2020中国航天大年来了

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2020中国航天大年来了

“中国空间站在功能、应用效益、建造技术、物资补给等重要指标方面,将可全面超越和平号空间站,达到或接近国际空间站水平;在信息技术、能源技术、动力技术和运营效费比方面,我们将超越国际空间站水平。”中国载人航天工程总设计师周建平院士在第四届中国人因工程高峰论坛上透露。

同时,论坛主席陈善广指出:“在人因工程学科支持之下,中国空间站定将为中国航天员和世界航天员提供一个温馨的太空之家,并且作出中国人原创性的成果。”

虽然人因工程对大众来说是个陌生的科学领域,但召开了4次的人因工程大会,每次都会释放重磅信号,以及让人回味的消息。

人们对即将到来的2020年,充满了无限畅想——空间站时代即将到来,航天大年来了!

航天员在天上会喝自己的尿吗

再生生保系统是长期驻留的标志

“尿在地面可能是一种废物,但是在天上是一种资源。”空间站系统副总设计师吴志强在之前说了很多高深术语,当说出这句话的时候,外行们为之一震——航天员在天上会喝自己的尿吗?

古人说“不垢不净”,随着科技发展,看来颠覆我们“三观”的时刻到了。

从神舟五号杨利伟上天开始,中国进入载人航天时代,有了第一代生命保障系统支撑。后来的神舟每上天一次,都会在人的保障方面上一个台阶,到上次的神十一,景海鹏、陈冬在太空巡游33天,向全国人民展示了他们太空饮茶太空健身的时尚生活。

下一步,中国进入空间站阶段了,会有什么不同呢?

航天员要在空间站驻留长达180天!像前几次那样,光靠把吃吃喝喝的东西和氧气都带上去,不行了。虽然我们有配套的货运飞船保障,可发射一次成本代价太高,生命保障系统必须升级了——物理化学再生生保系统便应运而生。

“机器要为人服务。”陈善广经常强调的这句话相信是我们共有的信念,而事实上这百年来,随着技术的不断进步,人类对机器的依赖和崇拜越来越强烈,渐渐忘却了自己的初心。

不能否认的是,创造机器的人确实伟大,机器也确实伟大。比如现在的嫦娥一号到嫦娥四号在替中国人探索月球,明年的火星探测车,将替我们到那个寄托多少代人想象的地方一探究竟。机器一直在替我们开疆拓土。

但机器永远替代不了人。人有不确定性,同时人也是不可替代的因素。人亲身面对新鲜事物和复杂问题的时候,产生的情感、通联思考与综合决策能力是机器无法企及的,对科学推动力是最伟大的。

人因工程高峰论坛连续举办4年,在不同的4个城市,每次都汇聚大量的老院士、老科学家,上将、中将,总师、副总师,男女航天员。最近盛名之下的新晋院士王坚、毛明都多次与会。

为什么那么多著名科学家、大国重器的设计者都如此看重人因工程?

也许,随着中国空间站向全世界的航天员、科学家打开大门,人因工程也会揭开神秘面纱,真正让大众理解。航天科研产生的原始研究成果会越来越多地服务我们的生活。

面向长期航天飞行的物化再生生保系统如何可靠高效运行,随着太空站的建设成为诠释人因工程最好的例子。

再生生保是航天员从短期飞行到实施长期在轨驻留的关键性标志系统。

这套环境控制与生命保障系统,不仅收集转化人在系统里的汗液、尿液,而且以建立人的生存环境为目标,保障人高效而舒适地工作。也就是说,这套系统的创造设计实践全部都是围绕着人打转,服务于人在密闭航天器中吃喝拉撒睡和干活儿。

“再生生保技术非常复杂,被称为世界性难题。从美国、俄罗斯研制的过程可以看出,技术难度非常大,投入也非常大。”吴志强介绍,美国空间站上的一套水处理系统,研制费用两亿美元。国际空间站搭建了10多年,再生生保系统真正只用了五六年。

为什么美俄在这套系统上那么舍得投钱?

