“國際空間站”建造十年經驗初探

朱毅麟

(中國空間技術研究院,北京 100094)

1 引言

人類歷史上規模最大、技術最復雜、耗資最多、研建時間最長、合作伙伴最多的大型空間建筑物——“國際空間站”,自1998年11月發射首個模塊——“功能貨艙”開始軌道建造以來,已經10年有余。若從1984年美國提出自由號空間站的龍骨架式方案算起,則已經過了四分之一個世紀。2009年5月,“國際空間站”開始常駐6 人,日本希望號實驗艙最后一個模塊露天平臺裝配完畢。至此,“國際空間站”的建造開始進入收尾階段。若無意外發生,其2010年竣工建成,全面投入應用已經在望。

“國際空間站”采取邊建造、邊應用的模式推進。十年艱辛,十年創新,無論在方案設計、設備制造、裝配集成、運行管理、物資補給及國際合作等方方面面都積累了豐富的經驗,也經歷了挫折,甚至付出生命的代價。“國際空間站”取得的經驗與教訓,不僅對其他國家或集團的空間站建設,而且對今后長期載人深空探測的發展具有重要的參考價值和借鑒意義。

總結“國際空間站”建造與應用的經驗和教訓,是一項內容豐富、意義重大、涉及面廣的研究任務,需要組織相關人員開展專題研究。本文僅就筆者力所能及,做一初步探討,分別從系統設備、居住環境、物資補給、作息制度、健康保障、人的作用、航天員出艙活動和國際合作8 個方面加以闡述。由于掌握的資料有限,論述不夠系統,分析也不夠深刻,但力圖科學、客觀地加以評述,涉及美、俄兩國成果的對比時,不受業內流行的褒俄貶美、“揚船抑機”觀點所左右。

2 系統與設備[1]

系統與設備是空間站的基礎,其設計水平決定了空間站的功能、性能、運行與壽命。“國際空間站”除歐洲航天局的“哥倫布”實驗艙、日本希望號實驗艙及加拿大提供的遙控機械臂外,基本上是由美國和俄羅斯兩家的艙段、系統和設備所組成。兩國的民族精神與文化傳統的差異決定了它們在空間站艙段、系統和設備的設計理念和運行原則的不同,但按不同設計理念研制的相同功能的系統與設備,更適合于互為備份,提高空間站運行的可靠性。

1)美、俄設備各有千秋

(1)美國系統與設備重創新

美國系統與設備的設計理念強調創新,追求先進。其艙段、系統和設備基本上不沿用成熟的技術和產品,大都是新研制的。

美國系統和設備的優點是:功能強、自動化程度高;遙測參數多,能使地面人員全面了解和掌握站上各系統、設備的工作狀況,甚至比站上航天員更了解空間站的運行狀況。因此,美國實驗艙的系統與設備工作狀態幾乎完全依靠地面控制人員通過遙測數據監控。在許多情況下,站上的系統與設備由地面控制人員發遙控指令直接控制或操作。

美國實驗艙廣泛使用電子計算機,幾乎每個系統、每臺設備都要求由計算機控制和操作,即使像開、關照明燈這樣易如反掌的操作,也要由計算機發出指令來執行。空間站上航天員的工作任務負擔較輕(與俄羅斯相比)。

其缺點是:過分依賴電腦,削弱了人腦的作用,不利于鍛煉和提高航天員獨立自主處理應急事件的能力。例如,2001年4月,第二批長期考察組在站期間,美國實驗艙的指揮和控制計算機突然發生故障,且無法與地面聯系,航天員束手無策。幸好,此時奮進號航天飛機對接在空間站上,通過奮進號上的通信設備與地面取得了聯系。最后,通過節點1號艙計算機中的“留守”程序,幫助實驗艙計算機恢復正常。

這個“留守”程序具有特殊功能,提供一條“后門”走道,檢查與調試實驗艙計算機,使其恢復對實驗艙的控制。

(2)俄羅斯系統與設備重繼承

俄羅斯系統與設備的設計理念是:低研制成本、短研制周期、不強調長壽命,但要求可維修。

系統與設備的優點是:簡單、經久耐用,機械性能好,便于維修,基本上是采用經過太空飛行驗證的成熟技術或產品。俄羅斯實驗艙所用系統和設備大都是和平號空間站系統和設備的復制品。

其缺點是:①監測系統與設備工作狀態的遙測參數太少,地面控制人員對空間站運行的狀況了解不夠全面,因此,要求站上航天員有較強的自主工作能力,能在不依賴地面的情況下,保證系統、設備正常工作;②系統與設備的工作壽命不長,需要定期檢查維修,更換老化或磨損部件,因而對補給物資的運輸量和運輸次數要求增加。

2)系統與設備應具有可維修性,航天員應掌握一定的維修技能

空間站上的系統與設備需要長期(10年或更長)運轉,在此期間發生故障不可避免,且發生頻率不會太低,不能一出毛病就更換備用件。“國際空間站”的實踐證明,增加設備的可維修性,培訓航天員掌握一定的維修技能是非常重要的。

