关键功能,可以在核心舱故障时整体接管全站控制。针对核心舱失火、失压等重大故障情况,它还特别配置了一套完整的再生式生命保障系统和应急物资,以备航天员长时间在此等待地面故障处置和救援。梦天实验舱则具备关键功能的设备级备份,进一步提高系统安全性。针对航天员出舱活动安全性,问天实验舱配置主份气闸舱,天和核心舱节点舱作为备份气闸舱。在出舱过程中如果主份气闸舱出现问题,航天员能通过节点舱回到舱内,保证出舱活动的安全可靠。

▲中国空间站在轨组装过程(图源:中国载人航天工程办公室)

  (2)救生船与终极安全方案

  一旦航天员遇到安全问题,终极解决方案是回到地面。地面环境规避了一切空间不安全因素,人在地面能够获得的保障与在轨相比也几乎是无限大的。这一“最安全”原则对空间站提出了随时能够让航天员返回地面的要求,由此引出“救生船”概念——载人飞船将航天员送到空间站后并不立即撤离,而是始终停靠在站上,成为站上人员的救生船。

  站上有多少人,就要有多少人的救生能力,这和轮船配置救生艇的要求是一致的。在任务安排上,还有一系列具体要求与措施加以保障:

  ——不能出现站上有人而无救生船,或是站上人数多于救生船容量的情况,临时或长期都不允许。比如,如果需要进行交会试验,或者飞船以暂时分离、重新对接的方式更换对接口,不论该次操作需要几个人,相应的乘组必须全员进入飞船,以保证万一任务出现问题时所有人都在飞船上,是可以安全返回地面的。

  ——救生船在停靠期间不能完全断电,而是处于休眠状态,测控等设备保持开机值班,随时能接收指令唤醒全船。

  ——救生船内储备必需的返回物资,定期加电巡检,航天员也要定期进入飞船检查,确保飞船状态好,随时可用。

  ——救生船万一出现无法返回的故障,要第一时间、尽最大能力发射新的飞船上来接替。

▲2021年10月16日,神舟十三号飞船成功对接于天和核心舱径向端口。(图源:中国空间技术研究院)

  (3)上天之前它叫地面救援船

  第一时间接替故障救生船的飞船,即地面救援船。空间站长期载人运行,要求地面必须有持续待命的救援飞船,才能真正地全时保证在轨人员的安全。

  从神舟十二号任务开始,我国结合连续任务,以滚动方式进行地面救援值班。神舟十二号准备发射时,神舟十三号也进发射场并完成测试;神舟十二号发射后,神舟十三号在发射场作为救援船待命,接到救援指令后可以最短时间发射并执行救援;神舟十三号正式任务开始前,神舟十四号进发射场并完成测试……如此循环,各船滚动执行救援待命和正常飞行任务。这种任务模式的优点在于,每艘飞船地面等待时间不长且近似,避免了专用救援船长期存贮带来的一系列问题。

▲2021年9月17日,随着神舟十二号返回地球,神舟十三号从救援飞船转为正式任务飞船。(新华社记者琚振华 摄)

  (4)轨道设计瞄准安全返回

  返回地球最安全,因此空间站的轨道设计也要为各种情况下尽快回地球创造最佳条件。

  ——采用回归轨道。各国的载人空间站都位于340-450km高度的轨道,这既是均衡考虑大气层对宇宙辐射防护效应与轨道衰减因素的结果,也因为这个高度的轨道具有2-3天回归的特性。也就是说,空间站经过的地面区域(包括返回落区和地面测控站)以2-3天的周期重复,可以制定相对固定的返回飞行程序。这对于保证返回安全性、特别是应对发生时刻不确定的应急返回是非常有利的。

  ——设计选择返回落区。正常返回时,飞船应落在地理、气候、搜救等条件都比较好的区域。我国采取陆上返回着陆的方案,相比海上溅落方案设计约束更大,因为符合着陆场条件的落区有限且地理位置固定,这就要通过轨道倾角设计使得空间站在回归周期内尽可能多地通过着陆区。如每天经过一次,即每天都可按正常程序返回预定着陆区。为了应对地面气象条件的不确定性,还需要考虑在距主着陆区足够远、天气有差异的地方设置副着陆区。当空间站运行稳定、能够提供足够的安全和物资保障时,则可以通过在轨等待来规避地面不良天气,降低对于副着陆场的依赖。也就是说,以时间(等天气)换空间(选择另一个地区着陆)。

