“国际空间站”建造十年经验初探

朱毅麟

(中国空间技术研究院,北京 100094)

1 引言

人类历史上规模最大、技术最复杂、耗资最多、研建时间最长、合作伙伴最多的大型空间建筑物——“国际空间站”,自1998年11月发射首个模块——“功能货舱”开始轨道建造以来,已经10年有余。若从1984年美国提出自由号空间站的龙骨架式方案算起,则已经过了四分之一个世纪。2009年5月,“国际空间站”开始常驻6 人,日本希望号实验舱最后一个模块露天平台装配完毕。至此,“国际空间站”的建造开始进入收尾阶段。若无意外发生,其2010年竣工建成,全面投入应用已经在望。

“国际空间站”采取边建造、边应用的模式推进。十年艰辛,十年创新,无论在方案设计、设备制造、装配集成、运行管理、物资补给及国际合作等方方面面都积累了丰富的经验,也经历了挫折,甚至付出生命的代价。“国际空间站”取得的经验与教训,不仅对其他国家或集团的空间站建设,而且对今后长期载人深空探测的发展具有重要的参考价值和借鉴意义。

总结“国际空间站”建造与应用的经验和教训,是一项内容丰富、意义重大、涉及面广的研究任务,需要组织相关人员开展专题研究。本文仅就笔者力所能及,做一初步探讨,分别从系统设备、居住环境、物资补给、作息制度、健康保障、人的作用、航天员出舱活动和国际合作8 个方面加以阐述。由于掌握的资料有限,论述不够系统,分析也不够深刻,但力图科学、客观地加以评述,涉及美、俄两国成果的对比时,不受业内流行的褒俄贬美、“扬船抑机”观点所左右。

2 系统与设备[1]

系统与设备是空间站的基础,其设计水平决定了空间站的功能、性能、运行与寿命。“国际空间站”除欧洲航天局的“哥伦布”实验舱、日本希望号实验舱及加拿大提供的遥控机械臂外,基本上是由美国和俄罗斯两家的舱段、系统和设备所组成。两国的民族精神与文化传统的差异决定了它们在空间站舱段、系统和设备的设计理念和运行原则的不同,但按不同设计理念研制的相同功能的系统与设备,更适合于互为备份,提高空间站运行的可靠性。

1)美、俄设备各有千秋

(1)美国系统与设备重创新

美国系统与设备的设计理念强调创新,追求先进。其舱段、系统和设备基本上不沿用成熟的技术和产品,大都是新研制的。

美国系统和设备的优点是:功能强、自动化程度高;遥测参数多,能使地面人员全面了解和掌握站上各系统、设备的工作状况,甚至比站上航天员更了解空间站的运行状况。因此,美国实验舱的系统与设备工作状态几乎完全依靠地面控制人员通过遥测数据监控。在许多情况下,站上的系统与设备由地面控制人员发遥控指令直接控制或操作。

美国实验舱广泛使用电子计算机,几乎每个系统、每台设备都要求由计算机控制和操作,即使像开、关照明灯这样易如反掌的操作,也要由计算机发出指令来执行。空间站上航天员的工作任务负担较轻(与俄罗斯相比)。

其缺点是:过分依赖电脑,削弱了人脑的作用,不利于锻炼和提高航天员独立自主处理应急事件的能力。例如,2001年4月,第二批长期考察组在站期间,美国实验舱的指挥和控制计算机突然发生故障,且无法与地面联系,航天员束手无策。幸好,此时奋进号航天飞机对接在空间站上,通过奋进号上的通信设备与地面取得了联系。最后,通过节点1号舱计算机中的“留守”程序,帮助实验舱计算机恢复正常。

这个“留守”程序具有特殊功能,提供一条“后门”走道,检查与调试实验舱计算机,使其恢复对实验舱的控制。

(2)俄罗斯系统与设备重继承

俄罗斯系统与设备的设计理念是:低研制成本、短研制周期、不强调长寿命,但要求可维修。

系统与设备的优点是:简单、经久耐用,机械性能好,便于维修,基本上是采用经过太空飞行验证的成熟技术或产品。俄罗斯实验舱所用系统和设备大都是和平号空间站系统和设备的复制品。

其缺点是:①监测系统与设备工作状态的遥测参数太少,地面控制人员对空间站运行的状况了解不够全面,因此,要求站上航天员有较强的自主工作能力,能在不依赖地面的情况下,保证系统、设备正常工作;②系统与设备的工作寿命不长,需要定期检查维修,更换老化或磨损部件,因而对补给物资的运输量和运输次数要求增加。

2)系统与设备应具有可维修性,航天员应掌握一定的维修技能

空间站上的系统与设备需要长期(10年或更长)运转,在此期间发生故障不可避免,且发生频率不会太低,不能一出毛病就更换备用件。“国际空间站”的实践证明,增加设备的可维修性,培训航天员掌握一定的维修技能是非常重要的。

以体育锻炼设备为例:美制设备功能全、精度高、有隔震器,且有完善的监视系统与测量系统,能准确完整地记录人体的代谢功能和锻炼设备的工作性能等参数,供地面医生和控制人员研究分析。但多功能、高精度的设备往往比较“娇气”,易发生故障,同时由于设备设计时一般考虑可在轨更换,而不考虑可在轨维修,一有故障就需要更换备用件或者等待地面送来可更换件。

