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)、物資補給等重要指標方面，將可全面超越和平號空間站，達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)和運營效費比方面，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，論壇主席陳善廣指出：“在人因工程學科支持之下，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陌生的科學領(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)計師吳志強在之前說了很多高深術(shù)語，當說出這句話的時候，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”的時刻到了。

 

從神舟五號楊利偉上天開始，中國進入載人航天時代，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尚生活。

 

下一步，中國進入空間站階段了，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飛船保障，可發(fā)射一次成本代價太高，生命保障系統(tǒng)必須升級了——物理化學再生生保系統(tǒng)便應(yīng)運而生。

 

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

 

不能否認的是，創(chuàng)造機器的人確實偉大，機器也確實偉大。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，將替我們到那個寄托多少代人想象的地方一探究竟。機器一直在替我們開疆拓土。

 

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

 

人因工程高峰論壇連續(xù)舉辦4年，在不同的4個城市，每次都匯聚大量的老院士、老科學家，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、毛明都多次與會。

 

為什么那么多著名科學家、大國重器的設(shè)計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施長期在軌駐留的關(guān)鍵性標志系統(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，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)計實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。”吳志強介紹，美國空間站上的一套水處理系統(tǒng)，研制費用兩億美元。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？

 

因為據(jù)他們計算，1公斤的物質(zhì)運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值相當。“當然這只是水，還需要盛水的容器，加在一起，經(jīng)濟代價就更大了”。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個月到一年多的用度，可以說是源源不斷地燒錢。

 

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、管理做得更好，以更少的代價來實現(xiàn)科學的追求、技術(shù)的追求，對我們是一個挑戰(zhàn)，只有做到這一點，我們才能是一個可持續(xù)發(fā)展的方式。

 

這就是吳志強們的任務(wù)。中國人向來腦洞大開。

 

當把航天員作為系統(tǒng)工程的核心來研究的時候，就變得跟普通人很貼近了。每個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，貨運飛船攜帶上去一個基本量就可以了，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，必須嚴格符合醫(yī)學要求。”吳志強的科普給大眾的一個事實，即，如果我們要環(huán)游太空，也需要重復使用被轉(zhuǎn)化了的艙內(nèi)人員的“尿”。

 

不得不說，當人類放眼浩瀚太空的時候，深感其無比廣闊，沒有邊界。而當人類反觀自身，簡單的吃喝拉撒睡竟然也是一個無比精密，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。

 

“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志。”吳志強們的任務(wù)說起來平常，做起來就是個多系統(tǒng)交叉的學科。

 

可見，這身體發(fā)膚受之父母，人類理所當然地享用自己的身體，卻意識不到這才是最偉大的機器，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械臂協(xié)同，將這對太陽電池翼轉(zhuǎn)移到這個位置上，以提升太陽翼電池的工作效率。這是非常復雜的在軌操作，中國航天員如果把這件事辦成了，我認為我們就達到了與國際空間站同樣的艙外操作水平。”周建平指點著中國空間站的設(shè)計圖給大家講解。

 

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入太空站時代，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)的和平號空間站當時的設(shè)計壽命只有5年，因為有人的參與，和平號空間站才一直延續(xù)到1999年，因為俄羅斯運行維護的代價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，我們的望遠鏡也將躋身地球軌道，名字氣派，叫“巡天”。巡天望遠鏡與哈勃望遠鏡相比，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行補給，航天員對它進行維修，或者需要進行設(shè)備升級的時候，它可以?？康娇臻g站上，由航天員進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小航天器般堅硬沉重的航天服，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螺絲的問題，也要把一整個模塊換掉，來確保安全和高效。

 

陳善廣表示，空間站在軌運行將達到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，還要做科學實驗；既要觀測外太空，也要從高空觀測地球；既要去貨運飛船搬運貨物，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對外公布了一個阿爾忒彌斯計劃，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生上了一堂科普課。視頻當時的打開率就達到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入天宮長期駐留，在核心艙、實驗艙內(nèi)進行科學實驗。

 

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。人們禁不住要憐香惜玉：如此纖細的女子，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。

 

人因設(shè)計得越完美，人的不適感越小，離我們普通中國人進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

 

航天是一個復雜的巨系統(tǒng)，其中，最讓科學家擔心的，是當航天器脫離地球，這個我們熟悉的家園后，里面的人怎么生存，如何面對險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、教訓上的學科。

 

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

 

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

 

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

 

“消滅操作失誤，是我的終身奮斗目標。”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。

 

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。插座扒開看焊接點如何，一天一夜翻個底朝天，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)，是一個插座里有個焊錫粒子在滾來滾去。再追溯上去，是上海的一個女檢驗員身懷六甲，“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，在胡世祥的記憶里，有一段慘淡的時光。那時，中國剛剛開始幫助國外發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星，連續(xù)因為插頭問題、馬大哈問題而失敗。“朱镕基任副總理的時候到我們基地視察，問，胡司令，你能不能打三個衛(wèi)星上去倆，掉下一個？你現(xiàn)在一個上去，一個下來，我們心臟都受不了”。

 

“插頭、插座往往就是個簡單的問題，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。”胡世祥向與會的人因?qū)＜液粲?，對這些低級錯誤，人因?qū)＜夷懿荒芙o一個措施，一個辦法，減少人為失誤，保成功。

 

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

 

人因工程的學科理念是體現(xiàn)以人為中心的設(shè)計理念，讓機器適應(yīng)人的需求，學科目標使整個系統(tǒng)實現(xiàn)安全、高效率、高效能。典型特點是系統(tǒng)工程思想、面向設(shè)計和多學科融合?？梢哉f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理念指出：人因如水，你高，我便退去，不淹沒你的風采；你低，我便涌來，彌補你的缺憾。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。

 

走向深空的橋頭堡

 

月球上何時會車來人往

 

正如下圍棋，當你走一步的時候，必須設(shè)計到未來的三到五步。

 

當人們正在為2020航天大年而歡呼尖叫的時候，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，載人航天有三個主要目標：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器人開采，運回地球，服務(wù)人類。那么，月球?qū)兂墒裁礃?，會不會真像陳善廣說的那樣也有車來人往？

 

他認為，我們未來的月球城市會分階段實施：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，有人因工程等學科的大力支撐，實現(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”。

 

當年，奔月的美國阿波羅13號僅飛行了55小時46分鐘，氧氣罐攪動就導致了飛船服務(wù)艙的嚴重爆炸。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。”陳善廣希望用這個例子告訴大家，我們要進軍月球，就必須有更先進的人因工程理念和設(shè)計。

 

因為人因工程就是在失敗和死亡的基礎(chǔ)上建立的一種功效學科。

 

什么是好的設(shè)計師？“在危險之下，系統(tǒng)有發(fā)揮人的作用，恢復安全的能力。”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。

 

航天的特點就是之前設(shè)計了很多逃生設(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年對中國航天是個很重要的時間節(jié)點，這么宏大的計劃，就是從空間站的核心艙——天和，走出第一步。（記者 堵力）