  ——设计选择应急落区。应急着陆区的设置,是针对飞船在没有空间站支持单独飞行时发生故障、需要尽快着陆保证航天员安全的情况。这里的“尽快”,是指飞船要在自身能源、氧气等资源消耗完之前安全落地。考虑最恶劣情况,故障可能在任意时刻发生,工程须结合轨道回归特性,在全球范围选择足够多且合适的区域作为应急着陆区,保证在“尽快”的时间内飞船可以有选择地落在这些区域内,而不会落到设计之外的地方。

▲天宫一号空间实验室飞行轨迹(图源:Phillyvoice)

  (5)载人月球探测的安全策略

  近地轨道的载人航天飞行,紧急情况下飞船约45小时即可返回地面;即使是一定要回到主着陆场,也不超过1天时间。因此,“返回地面”成为近地飞行任务中很多应急模式的对策。前文所述的和平号火灾事故,当时即考虑过立即放弃空间站返回,最后因火势得以控制改为先返回3人,留3人继续在站进行修复工作。

  但月球任务就不同了。即使不考虑月面起飞和环月轨道的变轨等工作,仅仅从环月轨道回到地球轨道即需要3天以上,就应急情况而言这个时间太长了。笔者与俄罗斯同行交流时,对方非常重视的一点是,如果要进行月面持续工作的载人月球探测,必须改变近地轨道的应急策略,形成新的应急体系。

  事实上,各国目前提出的长期月球探测任务方案中,都设计了月球轨道空间站。月轨站的一个重要角色,就是成为月面人员应急情况下的临时安全庇护所。相对月面的未知环境和落月所需的推进剂等代价,在稳定的月球轨道上可以建造和运行更安全可靠且保障资源更充足的空间站。从安全性视角看这样的配置方案,实际上是形成了“前沿探索(月面活动)-前方基地(月轨空间站)-大后方(地球)”的安全体系。

  2、航天器作为空间生存之所

  安全得到保障的前提下,航天器要为人提供基本的生存条件。

  (1)大气环境

  在轨飞行期间人大部分时间位于密封舱内,会消耗氧气,产生二氧化碳和一些有害气体,同时空间站上的设备和试验装置也会少量释放有害气体。因此,舱内环境需要对大气压力和成分进行动态控制。自和平号空间站起,长期飞行的空间站都携带了再生式的生命保障系统;中国空间站也配置了电解制氧、再生二氧化碳去除、微量有害气体净化、冷凝水处理以及尿处理等系统,实现高物质闭环度的载人环境控制。

  (2)微生物控制

  有人生活的环境就会有微生物滋生。如果不加以控制,微生物不仅危害人体健康,还会腐蚀设备。因此,微生物防控对于长期载人飞行而言,是涉及生存环境安全的重要问题。

  空间站的微生物控制也是系统工程。抗菌防霉材料选用,设备生产和舱段总装测试过程中的清洁、检验与环境控制,直到上天后通过空气净化、水净化和表面擦拭等方法净化,只有持续控制微生物,才能保证人健康生存的环境。

  (3)空间环境防护

  宇宙射线危害人体健康。大气层防护、飞行器防护和飞行时间控制,为人体防护的三种方式。以防护当量评价,地球是贡献最大的,近地轨道区域的地球大气和磁场保护可使银河宇宙射线辐射强度降低70%-90%;飞行器采用金属结构,并且合理将设备布局在人活动区的周边,是有效的防护手段;目前各国航天员每次飞行任务通常不超过半年,也是为了控制总的辐射剂量。

  下列情形中,以上三种手段不同时满足,就会带来空间环境影响的风险:

  ——出舱活动。航天员在出舱活动期间失去了航天器金属外壳的保护,出舱时间累积的辐射剂量得单独计算。另外,各国在规划正常的出舱任务时,通常会让航天员在舱外的6至8小时飞行中避开南大西洋异常区——该区域磁场强度比周边弱30-50%,范艾伦辐射带在此凹陷至200km,于400km轨道飞行的空间站穿过其间时会受到更强的辐射。

