俄美联合开展“天狼星”地面模拟飞行试验

2018-06-15宋尧王永生中国航天员科研训练中心

国际太空 2018年5期

宋尧王永生（中国航天员科研训练中心）

莫斯科时间2017年11月7日14：00，位于俄罗斯生物医学问题研究所（lBMP）内的地面“宇宙飞船”关上了舱门，标志着“天狼星”（SlRlUS）国际模拟试验正式启动。

“天狼星”系列模拟试验是由俄罗斯科学院和美国国家航空航天局（NASA）联合开展的。这一名称是从征集来的106个名字中挑选出来的。“天狼星”首先是试验全称首字母构成的缩写：Scientific lnternational Research in Unique Terrestrial Station—“地面密封舱内开展的国际科学研究”；其次，“天狼星”还带有深空探测的含义，与该系列试验的目的也相吻合。

俄罗斯方面于2016年起开始策划名为“天狼星”的系列试验；当年完成了合作伙伴的寻找和洽谈，制定试验计划，准备综合试验舱，签订相关合同。该系列试验计划分为4个阶段：

1）2017年开展为期17天的模拟试验（2017.11.07-2017.11.24）；

2）2018-2019年拟定开展2次试验：2周及4个月的模拟试验；

3）2019-2020年计划进行为期8个月的模拟试验；

4）2021-2022年计划开展为期1年的隔离试验。

2017年开展的试验为期17天，因此试验又被称为SlRlUS-17，根据本次试验的“脚本”，“飞船”携带6名乘员从地球出发，在17天的时间里，他们到达月球轨道，进行绕月飞行，之后返回地球。实际上，这就是在模拟搭乘俄罗斯联邦号（Federation）或者是美国的“猎户座”（Orion）飞船去探索月球时开展的飞行旅程的模拟。参试乘员将要模拟实际任务中航天员的所有操作。

1 SlRlUS-17模拟试验的背景

“天狼星”模拟试验是俄美于2016年年底签署的为期5年的合作协议框架下开展的第一个项目，是俄美5年合作的第一步。

俄罗斯IBMP研究所负责人奥列格·奥尔洛夫表示，此次试验是俄美长期合作计划的第一个阶段，俄方也希望能够与更多的国家进行合作。他认为，合作将取得的最重要的成果就是建立起一个为深空探索飞行做准备的国际中心，同时促进开发及制定实现深空探索飞行的方法和手段。

类似于“天狼星”这样的项目，能够帮助美国和俄罗斯将“国际空间站”建造及运行中获取到的积极经验保留下来。俄罗斯和NASA同行一致认为，双方的合作及共同努力有助于更快、更高效和更经济地解决当前面临的学术课题。并且双方还正在讨论，怎样将“国际空间站”的管理经验用于未来国际星际探索任务的准备和实施中。目前，俄美之间有3种合作渠道：国际宇航科学院（IAA）、航天生物学联合工作小组及与“国际空间站”运行相关的联合委员会。

2 SlRlUS-17模拟试验参试乘组

参试乘组图中前排3名男性志愿者从左至右依次为：

伊利亚·卢卡维什尼科夫：参试乘组医生，生物所研究人员。

马克·谢罗夫：任参试乘组指令长。俄罗斯能源火箭航天集团（RSC Energia）代表，曾入选俄罗斯航天员大队，未参加过航天飞行即退出现役，任参试乘组指令长。另外他还是俄罗斯第4名女航天员叶莲娜·谢罗娃的丈夫，他们夫妇因航天而结缘，两人都曾就职于能源火箭航天集团并在那里相识相爱。

维克托·费特尔，德国人，欧洲空客防务与航天公司（ADS）代表。

后排3名女性志愿者从左至右依次为：

娜塔莉娅·雷索娃：生物所研究人员。

安娜·基金娜：加加林航天员中心航天员大队现役航天员。

叶莲娜·卢奇茨卡娅：IBMP研究所研究人员，曾参与月球-2015（Luna-2015）模拟试验。

3 SlRlUS-17模拟试验环境与试验保障

试验环境

模拟试验在生物医学问题研究所的地面试验舱已经开展过很多次了，早期试验可追溯至20世纪60年代，最近的几次试验有火星-500（Mars-500）和月球-2015（全女性乘组）。

参试者们居住的密封舱有点类似于矿井或潜艇，里面有厨房、卫生间、浴室和储藏室大小的单人卧室，还有2个60m2左右的房间：一间用于工作，另一间用于休息。乘员们可以在这里看电视、点播电影（绝大多数都是与太空有关的）。

