2020中國將迎航天大年!

發(fā)布時(shí)間:2019-12-24 14:05:21  |  來源:中國青年報(bào)  

“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(hào)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(dòng)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(duì)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(huì),每次都會(huì)釋放重磅信號(hào),以及讓人回味的消息。

人們對(duì)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(huì)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(huì)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(hào)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(huì)在人的保障方面上一個(gè)臺(tái)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(huì)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(jí)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(duì)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(hào)到嫦娥四號(hào)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(duì)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(duì)科學(xué)推動(dòng)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(huì)。

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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)人心。

周建平用空間站來舉例,蘇聯(lián)的和平號(hào)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(hào)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(duì)它進(jìn)行補(bǔ)給,航天員對(duì)它進(jìn)行維修,或者需要進(jìn)行設(shè)備升級(jí)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(huì)變成懸浮在軌道上的太空垃圾。但將來飛船里會(huì)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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)的中國巾幗英雄王亞平身上。

在神舟十號(hào)飛天的時(shí)候,她作為太空教師,在天宮一號(hào)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(huì)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(duì)未知之地

人因測評(píng)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(duì)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(hào)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(duì),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(dòng)機(jī)專家說,波音737MAX在更換發(fā)動(dòng)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(píng),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(duì)人機(jī)功能分配的深度思考,不重視人因測評(píng)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(hào)”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(huì)的人因?qū)<液粲?,?duì)這些低級(jí)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(jí)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(huì)打上人的烙印。必須要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的人因測評(píng),不通過這種測評(píng)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??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(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(huì)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)?huì)變成什么樣,會(huì)不會(huì)真像陳善廣說的那樣也有車來人往?

他認(rèn)為,我們未來的月球城市會(huì)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(hào)僅飛行了55小時(shí)46分鐘,氧氣罐攪動(dòng)就導(dǎo)致了飛船服務(wù)艙的嚴(yán)重爆炸。飛船開始失去動(dòng)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(hào)這次經(jīng)歷的啟發(fā),未來我們的登月艙會(huì)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?”陳善廣把目光投向了未來。

也許在若干年后回望,2020年對(duì)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。

(中國青年報(bào)·中國青年網(wǎng)記者 堵力)

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