参与空间科学与应用操作的航天员职责

靳召君 ，刘迎春

（1中国科学院光电研究院，北京100094；2中国科学院研究生院，北京100094；3中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

1 引言

航天员的英文“astronaut”源自希腊语，是指随着载人航天器发射进入轨道飞行的航天乘组人员。“cosmonaut”是指苏联/俄罗斯载人航天任务中的航天员。随着我国载人航天飞行任务的顺利实施，新增了“taikonaut”一词，即指中国航天员[1]。中国载人航天工程实施以来，成绩斐然：继神舟一号至四号任务成功后，神舟五号任务首次实现载人飞行，神舟六号任务实现了2人多天飞行，神舟七号任务实现了3人飞行并出舱活动，天宫一号目标飞行器发射成功并与神舟八号飞船完成交会对接，神舟九号任务3名航天员乘组（其中1名女航天员首飞）成功完成了人控交会对接及较长时间飞行。

航天任务中，通常由多名航天员组成飞行乘组，共同执行相应的任务。我国计划在2020年前后建立长期运行的载人空间站，开展大量空间科学与应用，将需要空间站和载人飞船的航天员参与进行有效载荷的操作。

本文调研了美国、苏联/俄罗斯执行航天飞行任务中航天员的分类，分析了航天员乘组的各岗位职责及分工，重点比较了参与空间科学与应用任务及其有效载荷操作的航天员岗位及其职责，提出对我国载人空间站航天员参与载荷操作岗位职责的建议。

2 载人航天任务中航天员的分类

美国和苏联/俄罗斯作为载人航天技术发达国家，对载人航天任务的航天员乘组职责有明确的分工，并设立了相应的选拔条件和培训过程。其他一些国家和组织（如欧洲航天局和日本等）也通过国际空间站参与了载人飞行，但由于没有独立的载人航天器，其航天员只能加入美国和俄罗斯的航天员乘组，在其中承担部分职责。

2.1 NASA的航天员岗位

NASA的航天员进入太空，在飞行任务中发挥了重要的作用，其岗位职责随着不同任务的需求不断变化。

初期NASA的航天员全部来自飞行员。1964年，在美国国家科学院及其他机构的鼓励下，NASA开始选拔科学家作为航天员，参与“阿波罗”登月计划和近地轨道探测等任务，即“科学家-航天员”。科学家-航天员要求获得医学、工学或一门自然科学的博士学位，不必担任过飞行员。这类航天员首先由美国国家科学院筛选和评估，再由NASA选拔。由于缺少飞行经验，NASA将他们送入空军飞行学校学习一年，才最终决定其是否能够执行飞行任务[2]。

1972年，航天飞机任务获得通过，NASA开始选拔两类新航天员：驾驶员及任务专家。同期，NASA也将载荷专家列入航天员计划。随着空间任务的多样化，航天员需求扩展到女性及多学科的工程师和科学家，航天员的岗位职责与分工也不断细化。航天飞机任务的航天员可以分为两大类：一类为职业航天员，包括指令长、驾驶员和任务专家，其中任务专家又可细分为航天飞机飞行工程师、载荷指令长、教育任务专家和国际任务专家等[3]；另一类为非职业航天员，称作“载荷专家”。一次飞行任务同时培训2～4名载荷专家，由任务首席科学家在航天员选训办公室的帮助下确定其中2人作为主备载荷专家。1988年挑战者号航天飞机失事后，不再设立教育任务专家，但仍然保留载荷专家[2]。

上世纪九十年代，美国、俄罗斯等国家共同开始建造国际空间站（ISS）。国际空间站密集的发射任务、广泛的应用领域，都对航天员提出了更高要求。然而，由于“哥伦比亚”号航天飞机失事，NASA在2004年才开始选拔国际空间站的首批航天员。在国际空间站上，航天员的岗位主要包括指令长、飞行工程师、科学官员和飞行参与者等，但参与国际空间站历次考察任务的航天员中不曾设置载荷专家一职；直至2011年航天飞机退役，也没有航天飞机任务的载荷专家到达过国际空间站[3]。

随着航天飞机退役、国际空间站进入全面应用阶段，NASA开始思考后航天飞机时代航天员的选训工作。2011年底，NASA启动了新一轮航天员选拔工作，预计在2013年完成。这些航天员将完成ISS的在轨操作，包括出舱活动（EVA）、机械臂、科学实验和在轨维修等任务，同时兼顾NASA的载人深空探测任务。

