载人航天系统的适人性问题（下）
时间：2022-06-05 10:49:01 浏览次数：次
4.工效学要求
航天工效学研究人与航天器及航天环境之间的关系，从而提高人在航天中的工作效率。载人航天器的设计应满足工效学要求。图5 给出了工效学包含的技术内容。载人航天器舱内结构布局应满足可居住性要求。居住空间的设计应满足航天员的生理和心理需要。人在航天中生活和工作所需要的最小空间是一个关系到人的生理和心理的十分重要的问题，其主要限制因素是人呆在此空间中时间的长短。对于短期飞行或短期占用的空间，其舱室体积可以小一些；对于长期飞行或较长时间占用的空间，其舱室体积应大一些。
在考虑空间的分配时，应满足航天员在舱内各项活动任务的要求。从人的活动性质考虑，载人航天器舱内一般有四类功能区：工作区；公共区；个人区；服务区。工作区是航天员完成对航天器的监视、操作、控制和通信等任务的空间。公共区是用于准备膳食、进餐、锻炼、集体娱乐和自由活动的场所。个人区是睡眠和储存个人物品的私人处所。服务区用于个人卫生及储存衣物、医疗和生活用品等。在航天器的结构设计中，还应对座椅的布局及安放、工作台站的布局、舱门和舷窗的设置等进行合理设计，使其满足航天员在舱内活动的要求，提高航天员的工作效率。自动化程度在航天系统中的不断增加，大大改善了人作为操作者的效率，特别是对于那些消耗时间的任务，例如系统监视功能、故障诊断、导航和精确的轨道管理。尽管如此，人在航天中和在系统运行管理中的作用仍然十分重要，人能对硬件的失效以及未预料到的事件做出响应，有利于提高任务的安全性和可靠性。因此，在载人航天器人－机功能分配的设计中，应十分重视发挥人的作用。航天器应为飞行中的乘员提供合适的察觉能力、干预能力、跨越自动化之上的控制能力、启动不可逆动作的权力和相对于地面的自治权，这样航天员才能发挥更大的作用。
人－机界面的设计，包括显示器和控制器的设计应与人在空间的行为和能力相适应，使得航天员的负荷和人为差错最小。显示器和控制器的设计应以详细的功能和任务分析为基础。这种分析应由具有航天器显示器和控制器设计经验的人的因素工程师、航天器工程师和乘员组成的一个综合组完成。
载人航天器舱内照明是影响航天员生活和工作效率的重要因素，舱内照明设计应满足人在舱内活动的要求。舱内照明分为一般照明、特殊作业照明、睡眠区照明、应急照明和手提式照明。应根据航天员生活和工作任务的需要，确定合适的照明强度和光源设置。
警告和报警系统是为载人专门设置的安全系统。警告和报警系统的设计应满足安全控制的需要，同时应与人的行为能力相协调。警告和报警系统应按照故障和异常情况的严重程度及需采取措施的紧急程度进行分类设置，可分为告诫、警告、紧急报警。告诫用于在时间上不太紧迫，但如果航天员不给予注意，有可能会进一步恶化的情况；或故障引起冗余状态丧失，而再次故障可能导致更严重的报警。告诫可采用普通音调和灯光信息报警。警告用于需要航天员立即进行处置，防止发生影响飞行任务和可能造成人员伤亡的情况。警告报警一般同时采用声音和视觉两种信息，使舱内航天员立即感受到报警信号。紧急报警用于需要航天员立即采取紧急措施，防止发生危及人员生命安全的情况。这类报警应采用专门设计的紧急的声调和灯光信息，能够唤醒沉睡的航天员，同时，应有视觉显示，说明发生的紧急情况及应采取的紧急措施。
5．环境控制与生命保障
为满足环境控制与生命保障医学要求，载人航天器应设置环境控制与生命保障系统，为航天员创造一个安全和舒适的舱内外生活和生存环境。它提供人呼吸所需要的氧气，补充座舱(或服装)的气体泄漏；排除人体代谢产生的二氧化碳和其它有害气体；保证合适的气体压力、氧分压，二氧化碳和其它有害气体不超过允许浓度；保证合适的环境温度和湿度；为航天员提供食品、饮用水和卫生用水；收集和处理航天员的大小便及其它废物；探测舱内发生的烟火事件并提供灭火功能。图6给出了载人航天器环境控制与生命保障系统的8种功能：舱内大气压力控制；舱内气体成分控制；舱内温湿度控制；水供给；食品供给；废物收集处理；便携式个体生命保障；火烟探测及灭火。