以體育鍛煉設備為例:美制設備功能全、精度高、有隔震器,且有完善的監視系統與測量系統,能準確完整地記錄人體的代謝功能和鍛煉設備的工作性能等參數,供地面醫生和控制人員研究分析。但多功能、高精度的設備往往比較“嬌氣”,易發生故障,同時由于設備設計時一般考慮可在軌更換,而不考慮可在軌維修,一有故障就需要更換備用件或者等待地面送來可更換件。

俄制體育鍛煉設備則比較簡單、耐用、不易出故障,可維修性好,但監測人體生理參數和設備工作狀態的功能較少。設備在設計時就考慮可在軌維修,出了故障,俄航天員能在軌自行修復。

可更換與可維修的概念是不同的。在軌維修主要依靠人,依靠航天員的技能,而在軌更換則依賴物,依賴預存在空間站上或由運輸器運來可更換部件。后者往往需占用空間站上的有限空間。有些在軌備用件可能多年用不上。例如,美制的“軸承馬達與滾動環模塊”(Bearing Motor and Roll Ring M odule)可更換件,體積為0.5m3,2001年由航天飛機第7A 次飛行任務送去,準備用于替換易于發生卡住現象的太陽電池陣轉動機構。這個模塊只有在航天飛機支持下才能更換,后因哥倫比亞號失事,航天飛機停飛,該模塊一直沒用上,白白占據了寶貴的“空間”資源。

3)空間站應配備先進的控制與數管系統

“國際空間站”正在使用的控制與數管系統是一個名副其實的智能計算機系統。該計算機不僅體系結構具有“魯棒性”,而且有很強的自學習和軟件重構能力,能快速、高效地接受上傳的新軟件,修改原有軟件和重置軟件參數。

2000年夏,空間站機械臂連續發生一系列異常,如關節發澀、閘鎖松動、到位不準等。按照原定的故障對策預案是制造、發射備份機械臂,在下次航天飛機執行安裝“聯合氣閘艙”任務時送去,進行更換。這個方案不僅會使下次航天飛機發射時間大大推遲,而且要求航天員出艙執行在軌更換任務。后經地面工程技術人員研究,認為可通過修補控制與數管系統計算機的軟件,排除機械臂的異常。最后軟件修補成功,機械臂恢復正常。開發修補軟件只使航天飛機發射時間推遲了幾星期,而且節省了制造備份機械臂的時間和成本。

這個例子充分表明,先進的控制與數管系統的重要性。

4)系統與設備方面的兩點經驗

(1)系統與設備的設計必須考慮可調整性

空間站的系統與設備在設計時,對其實際工作環境條件的了解及在地面對環境條件的模擬,總不可能完全真實,只有當系統、設備到了空間站上投入運行后,才能真正了解到。有時,系統、設備不得不按照真實的環境條件修正某些功能、性能參數。因此,系統與設備在設計時就應考慮留有可做局部修改的余地,使他們具備接受在軌(原位)診斷維修、操作約束、軟件修補等功能。

例如,“國際空間站”外部展開結構(如太陽電池陣)生成陰影的幾何學很復雜,飛行中姿態的調整與設計時的預計狀態也可能不同,從而使空間站結構的熱環境很難準確估算,需要在實際運行中調整熱控措施。同時,在運行過程中,應盡可能多采集系統、設備的工作性能數據。

(2)系統與設備必須開展優化設計

設計過程中應對系統與設備在復雜性、自動化、可靠性、可維修性和可更換性等多因素進行綜合權衡,開展優化設計;在綜合權衡過程中還應考慮人員培訓、航天員人時(工作量)、物資儲存要求、后勤保障、成本、進度等因素。“國際空間站”的實踐再次證明,通用化、模塊化是系統與設備設計的最佳選擇。

3 居住環境[2-3]

根據航天員反映,“國際空間站”總的說來,具有良好的適居性,但仍有有待改進之處。

1)應為航天員提供個人私密空間

空間站適居性不僅指提供舒適的生活工作環境,還應更加人性化,為航天員提供個人私密環境。凡是上過空間站的航天員,一致認為私密空間是不可或缺的。

“國際空間站”為每位航天員設置有臥室。這不過是一個有門、照明燈和空調的狹小房間,可作為唯一的私密空間。建站初期,只在服務艙內設有2 間臥室。第一批長期考察組3 名航天員到來后,只好在功能貨艙的走廊上掛了一個睡袋,權當臥室。第二批長期考察組進駐后,感到躺在睡袋里既不舒服、也沒有私密空間,就地取材在美國實驗艙的貨架上搭建了一個臨時臥室。直到第三批長期考察組到達,帶來并安裝了第三間臥室,才保證每個航天員有自己的私密空間。

2)要進一步改善站內設施的布局

迄今為止,所有長期考察組的航天員對“國際空間站”內部總體布局和設備配置的評價是:簡單實用,基本合理;如果能在生活區和工作區之間有個隔斷,則可保證休息時不受工作區的干擾,在精神上徹底放松。此外,建站初期,到空間站作短期訪問的俄羅斯航天員反映,生活還不太方便,服務艙內的備餐區和餐桌離廁所太近。