俄制体育锻炼设备则比较简单、耐用、不易出故障,可维修性好,但监测人体生理参数和设备工作状态的功能较少。设备在设计时就考虑可在轨维修,出了故障,俄航天员能在轨自行修复。

可更换与可维修的概念是不同的。在轨维修主要依靠人,依靠航天员的技能,而在轨更换则依赖物,依赖预存在空间站上或由运输器运来可更换部件。后者往往需占用空间站上的有限空间。有些在轨备用件可能多年用不上。例如,美制的“轴承马达与滚动环模块”(Bearing Motor and Roll Ring M odule)可更换件,体积为0.5m3,2001年由航天飞机第7A 次飞行任务送去,准备用于替换易于发生卡住现象的太阳电池阵转动机构。这个模块只有在航天飞机支持下才能更换,后因哥伦比亚号失事,航天飞机停飞,该模块一直没用上,白白占据了宝贵的“空间”资源。

3)空间站应配备先进的控制与数管系统

“国际空间站”正在使用的控制与数管系统是一个名副其实的智能计算机系统。该计算机不仅体系结构具有“鲁棒性”,而且有很强的自学习和软件重构能力,能快速、高效地接受上传的新软件,修改原有软件和重置软件参数。

2000年夏,空间站机械臂连续发生一系列异常,如关节发涩、闸锁松动、到位不准等。按照原定的故障对策预案是制造、发射备份机械臂,在下次航天飞机执行安装“联合气闸舱”任务时送去,进行更换。这个方案不仅会使下次航天飞机发射时间大大推迟,而且要求航天员出舱执行在轨更换任务。后经地面工程技术人员研究,认为可通过修补控制与数管系统计算机的软件,排除机械臂的异常。最后软件修补成功,机械臂恢复正常。开发修补软件只使航天飞机发射时间推迟了几星期,而且节省了制造备份机械臂的时间和成本。

这个例子充分表明,先进的控制与数管系统的重要性。

4)系统与设备方面的两点经验

(1)系统与设备的设计必须考虑可调整性

空间站的系统与设备在设计时,对其实际工作环境条件的了解及在地面对环境条件的模拟,总不可能完全真实,只有当系统、设备到了空间站上投入运行后,才能真正了解到。有时,系统、设备不得不按照真实的环境条件修正某些功能、性能参数。因此,系统与设备在设计时就应考虑留有可做局部修改的余地,使他们具备接受在轨(原位)诊断维修、操作约束、软件修补等功能。

例如,“国际空间站”外部展开结构(如太阳电池阵)生成阴影的几何学很复杂,飞行中姿态的调整与设计时的预计状态也可能不同,从而使空间站结构的热环境很难准确估算,需要在实际运行中调整热控措施。同时,在运行过程中,应尽可能多采集系统、设备的工作性能数据。

(2)系统与设备必须开展优化设计

设计过程中应对系统与设备在复杂性、自动化、可靠性、可维修性和可更换性等多因素进行综合权衡,开展优化设计;在综合权衡过程中还应考虑人员培训、航天员人时(工作量)、物资储存要求、后勤保障、成本、进度等因素。“国际空间站”的实践再次证明,通用化、模块化是系统与设备设计的最佳选择。

3 居住环境[2-3]

根据航天员反映,“国际空间站”总的说来,具有良好的适居性,但仍有有待改进之处。

1)应为航天员提供个人私密空间

空间站适居性不仅指提供舒适的生活工作环境,还应更加人性化,为航天员提供个人私密环境。凡是上过空间站的航天员,一致认为私密空间是不可或缺的。

“国际空间站”为每位航天员设置有卧室。这不过是一个有门、照明灯和空调的狭小房间,可作为唯一的私密空间。建站初期,只在服务舱内设有2 间卧室。第一批长期考察组3 名航天员到来后,只好在功能货舱的走廊上挂了一个睡袋,权当卧室。第二批长期考察组进驻后,感到躺在睡袋里既不舒服、也没有私密空间,就地取材在美国实验舱的货架上搭建了一个临时卧室。直到第三批长期考察组到达,带来并安装了第三间卧室,才保证每个航天员有自己的私密空间。

2)要进一步改善站内设施的布局

迄今为止,所有长期考察组的航天员对“国际空间站”内部总体布局和设备配置的评价是:简单实用,基本合理;如果能在生活区和工作区之间有个隔断,则可保证休息时不受工作区的干扰,在精神上彻底放松。此外,建站初期,到空间站作短期访问的俄罗斯航天员反映,生活还不太方便,服务舱内的备餐区和餐桌离厕所太近。

3)必须扩大存放物资的储藏室

建站开始不久就发现储藏室太小。美国实验舱和俄罗斯实验舱都存在这个问题。其他诸舱段也都堆满各种物资。空间站各舱段的上、下、左、右每个面几乎都被分隔成多层货架存放物品,以缓解储藏室的不足。如此高密集度的存放模式,不仅挤压了航天员的活动空间,而且带来安全隐患和使用不便的问题。

例如,第七批长期考察组在一次消防演习中发现,从货架上取下便携式灭火器所花费的时间大大超过演习方案所规定的时间。后来地面控制人员通过航天员所提供的空间站舱内数字图像的检查,发现一些重要的防火栓被层层货物遮挡住,于是命令航天员将这些重要防火栓出口处的障碍货物搬走。

