2020中國航天大年來了

 

“中國空間站在功能、應(yīng)用效益、建造技術(shù)、物資補(bǔ)給等重要指標(biāo)方面，將可全面超越和平號空間站，達(dá)到或接近國際空間站水平；在信息技術(shù)、能源技術(shù)、動力技術(shù)和運(yùn)營效費(fèi)比方面，我們將超越國際空間站水平。”中國載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平院士在第四屆中國人因工程高峰論壇上透露。

 

同時(shí)，論壇主席陳善廣指出：“在人因工程學(xué)科支持之下，中國空間站定將為中國航天員和世界航天員提供一個(gè)溫馨的太空之家，并且作出中國人原創(chuàng)性的成果。”

 

雖然人因工程對大眾來說是個(gè)陌生的科學(xué)領(lǐng)域，但召開了4次的人因工程大會，每次都會釋放重磅信號，以及讓人回味的消息。

 

人們對即將到來的2020年，充滿了無限暢想——空間站時(shí)代即將到來，航天大年來了！

 

航天員在天上會喝自己的尿嗎

 

再生生保系統(tǒng)是長期駐留的標(biāo)志

 

“尿在地面可能是一種廢物，但是在天上是一種資源。”空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師吳志強(qiáng)在之前說了很多高深術(shù)語，當(dāng)說出這句話的時(shí)候，外行們?yōu)橹徽?mdash;—航天員在天上會喝自己的尿嗎？

 

古人說“不垢不凈”，隨著科技發(fā)展，看來顛覆我們“三觀”的時(shí)刻到了。

 

從神舟五號楊利偉上天開始，中國進(jìn)入載人航天時(shí)代，有了第一代生命保障系統(tǒng)支撐。后來的神舟每上天一次，都會在人的保障方面上一個(gè)臺階，到上次的神十一，景海鵬、陳冬在太空巡游33天，向全國人民展示了他們太空飲茶太空健身的時(shí)尚生活。

 

下一步，中國進(jìn)入空間站階段了，會有什么不同呢？

 

航天員要在空間站駐留長達(dá)180天！像前幾次那樣，光靠把吃吃喝喝的東西和氧氣都帶上去，不行了。雖然我們有配套的貨運(yùn)飛船保障，可發(fā)射一次成本代價(jià)太高，生命保障系統(tǒng)必須升級了——物理化學(xué)再生生保系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。

 

“機(jī)器要為人服務(wù)。”陳善廣經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的這句話相信是我們共有的信念，而事實(shí)上這百年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對機(jī)器的依賴和崇拜越來越強(qiáng)烈，漸漸忘卻了自己的初心。

 

不能否認(rèn)的是，創(chuàng)造機(jī)器的人確實(shí)偉大，機(jī)器也確實(shí)偉大。比如現(xiàn)在的嫦娥一號到嫦娥四號在替中國人探索月球，明年的火星探測車，將替我們到那個(gè)寄托多少代人想象的地方一探究竟。機(jī)器一直在替我們開疆拓土。

 

但機(jī)器永遠(yuǎn)替代不了人。人有不確定性，同時(shí)人也是不可替代的因素。人親身面對新鮮事物和復(fù)雜問題的時(shí)候，產(chǎn)生的情感、通聯(lián)思考與綜合決策能力是機(jī)器無法企及的，對科學(xué)推動力是最偉大的。

 

人因工程高峰論壇連續(xù)舉辦4年，在不同的4個(gè)城市，每次都匯聚大量的老院士、老科學(xué)家，上將、中將，總師、副總師，男女航天員。最近盛名之下的新晉院士王堅(jiān)、毛明都多次與會。

 

為什么那么多著名科學(xué)家、大國重器的設(shè)計(jì)者都如此看重人因工程？

 

也許，隨著中國空間站向全世界的航天員、科學(xué)家打開大門，人因工程也會揭開神秘面紗，真正讓大眾理解。航天科研產(chǎn)生的原始研究成果會越來越多地服務(wù)我們的生活。

 

面向長期航天飛行的物化再生生保系統(tǒng)如何可靠高效運(yùn)行，隨著太空站的建設(shè)成為詮釋人因工程最好的例子。

 

再生生保是航天員從短期飛行到實(shí)施長期在軌駐留的關(guān)鍵性標(biāo)志系統(tǒng)。

 

這套環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)，不僅收集轉(zhuǎn)化人在系統(tǒng)里的汗液、尿液，而且以建立人的生存環(huán)境為目標(biāo)，保障人高效而舒適地工作。也就是說，這套系統(tǒng)的創(chuàng)造設(shè)計(jì)實(shí)踐全部都是圍繞著人打轉(zhuǎn)，服務(wù)于人在密閉航天器中吃喝拉撒睡和干活兒。