3)必須擴大存放物資的儲藏室

建站開始不久就發現儲藏室太小。美國實驗艙和俄羅斯實驗艙都存在這個問題。其他諸艙段也都堆滿各種物資。空間站各艙段的上、下、左、右每個面幾乎都被分隔成多層貨架存放物品,以緩解儲藏室的不足。如此高密集度的存放模式,不僅擠壓了航天員的活動空間,而且帶來安全隱患和使用不便的問題。

例如,第七批長期考察組在一次消防演習中發現,從貨架上取下便攜式滅火器所花費的時間大大超過演習方案所規定的時間。后來地面控制人員通過航天員所提供的空間站艙內數字圖像的檢查,發現一些重要的防火栓被層層貨物遮擋住,于是命令航天員將這些重要防火栓出口處的障礙貨物搬走。

航天員為了取用所需的物品,必須搬走擋住它的其他物品,增加額外的挪動時間。例如,專為航天飛機對接用的充壓對接艙也堆滿了物資,在航天飛機對接前必須先把堆積物挪走。俄羅斯和美國的氣閘艙中也都塞進了物資箱包,航天員執行出艙活動前,得先搬走這些障礙物,影響航天員出艙活動的效率。

在航天飛機停飛期間,物資存放的問題尤為嚴重,因為一些必須靠航天飛機運回地面的大件物品,在站上越積越多。

4)應建立快速物資查詢系統

在長期航天飛行任務中,對運行環境應實施創新性管理,以便航天員能方便、清楚地了解3W:站上存有哪些物品(W hat), 存放在什么地方(Where),這些物品按計劃在什么時候用(When)。在空間站上生活過的航天員普遍認為,空間站上引進一種類似于超市管理常用的商品數據庫及計算機查詢系統是非常必要的。“國際空間站”現有一種根據條形碼建立的電腦存貨查詢系統,使用操作尚不夠便捷。該系統的體系結構需要改進,操作程序要簡化,維護工作要減少。

5)要確保對艙內噪聲抑制達標

“國際空間站”實驗艙內的氣壓、溫度、濕度、大氣成分、防輻射、減震等環境條件,都基本上達到環控與生保系統的設計指標,符合適居性要求,只是艙內的噪聲過大,比設計值高出很多。“國際空間站”上的系統和設備產生的噪聲并不都符合設計指標。航天員隨身攜帶的聲強計測量結果表明,艙內噪聲24 小時的平均值為72dB,遠超出規定的55～69dB,以致航天員無論是工作時還是睡眠時都不得不戴上聽力保護器。空間站上準備了多種耳塞和消音頭盔供使用。由于噪聲超標,有幾位長期考察組航天員在飛行任務結束后,聽力受到了永久性損害。這一點必須引以為訓。

4 物資補給[4]

物資補給是保證空間站長期、持續運行的最重要的條件之一。

1)要精打細算,保證常規物資補給

在哥倫比亞號航天飛機的事故之前,美國和俄羅斯實驗艙的物資補給任務分別由航天飛機和進步號貨運飛船承擔。這樣的分工負責,提供了一條穩定有序的補給線,基本滿足雙方實驗艙和航天員的需求,對站上的儲藏室也未造成太大壓力。

俄羅斯的系統與設備是按照可在軌維修設計的,需要進步號貨運飛船經常送去必需的零部件。美國的系統與設備是按照可更換設計的,其重要設備的備用件大都隨主設備同時運來,其他設備的備用件則按需運送。由于運輸成本很高,進步號貨船每次運送不超過2.5t,且空間站的儲藏室很小,所以對物資的消耗要精打細算,盡可能減少運輸量,降低補給成本,非急用的備件不要預先送來。

2)通過節衣縮食,順利渡過難關

哥倫比亞號事故后航天飛機停飛,美、俄兩國實驗艙的物資補給完全依賴為數不多、運輸能力不大的幾艘進步號貨船。空間站消耗品需求不得不加以壓縮。經過精確評估,站上航天員和設備所需的空氣、水、食物和推進劑等必需品的消耗量,在保證安全健康的前提下,采取了以下削減措施:

(1)航天員衣服減少了85%,即在軌6 個月期間, 每人的服裝由原來的約 0.34m3減為約0.06m3;

(2)食物減少了25%;

(3)毛巾、衣服等軟性物品改用簡化包裝;

(4)用數碼相機代替膠片相機,用電子文件代替紙質文件;

(5)每人每天的用水量從3L 減為2L ,同時充分擠干濕衣服和濕毛巾中的水分,增加回收的水量;

(6)調整空間站姿態,保持低阻力太陽定向方式飛行,以節約提升軌道所需的推進劑。

通過以上節衣縮食的手段,在航天飛機停飛的2年半時間里,僅依靠進步號貨船,保證了2 名航天員常駐期間的物資補給及空間站的持續建造和運行。

3)需要進一步研究的物資補給問題

空間站再生與自主功能強,則要求運輸補給量小;反之,若空間站再生與自主能力弱,則需補給量大、次數多,因此,需要在空間站再生自主功能與運輸補給量之間權衡。根據“國際空間站”的經驗,以下物資補給問題需要進一步比較研究:

(1)航天員衣服、毛巾等物品是完全由地面供應更換,還是在空間站設置洗衣房,洗滌后重復使用?

(2)航天員食物是完全由地面生產供應,還是應在站上適當種植生產一些蔬果作為補充?