因为据他们计算,1公斤的物质运到国际空间站轨道要花4-5万美元,1克水基本上与黄金的价值相当。“当然这只是水,还需要盛水的容器,加在一起,经济代价就更大了”。而人一天所需水一般在两公斤以上,这些水要够3到6名航天员6个月到一年多的用度,可以说是源源不断地烧钱。

国际空间站已经花了1000多亿美元了,中国怎么把空间站的设计、管理做得更好,以更少的代价来实现科学的追求、技术的追求,对我们是一个挑战,只有做到这一点,我们才能是一个可持续发展的方式。

这就是吴志强们的任务。中国人向来脑洞大开。

当把航天员作为系统工程的核心来研究的时候,就变得跟普通人很贴近了。每个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,回收水是基础。另外,水中含有氧,氧气也可通过水电解而获得,还有呼吸中人每天产生二氧化碳的量是1公斤,这些废料都要各归各位,进入不同的处理系统循环利用,最终被转化成太空舱里的可用资源。以后,货运飞船携带上去一个基本量就可以了,成本大大降低。

“再生水,某种意义上是在轨生产的一种水。它是从废物中提取出来的,为了保证人的生命健康,必须严格符合医学要求。”吴志强的科普给大众的一个事实,即,如果我们要环游太空,也需要重复使用被转化了的舱内人员的“尿”。

不得不说,当人类放眼浩瀚太空的时候,深感其无比广阔,没有边界。而当人类反观自身,简单的吃喝拉撒睡竟然也是一个无比精密,没有边界的场域。而对自己的研究,却决定了我们如果离开脚下的土地,能走多远。

“这套系统最具载人特色,它也是区别载人航天器和无人航天器的重要标志。”吴志强们的任务说起来平常,做起来就是个多系统交叉的学科。

可见,这身体发肤受之父母,人类理所当然地享用自己的身体,却意识不到这才是最伟大的机器,有无尽探索的空间。

这一之前隐身于航天器背后的系统,伴随着航天员即将长期驻留太空,正在布局走向月球、火星的时候,闯入人们的视野。

不过,这么金贵的再生装备万一用着用着坏了咋办?这就涉及一个典型的人因问题——航天设备的在轨维修。

纵是维修也人因

空间站的寿命不仅是造出来的更是修出来的

“中国空间站建成后,我们将利用航天员的操作和机械臂协同,将这对太阳电池翼转移到这个位置上,以提升太阳翼电池的工作效率。这是非常复杂的在轨操作,中国航天员如果把这件事办成了,我认为我们就达到了与国际空间站同样的舱外操作水平。”周建平指点着中国空间站的设计图给大家讲解。

在失重环境下,航天员出舱,转移和维修设备。美国电影里的宇航员在恶劣的太空环境下工作的场景,历历在目。很多影迷期盼中国进入太空站时代,就是想看到中国人也能从事如此高难度的作业。而周建平所描绘的场景,不仅难度大,而且还要证明中国航天员的力量与能力,想想都激动人心。

周建平用空间站来举例,苏联的和平号空间站当时的设计寿命只有5年,因为有人的参与,和平号空间站才一直延续到1999年,因为俄罗斯运行维护的代价无法承受才自主离轨。同样,现在的国际空间站没有人的积极参与,也不可能保持这样的状态。

看来,太空舱的寿命不仅是造出来的,更是修出来的。

周建平揭秘——

这回,我们的望远镜也将跻身地球轨道,名字气派,叫“巡天”。巡天望远镜与哈勃望远镜相比,视场大300多倍,但分辨率不相上下。它可以和中国空间站共轨飞行。在需要空间站对它进行补给,航天员对它进行维修,或者需要进行设备升级的时候,它可以停靠到空间站上,由航天员进行必要的操作以后离开,然后继续保持共轨飞行状态。

过去发射卫星,如果失控了,一下就损失好几亿甚至十几亿,还会变成悬浮在轨道上的太空垃圾。但将来飞船里会有随船工程师,可以捕获这些卫星进行维修。还有就是一些使用期满的卫星,我们也可以换件维修,增加其寿命。

大家都知道,在地面上我们拧动改锥,可谓不费吹灰之力,更何况载荷工程师和空军出身的航天员。但在舱外宇宙射线和天外飞石的威胁下,航天员必须身穿如同一个小航天器般坚硬沉重的航天服,笨拙的手套让拿捏东西变得非常困难。所以,天上的维修多是模块化集成化的。