航天员为了取用所需的物品,必须搬走挡住它的其他物品,增加额外的挪动时间。例如,专为航天飞机对接用的充压对接舱也堆满了物资,在航天飞机对接前必须先把堆积物挪走。俄罗斯和美国的气闸舱中也都塞进了物资箱包,航天员执行出舱活动前,得先搬走这些障碍物,影响航天员出舱活动的效率。

在航天飞机停飞期间,物资存放的问题尤为严重,因为一些必须靠航天飞机运回地面的大件物品,在站上越积越多。

4)应建立快速物资查询系统

在长期航天飞行任务中,对运行环境应实施创新性管理,以便航天员能方便、清楚地了解3W:站上存有哪些物品(W hat), 存放在什么地方(Where),这些物品按计划在什么时候用(When)。在空间站上生活过的航天员普遍认为,空间站上引进一种类似于超市管理常用的商品数据库及计算机查询系统是非常必要的。“国际空间站”现有一种根据条形码建立的电脑存货查询系统,使用操作尚不够便捷。该系统的体系结构需要改进,操作程序要简化,维护工作要减少。

5)要确保对舱内噪声抑制达标

“国际空间站”实验舱内的气压、温度、湿度、大气成分、防辐射、减震等环境条件,都基本上达到环控与生保系统的设计指标,符合适居性要求,只是舱内的噪声过大,比设计值高出很多。“国际空间站”上的系统和设备产生的噪声并不都符合设计指标。航天员随身携带的声强计测量结果表明,舱内噪声24 小时的平均值为72dB,远超出规定的55～69dB,以致航天员无论是工作时还是睡眠时都不得不戴上听力保护器。空间站上准备了多种耳塞和消音头盔供使用。由于噪声超标,有几位长期考察组航天员在飞行任务结束后,听力受到了永久性损害。这一点必须引以为训。

4 物资补给[4]

物资补给是保证空间站长期、持续运行的最重要的条件之一。

1)要精打细算,保证常规物资补给

在哥伦比亚号航天飞机的事故之前,美国和俄罗斯实验舱的物资补给任务分别由航天飞机和进步号货运飞船承担。这样的分工负责,提供了一条稳定有序的补给线,基本满足双方实验舱和航天员的需求,对站上的储藏室也未造成太大压力。

俄罗斯的系统与设备是按照可在轨维修设计的,需要进步号货运飞船经常送去必需的零部件。美国的系统与设备是按照可更换设计的,其重要设备的备用件大都随主设备同时运来,其他设备的备用件则按需运送。由于运输成本很高,进步号货船每次运送不超过2.5t,且空间站的储藏室很小,所以对物资的消耗要精打细算,尽可能减少运输量,降低补给成本,非急用的备件不要预先送来。

2)通过节衣缩食,顺利渡过难关

哥伦比亚号事故后航天飞机停飞,美、俄两国实验舱的物资补给完全依赖为数不多、运输能力不大的几艘进步号货船。空间站消耗品需求不得不加以压缩。经过精确评估,站上航天员和设备所需的空气、水、食物和推进剂等必需品的消耗量,在保证安全健康的前提下,采取了以下削减措施:

(1)航天员衣服减少了85%,即在轨6 个月期间, 每人的服装由原来的约 0.34m3减为约0.06m3;

(2)食物减少了25%;

(3)毛巾、衣服等软性物品改用简化包装;

(4)用数码相机代替胶片相机,用电子文件代替纸质文件;

(5)每人每天的用水量从3L 减为2L ,同时充分挤干湿衣服和湿毛巾中的水分,增加回收的水量;

(6)调整空间站姿态,保持低阻力太阳定向方式飞行,以节约提升轨道所需的推进剂。

通过以上节衣缩食的手段,在航天飞机停飞的2年半时间里,仅依靠进步号货船,保证了2 名航天员常驻期间的物资补给及空间站的持续建造和运行。

3)需要进一步研究的物资补给问题

空间站再生与自主功能强,则要求运输补给量小;反之,若空间站再生与自主能力弱,则需补给量大、次数多,因此,需要在空间站再生自主功能与运输补给量之间权衡。根据“国际空间站”的经验,以下物资补给问题需要进一步比较研究:

(1)航天员衣服、毛巾等物品是完全由地面供应更换,还是在空间站设置洗衣房,洗涤后重复使用?

(2)航天员食物是完全由地面生产供应,还是应在站上适当种植生产一些蔬果作为补充?

(3)空间站产生的废物是全部扔入垃圾箱,还是应逐步建立再生利用机制?

(4)饮水完全靠地面供应,还是建立水再生系统循环使用?(2009年5月,“国际空间站”上的水再生系统已投入使用,航天员已正式饮用尿液回收后生成的净化水。)

(5)运输物资的包装是采用防护能力强、产生废物多的硬包装,还是采用防护能力弱、产生废物少的软包装?

(6)饮食是供应食用方便的“盒饭式”快餐,还是按不同品种的食物分别包装、运输、储存,供应“自助式”餐饮?