根据飞行时间、乘员人数等飞行任务的不同，环境控制与生命保障系统在满足上述功能时可能选取不同的技术方案。短期飞行都采用储存式消耗性系统，氧气、水、二氧化碳吸收剂、食品都是按照消耗品储存在航天器上。对于中长期飞行，储存式系统的重量和体积将大大增加，必须采用物理化学再生式系统，应用可再生的二氧化碳吸收剂，从二氧化碳中回收氧气，对废水进行再生处理后重新使用。对于火星探险及月球长期居住，则必须发展受控生态生保技术，构造综合式系统，实现空气、水、食品等主要生活物质的循环使用。由于环境控制与生命保障系统是生命攸关的系统，在定义系统的功能时，还必须考虑航天器及环境控制与生命保障系统本身可能发生的应急状态，应具有一定的应付紧急事件的能力，包括预警和报警能力；座舱突然减压时维持舱压的能力；由座舱循环系统应急转入航天服循环系统的能力以及必要的灭火措施和能力等。
6．可居住性及乘员支持
载人航天器必须是适于人居住的。航天器具备支持人在舱内生活的各种设施，这是载人航天器适人性的一项基本要求。前面已介绍过舱室的可居住性要求，这里重点介绍乘员支持方面的保障问题。
图7给出了乘员支持的主要功能。一般包括下列功能：个人卫生；起居、厨房及食品支持；个人铺位；个人使用物品；家务管理；应急物品；限制和运动辅助支持。
个人卫生支持应提供大小便收集设施(该设备由环控生保系统提供)的场所以及个人卫生用品。
起居、厨房及食品支持为航天员提供食品、食品准备以及起居和用餐场所。
乘员个人铺位为航天员提供个人睡眠、更换衣服以及业余活动的地方。
个人使用物品是在空间飞行期间航天员每天日常活动中使用的物品，包括衣服、照相机、文具及娱乐设备。
家务管理是为航天员舱内清洁管理提供支持，包括用于收集散落在舱内的干、湿碎片和液滴的干/湿吸尘设备、擦拭物品、清洁剂和垃圾收集包等。
便携式应急物品分为空间飞行中使用和着陆后使用两种，飞行中使用的，例如在火灾、舱内严重污染及舱内减压时使用的便携式呼吸器，在舱内发生应急状态时使用的应急补给品等。着陆后使用的应急物品包括个人通信联络设备、救生食品及饮用水、生存用品等。
限制及运动辅助支持分为人员限制、设备限制和运动辅助。人员限制是在失重状态下为舱内活动人员的身体给予约束和支持，使得人体的位置及姿势相对稳定。设备限制是对舱内活动的设备提供约束和支持，防止其在舱内飘浮。运动辅助是为舱内活动人员的运动提供帮助。
7．健康保障要求
载人航天器要满足适人性要求，必须具有航天员的健康保障功能，维持飞行中乘员组的健康、安全，并使其保持最佳的行为状态。健康保障包括健康状态监测、空间环境影响的对抗措施、与健康有关的环境参数的监测以及健康维护功能。
对于短期飞行，健康保障系统较为简单。对于长期飞行，健康保障将面临严峻的挑战。长期空间飞行会对航天员的生理和心理产生重要影响，必须在健康状态和环境的监测、对抗措施以及健康维护方面采用新的技术。
图8给出了在长期飞行的国际空间站上健康保障所涵盖的内容。其健康状态监测是通过监测航天员的某些生理指标来评定航天员的健康状态。它包括日常监测及锻炼时的监测。对抗措施是采用锻炼或非锻炼措施，防止失重环境条件下心血管及肌肉骨骼等系统的失调。环境监测用于监测国际空间站上水的质量，包括总碳、总有机碳、总无机碳的浓度、pH值和电导率等，监测空气中、水中及暴露表面的微生物状态，监测舱内及航天员接受的辐射水平，监测一些特殊的有害物质的浓度，如燃烧产物、挥发性有机物等，在舱外活动之后探测舱外机动装置受到肼污染的情况。健康维护为航天员制定飞行中的作息制度，合理地安排工作、睡眠、用餐、锻炼、个人卫生和娱乐时间，提供疾病预防、诊断和治疗，提供地面医学支持。
适人性履行计划
