陳善廣:人因工程助力太空“一帶一路”
發布日期:2020-01-02 瀏覽次數: 字體【

“中國空間站在功能、應用效益、建造技術、物資補給等重要指標方面,將可全面超越和平號空間站,達到或接近國際空間站水平;在信息技術、能源技術、動力技術和運營效費比方面,我們將超越國際空間站水平。”中國載人航天工程總設計師周建平院士在第四屆中國人因工程高峰論壇上透露。

中國空間站示意圖

同時,中國載人航天工程副總設計師、論壇主席陳善廣指出:“在人因工程學科支持之下,中國空間站定將為中國航天員和世界航天員提供一個溫馨的太空之家,并且做出中國人原創性的成果。”

人們對2020年充滿了無限暢想——空間站時代即將到來,航天大年來了!

 

航天員在天上會喝自己的尿嗎

再生生保系統是長期駐留的標志

“尿在地面可能是一種廢物,但是在天上是一種資源。”空間站系統副總設計師吳志強在之前說了很多高深術語,當說出這句話的時候,外行們為之一震——航天員在天上會喝自己的尿嗎?

古人說“不垢不凈”,隨著科技發展,看來顛覆我們“三觀”的時刻到了。

從神舟五號楊利偉上天開始,中國進入載人航天時代,有了第一代生命保障系統支撐。后來的神舟每上天一次,都會在人的保障方面上一個臺階,到上次的神十一號任務,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尚生活。

下一步,中國進入空間站階段了,會有什么不同呢?

航天員要在空間站駐留長達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飛船保障,可發射一次成本代價太高,生命保障系統必須升級——物理化學再生生保系統便應運而生。

“機器要為人服務。”陳善廣經常強調的這句話相信是我們共有的信念,而事實上這百年來,隨著技術的不斷進步,人類對機器的依賴和崇拜越來越強烈,漸漸忘卻了自己的初心。

但機器永遠替代不了人。人有不確定性,同時人也是不可替代的因素。人親身面對新鮮事物和復雜問題的時候,產生的情感、通聯思考與綜合決策能力是機器無法企及的,對科學推動力是最偉大的。

面向長期航天飛行的物化再生生保系統如何可靠高效運行,空間站的建設會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施長期在軌駐留的關鍵性標志系統。這套環境控制與生命保障系統,不僅收集轉化人在系統里的汗液、尿液,而且以建立人的生存環境為目標,保障人高效而舒適地工作。也就是說,這套系統的創造設計實踐全部都是圍繞著人打轉,服務于人在密閉航天器中吃喝拉撒睡和干活兒。

“再生生保技術非常復雜,被稱為世界性難題。從美國、俄羅斯研制的過程可以看出,技術難度非常大,投入也非常大。”吳志強介紹,美國空間站上的一套水處理系統,研制費用兩億美元。國際空間站搭建了10多年,再生生保系統真正只用了五六年。

為什么美俄在這套系統上那么舍得投錢?

因為據他們計算,1公斤的物質運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值相當。“當然這只是水,還需要盛水的容器,加在一起,經濟代價就更大了”。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個月到一年多的用度,可以說是源源不斷地燒錢。

國際空間站已經花了1000多億美元,中國怎么把空間站的設計、管理做得更好,以更少的代價來實現科學的追求、技術的追求,對我們是一個挑戰,只有做到這一點,我們才能有一個可持續發展的方式。

“再生水,某種意義上是在軌生產的一種水。它是從廢物中提取出來的,為了保證人的生命健康,必須嚴格符合醫學要求。”吳志強的科普給大眾的一個事實,即,如果我們要環游太空,也需要重復使用被轉化了的艙內人員的“尿”。

不得不說,當人類放眼浩瀚太空的時候,深感其無比廣闊,沒有邊界。而當人類反觀自身,簡單的吃喝拉撒睡竟然也是一個無比精密,沒有邊界的場域。而對自己的研究,卻決定了我們如果離開腳下的土地,能走多遠。

不過,這么金貴的再生裝備萬一用著用著壞了咋辦?這就涉及一個典型的人因問題——航天設備的在軌維修。

 

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

蘇聯的和平號空間站當時的設計壽命只有5年,因為有人的參與,和平號空間站才一直延續到1999年,因為俄羅斯運行維護的代價無法承受才自主離軌。同樣,現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。