  ——柔性充气舱。毕格罗宇航公司(Bigelow Aerospace)的可充气活动太空舱(Bigelow Expandable Activity Module, BEAM)已对接在国际空间站上投入试验应用,多家其他公司的商业空间站也采用了柔性舱方案。以多层新型材料构建的柔性舱,在保温、空间碎片防护、结构强度、密封、内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,对空间辐射的防护效果还是远低于金属。因此,BEAM目前只是一个有正常大气环境的试验舱,人员可以进入但无法长期停留。柔性充气舱的在轨性能,还在持续评估中。

  ——深空飞行。载人深空飞行动辄数月甚至数年,远离地球,以目前的航天器技术水平无法保证载员的辐射剂量安全,三项防护手段都不足。在月面等无大气环境长期工作也存在同样问题。因此,深空飞行器的防辐射措施以及利用月面原位资源建造防护场所,是值得深入研究的。

▲空间站再生生保系统架构(图源:航天医学与医学工程)

  3、太空生活可以更好

  生存问题解决后,就要为航天员改善生活条件,才能飞得更久、工作得更好。随着载人航天实践经验的积累和技术的进步,空间站生活条件也逐渐从保障足够的硬件条件发展到兼顾身心健康。

  国际空间站上的穹顶舱(Cupola)就是一项优秀的设计。它是一个凸出舱段表面1.5米的全景阁楼,在机械臂操作、来访飞行器对接等任务时为飞行工程师提供观察点,更有意义的作用是让长期生活在狭小密闭空间的航天员到此处眺望地球与星空,调节舒缓情绪。穹顶舱应该是设计理念和技术进步双重作用的成果,过去很难想象谁会专门研制一个直径近3米、重达1.8吨、似乎没啥实质性工程功能的全景天窗送上天去。

▲国际空间站上的穹顶舱(图源:NASA)

  在生活条件方面,中国空间站引入宜居设计理念,为航天员便利生活和心理生理健康提供保障:

  ——生活区和工作区。两个区域相对独立,对空间尺寸、照明、色彩、标识等都做了专门设计。生活区配置卧室、厨房和卫生间,并在布局和设备配置上充分考虑便利性与私密性。作为设计要求,每个卧室内都有舷窗,生活区和工作区都有相应的噪声指标和控制措施。

  ——锻炼设施。舱内配置了跑步机、自行车等固定的锻炼设施,航天员也配备了拉力器等便携式锻炼器材和阻抗锻炼装置。科学的在轨锻炼帮助航天员保持体能和身体机能,对完成在轨任务和返回地面的恢复都有益处。

  ——智能家居管理及娱乐。基于无线WiFi网络,工程为航天员设计了工作、生活、娱乐APP,通过智能手机、平板电脑控制实现空间站智能家居管理和物资管理。

  ——天地网络。天地网络保障了双向音视频,航天员不仅可以看地面的电视节目,也可以利用网络电话与家人、队友、医生、技术支持人员通话。这是真正的“天涯若比邻”。

▲神舟十二号航天员在轨锻炼(图源:中国空间技术研究院)

  4、上天是为了工作

  上天,是为了执行任务。在安全宜居的前提下,载人航天要为航天员设计更好的工作场所和便利的工作方式。

  (1)人机界面设计

  对航天员操作和使用的设备及交互界面,从方案阶段即同步开展工效学设计。伴随空间站的研制,相关产品在地面验证是也要进行系统至单机各个层级的工效验证和评价,确保上天后航天员能够安全、高效、便捷地进行操控。

  (2)维修性设计

  工欲善其事,必先利其器。既然维修维护是航天员在轨工作的重要内容,空间站必须以满足维修需求为目标开展一系列设计。其主要工作包括:

  ——维修需求识别。简单地说,相对容易坏和寿命短的设备,或者是坏了就影响安全和任务的重要设备,就得在设计上保证它们是可维修的。前者比如寿命有限的蓄电池和泵,后者比如生命保障设备。反之,如果某些设备不可维修或维修的代价过大,那么就必须将其设计、制造得足够可靠,比如管路系统和干线电缆网。这和装修房子类似:水龙头和灯泡都是可更换的,但埋在墙里的上下水管和供电线通常是不修不换而且不容易坏的。

  ——设备可维修。对于单台设备,要保证航天员在失重环境甚至着舱外服的情况下看清并可靠操作,且能够有效测试维修效果,必要时可以设计专用工具。舱外设备的维修难度更大,为了让航天员能够在带着舱外手套的条件下开展相应操作,操作手柄、电缆插头等等都是专门设计的。在进行设备安装布局时,要考虑航天员有足够的操作空间和照明条件。