(3)空間站產生的廢物是全部扔入垃圾箱,還是應逐步建立再生利用機制?

(4)飲水完全靠地面供應,還是建立水再生系統循環使用?(2009年5月,“國際空間站”上的水再生系統已投入使用,航天員已正式飲用尿液回收后生成的凈化水。)

(5)運輸物資的包裝是采用防護能力強、產生廢物多的硬包裝,還是采用防護能力弱、產生廢物少的軟包裝?

(6)飲食是供應食用方便的“盒飯式”快餐,還是按不同品種的食物分別包裝、運輸、儲存,供應“自助式”餐飲?

5 作息制度[5]

1)任務安排要有一定的靈活性

空間站常年累月運行,不可能像短期運行的載人飛船或航天飛機那樣,逐日制定非常嚴格的“任務時間表”(或“工作時間表”)。載人飛船與航天飛機執行任務一般不超過2 個星期,每一天的工作時間表都可以經過精心策劃和優化設計,保證航天員高效率完成任務后,不至于感到太疲勞。

“國際空間站”的長期考察組需要在太空生活工作達半年之久,期間不確定因素很多,難以將180 天的工作任務都逐日逐項規劃好。每天的工作安排要考慮有一定的機動靈活性。除規定要完成的站務管理和科學研究任務外,要保證體育鍛煉、個人衛生及個人自由活動的時間。工作時間表中還要明確執行任務的要求和保障條件。例如,執行任務時,必須在地面監控下進行。

由于美、俄兩國文化背景與社會傳統不同,美國實驗艙航天員的任務時間表靈活性較大;俄羅斯航天員工作時間表安排得較緊湊,執行任務的自由度較小,航天員必須嚴格照時間表按部就班地完成規定的操作。

2)工作安排要注意勞逸結合

盡管工作時間表規定了每個航天員應完成的站務管理和科學研究工作量,但實際上航天員經常是超負荷工作,完成大量工作時間表以外的任務。這對航天員身體健康和空間站運行安全都是不利的。

在空間站狹小的空間里,航天員沒有寬敞的活動余地。實踐表明,讓航天員在完成時間表規定的任務外有一定的個人自由活動時間,讓他們能自行選擇有趣的或輕松的活動,大有好處。正如人們下班后或周末從事整理庭院、裝修房間、讀書看報、下棋打牌等業余愛好,達到調節身心、消除疲勞的目的。對于執行長期航天飛行任務的航天員,同樣需要安排類似的有趣的休閑性活動,如閱讀圖書,看畫冊,聽音樂,看電影,做游戲,搞競賽等活動,做到勞逸結合。

3)要賦予航天員與地面聯系的自主性

航天員的工作時間表嚴格規定了航天員與地面通信的次數和通信時間,以及向地面報告任務完成情況的方式。一般情況下,每個工作日開始和結束時,航天員與地面控制人員開一次“碰頭會”。此外,除非十分必要,地面控制人員不得隨便與站上航天員通信,以免干擾航天員的活動。

“國際空間站”的工作進度是由計算機管理的。航天員完成某項任務后,可通過計算機向地面控制人員發簡報,報告內容主要是任務完成的結果和實際所花的時間。簡報儲存在計算機里,美國實驗艙在通過中繼衛星隨時自動下傳給地面;俄羅斯實驗艙則當空間站進入地面站通信范圍天地之間聯系接通時,簡報自動下傳給地面,地面人員能及早將任務完成的結果和時間與預期成果和時間作對比。

這種自動報告的辦法一方面可以在不打擾站上航天員的情況下,地面人員全天時跟蹤了解空間站任務執行情況;另一方面,航天員的日常工作更加“地面化”,在完成規定工作任務的同時有較大的自主性和靈活性。

4)要協調好不同時區地面控制中心之間的工作時段

“國際空間站”美、俄兩國實驗艙航天員的作息時間統一按莫斯科標準時間安排。這主要為了照顧俄羅斯地面控制中心人員的上班時間。俄羅斯地面工作人員大都乘地鐵等公共交通工具上下班,而公交并不是一天24h 都運營。為了與俄羅斯地面人員上班時間保持一致,空間站每天的工作時間是從莫斯科時間早上9 時開始。而位于美國得克薩斯州休斯敦的NASA 約翰遜航天中心則是當地時間凌晨2 ∶00。這就苦了約翰遜航天中心的工作人員,不得不半夜上班、白天睡覺,打亂了生物鐘,很容易疲勞。

由于美、俄兩國的主要載人航天飛行任務控制中心位于不同時區,雙方的飛控人員、技術人員和管理人員之間的協調變得很不方便。為了在一天中雙方都合適的時間里“碰頭”溝通,往往需要反復多次協調才能定下來。

5)要盡量減少夜間加班,調整睡眠時間的頻度

為保證航天員的休息和身體健康,地面工作人員在安排造訪的飛船、航天飛機與空間站進行交會對接、解鎖分離及航天員出艙等重大任務時,盡量不在航天員睡眠時間段執行,避免打亂正常的生活規律。