就像小朋友拼搭乐高一样,即便是一根线路的问题或者是一个螺丝的问题,也要把一整个模块换掉,来确保安全和高效。

陈善广表示,空间站在轨运行将达到10年以上,有许多设备包括宇航服和再生生保系统,通过维修和零部件更换可大大延长在轨使用寿命,降低运输成本。而如何保证维修质量提高维修效率,则要充分考虑人的能力、空间约束、工具限制等人因问题。

短短几句话,大家已经意识到了航天员和载荷工程师将来在天宫中的繁重任务,不仅要承受失重环境对身体的考验,还要做科学实验;既要观测外太空,也要从高空观测地球;既要去货运飞船搬运货物,到舱外维修、检修空间站,还要发射微小卫星,修理并轨对接的巡天望远镜。

继翟志刚出舱挥舞国旗后,将来的中国航天员会越来越多地走出舱门,为我们的飞行器辛苦工作!

半年前,NASA对外公布了一个阿尔忒弥斯计划,即,美国2024年再次问鼎月球,女航天员将完成登月。人们不约而同将目光聚焦在本次参会的中国巾帼英雄王亚平身上。

在神舟十号飞天的时候,她作为太空教师,在天宫一号的狭小舱室中给全国中小学生上了一堂科普课。视频当时的打开率就达到10亿次。如果中国不能马上登月,但可以肯定的是,不久会有女航天员进入天宫长期驻留,在核心舱、实验舱内进行科学实验。

王亚平的外形集中了中国古典美女的秀丽和女军人的英姿飒爽,身材挺拔而纤细。人们禁不住要怜香惜玉:如此纤细的女子,如何承载繁重的维修任务?

这就需要人因工程设计更适合人体高效工作的辅助设备。

据透露,现在航天员的生活环境已经得到了极大改善,可以说从过去的一室一厅,变成了三室一厅,其适居性更好了,出舱服也做了极大地改进。

人因设计得越完美,人的不适感越小,离我们普通中国人进入太空的日子也就越近了。

面对未知之地

人因测评浮出水面

航天是一个复杂的巨系统,其中,最让科学家担心的,是当航天器脱离地球,这个我们熟悉的家园后,里面的人怎么生存,如何面对险恶的不适宜人生存的环境。也就是说,我们如何确保航天员“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。这是一门建立在失败、灾难、教训上的学科。

“埃塞俄比亚那架波音飞机是垂直砸下去的,砸到地下20米深。”刘大响院士前段时间看了波音737MAX客机最后失控状态的视频,“心里特别难受”。这个型号飞机在去年年底到今年年初的4个月时间两次坠毁,死亡346人。开始,波音公司把责任推到人的问题,说是驾驶员操作不对,但“我们分析不是这个问题,所以中国第一个作出停飞的决定”。事后印证了,这架飞机的飞行员在最后长达12分钟里上演了一场人机大战。据称一个系统反复迫使机头向下,飞行员多次将机头重新拉起,但最终在机器的蛮横指令下,驾驶员无能为力,造成人间惨剧。

“现在一切领域完全由机器来指挥,这是有风险的。”这位中国著名的航空发动机专家说,波音737MAX在更换发动机后,没有进行足够的试飞,更未做包括人因在内的综合测评,结果惨痛。

陈善广认为,波音事故再次引发了业界对人机功能分配的深度思考,不重视人因测评也是主要原因。其实在航空航天领域发生的许多事故可归于人的失误或机器的防误设计不够。

“消灭操作失误,是我的终身奋斗目标。”1970年把中国第一颗人造卫星“东方红一号”送上太空的胡世祥中将这样说。他参与组织了100多次卫星、火箭的发射试验。

让他记忆犹新的是1982年发射通信卫星。模拟飞行几次后,数据显示火箭飞行17秒就短线了。

“查。插座扒开看焊接点如何,一天一夜翻个底朝天,没查出问题。”所有人哪也去不了,都在等,他感觉压力山大。最后发现,是一个插座里有个焊锡粒子在滚来滚去。再追溯上去,是上海的一个女检验员身怀六甲,“心情不好,漏检了”。