 

“再生生保技術(shù)非常復(fù)雜，被稱為世界性難題。從美國、俄羅斯研制的過程可以看出，技術(shù)難度非常大，投入也非常大。”吳志強(qiáng)介紹，美國空間站上的一套水處理系統(tǒng)，研制費(fèi)用兩億美元。國際空間站搭建了10多年，再生生保系統(tǒng)真正只用了五六年。

 

為什么美俄在這套系統(tǒng)上那么舍得投錢？

 

因?yàn)閾?jù)他們計(jì)算，1公斤的物質(zhì)運(yùn)到國際空間站軌道要花4-5萬美元，1克水基本上與黃金的價(jià)值相當(dāng)。“當(dāng)然這只是水，還需要盛水的容器，加在一起，經(jīng)濟(jì)代價(jià)就更大了”。而人一天所需水一般在兩公斤以上，這些水要夠3到6名航天員6個(gè)月到一年多的用度，可以說是源源不斷地?zé)X。

 

國際空間站已經(jīng)花了1000多億美元了，中國怎么把空間站的設(shè)計(jì)、管理做得更好，以更少的代價(jià)來實(shí)現(xiàn)科學(xué)的追求、技術(shù)的追求，對我們是一個(gè)挑戰(zhàn)，只有做到這一點(diǎn)，我們才能是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的方式。

 

這就是吳志強(qiáng)們的任務(wù)。中國人向來腦洞大開。

 

當(dāng)把航天員作為系統(tǒng)工程的核心來研究的時(shí)候，就變得跟普通人很貼近了。每個(gè)人一天排出的尿液是1.6公斤，汗液是1.7公斤，大便里也有水分，回收水是基礎(chǔ)。另外，水中含有氧，氧氣也可通過水電解而獲得，還有呼吸中人每天產(chǎn)生二氧化碳的量是1公斤，這些廢料都要各歸各位，進(jìn)入不同的處理系統(tǒng)循環(huán)利用，最終被轉(zhuǎn)化成太空艙里的可用資源。以后，貨運(yùn)飛船攜帶上去一個(gè)基本量就可以了，成本大大降低。

 

“再生水，某種意義上是在軌生產(chǎn)的一種水。它是從廢物中提取出來的，為了保證人的生命健康，必須嚴(yán)格符合醫(yī)學(xué)要求。”吳志強(qiáng)的科普給大眾的一個(gè)事實(shí)，即，如果我們要環(huán)游太空，也需要重復(fù)使用被轉(zhuǎn)化了的艙內(nèi)人員的“尿”。

 

不得不說，當(dāng)人類放眼浩瀚太空的時(shí)候，深感其無比廣闊，沒有邊界。而當(dāng)人類反觀自身，簡單的吃喝拉撒睡竟然也是一個(gè)無比精密，沒有邊界的場域。而對自己的研究，卻決定了我們?nèi)绻x開腳下的土地，能走多遠(yuǎn)。

 

“這套系統(tǒng)最具載人特色，它也是區(qū)別載人航天器和無人航天器的重要標(biāo)志。”吳志強(qiáng)們的任務(wù)說起來平常，做起來就是個(gè)多系統(tǒng)交叉的學(xué)科。

 

可見，這身體發(fā)膚受之父母，人類理所當(dāng)然地享用自己的身體，卻意識不到這才是最偉大的機(jī)器，有無盡探索的空間。

 

這一之前隱身于航天器背后的系統(tǒng)，伴隨著航天員即將長期駐留太空，正在布局走向月球、火星的時(shí)候，闖入人們的視野。

 

不過，這么金貴的再生裝備萬一用著用著壞了咋辦？這就涉及一個(gè)典型的人因問題——航天設(shè)備的在軌維修。

 

縱是維修也人因

 

空間站的壽命不僅是造出來的更是修出來的

 

“中國空間站建成后，我們將利用航天員的操作和機(jī)械臂協(xié)同，將這對太陽電池翼轉(zhuǎn)移到這個(gè)位置上，以提升太陽翼電池的工作效率。這是非常復(fù)雜的在軌操作，中國航天員如果把這件事辦成了，我認(rèn)為我們就達(dá)到了與國際空間站同樣的艙外操作水平。”周建平指點(diǎn)著中國空間站的設(shè)計(jì)圖給大家講解。

 