但是,“夜半鐘聲到客船”的情況仍時有出現。主要是俄羅斯的聯盟號載人飛船和進步號貨運飛船的對接、分離,經常要求航天員調整睡眠時間。俄羅斯航天員的出艙活動也往往安排在本來用于睡眠的時段內實施。夜間加班主要是為了保證活動期間俄羅斯地面站人員能接收到遙測數據。俄羅斯由于缺少可供使用的全球覆蓋的通信衛星和數據中繼衛星網,完全依賴它分布在亞洲大陸的地面站接收數據。美國則依靠完善的跟蹤與數據中繼衛星系統,其地面控制中心可隨時自動地通過中繼衛星與空間站保持通信聯系,而不一定要求在夜間加班。

關于睡眠時間調整的原則,美國醫生與俄國醫生的觀點不同。美國醫生認為睡眠時間調整應逐漸進行,以保證人的最困乏點在活動時間之外;而俄國醫生主張實施“快速調整”。第二批長期考察組在站期間,曾經在15 天內進行了4 次睡眠調整。航天員報告稱,這樣頻繁調整使他們睡不好覺,疲憊不堪;他們不得不警告說,這種做法會對安全運行構成嚴重威脅。后經雙方協商,取得一致意見,認為對交會對接、解鎖分離和航天員出艙等重大活動需要制定特殊的睡眠調整機制,使執行活動時,航天員不處于最困乏點上,既保證完成活動任務,也有利于保證航天員的身體健康。

6 健康保障[6]

對于進行長期航天飛行的航天員,心理健康保障與生理健康保障具有同樣的重要性。航天員們報告稱,心理健康保障對他們保持清醒的頭腦、頑強的意志和飽滿的精神是不可或缺的。

1)應重視與加強心理健康保障

要讓航天員在空間站上充滿信心、聚精會神地執行飛行任務,而不是人在天宮,心系家人,勉為其難地熬過漫長的太空歲月。

“國際空間站”的實踐表明,以下措施對于消除航天員的后顧之憂,保障心理健康是很有效的。

(1)與家人親友通話或視頻“見面”

最有效的心理健康保障措施莫過于通過無線電音頻或視頻與家人通話或“見面”,接受家屬和親友的關心和問候,從中得到安慰和鼓勵,消除后顧之憂。建站初期,航天員每星期只能與家人、親友進行15 分鐘的音頻通話或可視電話“見面”交談。后來,空間站上增加了無線通信信道,航天員可以隨時與地面站聯系,延長了通信時間。從第二批長期考察組開始,航天員可以使用配有天地之間通信功能的個人筆記本電腦,只要在地面站通信覆蓋范圍內、且任務時間安排允許的情況下,就可以用筆記本電腦與全球的親友進行通信聯系。此后,航天員每天都可同親朋好友通話或“見面”。

(2)送慰問包

在“國際空間站”建造期間,凡從地面來的航天飛機、載人或貨運飛船都要給航天員帶來慰問包。慰問包中的物品大都是家人、親友的饋贈品,諸如信件、賀卡、照片、紀念品、小禮物、兒童玩具、錄音帶、錄像帶、電視片以及巧克力、干果等零食。長期考察組執行任務期間,有時不可能有多次短期巡訪組到來,但凡來必帶慰問包,已成為慣例。

(3)改進用餐方式,享受進餐的樂趣

飲食不僅為航天員提供熱量和營養需求,保障生理健康,而且具有明顯的心理健康保障作用。對航天員來說,飲食是一種樂趣,是一種享受,也是一種消閑方式。增加食物品種,改善供應模式和用餐方式,不僅有利于恢復體力、消除疲勞,而且有利于提高就餐時的樂趣,化解工作帶來的緊張情緒,保持輕松愉快的精神狀態。

2)要增加食物品種,改進供應方式

(1)食物品種要照顧不同國家航天員的文化與習慣

飲食是一種文化。不同國家、不同民族的航天員對飲食的習慣愛好迥異。正如人們長期在國外工作,對飲食不習慣,喜歡吃家鄉飯、家鄉菜一樣,長期生活在空間站上的航天員也有這樣的要求。

單調、重復的飲食容易引起厭煩,造成食欲不振。所以空間站的食物應多樣化,延長菜單食譜的重復周期。對不同國籍、不同民族的航天員應盡可能提供與其民族文化、生活習慣相適應的飲食。

“國際空間站”經常性的食物補給大都由俄羅斯進步號飛船送來,其中俄羅斯風味的食物居多,美國航天員不得不向地面反映,要求多送些合乎美國人口味的食品。

(2)食物的供應由“盒飯”式改為“自助”式

“國際空間站”初期,所有的食物都是按“盒飯”供應,主副食按固定的搭配放在一起包裝好,按一天的用量儲存在專用食物柜內,由航天員取用。但是,這種主副食固定搭配好的“盒飯”,吃多了便容易產生厭煩,食欲減退。后來,根據航天員的建議,采用“自助”方式:即將不同的主食、不同的副食(菜肴)、不同的飲料分別存放。由航天員根據自己的愛好,各取所需,自行選取,自由享用。除標準菜單的食品外,空間站上還準備了小菜、風味食品等特殊食物,以調劑口味,滿足航天員的不同需求。