试验期间乘员们并不会遇到地球上没有的新奇事物，他们每天要完成多项任务，有脑力的，也有体能方面的。有很多测试，在试验前、中、后期都要开展，目的就是为了考察隔离对人体到底产生了哪些影响。在试验准备期间，参试者的负荷要比试验中还要重一些，而试验进行期间科学家并不想让乘组过度疲劳。

然而，科学家们预计，试验舱内的人工环境还是会让参试者感到“疲劳”：除了植物栽培温室外，周围的一切都是人工的，恒温、恒湿。这个温室与火星-500试验中的温室是一样的。IBMP研究所心理学专家古辛讲了一个真实的事例：植物是有生命的，你需要去关心它。有一次“国际空间站”上的航天员被要求将栽培出的植物样本送回地球。可是这名航天员从大叶子上只剪下来小小的一个三角形。科学家不解地问：“你为什么不把整枝都剪下来，这样我们有更多的研究材料，你也更方便。”航天员答道：“天呐，你们怎么能这样想！它可是活的！”

通信保障

IBMP研究所内建立了一个通信中心，便于同地面试验乘组联系。4名值班人员分别是医生、工程师、技术员和实验员。对乘组的观察与交流是不间断的。

通信中心有2名NASA常驻代表，他们有详细的试验计划安排表，上面注明了在某个时间某名参试者将要开展NASA的某项研究。NASA专家介绍说，每名乘员都携带有类似手表的专用设备，能记录该乘员的运动频率和在空间内的位置（3D）。

饮食保障

据IBMP研究所食品研究室主任介绍，SIRIUS项目参试乘员的配餐最大限度地与“国际空间站”上的食品一致，也就是说，饭前仅需要加热或者加入冷水/热水进行复水处理。每名乘员的伙食总量为2kg/日。男性参试乘员的饮食配给是2800kcal/日（1kcal=4.2kJ），女性的配给是2000kcal/日左右。6名乘员自己准备餐食，舱内有2台微波炉，没有炉灶。

位于俄罗斯坦波夫州米丘林斯克市的科学家为SIRIUS-17试验乘组提供了他们特意研制的20种食品。以米丘林命名的联邦科技中心负责人米哈伊尔·阿基莫夫介绍说：他们为SIRIUS-17项目提供了近20种食品，第一道菜是汤，第二道菜有粥、肉和配菜、蔬菜以及肉类食品，蛋白质、食物纤维和脂肪的含量按要求进行配比。此外，还有蔬菜沙拉、水果/浆果制成的果泥和饮料。

阿基莫夫指出：“早些时候，为航天员特制的食品，对营养物质与味道相结合并没有特别关注，但现在对我们提出的要求是使加工出来的航天食品最大限度地接近于航天员们平日里在地球上的饮食。对个人选择食物口味上的偏爱和嗜好的考虑，对于处于封闭隔离空间、心理情感负荷较重情况下的乘组是非常有益的。”

据该负责人介绍，此次试验中他们提供的所有食物都按人份进行软包装，所使用的食物原料都是天然的、不含防腐剂，含有规定的生物活性维他命成分及均衡的营养物质。

根据俄罗斯航天医学研究所下达的技术任务，这批食物由米丘林斯克试验中心和米丘林联邦科技中心生产。

米丘林联邦科技中心具有丰富的航天食品及运动员所需食品的生产经验。他们从2009年起开始参与航天食品项目，当时为长达1年半的火星-500项目的参试者提供了食品支持。自2011年起，向“国际空间站”提供了25种食品以及新鲜的苹果。为此，他们精心挑选出了2个苹果品种：分别来自克拉斯诺达尔州及利佩茨克州，并为苹果的长期保存研发了专门的技术。2014年冬奥会期间，他们为运动员研发生产了抵御过重负荷可能引起的大脑缺氧和反应降低的食品。

4 SlRlUS-17模拟试验任务及内容

NASA人体研究计划负责人与来自俄罗斯IBMP的专家们一同向俄新社记者介绍了俄美医学研究人员和科学家是如何开展月球飞行的准备，以及未来对深空进行有计划的探索。

第一个任务，正如NASA方面项目负责人比尔·帕洛斯基讲的那样，隔离条件下具有不同文化背景的人之间的相互关系研究。IBMP研究所所长奥列格·奥尔洛夫同样强调说，这对于未来深空探索和研究极为重要，因为未来的深空探索必将是以美国和俄罗斯牵头的国际合作。