5 作息制度[5]

1)任务安排要有一定的灵活性

空间站常年累月运行,不可能像短期运行的载人飞船或航天飞机那样,逐日制定非常严格的“任务时间表”(或“工作时间表”)。载人飞船与航天飞机执行任务一般不超过2 个星期,每一天的工作时间表都可以经过精心策划和优化设计,保证航天员高效率完成任务后,不至于感到太疲劳。

“国际空间站”的长期考察组需要在太空生活工作达半年之久,期间不确定因素很多,难以将180 天的工作任务都逐日逐项规划好。每天的工作安排要考虑有一定的机动灵活性。除规定要完成的站务管理和科学研究任务外,要保证体育锻炼、个人卫生及个人自由活动的时间。工作时间表中还要明确执行任务的要求和保障条件。例如,执行任务时,必须在地面监控下进行。

由于美、俄两国文化背景与社会传统不同,美国实验舱航天员的任务时间表灵活性较大;俄罗斯航天员工作时间表安排得较紧凑,执行任务的自由度较小,航天员必须严格照时间表按部就班地完成规定的操作。

2)工作安排要注意劳逸结合

尽管工作时间表规定了每个航天员应完成的站务管理和科学研究工作量,但实际上航天员经常是超负荷工作,完成大量工作时间表以外的任务。这对航天员身体健康和空间站运行安全都是不利的。

在空间站狭小的空间里,航天员没有宽敞的活动余地。实践表明,让航天员在完成时间表规定的任务外有一定的个人自由活动时间,让他们能自行选择有趣的或轻松的活动,大有好处。正如人们下班后或周末从事整理庭院、装修房间、读书看报、下棋打牌等业余爱好,达到调节身心、消除疲劳的目的。对于执行长期航天飞行任务的航天员,同样需要安排类似的有趣的休闲性活动,如阅读图书,看画册,听音乐,看电影,做游戏,搞竞赛等活动,做到劳逸结合。

3)要赋予航天员与地面联系的自主性

航天员的工作时间表严格规定了航天员与地面通信的次数和通信时间,以及向地面报告任务完成情况的方式。一般情况下,每个工作日开始和结束时,航天员与地面控制人员开一次“碰头会”。此外,除非十分必要,地面控制人员不得随便与站上航天员通信,以免干扰航天员的活动。

“国际空间站”的工作进度是由计算机管理的。航天员完成某项任务后,可通过计算机向地面控制人员发简报,报告内容主要是任务完成的结果和实际所花的时间。简报储存在计算机里,美国实验舱在通过中继卫星随时自动下传给地面;俄罗斯实验舱则当空间站进入地面站通信范围天地之间联系接通时,简报自动下传给地面,地面人员能及早将任务完成的结果和时间与预期成果和时间作对比。

这种自动报告的办法一方面可以在不打扰站上航天员的情况下,地面人员全天时跟踪了解空间站任务执行情况;另一方面,航天员的日常工作更加“地面化”,在完成规定工作任务的同时有较大的自主性和灵活性。

4)要协调好不同时区地面控制中心之间的工作时段

“国际空间站”美、俄两国实验舱航天员的作息时间统一按莫斯科标准时间安排。这主要为了照顾俄罗斯地面控制中心人员的上班时间。俄罗斯地面工作人员大都乘地铁等公共交通工具上下班,而公交并不是一天24h 都运营。为了与俄罗斯地面人员上班时间保持一致,空间站每天的工作时间是从莫斯科时间早上9 时开始。而位于美国得克萨斯州休斯敦的NASA 约翰逊航天中心则是当地时间凌晨2 ∶00。这就苦了约翰逊航天中心的工作人员,不得不半夜上班、白天睡觉,打乱了生物钟,很容易疲劳。

由于美、俄两国的主要载人航天飞行任务控制中心位于不同时区,双方的飞控人员、技术人员和管理人员之间的协调变得很不方便。为了在一天中双方都合适的时间里“碰头”沟通,往往需要反复多次协调才能定下来。

5)要尽量减少夜间加班,调整睡眠时间的频度

为保证航天员的休息和身体健康,地面工作人员在安排造访的飞船、航天飞机与空间站进行交会对接、解锁分离及航天员出舱等重大任务时,尽量不在航天员睡眠时间段执行,避免打乱正常的生活规律。

但是,“夜半钟声到客船”的情况仍时有出现。主要是俄罗斯的联盟号载人飞船和进步号货运飞船的对接、分离,经常要求航天员调整睡眠时间。俄罗斯航天员的出舱活动也往往安排在本来用于睡眠的时段内实施。夜间加班主要是为了保证活动期间俄罗斯地面站人员能接收到遥测数据。俄罗斯由于缺少可供使用的全球覆盖的通信卫星和数据中继卫星网,完全依赖它分布在亚洲大陆的地面站接收数据。美国则依靠完善的跟踪与数据中继卫星系统,其地面控制中心可随时自动地通过中继卫星与空间站保持通信联系,而不一定要求在夜间加班。

关于睡眠时间调整的原则,美国医生与俄国医生的观点不同。美国医生认为睡眠时间调整应逐渐进行,以保证人的最困乏点在活动时间之外;而俄国医生主张实施“快速调整”。第二批长期考察组在站期间,曾经在15 天内进行了4 次睡眠调整。航天员报告称,这样频繁调整使他们睡不好觉,疲惫不堪;他们不得不警告说,这种做法会对安全运行构成严重威胁。后经双方协商,取得一致意见,认为对交会对接、解锁分离和航天员出舱等重大活动需要制定特殊的睡眠调整机制,使执行活动时,航天员不处于最困乏点上,既保证完成活动任务,也有利于保证航天员的身体健康。