2.2 俄罗斯的航天员岗位

在苏联/俄罗斯的载人航天任务中，“联盟”号飞船的航天员乘组包括指令长、飞行工程师和飞行参与者等岗位，其中指令长和飞行工程师为职业航天员，飞行参与者是非职业航天员。与NASA的载荷专家类似，从事空间科学研究相关操作工作的研究航天员为“联盟”号飞行参与者，为非职业航天员[3，4]。

综上，国外载人航天飞行中航天员岗位及其主要职责详见表1。

表1 国外载人航天飞行中航天员岗位及其主要职责[3]

可以看出，美国和苏联/俄罗斯都非常重视与空间科学与应用操作相关的航天员，从早期的载人航天任务（如天空实验室）起就设立了从事科学实验操作的专职航天员。这些专职或兼职从事空间科学与应用相关操作的航天员，包括“阿波罗”任务中的科学家-航天员、航天飞机任务中的任务专家、载荷专家和国际空间站任务中的科学官员，以及俄罗斯的研究航天员等。下面逐一阐述这几类航天员的职责和相关背景情况，并对载荷专家进行重点介绍。

3 与空间科学与应用操作相关的航天员职责和选训

3.1 科学家-航天员

起初航天员均为飞行员，以确保起飞、在轨飞行及降落整个过程的安全。1958年，美国空间技术委员会向NASA提议，发展航天工程中的空间物理学和生命科学研究，提高载人航天能力；同时强调具有科学背景知识的人在实现这一目标中的重要性，建议贯彻落实科学任务的选择以及相应科学家的分配。1964年，在美国国家科学院及其他机构的鼓励下，NASA开始选拔科学家作为航天员，即科学家-航天员，主要从事科学、医学、工程领域或者这些领域相结合的有关工作[5]。

申请科学家-航天员的人需为美国公民；身高不超过182cm；具有自然科学，医学或工学的博士学位。除此之外，候选人还需要接受严格的身体检查和国家科学院在科学方面的能力和学历测试。对科学家-航天员的训练一般包括：

（1）常规训练：包括基础学科学习、业务情况介绍、航天系统训练、野外生存训练、控制任务训练、运载火箭故障终止训练和航天器飞行项目训练。

（2）飞行训练：所有没有接受过军事训练的候选人都要接受操作军事喷气飞机的训练。

（3）技术训练：按“阿波罗”和“双子座”任务剖面，对分配的任务进行针对性训练。

科学家-航天员参与“阿波罗”登月和近地探测计划，职责包括舱外活动、评估设备在航天操作中的可用性及安全性、制定并分配“阿波罗”未来项目和实验，以及“阿波罗”应用计划的相关技术活动等。1961年到1975年之间参与飞行的航天员有4名来自科学家-航天员，1名被分配到“阿波罗”任务、其他3名被分配到天空实验室任务中。

1974年11 月，NASA和其他几个航天机构就航天飞机中的“科学家-航天员”的问题进行了深入讨论，肯定了科学家作为航天员的意义，最终确定“科学家-航天员”可以参加航天飞机任务，但需要在接受更严格的训练后作为航天飞机的“任务专家”参加飞行。

3.2 研究航天员

“联盟”号飞船的航天员经过训练，分成测试航天员（test-cosmonaut）和研究航天员（research-cosmonaut）。对测试航天员的要求较严格，经过训练可成为指令长或飞行工程师；而研究航天员则与NASA的载荷专家类似，为非职业航天员，对其要求没有对测试航天员那么严格[4]。上世纪九十年代苏联解体后，俄罗斯航天业资金短缺，制定了以商业为基础的国际协议，进而扩展航天员选拔范围，从别国选择航天员参加“联盟”号飞行。后来该协议进一步更改为出售“联盟”号飞船上的席位，一方面赚取资金，另一方面增强与他国的合作，多数研究航天员为非俄罗斯籍。中国也在1986年首次与俄罗斯合作，选派人员参与学习了航天员训练的整个过程，但未能通过最终的训练获得飞行机会[6]。

法国人Colonel Jean-Loup Chrétien以研究航天员身份参与了“联盟”号任务，成为美国以外第1位飞入太空的西方人。1961年在法国空军学院获得航空工程硕士学位；1979年9月，被法国选派作为“联盟”6任务的研究航天员参加飞行。在轨期间，用了将近7d时间，与其他航天员合作开展苏-法联合实验，其中包括一系列法国心血管超声波检测系统的实验[7]。