3)要開展航天員醫學撤離的風險評估

為了保證航天員身體健康及處理應急撤離返回地面的事件,每批長期考察組中至少應有一名航天員經過專門的醫學培訓,掌握應急醫學治療技術,以便在一旦出現病情嚴重的航天員必須應急撤離時,能對傷病員實施臨時應急處理,為返回地面做好準備。

用于應急撤走航天員的飛行器,無論是載人飛船還是航天飛機都要求攜帶應急醫療設備和醫務人員,能在24h 內將傷病員撤離空間站。

不過,迄今為止,“國際空間站”航天員只出現過一些輕微或輕度挫傷和劃傷的情況,尚未出現過一例必須撤離的嚴重傷病航天員。

“醫學撤離”是指出現傷病嚴重的航天員,在空間站無法醫治又不能延誤,而必須立即返回地面的事件。美、俄兩國都對“國際空間站”執行任務時可能發生的“醫學撤離”事件的風險概率進行了分析,其結論為:

(1)“國際空間站”航天員每年可能要求醫學撤離的概率為6%;

(2)“國際空間站”航天員每年可能要求緊急的(航天員失去知覺)醫學撤離的概率為1%;

(3)“國際空間站”有3 名航天員時,每5～6年可能發生一次醫學撤離;有7 名航天員時,每2～4年可能發生一次。

7 人的作用[7]

1)要重視與發揮人在空間站的作用

“國際空間站”等長期太空運行的航天器,各種意外事件或故障的發生不可避免,不可能都在“故障對策預案”中考慮周全。“國際空間站”實踐證明,人是空間站中應對突發事件、排除故障能力最強的“機器”。地面控制人員和技術人員的智慧與站上航天員的能力相結合,克服困難和排除故障的能力遠遠超出“故障對策預案”中對人的能力的估計。例如:空間站上的兩套有故障的美國艙外航天服(EM U)就是站上航天員在地面技術人員的指導下,發揮聰明才智,硬是在太空中把它們修復的。

航天員還修復了計算機、體育設備及其他裝置所出現的意外故障。“國際空間站”的建造與應用再次證明,航天員不僅善于按照“故障對策預案”設計好的程序排除故障,而且必要時能發揮創造力,妥善處理系統和設備的意外故障及自然事件,充分發揮人的靈活機智和主觀能動作用。

2)要給航天員執行任務以一定的自主性和靈活性

空間站航天員每天的任務時間安排,不僅應使每位航天員清楚了解一天內要做哪些工作,什么時候做,做多長時間,而且應明確規定有多少個人自由支配的時間,以便航天員可根據自己的情況提前做好準備。時間安排應有一定的靈活性,允許航天員適當調整執行任務的次序,例如,將串行安排的任務,并行完成,從而可以提高儀器設備的利用率和工作效率。

例如,第二批長期考察組在完成工作時間表規定的333h 站務管理及70 多小時科學研究任務外,還利用個人自由支配時間完成了80h 的計劃外的對地觀測,拍攝了陸地和海洋的圖片,為地球科學研究提供科學數據。

第九批長期考察組在完成工作時間表規定的250 多小時站務管理和200 多小時科學研究任務外,還開展了一項“周六早晨科學”研究,進行了零重力科學原理實驗,為以后的教學提供資料。

3)要加強航天員的互容性與互補性培訓

(1)航天員的互容性

互容性是指航天員與其他航天員之間和諧相處、協調共事的能力,是選拔與培訓執行長期航天任務航天員的主要條件與內容之一。

為了確保長期航天任務順利執行,必須保證航天員之間不產生嚴重的不協調、不配合的問題。航天飛行時間越長,這個問題就越重要。要建立和健全關于航天員個人及航天員團隊特性的評價準則。影響航天員互容性的因素有:性別、個人性格、民族傳統、文化背景、生活習慣等。NASA 和俄羅斯聯邦航天局分別開展了航天員互容性多因素綜合評價的研究,為培訓、選拔空間站航天員提供了有效的方法與準則。

迄今為止,“國際空間站”上各批次長期考察組航天員之間都表現出高度的相容性,配合協作良好。這正是由于:一方面航天員都是經過嚴格的互容性培訓;另一方面考察組成員的組成也經過精心挑選,考慮了不同航天員之間的互容性。

(2)航天員之間的互補性

長期共處的航天員除了要求有互容性之外,還需要在技能上互補互助。每個航天員都必須掌握幾項有用的技能,使長期考察組的航天員之間在技能上互補,支持在太空生活工作, 更好地完成航天任務。這些技能應包括:計算機使用與維修、機械維修、電子電氣裝調、科學分析、醫學診斷與治療、遙控機械臂的操作及出艙活動等技術。

空間站以及未來載人深空探測中,航天器及航天系統將更加復雜,任務更加繁重,甚至得不到地面支持。航天員要盡可能多掌握一些知識和技能。為此,對今后航天員的培訓提出了更高要求。一般說來,空間站常駐航天員至少應在地面經過2年時間的專門培訓。

8 出艙活動[8]