  ——系统对维修性的支持。在轨维修无法像地面一样整站断电停机,维修期间必须能够隔离故障设备并保持系统运行。正如换水龙头时要把上游的水阀关掉,换灯泡时要把这个房间的电闸拉开,而其他房间还能正常用水用电。在航天器上的设计包括:可维修设备有替代设备继续工作维持功能,或者其本身可以短时间断电而不影响系统运行;供电系统可以局部断电以维修或更换故障设备,其余保持供电的设备能维持系统运行;信息系统则要允许设备在切除和接入时不会产生网络协议冲突等问题。

  ——工具设计。航天员的手持工具、机械臂乃至机器人,都是需要设计的工具。从中国空间站已经完成的4次出舱任务,可以看到典型的舱外操作工具及其表现。航天员乘组进行高效的人机协同,操控机械臂完成人和设备转移;舱外航天员使用功能完备的工具完成维修或装配任务;在空间站的舱外壁上布置了航天员穿着舱外服时用来固定身体的脚限位器,保证了航天员可以在作业点施展开手脚。

▲地面测试中的中国空间站机械臂(图源:中国空间技术研究院)

  (3)“太空港”设计

  整个空间站就是航天员“好使”的工作台和“趁手”的工具,它还能成为来访航天器的太空母港,为其提供服务保障。比如,基于共轨飞行航天器在轨服务的创新模式,巡天空间望远镜可短期停靠天宫空间站,进行推进剂补给和设备维护升级。

  与当年美国不得不多次发射航天飞机去修理哈勃望远镜的巨大代价相比,共轨飞行服务模式便捷、经济,大大拓展了载人航天器的“一专多能”。这种工作模式也充分发挥了无人和有人飞行器的特长,避免了不同工作状态可能产生的矛盾。巡天望远镜平时工作时就是一颗无人卫星,没有人员活动干扰,可以获得高精度高稳定度的姿态控制,对天文观测极为有利;需要维修维护时则停靠在空间站上,成为载人航天器的一部分,航天员可以进行相关操作。

  (4)天地协同保障

  航天员不是自己在天上战斗。高效的天地协同,是充分发挥天地长项的重要保障。

  阿波罗13号的返回是经典案例:飞船已接近月球,服务舱氧气罐发生爆炸,地面控制中心果断决定取消登月任务;航天员在地面工程师团队支持下实施了应急供电、空气净化器改造和返回制动,最终成功返回地球。前文提到的BEAM充气舱则提供了当代的天地协同范例:BEAM在首次展开过程中曾经因充气舱软质织物间的摩擦力超过预期而导致展开中止,天地3个团队——在轨的航天员乘组、飞控中心的美国宇航局团队及毕格罗研制团队——协同完成了故障定位和处置。地面工程师们彻夜观察舱体状态变化,结合航天员现场查看情况,几方会商进行问题定位,并实时指导航天员操作,形成了“航天员操作—充气舱变化—天地协同观察判断—讨论形成下一步操作意见”的大闭环。第二次展开的7 个多小时里,航天员手动开充气阀25 次,成功充满并展开BEAM。

  中国空间站核心舱在轨飞行已逾一年。从已完成的出舱和舱内任务看,天地大系统保障下的在轨操作模式已成形。未来的空间站建造、扩展、升级以及在轨服务的应用中,地面专业团队支持下的航天员在轨作业能力将更加强大,将更充分地发挥人在太空的作用。

▲2021年11月7日在北京航天飞行控制中心拍摄的神舟十三号航天员翟志刚出舱画面(新华社记者郭中正 摄)

  千百年来,技术改变了人类的主要劳动形式,也进一步凸显了人的智力优势。技术的更新与人的进步,是在动态的互相补充、彼此适配中前行的。人以其智慧不断创造更先进的技术,人必须自我提升才能适应技术迭代的速度;技术延伸了人的能力,拓展了人的生存空间,为实现人的全面发展提供了更好的条件。

  这正是人在太空的意义。

  中国空间站时代正在徐徐开启。人成就了空间站,空间站也将成就和提升人的价值与尊严;人是载人航天的一部分,又与载人航天一起构成更大的系统,共同探索边际、追问世界。(完)


监制:李晓云

编辑:王鑫蓉

校对:崔祎璁

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