在失重環(huán)境下，航天員出艙，轉(zhuǎn)移和維修設(shè)備。美國電影里的宇航員在惡劣的太空環(huán)境下工作的場景，歷歷在目。很多影迷期盼中國進(jìn)入太空站時(shí)代，就是想看到中國人也能從事如此高難度的作業(yè)。而周建平所描繪的場景，不僅難度大，而且還要證明中國航天員的力量與能力，想想都激動人心。

 

周建平用空間站來舉例，蘇聯(lián)的和平號空間站當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)壽命只有5年，因?yàn)橛腥说膮⑴c，和平號空間站才一直延續(xù)到1999年，因?yàn)槎砹_斯運(yùn)行維護(hù)的代價(jià)無法承受才自主離軌。同樣，現(xiàn)在的國際空間站沒有人的積極參與，也不可能保持這樣的狀態(tài)。

 

看來，太空艙的壽命不僅是造出來的，更是修出來的。

 

周建平揭秘——

 

這回，我們的望遠(yuǎn)鏡也將躋身地球軌道，名字氣派，叫“巡天”。巡天望遠(yuǎn)鏡與哈勃望遠(yuǎn)鏡相比，視場大300多倍，但分辨率不相上下。它可以和中國空間站共軌飛行。在需要空間站對它進(jìn)行補(bǔ)給，航天員對它進(jìn)行維修，或者需要進(jìn)行設(shè)備升級的時(shí)候，它可以?？康娇臻g站上，由航天員進(jìn)行必要的操作以后離開，然后繼續(xù)保持共軌飛行狀態(tài)。

 

過去發(fā)射衛(wèi)星，如果失控了，一下就損失好幾億甚至十幾億，還會變成懸浮在軌道上的太空垃圾。但將來飛船里會有隨船工程師，可以捕獲這些衛(wèi)星進(jìn)行維修。還有就是一些使用期滿的衛(wèi)星，我們也可以換件維修，增加其壽命。

 

大家都知道，在地面上我們擰動改錐，可謂不費(fèi)吹灰之力，更何況載荷工程師和空軍出身的航天員。但在艙外宇宙射線和天外飛石的威脅下，航天員必須身穿如同一個(gè)小航天器般堅(jiān)硬沉重的航天服，笨拙的手套讓拿捏東西變得非常困難。所以，天上的維修多是模塊化集成化的。

 

就像小朋友拼搭樂高一樣，即便是一根線路的問題或者是一個(gè)螺絲的問題，也要把一整個(gè)模塊換掉，來確保安全和高效。

 

陳善廣表示，空間站在軌運(yùn)行將達(dá)到10年以上，有許多設(shè)備包括宇航服和再生生保系統(tǒng)，通過維修和零部件更換可大大延長在軌使用壽命，降低運(yùn)輸成本。而如何保證維修質(zhì)量提高維修效率，則要充分考慮人的能力、空間約束、工具限制等人因問題。

 

短短幾句話，大家已經(jīng)意識到了航天員和載荷工程師將來在天宮中的繁重任務(wù)，不僅要承受失重環(huán)境對身體的考驗(yàn)，還要做科學(xué)實(shí)驗(yàn)；既要觀測外太空，也要從高空觀測地球；既要去貨運(yùn)飛船搬運(yùn)貨物，到艙外維修、檢修空間站，還要發(fā)射微小衛(wèi)星，修理并軌對接的巡天望遠(yuǎn)鏡。

 

繼翟志剛出艙揮舞國旗后，將來的中國航天員會越來越多地走出艙門，為我們的飛行器辛苦工作！

 

半年前，NASA對外公布了一個(gè)阿爾忒彌斯計(jì)劃，即，美國2024年再次問鼎月球，女航天員將完成登月。人們不約而同將目光聚焦在本次參會的中國巾幗英雄王亞平身上。

 

在神舟十號飛天的時(shí)候，她作為太空教師，在天宮一號的狹小艙室中給全國中小學(xué)生上了一堂科普課。視頻當(dāng)時(shí)的打開率就達(dá)到10億次。如果中國不能馬上登月，但可以肯定的是，不久會有女航天員進(jìn)入天宮長期駐留，在核心艙、實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

 

王亞平的外形集中了中國古典美女的秀麗和女軍人的英姿颯爽，身材挺拔而纖細(xì)。人們禁不住要憐香惜玉：如此纖細(xì)的女子，如何承載繁重的維修任務(wù)？

 

這就需要人因工程設(shè)計(jì)更適合人體高效工作的輔助設(shè)備。

 

據(jù)透露，現(xiàn)在航天員的生活環(huán)境已經(jīng)得到了極大改善，可以說從過去的一室一廳，變成了三室一廳，其適居性更好了，出艙服也做了極大地改進(jìn)。