6 健康保障[6]

对于进行长期航天飞行的航天员,心理健康保障与生理健康保障具有同样的重要性。航天员们报告称,心理健康保障对他们保持清醒的头脑、顽强的意志和饱满的精神是不可或缺的。

1)应重视与加强心理健康保障

要让航天员在空间站上充满信心、聚精会神地执行飞行任务,而不是人在天宫,心系家人,勉为其难地熬过漫长的太空岁月。

“国际空间站”的实践表明,以下措施对于消除航天员的后顾之忧,保障心理健康是很有效的。

(1)与家人亲友通话或视频“见面”

最有效的心理健康保障措施莫过于通过无线电音频或视频与家人通话或“见面”,接受家属和亲友的关心和问候,从中得到安慰和鼓励,消除后顾之忧。建站初期,航天员每星期只能与家人、亲友进行15 分钟的音频通话或可视电话“见面”交谈。后来,空间站上增加了无线通信信道,航天员可以随时与地面站联系,延长了通信时间。从第二批长期考察组开始,航天员可以使用配有天地之间通信功能的个人笔记本电脑,只要在地面站通信覆盖范围内、且任务时间安排允许的情况下,就可以用笔记本电脑与全球的亲友进行通信联系。此后,航天员每天都可同亲朋好友通话或“见面”。

(2)送慰问包

在“国际空间站”建造期间,凡从地面来的航天飞机、载人或货运飞船都要给航天员带来慰问包。慰问包中的物品大都是家人、亲友的馈赠品,诸如信件、贺卡、照片、纪念品、小礼物、儿童玩具、录音带、录像带、电视片以及巧克力、干果等零食。长期考察组执行任务期间,有时不可能有多次短期巡访组到来,但凡来必带慰问包,已成为惯例。

(3)改进用餐方式,享受进餐的乐趣

饮食不仅为航天员提供热量和营养需求,保障生理健康,而且具有明显的心理健康保障作用。对航天员来说,饮食是一种乐趣,是一种享受,也是一种消闲方式。增加食物品种,改善供应模式和用餐方式,不仅有利于恢复体力、消除疲劳,而且有利于提高就餐时的乐趣,化解工作带来的紧张情绪,保持轻松愉快的精神状态。

2)要增加食物品种,改进供应方式

(1)食物品种要照顾不同国家航天员的文化与习惯

饮食是一种文化。不同国家、不同民族的航天员对饮食的习惯爱好迥异。正如人们长期在国外工作,对饮食不习惯,喜欢吃家乡饭、家乡菜一样,长期生活在空间站上的航天员也有这样的要求。

单调、重复的饮食容易引起厌烦,造成食欲不振。所以空间站的食物应多样化,延长菜单食谱的重复周期。对不同国籍、不同民族的航天员应尽可能提供与其民族文化、生活习惯相适应的饮食。

“国际空间站”经常性的食物补给大都由俄罗斯进步号飞船送来,其中俄罗斯风味的食物居多,美国航天员不得不向地面反映,要求多送些合乎美国人口味的食品。

(2)食物的供应由“盒饭”式改为“自助”式

“国际空间站”初期,所有的食物都是按“盒饭”供应,主副食按固定的搭配放在一起包装好,按一天的用量储存在专用食物柜内,由航天员取用。但是,这种主副食固定搭配好的“盒饭”,吃多了便容易产生厌烦,食欲减退。后来,根据航天员的建议,采用“自助”方式:即将不同的主食、不同的副食(菜肴)、不同的饮料分别存放。由航天员根据自己的爱好,各取所需,自行选取,自由享用。除标准菜单的食品外,空间站上还准备了小菜、风味食品等特殊食物,以调剂口味,满足航天员的不同需求。

3)要开展航天员医学撤离的风险评估

为了保证航天员身体健康及处理应急撤离返回地面的事件,每批长期考察组中至少应有一名航天员经过专门的医学培训,掌握应急医学治疗技术,以便在一旦出现病情严重的航天员必须应急撤离时,能对伤病员实施临时应急处理,为返回地面做好准备。

用于应急撤走航天员的飞行器,无论是载人飞船还是航天飞机都要求携带应急医疗设备和医务人员,能在24h 内将伤病员撤离空间站。

不过,迄今为止,“国际空间站”航天员只出现过一些轻微或轻度挫伤和划伤的情况,尚未出现过一例必须撤离的严重伤病航天员。

“医学撤离”是指出现伤病严重的航天员,在空间站无法医治又不能延误,而必须立即返回地面的事件。美、俄两国都对“国际空间站”执行任务时可能发生的“医学撤离”事件的风险概率进行了分析,其结论为:

(1)“国际空间站”航天员每年可能要求医学撤离的概率为6%;

(2)“国际空间站”航天员每年可能要求紧急的(航天员失去知觉)医学撤离的概率为1%;

(3)“国际空间站”有3 名航天员时,每5～6年可能发生一次医学撤离;有7 名航天员时,每2～4年可能发生一次。

7 人的作用[7]