看來,空間站的壽命不僅是造出來的,更是修出來的。

周建平揭秘——

這回,我們還將部署“巡天”望遠鏡,與哈勃望遠鏡相比,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。在需要空間站對它進行補給,航天員對它進行維修,或者需要進行設備升級的時候,它可以停靠到空間站上,由航天員進行必要的操作以后離開,然后繼續保持共軌飛行狀態。

大家都知道,在地面上我們擰動改錐,可謂不費吹灰之力。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小航天器般堅硬沉重的航天服,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螺絲的問題,也要把一整個模塊換掉,來確保安全和高效。

陳善廣表示,空間站在軌運行將達到10年以上,有許多設備包括航天服和再生生保系統,通過維修和零部件更換可大大延長在軌使用壽命,降低運輸成本。而如何保證維修質量、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。

據透露,現在航天員的生活環境已經得到了極大改善,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。

人因設計得越完美,人的不適感越小,離我們普通中國人進入太空的日子也就越近了。

 

面對未知之地

人因測評浮出水面

航天是一個復雜的系統,其中,最讓科學家擔心的,是當航天器脫離地球這個我們熟悉的家園后,里面的人怎么生存,如何面對險惡的不適宜人生存的環境,而且又工作得宜人、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、災難、教訓上的學科。

“埃塞俄比亞那架波音飛機是垂直砸下去的,砸到地下20米深。”劉大響院士前段時間看了波音737MAX客機最后失控狀態的視頻,“心里特別難受”。開始,波音公司把責任推到人的問題,說是駕駛員操作不對,但“我們分析不是這個問題,所以中國第一個作出停飛的決定”。事后印證了,這架飛機的飛行員在最后長達12分鐘里上演了一場人機大戰。據稱一個系統反復迫使機頭向下,飛行員多次將機頭重新拉起,但最終在機器的蠻橫指令下,駕駛員無能為力,造成人間慘劇。

陳善廣認為,波音事故再次引發了業界對人機功能分配的深度思考,不重視人因測評也是主要原因。其實在航空航天領域發生的許多事故可歸于人的失誤或機器的防誤設計不夠。

陳善廣指出:消滅人為差錯確保安全一直是從事復雜系統和工程項目的各級指揮員和工程師追求的目標,人因工程為此提供了理論指導和設計方法。這些系統是人設計的,必然會打上人的烙印。必須要對系統進行相對獨立的人因測評,不通過這種測評的系統不得通過最終驗收。載人航天正在建立這種管理和技術體系。

人因工程的學科理念是體現以人為中心的設計理念,讓機器適應人的需求,學科目標使整個系統實現安全、高效率、高效能。

老子說:上善若水,水利萬物而不爭。陳善廣多次借用這個理念指出:人因如水,你高,我便退去,不淹沒你的風采;你低,我便涌來,彌補你的缺憾。越來越多的大國重器將人因工程引入了自身的頂層設計。

 

走向深空的橋頭堡

月球上何時會車來人往

正如下圍棋,當你走一步的時候,必須設計到未來的三到五步。

當人們正在為2020航天大年而歡呼尖叫的時候,中國載人航天已經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,載人航天有三個主要目標:一是探索未知;二是開發和利用空間資源;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”。

陳善廣認為,我們未來的月球城市會分階段實施: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,但他話鋒一轉,談到了一場“成功的失敗”。

當年,奔月的美國阿波羅13號僅飛行了55小時46分鐘,氧氣罐攪動就導致了飛船服務艙的嚴重爆炸。飛船開始失去動力,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,將登月艙充當了救生船,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。”陳善廣希望用這個例子告訴大家,我們要進軍月球,就必須有更先進的人因工程理念和設計。

因為人因工程就是在失敗和死亡的基礎上建立的一種功效學科。

什么是好的設計師?“在危險之下,系統有發揮人的作用,恢復安全的能力。”陳善廣指出,受阿波羅13號這次經歷的啟發,未來我們的登月艙會直接攜帶逃生艙,這樣能增大航天員生還的希望。

“通過月球家園的建設與開發,人類將走向深空、移居火星、走出太陽系,星火傳承,在茫茫宇宙傳播人類文明!”陳善廣把目光投向了未來。

也許在若干年后回望,2020年對中國航天是個很重要的時間節點,這么宏大的計劃,就是從空間站的核心艙——天和,走出第一步。(堵力)

信息來源:中國青年報
(責任編輯:周雁
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