 

人因設(shè)計(jì)得越完美，人的不適感越小，離我們普通中國人進(jìn)入太空的日子也就越近了。

 

面對未知之地

 

人因測評浮出水面

 

航天是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其中，最讓科學(xué)家擔(dān)心的，是當(dāng)航天器脫離地球，這個(gè)我們熟悉的家園后，里面的人怎么生存，如何面對險(xiǎn)惡的不適宜人生存的環(huán)境。也就是說，我們?nèi)绾未_保航天員“置于死地而后生”，而且工作得宜人、有效率呢？

 

人因工程更多地研究的是死。這是一門建立在失敗、災(zāi)難、教訓(xùn)上的學(xué)科。

 

“埃塞俄比亞那架波音飛機(jī)是垂直砸下去的，砸到地下20米深。”劉大響院士前段時(shí)間看了波音737MAX客機(jī)最后失控狀態(tài)的視頻，“心里特別難受”。這個(gè)型號飛機(jī)在去年年底到今年年初的4個(gè)月時(shí)間兩次墜毀，死亡346人。開始，波音公司把責(zé)任推到人的問題，說是駕駛員操作不對，但“我們分析不是這個(gè)問題，所以中國第一個(gè)作出停飛的決定”。事后印證了，這架飛機(jī)的飛行員在最后長達(dá)12分鐘里上演了一場人機(jī)大戰(zhàn)。據(jù)稱一個(gè)系統(tǒng)反復(fù)迫使機(jī)頭向下，飛行員多次將機(jī)頭重新拉起，但最終在機(jī)器的蠻橫指令下，駕駛員無能為力，造成人間慘劇。

 

“現(xiàn)在一切領(lǐng)域完全由機(jī)器來指揮，這是有風(fēng)險(xiǎn)的。”這位中國著名的航空發(fā)動機(jī)專家說，波音737MAX在更換發(fā)動機(jī)后，沒有進(jìn)行足夠的試飛，更未做包括人因在內(nèi)的綜合測評，結(jié)果慘痛。

 

陳善廣認(rèn)為，波音事故再次引發(fā)了業(yè)界對人機(jī)功能分配的深度思考，不重視人因測評也是主要原因。其實(shí)在航空航天領(lǐng)域發(fā)生的許多事故可歸于人的失誤或機(jī)器的防誤設(shè)計(jì)不夠。

 

“消滅操作失誤，是我的終身奮斗目標(biāo)。”1970年把中國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”送上太空的胡世祥中將這樣說。他參與組織了100多次衛(wèi)星、火箭的發(fā)射試驗(yàn)。

 

讓他記憶猶新的是1982年發(fā)射通信衛(wèi)星。模擬飛行幾次后，數(shù)據(jù)顯示火箭飛行17秒就短線了。

 

“查。插座扒開看焊接點(diǎn)如何，一天一夜翻個(gè)底朝天，沒查出問題。”所有人哪也去不了，都在等，他感覺壓力山大。最后發(fā)現(xiàn)，是一個(gè)插座里有個(gè)焊錫粒子在滾來滾去。再追溯上去，是上海的一個(gè)女檢驗(yàn)員身懷六甲，“心情不好，漏檢了”。

 

今天，說起航天就是萬無一失，都是從勝利走向勝利。其實(shí)，在胡世祥的記憶里，有一段慘淡的時(shí)光。那時(shí)，中國剛剛開始幫助國外發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星，連續(xù)因?yàn)椴孱^問題、馬大哈問題而失敗。“朱镕基任副總理的時(shí)候到我們基地視察，問，胡司令，你能不能打三個(gè)衛(wèi)星上去倆，掉下一個(gè)？你現(xiàn)在一個(gè)上去，一個(gè)下來，我們心臟都受不了”。

 

“插頭、插座往往就是個(gè)簡單的問題，但是簡單的問題造成的結(jié)果很沉重。真可謂是，一顆螺釘聯(lián)系航天事業(yè)，小小按鈕維系民族尊嚴(yán)。”胡世祥向與會的人因?qū)＜液粲?，對這些低級錯(cuò)誤，人因?qū)＜夷懿荒芙o一個(gè)措施，一個(gè)辦法，減少人為失誤，保成功。

 

陳善廣指出：消滅人為差錯(cuò)確保安全一直是從事復(fù)雜系統(tǒng)和工程項(xiàng)目的各級指揮員和工程師追求的目標(biāo)，人因工程為此提供了理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)方法。這些系統(tǒng)是人設(shè)計(jì)的，必然會打上人的烙印。必須要對系統(tǒng)進(jìn)行相對獨(dú)立的人因測評，不通過這種測評的系統(tǒng)不得通過最終驗(yàn)收。載人航天正在建立這種管理和技術(shù)體系。