今天,说起航天就是万无一失,都是从胜利走向胜利。其实,在胡世祥的记忆里,有一段惨淡的时光。那时,中国刚刚开始帮助国外发射商业卫星,连续因为插头问题、马大哈问题而失败。“朱镕基任副总理的时候到我们基地视察,问,胡司令,你能不能打三个卫星上去俩,掉下一个?你现在一个上去,一个下来,我们心脏都受不了”。

“插头、插座往往就是个简单的问题,但是简单的问题造成的结果很沉重。真可谓是,一颗螺钉联系航天事业,小小按钮维系民族尊严。”胡世祥向与会的人因专家呼吁,对这些低级错误,人因专家能不能给一个措施,一个办法,减少人为失误,保成功。

陈善广指出:消灭人为差错确保安全一直是从事复杂系统和工程项目的各级指挥员和工程师追求的目标,人因工程为此提供了理论指导和设计方法。这些系统是人设计的,必然会打上人的烙印。必须要对系统进行相对独立的人因测评,不通过这种测评的系统不得通过最终验收。载人航天正在建立这种管理和技术体系。

人因工程的学科理念是体现以人为中心的设计理念,让机器适应人的需求,学科目标使整个系统实现安全、高效率、高效能。典型特点是系统工程思想、面向设计和多学科融合。可以说人因工程是以人为本的系统工程。

老子说:上善若水,水利万物而不争。陈善广多次借用这个理念指出:人因如水,你高,我便退去,不淹没你的风采;你低,我便涌来,弥补你的缺憾。越来越多的大国重器将人因工程引入了自身的顶层设计。

走向深空的桥头堡

月球上何时会车来人往

正如下围棋,当你走一步的时候,必须设计到未来的三到五步。

当人们正在为2020航天大年而欢呼尖叫的时候,中国载人航天已经开启了飞向月球的深度布局。

走向深空,为什么首选月球?陈善广说,载人航天有三个主要目标:一是探索未知;二是开发和利用空间资源;三是拓展生存空间,寻找新的家园。而月球,是“我们走向深空的桥头堡”。

在很多科幻小说中,月球上的水冰、氦3、重要矿产等资源被克隆人和机器人开采,运回地球,服务人类。那么,月球将会变成什么样,会不会真像陈善广说的那样也有车来人往?

他认为,我们未来的月球城市会分阶段实施:前哨站、半永久基地,然后才是永久性月球家园。

月球家园以地下建筑为主,可利用月壤和月岩保温、隔热和防辐射。采用3D打印,把月尘、挖掘的月壤打印成建筑材料。选择地下空间容易钻挖建设的地方,以月岩作为基地辐射掩体。

陈善广的描绘让人充满美妙的畅想,也许,等我们有了超大推力火箭,有人因工程等学科的大力支撑,实现这一步就近在咫尺了?

但他话锋一转,谈到了一场“成功的失败”。

当年,奔月的美国阿波罗13号仅飞行了55小时46分钟,氧气罐搅动就导致了飞船服务舱的严重爆炸。飞船开始失去动力,失去热量,更重要的是,宇航员失去了可呼吸的氧气。

“但,宇航员急中生智,将宝瓶座登月舱充当了救生船,最终摆脱月球引力,安全地返回了地球。这是靠人的智慧,发挥了人的作用的成功案例,所以是成功的失败。”陈善广希望用这个例子告诉大家,我们要进军月球,就必须有更先进的人因工程理念和设计。

因为人因工程就是在失败和死亡的基础上建立的一种功效学科。

什么是好的设计师?“在危险之下,系统有发挥人的作用,恢复安全的能力。”陈善广指出,受阿波罗13号这次经历的启发,未来我们的登月舱会直接携带逃生舱,这样能增大航天员生还的希望。

航天的特点就是之前设计了很多逃生设备,比如,火箭发射在大气层内有逃逸塔,如果遇到不测可以跳伞回到地面。所以,无论是进入天宫太空舱还是将来去月球,都要把安全高效放在第一位。

“通过月球家园的建设与开发,人类将走向深空、移居火星、走出太阳系,星火传承,在茫茫宇宙传播人类文明!”陈善广把目光投向了未来。

也许在若干年后回望,2020年对中国航天是个很重要的时间节点,这么宏大的计划,就是从空间站的核心舱——天和,走出第一步。(记者 堵力)

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