1)出艙活動的次數與時間將與日俱增

2010年前,“國際空間站”的出艙活動主要是執行空間組裝。與歷史上任何一項載人航天任務相比,“國際空間站”的出艙活動的時間長得多,任務也復雜得多。

在建造“國際空間站”之前,美國航天飛機共完成出艙活動74 次,總時間達472h;俄羅斯和平號空間站共出艙75 次,總時間約362h。

據粗略統計,截至2008年底,“國際空間站”的出艙活動累計已有60 多次(其中從對接的航天飛機出艙約30 次,從空間站氣閘艙出艙30 多次),總出艙活動時間已超過400h。

空間站的建造與應用還在繼續之中。建成后全面投入應用,出艙活動將以維修、更換任務為主,出艙活動的總人數和總時間還將繼續增加。

2)艙外航天服雙軌制的弊大于利

“國際空間站”上備有美制和俄制2 種不同的艙外航天服,供航天員穿著,可以通過三個不同的氣閘艙走出空間站。

第二批長期考察組航天員首次執行從空間站艙段(區別于從對接的航天飛機出艙)出艙活動。航天員穿著俄制“奧蘭”(O rlan)航天服,由俄羅斯的Pirs對接與氣閘艙出艙。

美國航天員是在第7A 次航天飛機亞特蘭蒂斯號對接后, 首次穿著美制艙外航天服由“探索”(Quest)聯合氣閘艙出艙,完成出艙活動任務。

“國際空間站”上備有兩種制式艙外航天服,其優點可以互為備份,為成功執行多次艙外活動提供了新保證。

特別是在哥倫比亞號失事,航天飛機停飛期間,美國在軌的兩套艙外航天服因存在技術故障,不能使用,而新的艙外航天服又無法用俄羅斯進步號運貨飛船運來。此時,美國實驗艙的一個為控制力矩陀螺供電的外部遠程電力控制裝置發生故障。第九批長期考察組的美國航天員穿著俄制“奧蘭”航天服出艙,完成更換這個遠程電力控制裝置的任務。

同時配備兩類艙外航天服的缺點也是明顯的:(1)空間站需要留出存放兩類航天服及其配套設備的位置;(2)兩類航天服的發射、運送和在站維護,使后勤保障工作量成倍增加;(3)不同航天服的穿用需要各自專用的氣閘艙設施;(4)航天員要學習和掌握穿著和使用兩類航天服的技能,增加培訓工作量。

3)航天員培訓應從“面向任務”向“面向技能”轉變

美國航天員出艙活動的培訓采取“面向任務”的模式,即根據航天員出艙活動執行的具體任務,有針對性地進行操作訓練及與合作航天員之間的配合訓練。訓練項目具體、詳細。其好處是,每個航天員都十分清楚了解自己該做的每一步動作、每一個操作及與合作航天員之間的配合。但這種訓練模式不能滿足空間站艙外活動的要求。

空間站的航天員,特別是常駐考察組成員不僅要執行計劃內的任務,而且往往要執行計劃外的、甚至應急的出艙活動任務。航天員必須能適應在不同環境條件下完成不同任務。對航天員的培訓模式也須作相應改變。

“面向技能”的訓練模式就是為了使航天員能適應空間站內可能出現的多種出艙活動任務要求,而進行的通用性技能培訓。如果航天員負有完成某項特定的復雜任務,則需另加專門的業務訓練。這種以掌握通用的、全面的技能為目標的訓練,有利于培養航天員成為“通才”,能應對空間站可能出現的各種應急情況,獨立自主地執行檢測、維修、更換等艙外活動。

這一訓練模式的效果,已在“國際空間站”航天員成功地完成數十次艙外活動任務中得到證明,也是今后從事長期載人飛行航天員的標準培訓模式。

9 國際合作[9-10]

1)國際合作為“國際空間站”建造立下不朽功勛

“國際空間站”從設計、建造、管理、運行到后勤保障,無不采取國際合作的方式。國際合作顯示出無比的優越性和強大的生命力,表現在以下方面:

(1)國際合作保證了“國際空間站”的持續建造與應用,避免半途而廢

哥倫比亞號失事航天飛機停飛后,幸而由于有合作伙伴俄羅斯的載人飛船和貨運飛船,才保證了“國際空間站”建造和應用能持續進行;正是由于有合作伙伴美國航天飛機復飛成功,保證了后續的歐洲航天局“哥倫布”實驗艙、日本希望號實驗艙等大型構件的發射、裝配,否則投入數百億美元的大型空間建筑物將淪為航天“爛尾工程”。

(2)國際合作提供了更多資源和更強的能力

美、俄、日、歐等不同合作伙伴的空間站設計、制造、組裝的不同實驗艙段,提供的多種運輸器以及各種設施與設備,為空間站提供了前所未有的豐富資源和強大的活動能力。

(3)國際合作提供了備份手段,提高了空間站運行可靠性

如本文第一章所述,不同合作伙伴(如美國、俄羅斯)按不同的設計理念完成的實驗艙、系統或設備,在功能上可以互相補充,在可靠性方面互為備份。特別是,由于設計理念不同,同樣功能的設備一般不會產生相同機理的異常或故障,因此與設計理念相同的產品的備份相比,可靠性高得多。