第二个任务，是最大限度地达到乘组活动的自主化，其中包括紧急情况下实施医疗救援。试验组织者表示，对自主性的研究和探索，对于月球飞行、火星飞行以及在月球上建造驻留基地而言非常重要。

模拟试验设计为17天，以及参试乘组每天需完成的作业和实验项目，这些并不是随意安排的。参试乘员将要模拟实际任务中航天员的所有操作，就连乘组吃的食品也都是为长期航天飞行的航天员加工制作的。

SIRIUS-17模拟试验重点关注以下问题。

性别平等对乘员间相互关系的影响

目前，在“国际空间站”飞行中，男女混合乘组越来越为常见。本次试验的参试乘组由3名男性和3名女性组成，在性别的比例上达到了平等。此次模拟试验的主要任务之一就是考察，性别平等将如何影响乘员间的相互关系以及乘组内部的互动。

此外，专家们都非常想知道，性别平等如何影响行为、影响对空间的利用，以及如何影响乘组的自我感觉状态。这些问题俄罗斯和美国学者都未曾涉足过，SIRIUS模拟试验首次触碰到了这一问题。

SIRIUS-17模拟试验的负责专家之一，IBMP研究所社会心理学实验室主任弗拉基米尔·古辛博士说：“我们在地球轨道上飞了很久了，现在该走出下一步了：飞向其他星球。航天飞行的每一个微小细节都应被考虑到，因为错误的代价过于高昂。为此，需要事先开展地面试验。通过开展这些模拟试验，科学家们能够弄清楚，例如，飞船内部空间或驻留空间及乘组是什么样的最为合适，在这样一个封闭空间里会发生什么，对于乘员而言什么是最重要的。还有一个重要问题就是—性别。”

俄罗斯有女航天员，然而在半个世纪左右的时间里，只有4名女性到访过太空。即使是在地面试验中，女性也不多见。古辛说：“人们似乎有一种成见，同样的事，对于女性而言就更加复杂。有可能，未来首次星际飞行任务将由一个纯男性乘组执行。但如果我们将要到另一个星球去殖民，那时，女性是不可或缺的。SIRIUS-17模拟试验将告诉我们，在男女平等参与的情况下，谁对应激更加耐受。”

马克·谢罗夫表示，在不久的将来，各种职业背景的普通人都将有机会参加航天飞行。

科学家们最为关心的是乘组中男人和女人将如何互动。参试者之一的娜塔莉娅·雷索娃说：“实际上和人打交道，比跟最复杂的设备打交道更为复杂。”

在月球-2015试验中，6名女性参试者没有发生过争吵。然而，在1999年开展的“国际空间站”模拟飞行试验（SFINCSS）过程中，乘员之间就发生了严重的冲突。当时的场景是，有几名多国乘员组成的国际乘组居住在不同的舱室内。事件的导火索是一名俄罗斯男性亲吻了一名加拿大女性，这一行为被她认为是性骚扰。接下来，两个男人为此打了起来。然后，一个参试乘组就关闭了另一个参试乘组通向浴室的通道。古辛对记者说：“你们觉得可笑，可当时完全不好笑！我们之后不得不向舱内派去了一组谈判人员，作为访问乘组参加飞行，就像实际飞行中的一样。最终，通向浴室的通道打开了，但是两个乘组的关系还是没能恢复如初。这就是生活，而不完全是试验。

正是基于SFINCSS试验期间所发生的跨性别冲突以及团组之间的冲突，研究者们制定了后来应用于“国际空间站”的乘员行为准则。

这样的情景让我们想到“真人秀”。舱内有摄像头，但是根据生物医学伦理委员会的要求，科学家们只能观察，而听不到他们之间的谈话。

古辛说：“人都有坏情绪，有时也会带有攻击性。现实生活中，如果一个人令你感到厌烦，你完全可以走开，而这里却无处可躲。”目前，乘组对此表示乐观，马克·谢罗夫表示：“我们这个乘组太好了，和他们在一起，哪怕是明天就起飞去月球，我也愿意！”