3.3 任务专家

任务专家一职设立于1978年，是从航天飞机第1批航天员选拔训练开始的。任务专家可以是普通人员或者是无军衔的军队人员。NASA对航天飞机乘组按照每次飞行任务（STS）进行职责分工和培训。任务专家的主要职责范围包括：航天飞机系统、乘组工作计划、各种消耗品（燃料、水、食品等）、实验和载荷等的协调操作，执行EVA，操作机械臂（RMS），并负责载荷和特殊实验的操作[8]。任务专家的训练内容包括：掌握航天器系统、运行特点、任务需求和目标，以及所参与每一个实验相关系统和设备的支持保障。

任务专家对航天飞机货舱内的科学实验和搭载Spacelab内的科学实验都负首要责任。因此，NASA降低了对任务专家的飞行经历要求，增加了对科学、工程或医学方面研究（工作经历）的要求。任务专家一般具有科学或工学硕士以上学位，相当多的任务专家还获得了科学或医学博士学位。在任务专家的培训过程中，还强化了科学实验相关内容。任务专家除第一年的训练内容与驾驶员相同外，在确定具体执行的任务后，主要接受与所执行任务目标相关的培训，包括熟悉空间站构型、微重力科学研究内容、对地对天观测和其它类型的科学实验，掌握修复卫星、机械臂或EVA操作等。有经验的任务专家大约2-4年随航天飞机飞行一次，其它时间帮助其他乘员训练或参与试验。当飞行任务中包含复杂载荷时，任务专家可能会成为载荷指令长，协助指令长监视实验状态，监督实验操作。任务专家也可作为飞行工程师或指令长在国际空间站上工作。

尽管任务专家也参与科学实验操作，但他们最主要的技能是熟练操作机械臂和舱外活动[9]。以STS-118任务的任务专家Richard A.Mastracchio为例，他曾获得理学和物理学双硕士学位。他参加了此次任务的3次出舱活动，在出舱活动过程中完成了安装结构组件、信号处理器、无线电转发器及通信电子器件盒，回收散热器，更换陀螺仪，挪动天线，升级通信系统等工作。同一飞行任务的另一名任务专家Barbara R.Morgan则主要负责机械臂的操作，并完成了航天飞机到空间站的货物转移。

3.4 科学官员

国际空间站以每6个月一次的航天飞机飞行为时间线，作为一次考察任务进行任务管理。其航天员乘组也按考察任务进行轮换，岗位组成与航天飞机不同，设指令长和飞行工程师。国际空间站的出现，令空间科学任务不再囿于短期、简单的任务。长期、复杂的空间实验，要求航天员必须精通空间站软件、管理舱外活动和操作空间机械臂等很多其他的任务。航天员要增强在太空中进行长期生存和实验的技能，提高处理偶然事件的技能，以及操作多项不同空间科学实验的技能。2002年，NASA决定在国际空间站乘组中设立科学官员作为一类新的航天员，并在NASA职业航天员中选拔产生。最初，科学官员仅负责美国的空间实验研究，后经与其它合作国商议决定，负责任务中所有国家的科学研究项目。

科学官员的职责如下：

（1）飞行前：了解所有乘员需要完成的任务，以及载荷的正确操作，对各种科学实验有充分的准备。与载荷科学家们进行比较专业的沟通，接受严格的载荷和科学实验训练，以起到促进整个任务的作用。

（2）飞行中：在任务中，科学官员是所有科学研究实验、硬件和整个任务的纽带。科学官员担任NASA实验的操作，确定飞行过程中实际操作状态和系统参数，了解载荷的最佳状态和参数，使得操作效率更高；同时还负责确定实验操作的次序，修复失效的实验，判断实验结果正误等等。在整个任务过程中科学官员还负责与媒体和公众交流，展示实验的进展。

（3）飞行后：与载荷科学家一起对整个任务进行分析；参加NASA举行的各类公共事务；阐明整个任务过程中的实验成果和相互联系。

NASA在国际空间站第5次考察任务中第一次安排了作为科学官员的航天员Peggy Whitson。她具有生物化学专业博士后学位。第5次远征任务中，Whitson在空间站上工作6个月，期间完成了移动基站系统、S1桁架和P1桁架、屏蔽设备等安装和太空行走4h25min等任务，启动、检查了微重力科学手套箱和一个载荷设施，还开展了21项生命科学、微重力科学及商业载荷的实验，并向地面控制中心及公众报告了整个任务的执行过程。[5]

科学官员即需要了解科学实验及其技术问题，还要有良好的交流和沟通能力，能够和其他人员配合默契，向大众和媒体交流收获和科学研究成果，因此要求其具有专业的科学背景和很强的从业经验，能够理解科学实验，并对科学实验负责。科学官员除承担科学实验相关的操作工作，同时还承担航天器和机械臂操作、EVA等工作，以及科学教育普及工作。