2)國際合作存在的不足與問題

“國際空間站”合作伙伴來自6 方16 國,其中以美、俄兩國為主導。由于不同國家對建造空間站的目的、要求、指導原則以及社會、文化背景等不同,不僅表現在系統與設備設計理念不同,而且在運行、管理、安全、語言表達以及航天員培訓等方面都有差別。由于這些差別影響到不同國家的航天員、地面控制人員、工程技術人員及管理人員之間的溝通、交流與合作,有些差異甚至會引發誤會,影響工作。這些不足表現在:

(1)雙語工作方式增加培訓難度

英語是“國際空間站”項目規定的正式工作語言。后由于俄羅斯的加盟,實際使用的是英、俄語兩種語言。為此,航天員必須同時熟練掌握英、俄語兩種語言,以保證在“國際空間站”上工作期間能用任一種語言編寫工作程序,與不同國家、地區的地面控制中心通話。

于是,航天員培訓也要使用雙語。航天員培訓期間不僅要學習掌握有關空間站、航天飛機的專業技術知識、操作技能外,還要學習掌握另一種語言及了解對方的航天現狀及文化背景。

(2)溝通配合不夠密切

配合不密切主要表現在合作一方(一般指美國或俄羅斯)的控制中心批準和執行某項行動時,另一方不知情,或者未參與。盡管這種“單邊”行動并不會對航天員和空間站運行帶來危害,但是畢竟有違“國際空間站”項目已建立的安全準則或安全規范。例如,第九批長期考察組航天員執行出艙活動,在按照規定程序完成任務準備返回空間站時,俄方地面控制中心指示俄航天員將剩余的部件拋棄在太空中,不要帶回空間站,而NASA 控制中心則不同意這一做法,認為這會產生有害的空間碎片。這是由于雙方對出艙活動剩余部件的處理事先沒有協調一致,而造成分歧。

溝通不及時的另一個例子發生在第七批長期考察組,俄羅斯控制中心指示航天員給聯盟號飛船的蜂窩電話蓄電池充電,這時NASA 還在研究如何解決充電過程中可能產生的安全問題,而沒有批準充電。

(3)對搭載乘客作太空旅游意見分歧

“國際空間站”建造期間美俄兩國合作伙伴的最大意見分歧可能就是俄聯盟號飛船搭乘旅客到空間站觀光、旅游。這實際上是有關“國際空間站”運行管理方面的原則分歧,但最后不了了之。聯盟號搭乘旅客上空間站已經進行了7 次,今后還將繼續。

盡管存在不同層次的意見分歧,但通過協商基本上都能解決。總的說來,合作情況是正常的,氣氛是和諧的,成果是顯著的。

3)國際合作的組織經驗——建立多邊決策與控制委員會

無論在過去的方案階段、目前邊建設邊應用階段,還是將來的全面應用階段,國際合作伙伴之間建立協商、調整與集成機制是極為重要的,是空間站長期、持續、安全運行的重要保證。合作各方每天要進行討論、協調,必要時調整工作計劃。為此,建立了“國際空間站”多邊決策與控制委員會,定期召開會議。委員會下設若干工作組,例如“國際空間站”任務管理工作組,每星期召開2 次所有合作國均參加的多邊遠程電話會議。平時,根據情況召開雙邊(主要是美、俄雙方)電話會議。多邊任務集成與運行控制工作組每月開一次會討論有關要求、運行、程序和發布消息等問題。

4)對未來國際合作的建議

NASA 約翰遜航天中心的專家,根據“國際空間站”開工建設與應用以來國際合作的經驗與教訓,就未來長期載人航天國際合作機制提出以下8 點建議:

(1)要建立單一的、由具有權威的高級合作伙伴組成的管理機構,做出有約束力的、所有合作伙伴均應尊重和遵守的決定;

(2)要指定單一的合作伙伴執行領導集成者的功能,該領導集成者對空間站應全面、充分了解所有系統和設備的技術和運行;

(3)要建立單一的領導運行中心,負責在發生分歧時,協調、確定行動的目標與路線;

(4)要建立單一的運行中心,管理整個空間站的日常事務和運行,并消除不同國家航天員之間及不同國家艙段之間的隔閡與界限;

(5)要建立單一的運行集成領導小組,保證空間站在平衡的、可用資源的框架內運行,應考慮所有合作伙伴的優先級、目的、要求,以保證利益均等;

(6)制定單一的任務和要求指南;

(7)制定單一的對整個空間站普遍適用的設備認證標準,避免不同艙段各自為政;

(8)制定單一的有關航天員、航天器和任務等安全的協議。

10 結束語[11]

本文就系統與設備、居住環境、物資補給、作息制度、健康保障、人的作用、出艙活動及國際合作等方面,總結了“國際空間站”建造與應用10年來的若干經驗與教訓,對后來的空間站建設應用、運行管理以及未來長期載人深空探測有一定的參考價值和借鑒意義。

“國際空間站”還在繼續建造。2010年建成后,將繼續運行應用6～10年(美國實驗艙原計劃運行到2016年,現有延長到2020年的建議;俄羅斯和歐洲航天局計劃延長到2020年),在應用與運行管理方面還會提供更多的經驗與教訓。屆時,“國際空間站”的主要合作者將會發表有關論文或報告,披露對空間站建造與應用的回顧,對成就與效果進行全面評估,可以期望從中獲得更多可供借鑒的經驗與教訓。

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