1)要重视与发挥人在空间站的作用

“国际空间站”等长期太空运行的航天器,各种意外事件或故障的发生不可避免,不可能都在“故障对策预案”中考虑周全。“国际空间站”实践证明,人是空间站中应对突发事件、排除故障能力最强的“机器”。地面控制人员和技术人员的智慧与站上航天员的能力相结合,克服困难和排除故障的能力远远超出“故障对策预案”中对人的能力的估计。例如:空间站上的两套有故障的美国舱外航天服(EM U)就是站上航天员在地面技术人员的指导下,发挥聪明才智,硬是在太空中把它们修复的。

航天员还修复了计算机、体育设备及其他装置所出现的意外故障。“国际空间站”的建造与应用再次证明,航天员不仅善于按照“故障对策预案”设计好的程序排除故障,而且必要时能发挥创造力,妥善处理系统和设备的意外故障及自然事件,充分发挥人的灵活机智和主观能动作用。

2)要给航天员执行任务以一定的自主性和灵活性

空间站航天员每天的任务时间安排,不仅应使每位航天员清楚了解一天内要做哪些工作,什么时候做,做多长时间,而且应明确规定有多少个人自由支配的时间,以便航天员可根据自己的情况提前做好准备。时间安排应有一定的灵活性,允许航天员适当调整执行任务的次序,例如,将串行安排的任务,并行完成,从而可以提高仪器设备的利用率和工作效率。

例如,第二批长期考察组在完成工作时间表规定的333h 站务管理及70 多小时科学研究任务外,还利用个人自由支配时间完成了80h 的计划外的对地观测,拍摄了陆地和海洋的图片,为地球科学研究提供科学数据。

第九批长期考察组在完成工作时间表规定的250 多小时站务管理和200 多小时科学研究任务外,还开展了一项“周六早晨科学”研究,进行了零重力科学原理实验,为以后的教学提供资料。

3)要加强航天员的互容性与互补性培训

(1)航天员的互容性

互容性是指航天员与其他航天员之间和谐相处、协调共事的能力,是选拔与培训执行长期航天任务航天员的主要条件与内容之一。

为了确保长期航天任务顺利执行,必须保证航天员之间不产生严重的不协调、不配合的问题。航天飞行时间越长,这个问题就越重要。要建立和健全关于航天员个人及航天员团队特性的评价准则。影响航天员互容性的因素有:性别、个人性格、民族传统、文化背景、生活习惯等。NASA 和俄罗斯联邦航天局分别开展了航天员互容性多因素综合评价的研究,为培训、选拔空间站航天员提供了有效的方法与准则。

迄今为止,“国际空间站”上各批次长期考察组航天员之间都表现出高度的相容性,配合协作良好。这正是由于:一方面航天员都是经过严格的互容性培训;另一方面考察组成员的组成也经过精心挑选,考虑了不同航天员之间的互容性。

(2)航天员之间的互补性

长期共处的航天员除了要求有互容性之外,还需要在技能上互补互助。每个航天员都必须掌握几项有用的技能,使长期考察组的航天员之间在技能上互补,支持在太空生活工作, 更好地完成航天任务。这些技能应包括:计算机使用与维修、机械维修、电子电气装调、科学分析、医学诊断与治疗、遥控机械臂的操作及出舱活动等技术。

空间站以及未来载人深空探测中,航天器及航天系统将更加复杂,任务更加繁重,甚至得不到地面支持。航天员要尽可能多掌握一些知识和技能。为此,对今后航天员的培训提出了更高要求。一般说来,空间站常驻航天员至少应在地面经过2年时间的专门培训。

8 出舱活动[8]

1)出舱活动的次数与时间将与日俱增

2010年前,“国际空间站”的出舱活动主要是执行空间组装。与历史上任何一项载人航天任务相比,“国际空间站”的出舱活动的时间长得多,任务也复杂得多。

在建造“国际空间站”之前,美国航天飞机共完成出舱活动74 次,总时间达472h;俄罗斯和平号空间站共出舱75 次,总时间约362h。

据粗略统计,截至2008年底,“国际空间站”的出舱活动累计已有60 多次(其中从对接的航天飞机出舱约30 次,从空间站气闸舱出舱30 多次),总出舱活动时间已超过400h。

空间站的建造与应用还在继续之中。建成后全面投入应用,出舱活动将以维修、更换任务为主,出舱活动的总人数和总时间还将继续增加。

2)舱外航天服双轨制的弊大于利

“国际空间站”上备有美制和俄制2 种不同的舱外航天服,供航天员穿着,可以通过三个不同的气闸舱走出空间站。

第二批长期考察组航天员首次执行从空间站舱段(区别于从对接的航天飞机出舱)出舱活动。航天员穿着俄制“奥兰”(O rlan)航天服,由俄罗斯的Pirs对接与气闸舱出舱。