 

人因工程的學(xué)科理念是體現(xiàn)以人為中心的設(shè)計(jì)理念，讓機(jī)器適應(yīng)人的需求，學(xué)科目標(biāo)使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、高效率、高效能。典型特點(diǎn)是系統(tǒng)工程思想、面向設(shè)計(jì)和多學(xué)科融合。可以說人因工程是以人為本的系統(tǒng)工程。

 

老子說：上善若水，水利萬物而不爭。陳善廣多次借用這個(gè)理念指出：人因如水，你高，我便退去，不淹沒你的風(fēng)采；你低，我便涌來，彌補(bǔ)你的缺憾。越來越多的大國重器將人因工程引入了自身的頂層設(shè)計(jì)。

 

走向深空的橋頭堡

 

月球上何時(shí)會車來人往

 

正如下圍棋，當(dāng)你走一步的時(shí)候，必須設(shè)計(jì)到未來的三到五步。

 

當(dāng)人們正在為2020航天大年而歡呼尖叫的時(shí)候，中國載人航天已經(jīng)開啟了飛向月球的深度布局。

 

走向深空，為什么首選月球？陳善廣說，載人航天有三個(gè)主要目標(biāo)：一是探索未知；二是開發(fā)和利用空間資源；三是拓展生存空間，尋找新的家園。而月球，是“我們走向深空的橋頭堡”。

 

在很多科幻小說中，月球上的水冰、氦3、重要礦產(chǎn)等資源被克隆人和機(jī)器人開采，運(yùn)回地球，服務(wù)人類。那么，月球?qū)兂墒裁礃樱瑫粫嫦耜惿茝V說的那樣也有車來人往？

 

他認(rèn)為，我們未來的月球城市會分階段實(shí)施：前哨站、半永久基地，然后才是永久性月球家園。

 

月球家園以地下建筑為主，可利用月壤和月巖保溫、隔熱和防輻射。采用3D打印，把月塵、挖掘的月壤打印成建筑材料。選擇地下空間容易鉆挖建設(shè)的地方，以月巖作為基地輻射掩體。

 

陳善廣的描繪讓人充滿美妙的暢想，也許，等我們有了超大推力火箭，有人因工程等學(xué)科的大力支撐，實(shí)現(xiàn)這一步就近在咫尺了？

 

但他話鋒一轉(zhuǎn)，談到了一場“成功的失敗”。

 

當(dāng)年，奔月的美國阿波羅13號僅飛行了55小時(shí)46分鐘，氧氣罐攪動就導(dǎo)致了飛船服務(wù)艙的嚴(yán)重爆炸。飛船開始失去動力，失去熱量，更重要的是，宇航員失去了可呼吸的氧氣。

 

“但，宇航員急中生智，將寶瓶座登月艙充當(dāng)了救生船，最終擺脫月球引力，安全地返回了地球。這是靠人的智慧，發(fā)揮了人的作用的成功案例，所以是成功的失敗。”陳善廣希望用這個(gè)例子告訴大家，我們要進(jìn)軍月球，就必須有更先進(jìn)的人因工程理念和設(shè)計(jì)。

 

因?yàn)槿艘蚬こ叹褪窃谑『退劳龅幕A(chǔ)上建立的一種功效學(xué)科。

 

什么是好的設(shè)計(jì)師？“在危險(xiǎn)之下，系統(tǒng)有發(fā)揮人的作用，恢復(fù)安全的能力。”陳善廣指出，受阿波羅13號這次經(jīng)歷的啟發(fā)，未來我們的登月艙會直接攜帶逃生艙，這樣能增大航天員生還的希望。

 

航天的特點(diǎn)就是之前設(shè)計(jì)了很多逃生設(shè)備，比如，火箭發(fā)射在大氣層內(nèi)有逃逸塔，如果遇到不測可以跳傘回到地面。所以，無論是進(jìn)入天宮太空艙還是將來去月球，都要把安全高效放在第一位。

 

“通過月球家園的建設(shè)與開發(fā)，人類將走向深空、移居火星、走出太陽系，星火傳承，在茫茫宇宙?zhèn)鞑ト祟愇拿鳎?rdquo;陳善廣把目光投向了未來。

 

也許在若干年后回望，2020年對中國航天是個(gè)很重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，這么宏大的計(jì)劃，就是從空間站的核心艙——天和，走出第一步。（記者 堵力）