国际空间站设立科学官员是一个有益的尝试，可是效果并不显著。空间站的科学教育、宣传的工作不能单纯依靠航天员完成，必须与科学家、技术专家结合起来，统筹组织，分工负责。

4 载荷专家（非职业航天员）的职责与选训

载荷专家是NASA专为空间实验设立的，曾经有51位载荷专家（其中8位参与两次或两次以上）参加过航天飞机任务，开展了大量空间科学和应用任务，见表2。

表2 航天飞机任务中载荷专家统计表[10]

续表

由表2，载荷专家负责航天飞机搭载的各空间实验室中 （spacelab-1、spacelab-2、spacelab-3、spacelab-J、spacelab D-1、spacelab D-2等）的科学实验或技术试验，进行科学研究设备的检测和观察，释放卫星，并在突发情况下对科学仪器进行调整，但不负责导航、在轨操作等与航天器平台相关工作。以STS-51-B的载荷专家王赣骏博士为例：他是第一位登上太空的美籍华人，在为期7d的太空飞行中，成功完成了自己设计的“零地心引力的液体状态”实验。此实验对其后续研究工作产生了重大影响，据此开发了具有免疫隔离功能的多空胶囊系统。

NASA的航天器或实验所需要的载荷专家，由项目的首席科学家提名，经NASA批准后确定。非NASA有效载荷实验的载荷专家，则由资助方（包括研究机构、公司或商业机构）选定[6]；或者由NASA的国际合作伙伴（如沙特阿拉伯和墨西哥等首次参与载人航天飞行的国家）指定。载荷专家为非职业航天员，不必为美国公民。表2的51名载荷专家中，28名具有美国国籍，其余国籍为德国、加拿大、法国、沙特、荷兰、墨西哥、比利时、意大利、日本、乌克兰以及以色列等。以STS-41-G任务的加拿大籍载荷专家Marc Garneau为例，主要任务是完成加拿大布置的科学实验任务。

多数载荷专家的专业为生命科学、医学、物理学、天文学和航天工程，在飞行前已经是所在科学研究或技术领域的专家，或者是熟练操作航天飞机任务中专业设备的技术人员。在上述51名载荷专家中，32名具有博士及以上学历、7名具有硕士学位，共占总数的76%。

载荷专家必须符合NASA严格的健康和身体条件标准，一经选拔出来后，即与NASA载荷专家服务处共同制定具体的训练计划。载荷专家的任务不包括航天飞机的操作，因此不需要进行职业航天员的操作训练，但需要接受一系列的飞行训练，熟悉航天飞机系统、载荷支持设备、航天员操作、日常管理技术和应急程序等。载荷专家的训练一般分为[11]：

1）与载荷专家飞行任务直接相关的训练，即与空间科学实验和技术试验有关的训练内容，此训练需要18个月以上；

2）与载荷专家飞行任务不直接相关的训练，主要是了解航天飞机本身的航天环境、航天知识等[7]，此训练需要6个月。

一般情况下，载荷专家在执行任务后，会回到实验室或者原工作单位，继续从事地面相关科学研究。

5 对我国空间站航天员乘组设置的建议

我国计划在2020年前后建立空间站，开展大量空间科学实验与应用，涉及空间生命科学与生物技术、物理学、天文学、地球科学、航天工程等多个领域。有人参与的空间实验，是载人航天空间科学与应用任务区别于卫星任务的突出特点，尤其是一些大型实验设施跨学科、高精密，需要航天员操作、维护或维修，甚至组装和更换。

在分析国外载人航天任务中航天员职责和分工的基础上，参照国外航天机构在航天员选拔训练的实践情况，对我国载人空间站中从事空间科学与应用相关操作的航天员岗位和职责提出以下几点建议：

1）设立从事空间科学与应用相关操作的航天员岗位。美国、前苏联/俄罗斯经历了半个世纪的载人航天飞行实践，虽然其航天员乘组的岗位设置和职责分工仍在不断演变中，但同样都很重视设立从事科学应用相关操作的航天员岗位。延续全部从飞行员中选拔培训航天员，候选者的空间科学与技术知识背景不作明确要求，将难以满足我国空间站空间科学与应用的需求。

2）结合神舟飞船上开展的空间科学实验情况，3人乘组中可设置指令长、驾驶员和任务专家，由任务专家兼职完成科学实验相关操作。

3）与航天飞机和国际空间站相比，我国空间站长期驻留航天员人数较少，可根据每次飞行任务情况灵活配置，即日常的科学实验操作可由飞行工程师1人为主、另1人为辅完成，需要时设1名航天员专职从事空间科学与应用任务。周期较短、专业性极强的操作，也可由乘组中的任务专家兼任。原则上除特别复杂载荷、特别重大实验外，不宜选派仅支持单一或少数几项实验项目的专职载荷专家。