美国航天员是在第7A 次航天飞机亚特兰蒂斯号对接后, 首次穿着美制舱外航天服由“探索”(Quest)联合气闸舱出舱,完成出舱活动任务。

“国际空间站”上备有两种制式舱外航天服,其优点可以互为备份,为成功执行多次舱外活动提供了新保证。

特别是在哥伦比亚号失事,航天飞机停飞期间,美国在轨的两套舱外航天服因存在技术故障,不能使用,而新的舱外航天服又无法用俄罗斯进步号运货飞船运来。此时,美国实验舱的一个为控制力矩陀螺供电的外部远程电力控制装置发生故障。第九批长期考察组的美国航天员穿着俄制“奥兰”航天服出舱,完成更换这个远程电力控制装置的任务。

同时配备两类舱外航天服的缺点也是明显的:(1)空间站需要留出存放两类航天服及其配套设备的位置;(2)两类航天服的发射、运送和在站维护,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专用的气闸舱设施;(4)航天员要学习和掌握穿着和使用两类航天服的技能,增加培训工作量。

3)航天员培训应从“面向任务”向“面向技能”转变

美国航天员出舱活动的培训采取“面向任务”的模式,即根据航天员出舱活动执行的具体任务,有针对性地进行操作训练及与合作航天员之间的配合训练。训练项目具体、详细。其好处是,每个航天员都十分清楚了解自己该做的每一步动作、每一个操作及与合作航天员之间的配合。但这种训练模式不能满足空间站舱外活动的要求。

空间站的航天员,特别是常驻考察组成员不仅要执行计划内的任务,而且往往要执行计划外的、甚至应急的出舱活动任务。航天员必须能适应在不同环境条件下完成不同任务。对航天员的培训模式也须作相应改变。

“面向技能”的训练模式就是为了使航天员能适应空间站内可能出现的多种出舱活动任务要求,而进行的通用性技能培训。如果航天员负有完成某项特定的复杂任务,则需另加专门的业务训练。这种以掌握通用的、全面的技能为目标的训练,有利于培养航天员成为“通才”,能应对空间站可能出现的各种应急情况,独立自主地执行检测、维修、更换等舱外活动。

这一训练模式的效果,已在“国际空间站”航天员成功地完成数十次舱外活动任务中得到证明,也是今后从事长期载人飞行航天员的标准培训模式。

9 国际合作[9-10]

1)国际合作为“国际空间站”建造立下不朽功勋

“国际空间站”从设计、建造、管理、运行到后勤保障,无不采取国际合作的方式。国际合作显示出无比的优越性和强大的生命力,表现在以下方面:

(1)国际合作保证了“国际空间站”的持续建造与应用,避免半途而废

哥伦比亚号失事航天飞机停飞后,幸而由于有合作伙伴俄罗斯的载人飞船和货运飞船,才保证了“国际空间站”建造和应用能持续进行;正是由于有合作伙伴美国航天飞机复飞成功,保证了后续的欧洲航天局“哥伦布”实验舱、日本希望号实验舱等大型构件的发射、装配,否则投入数百亿美元的大型空间建筑物将沦为航天“烂尾工程”。

(2)国际合作提供了更多资源和更强的能力

美、俄、日、欧等不同合作伙伴的空间站设计、制造、组装的不同实验舱段,提供的多种运输器以及各种设施与设备,为空间站提供了前所未有的丰富资源和强大的活动能力。

(3)国际合作提供了备份手段,提高了空间站运行可靠性

如本文第一章所述,不同合作伙伴(如美国、俄罗斯)按不同的设计理念完成的实验舱、系统或设备,在功能上可以互相补充,在可靠性方面互为备份。特别是,由于设计理念不同,同样功能的设备一般不会产生相同机理的异常或故障,因此与设计理念相同的产品的备份相比,可靠性高得多。

2)国际合作存在的不足与问题

“国际空间站”合作伙伴来自6 方16 国,其中以美、俄两国为主导。由于不同国家对建造空间站的目的、要求、指导原则以及社会、文化背景等不同,不仅表现在系统与设备设计理念不同,而且在运行、管理、安全、语言表达以及航天员培训等方面都有差别。由于这些差别影响到不同国家的航天员、地面控制人员、工程技术人员及管理人员之间的沟通、交流与合作,有些差异甚至会引发误会,影响工作。这些不足表现在:

(1)双语工作方式增加培训难度

英语是“国际空间站”项目规定的正式工作语言。后由于俄罗斯的加盟,实际使用的是英、俄语两种语言。为此,航天员必须同时熟练掌握英、俄语两种语言,以保证在“国际空间站”上工作期间能用任一种语言编写工作程序,与不同国家、地区的地面控制中心通话。

于是,航天员培训也要使用双语。航天员培训期间不仅要学习掌握有关空间站、航天飞机的专业技术知识、操作技能外,还要学习掌握另一种语言及了解对方的航天现状及文化背景。

(2)沟通配合不够密切

配合不密切主要表现在合作一方(一般指美国或俄罗斯)的控制中心批准和执行某项行动时,另一方不知情,或者未参与。尽管这种“单边”行动并不会对航天员和空间站运行带来危害,但是毕竟有违“国际空间站”项目已建立的安全准则或安全规范。例如,第九批长期考察组航天员执行出舱活动,在按照规定程序完成任务准备返回空间站时,俄方地面控制中心指示俄航天员将剩余的部件抛弃在太空中,不要带回空间站,而NASA 控制中心则不同意这一做法,认为这会产生有害的空间碎片。这是由于双方对出舱活动剩余部件的处理事先没有协调一致,而造成分歧。