在图1中给出了适人性履行过程的管理控制。在确定了适人性要求之后，应制定适人性履行计划。载人航天器的适人性履行计划是适人性履行过程控制的一个重要环节。适人性履行计划应针对一个具体的载人航天系统，描述其从初期的系统要求评审到其寿命中止的整个过程中，履行载人航天适人性要求需要控制的要素和基本原理。载人航天适人性履行计划的管理要点如下：
1． 计划的管理者应以任务目标、技术、风险及其它计划特性为基础，为载人航天器的研制计划制定一个载人航天适人性履行计划；
2． 在载人航天适人性履行计划中应包括一个验证计划，以保证载人航天适人性所有功能和性能设计要求得到了实际遵守和落实；
3． 必须将载人航天适人性履行计划整合到整个计划管理中，使其成为总计划决策的一个有机部分，包括成本、进度、特性和其它计划性风险；
4．适人性履行计划必须提交载人航天适人性评审授权机构进行评审并得到批准(载人航天适人性评审授权机构是一个由技术专家组成的独立评审组)；
5．应按照载人航天适人性要求以及所确定的程序，严格执行载人航天适人性履行计划；
6．在第一次载人飞行之前，及在载人适人性履行计划规定的其它关键点，必须对其研制计划遵守载人航天适人性履行计划的情况向载人航天适人性评审权力机构提供证明。
适人性验证
对载人航天器进行适人性验证的目的是检查和确认其满足了规定的适人性功能和特性要求，以便为其“载人”飞行提供通行证明。在适人性履行过程管理中，应制定一个适人性验证计划。该计划应与总计划和适人性履行计划相一致，应保证在载人飞行之前完成系统的适人性验证工作。
适人性验证的技术内容应与适人性要求相一致。包括系统的安全性和可靠性验证；医学及工效学验证；环境控制与生命保障系统验证；乘员支持和健康保障系统验证；地面测控通信及搜索救援系统验证等。
载人航天器适人性验证方法可以采用分析、比对、试验等方法。在系统研制的早期阶段，利用现代计算机图形仿真技术，对人－机关系和界面进行分析，可以使有关工效学及航天员任务方面的适人性问题在早期得到近于真实的验证，使得在样机研制出来以后，通过人－机整合试验才能发现的问题在设计阶段就得以解决，从而可以节省大量经费，缩短研制进度。美国航宇局约翰逊航天中心非常重视计算机图形仿真工作，并为人－机界面及航天员任务的优化设计起了重要作用。
试验是适人性验证的重要手段。适人性试验验证可以是设备级、分系统级、系统级或人－航天器整合状态的试验。人－航天器整合试验可以为适人性验证提供重要数据。载人航天器的无人飞行试验是最终也是最重要的适人性验证手段。在进行第一次载人飞行之前，必须安排和完成一个全面的和成功的无人飞行试验计划。无人飞行试验的状态，除了“不载人”以外，其它应与载人飞行的状态相一致。无人飞行试验在其准备阶段可以与人－航天器地面整合试验相结合。无人飞行试验应该覆盖整个飞行任务剖面。通过无人飞行试验要确认预定的飞行环境、关键设计参数、飞行前的分析以及分析数学模型的有效性，检验安全飞行的包络线，为载人飞行前最终的适人性评价提供全面、实际的特性数据。
适人性评定
载人航天器最终能否进行载人飞行，应该是在载人飞行之前，由一个独立的、由资深技术专家组成的适人性评审权力机构，对整个计划履行适人性过程进行评审的结果。经适人性评审权力机构评审通过的载人航天系统，才能转入载人飞行阶段。
结束语
世界各国的载人航天计划都是在无人航天计划或航空工业的基础上发展起来的。在载人航天计划中建立“载人”意识不是一簇而就的事情，它是一个知识、经验和教训的积累过程。美国从借用“红石”短程导弹和“宇宙神”、“大力神”洲际导弹发展“水星”和“双子星座”载人航天计划，到专门为载人登月任务设计“阿波罗”飞船及运载火箭，经历了载人航天计划发展的三个阶段，才真正较好地解决了“载人”意识问题。这是用时间、金钱甚至人的生命为代价换来的宝贵财富。
我国发展载人航天事业也主要依赖于火箭和卫星技术。如何解决载人航天器的适人性问题，对我们是一个严峻的考验。在载人航天计划的管理中，我们必须重视研究人与系统的结合，重视研究适人性问题，走一条“快，好，省”的发展道路。□