睡眠剥夺对参试者心理和身体状态的影响

SIRIUS-17模拟试验中设计了一个意外情况，涉及到睡眠剥夺，乘组不得不保持清醒，并不间断地连续工作38h。这项艰苦的测试安排在试验的收尾阶段，这是在模拟“国际空间站”航天员的经历：对接、出舱行走需要按照轨道的特点来安排，经常是夜间。航天员在夜里进行对接、搬运货物，然后接下来是36h休息补觉。此次试验中参试者需要通过讨论的方式自己做出决定，如何度过这最后的38h。

研究者们不仅要关注参试者的反应，还有他们的身体状态，例如血液中的皮质醇水平—它能客观地反应紧张程度。

睡眠剥夺是NASA同行提出来的，俄罗斯专家对此特别理解，因为在“国际空间站”实际飞行中，有很多作业需要乘组在夜间来完成，例如出舱和对接。

乘组的自主性

与“国际空间站”实际情况不同的是，SIRIUS-17模拟试验中每名参试乘员都有自己的独立房间，同时也有公共活动舱室。

古辛说，任何一个空间都有一个所谓的“焦点”和中心，你是愿意离“焦点”近一些呢还是远一些？还有厨房，你是愿意离它远点儿还是近点儿？还有邻居，你愿意和谁待在一起？这都是我们作为研究人员非常感兴趣的问题。

试验的基本背景要素之一是自主性。乘组和地面的通信联系有5min的延迟，也就是说咨询问题时无法立即得到答案，必要时，乘组不得不独立做出决定。此外，参试者在飞船上需要独立完成多项实验。

参试者娜塔莉娅·雷索娃说，在飞行期间和亲属也不能直接联系，她发出的电子邮件首先发到通信中心，然后再分发给亲属。舱内没有因特网，所以社交网站也无法使用。她说：“我们可以通过指挥中心，请他们在SIRIUS项目的网页及社交网站上发布出来。”

作为心理支持，在舱内建立了一个植物栽培温室，可以用来养花。专家将通过摄像头进行观察，乘员在植物的维护上花了多少时间及对乘员有哪些影响。有3名女性参试者，研究人员预计，她们对此比男性更感兴趣。

乘组的作息时间表是8h工作、8h自由时间及8h睡眠。没有给乘组安排体能训练—健身器械和跑步机，因为在短短的17天内，缺乏锻炼很难有所体现。

VR技术：虚拟的月球

SIRIUS模拟试验乘组要飞向月球，因此，通过虚拟现实技术来模拟月球表面的一部分。乘组的任务包括观察月球表面的目标，遥控月球车。此外，乘员还要按照NASA的计划开展对“机械手”的测试，他们要用这个“机械手”去抓取捕获“卫星”。

专家指出，这些虚拟模型就是未来模拟器的基础，例如，未来火星飞行训练模拟器。所有作业，乘组不需要出舱就能完成。研究人员补充说，如果设备工作一切正常，那么在后续的4个月和8个月试验中还可以继续使用。

联邦号新型飞船模拟器的首次测试

试验的第4天，即2017年11月10日，SIRIUS项目参试乘组中的3名乘员在舱内顺利完成了俄罗斯联邦号新型飞船模拟器的首次测试。

据IBMP研究所代表向俄新社记者介绍，此项测试是IBMP研究所与能源火箭航天集团联合开展的，3名参试者对联邦号飞船的移动模拟平台进行了首次测试。这是一个与负责接近、对接及控制系统完全一致的模型。训练过程中，谢罗夫、卢卡维什尼科夫和基金娜按顺序完成了动态作业，用于评价操作员完成作业的质量及其与新设备界面交互的质量。在测试过程中对3名参试人员的心率、血压及应激指标进行了监测。

其他实验

为期17天的模拟试验中按计划开展了约60项实验，其中60%是俄罗斯的，40%是美国的。

IBMP研究所实验室主任亚历山大·苏沃罗夫是SIRIUS模拟试验的学术负责人，他表示，试验中要对乘组使用的医学观察（监督）系统进行验证和校正。选拔标准、培训标准、健康状态的监督指标，也就是说，对哪些指标进行监测：只是跟踪脉搏和血压，还是将全套数据进行综合监督，是选取某个时间段实施监督还是不间断地进行监测？

试验中还包括卫生-保健研究，因为乘组居住在一个密闭空间里，微生物群落会被迅速地传播和交换。某种微生物对于这个人是无害的，但对于另一个人却可能是致病的。并且，试验舱和“国际空间站”一样，没有淋浴。参试乘员需要使用湿巾和一次性毛巾来清洁身体。