沟通不及时的另一个例子发生在第七批长期考察组,俄罗斯控制中心指示航天员给联盟号飞船的蜂窝电话蓄电池充电,这时NASA 还在研究如何解决充电过程中可能产生的安全问题,而没有批准充电。

(3)对搭载乘客作太空旅游意见分歧

“国际空间站”建造期间美俄两国合作伙伴的最大意见分歧可能就是俄联盟号飞船搭乘旅客到空间站观光、旅游。这实际上是有关“国际空间站”运行管理方面的原则分歧,但最后不了了之。联盟号搭乘旅客上空间站已经进行了7 次,今后还将继续。

尽管存在不同层次的意见分歧,但通过协商基本上都能解决。总的说来,合作情况是正常的,气氛是和谐的,成果是显著的。

3)国际合作的组织经验——建立多边决策与控制委员会

无论在过去的方案阶段、目前边建设边应用阶段,还是将来的全面应用阶段,国际合作伙伴之间建立协商、调整与集成机制是极为重要的,是空间站长期、持续、安全运行的重要保证。合作各方每天要进行讨论、协调,必要时调整工作计划。为此,建立了“国际空间站”多边决策与控制委员会,定期召开会议。委员会下设若干工作组,例如“国际空间站”任务管理工作组,每星期召开2 次所有合作国均参加的多边远程电话会议。平时,根据情况召开双边(主要是美、俄双方)电话会议。多边任务集成与运行控制工作组每月开一次会讨论有关要求、运行、程序和发布消息等问题。

4)对未来国际合作的建议

NASA 约翰逊航天中心的专家,根据“国际空间站”开工建设与应用以来国际合作的经验与教训,就未来长期载人航天国际合作机制提出以下8 点建议:

(1)要建立单一的、由具有权威的高级合作伙伴组成的管理机构,做出有约束力的、所有合作伙伴均应尊重和遵守的决定;

(2)要指定单一的合作伙伴执行领导集成者的功能,该领导集成者对空间站应全面、充分了解所有系统和设备的技术和运行;

(3)要建立单一的领导运行中心,负责在发生分歧时,协调、确定行动的目标与路线;

(4)要建立单一的运行中心,管理整个空间站的日常事务和运行,并消除不同国家航天员之间及不同国家舱段之间的隔阂与界限;

(5)要建立单一的运行集成领导小组,保证空间站在平衡的、可用资源的框架内运行,应考虑所有合作伙伴的优先级、目的、要求,以保证利益均等;

(6)制定单一的任务和要求指南;

(7)制定单一的对整个空间站普遍适用的设备认证标准,避免不同舱段各自为政;

(8)制定单一的有关航天员、航天器和任务等安全的协议。

10 结束语[11]

本文就系统与设备、居住环境、物资补给、作息制度、健康保障、人的作用、出舱活动及国际合作等方面,总结了“国际空间站”建造与应用10年来的若干经验与教训,对后来的空间站建设应用、运行管理以及未来长期载人深空探测有一定的参考价值和借鉴意义。

“国际空间站”还在继续建造。2010年建成后,将继续运行应用6～10年(美国实验舱原计划运行到2016年,现有延长到2020年的建议;俄罗斯和欧洲航天局计划延长到2020年),在应用与运行管理方面还会提供更多的经验与教训。届时,“国际空间站”的主要合作者将会发表有关论文或报告,披露对空间站建造与应用的回顾,对成就与效果进行全面评估,可以期望从中获得更多可供借鉴的经验与教训。

)

[1]Kitmacher G H, Gerstenmaier W H.The International Space Station:Stepping-stone to exploration[R].International Astronautical Congress, Paper LAC-05-B4.1.02, 2005

[2]朱毅麟.空间站应用的发展及存在问题[J].航天器工程,2009, 18(1):13-20

[3]Russell J F, Klans D M, Mosher T J.Applying analysis of International Space Station crew-time utilization to mission design[J].Journal of Spacecraf t and Rockets,2006, 43(1):130-136

[4]Federal Space Agency.Federal space program of Russia[EB/OL].(2007-04-12)[2009-09-20]. http://w ww.federalspace.ru/SpaceProg.asp.

[5]Asa.gov.ISS experiments by expedition[EB/OL].(2007-04-12)[2009-09-20]. http://ww w. Asa.gov/mission _ pages/station/science/experiments/expedition.html.

[6]RSC Energia. International Space Station:Science research on ISS Russian segment[EB/OL].(2007-11-16)[2009-09-20]. http://w ww.energia.ru /eng/iss/issresearches.html

[7]Rhatigan J I, Robinson J A, Sawin C F.Explorationrelated research on ISS:Connecting science results to future missions[R].AIAA Paper 2006-344, Jan, 2006

[8]Robinson J A, Thomas D A, Thumm T L.NASA utilization of the International Space Station and the vision of space exploration[R].AIAA Paper 2007-139, 2007

[9]Sanchez M J.Keeping the International Space Station flying:The challenge without shuttles[R].AIAA Paper 2004-274, 2004

[10]Sevastianov N N, Bryukhanov N A.Space Stations:Evolution and new program s.International Astronautical Congress[R].Paper IAC-06-B4.4.04, 2006

[11]美国麻省理工学院研究报告:载人航天的未来[J].中国航天, 2009(4-5)