4）在选拔从事空间科学与应用操作的航天员时，应强调科学技术的教育背景和工作经验。候选人至少应具有医学、理学或工学等相关专业学士以上学历。

6 对我国空间站载荷专家设置的思考

NASA对于载荷专家这类非职业航天员的设置一直存在争议。设立载荷专家的原意是为非职业航天员提供在航天飞机进行科学实验的机会，或者是伴随并管理本国的载荷升空。载荷专家无疑为空间科学的发展做出了巨大的贡献，但载荷专家的确定过程却不再单纯与科学相关，往往夹杂着NASA与不同组织机构之间的政治、商业等复杂关系。曾有8名载荷专家不止一次升空，但有的载荷专家支付了费用才能够参加飞行[5]。甚至有人认为，载荷专家只是航天飞机的乘客[12]。自2003年STS-107任务的载荷专家以色列航天员Ilan Ramon罹难，至2011年航天飞机退役，航天飞机任务中未再设立载荷专家，因此也就不曾有一名载荷专家出现在国际空间站上。NASA并未对此作过任何的官方解释。探究其原因，一方面是受到当时布什政府对NASA航天政策调整的影响，导致航天飞机承担的空间科学实验项目远少于最初的计划安排，载荷专家的需求大量减少；另一方面，国际空间站受诸多因素影响，建造计划一再延迟，科学实验及其应用规模和能力始终受限。而“哥伦比亚”号航天飞机的失事，作为非NASA职业航天员牺牲的载荷专家，则促使NASA真正反思其对载荷专家这类非职业航天员设立和职责分工的合理性。从NASA最新一轮航天员的选拔要求看，特别强调非飞行员航天员的学术背景，要求获得工学、生命科学、物理学或者数学学士。何时会再安排载荷专家参加飞行任务，尚不得而知。

值得特别说明的是，我国载人航天术语定义的载荷专家为“载人航天器上负责有效载荷的管理、操作、维修，从事空间技术实/试验的航天员”[13]，这与NASA载荷专家内涵并不相同。综合本文所阐述的几类参与空间科学与应用的航天员职责，一是我国目前飞行员均接受过系统的本科教育，二是我国科学技术工作者鲜有飞行经验，因此我国航天员中载荷专家的选拔不能简单照抄照搬国外，不宜片面强调某方面的背景。

立足我国科技现状，考虑载人航天工程进展及未来趋势，并鉴于工程的系统分工、部门设置、航天员选拔培训的工作基础等因素，提出工程统筹考虑是否在我国航天员乘组设立专职载荷专家的建议，可以汲取NASA任务工程师和载荷专家的选拔和培训经验，由航天员系统与空间应用系统密切配合，共同负责载荷专家的相关工作。而在国际合作过程中，可参照国际惯例进行非职业航天员的载荷专家选拔和培训。◇

［1］张霄军.“taikonaut”的由来［J］.中国科技术语，2007，（4）：36-37.

［2］Preparing for the High Frontier:The Role and Training of NASA Astronauts in the Post-Space Shuttle Era，Committee on Human Spaceflight Crew Operations，National Research Council，ISBN 978-0-309-21869-6，2011.

［3］http://en.wikipedia.org/wiki/Astronaut_ranks_and_positions.

［4］http://en.wikipedia.org/wiki/Spaceflight_Participant.

［5］David J.Shayler，Colin Burgess.NASA’s Scientist-astronauts［M］.Springer，007.

［6］Rex D.Hall，David J.Shayler，Bert Vis.Russia’s cosmonauts:inside the Yuri Gagarin Training Center［M］.Springer.2005:216-236.

［7］Gordon R.Hooper.The Soviet cosmonaut team:a comprehensive guide to the men and women of Soviet manned space programme［M］.GRH publication.1986.

［8］http://www.nasa.gov/audience/forstudents/postsecondary/features/F_Astronaut_Requirements.html.

［9］http://members.shaw.ca/kcic1/space.html.

［10］http://en.wikipedia.org/wiki/Payload_specialist.

［11］http://wenku.baidu.com/book/view/0ee5d268e6109591422753fb.html.

［12］Henry S.F.Cooper，Jr.Before lift-off:the making of a space shuttle crew［M］.The John Hopkins University Press.1987.

［13］载人航天工程术语（征求意见稿）.GJB2496-1995修订版，2012.