宇宙在进化中创造了能部分理解它的物种。 是人类。

从混沌开始到宇宙时代，作为唯一已知的智能生命，人借助各种工具认识了世界改造世界，实现了物种的延续和文明的进化。

但是，在人工智能技术飞速发展的今天，为什么还要派人上天呢？ 人与机器在太空任务中如何协同工作？ 载人航天作为有人参与的航天活动，如何注入和升华“人”的价值？

载人航天是一个由多个系统组成的复杂工程，也是一个由人、机、空间环境构成的系统工程。 超越体现国家意志、振奋民族精神、推动科技进步、持续未来文明的维度，本文从空间站工程师的角度谈谈人在太空中的作用，以及载人航天为了满足人在太空的需要而进行的系统设计。

人的重要性，万物难以取代； 以人为本，航天从初心开始。

前篇

无可替代的人：智能物种的地外使命

“假舆马者，非利足也，致千里； 划船的人不能喝水，断绝河流。 ”2000多年前，我们的祖先总结了骡、舟船等工具对人类能力的巨大扩张。

工业革命以来，人类可以使用的工具发展到自动化设备、机器人、人工智能等。 机器的应用无法取代人力，将产生专业分工、产业链、第三方服务多个领域的更多岗位。

站在宇宙时代的开始，宇宙先驱冯布朗认为，空间站人们的主要任务之一是更换照相机胶卷。 今天，无论对地天气观测，胶卷都不再使用了，但人在太空不仅没有失业，而且做了更多、更复杂、更有意义的工作，科学家、工程师等更多的工作岗位细化到了宇航员的职业。

机器能代替人吗？ 这个新鲜而古老的话题已经有了答案。 几百年来，从地球到天外，技术不断进步，但人能做的工作已经超过了同时代的机器能力，或者说基于时代的机器能力有了更高的需求，机器在补充或替代部分人力劳动的同时，为了做更“高级”的事情，需要动手和动手“高级”是相对于时代的，人类所拥有的超越机器的能力与时代无关，因此载人航天也总是以“人”为设计起点。

在1984年的航天飞机STS 41-D任务中，宇航员Michael L. Coats从堵塞的IMAX照相机中取出了胶卷。 (图源： Space.com/NASA ) )。

1、现场人大不相同

遥控已经是人类开展航天活动的基本方式，但现场人员参与可以获得更高效、更直接的操作效果和更综合、丰富的成果。 这些典型的作业现场包括科研和技术试验、空间站的运行操作、在空间站及其他轨道设施的组装建设等。 它们的共同特点是具有专业知识和技能的人能够根据现场多种信息综合判断，实时做出有针对性的决策，实施物理操作。

(一)科学研究和技术试验

这样的工作是探索性的，按照“尝试-评价-修正-重试”的过程反复进行。 人在现场可获得第一时间全面的试验信息，判断当前状态，从而形成下一工作方案，调整确定试验状态和参数。 地面专家团队只依靠有限的遥测数据开展工作，而载荷专家航天员可以在现场利用丰富的状态信息进行综合判断和高效决策。

现场专家还可以直接交换试验样品，调整试验片和试验设施的状态。 这些操作必须“看着摸着”才能进行——。 以现有的技术能力为基础，地面人员要想通过远程操作达到同样的效果，约束和难度要大得多。

在空间站内，高性能计算机的配置和在轨3D打印、原位材料加工等技术的发展，将进一步增强现场人员介入试验的能力。 天地链接表示，载人航天活动可以形成轨道试验与地面专业中心技术保障相结合的负荷专家工作模式，充分发挥天地所长。

2021年11月21日，中国载人航天官网视频截图，神舟十三乘组进行了在轨科学实验。 (新华社发)

)2)空间站运行操作

空间站是一个庞大的机、电、热综合设施，包括大量机构和机电类产品，人直接操作不仅效率高，而且容易判定操作结果。 例如，对于阀门、动作机构等产品的开关和运动状态，地面通常以“是否发出开/关指令”或机构所在部位的“按钮开关是否动作”为依据。 由于传感器的原理和实现方法的限制，很多情况下很难直接判断设备的可动部件“是否在物理上动作”，人进行操作时可以根据手柄的位置、阀门的角度、机构的位置等实时判断操作结果。

现场人员的更大好处是快速处置能力。 发生“动作不全”时，能够迅速判断是实际物理动作故障，还是传感器、信息传输等其他环节的问题，第一时间采取措施。 机构类产品的物理动作最适合“看得见、看得见”，这也是无人航天器上配置了摄像头，地面人员可以直接从图像中判断太阳翼的展开、机械臂的动作等状态的原因。

)3)在空间站和其他轨道设施的组装建设

我们经常把空间站的轨道建设比作在太空里搭积木、盖房子。 它实质上是在基础设施增加、拼接、调整的过程中，与舱内舱外复杂精细的机械、电气操作相关，非常适合现场人员大显身手。

国际空间站去年的两大动作就是这种操作的典型。 一是美国船区由多组多名航天员出舱安装、连接、展开等工作，完成了两组新太阳能电池阵列的安装升级。 二是俄罗斯宇航员在舱外和舱内操作连接电缆、网线，安装舱外设施，使新发射的“科学号”( Nauka )多功能飞船真正成为国际空间站的组成部分。

第一个模块自1998年发射以来，国际空间站的主要结构桁架的组装和许多舱的扩展都是由宇航员在机械臂的辅助下完成的。 截至2022年4月28日，国际空间站已开展250次宇航员出舱活动，对空间站进行组装、维护和升级。

2022年4月28日，俄罗斯宇航员实施了国际空间站的第250次出舱活动，设置为支持新的欧洲机械臂的启用。 (图源：美国航天局) )。

2、人是机器的备份或补充

在载人航天活动中，人工操作经常作为自动操作的备份和补充手段。 人机操作和自动操作是两个独立原理不同的异构控制器，可以理解两者相结合可以大大提高提高系统的可靠性。

典型的独立备份设计是对接。 在交会的大部分过程中，系统都需要进行测量轨道和轨道计算，人是无法胜任的。 在交叉口，由于主动机器人进行位置和姿态的六自由度控制，人的视觉和运动能力在这一关键时段发挥作用。 在此阶段，自动系统利用雷达或光学测量装置进行位置和速度测量，利用光学传感器结合三维靶标测量相对姿态，利用控制计算机计算控制参数，向推进系统发出控制指令； 宇航员直接目视或摄像机观察目标图像，通过人的立体视觉判定姿态，根据自己的空间运动感和姿态判断进行方向盘操作，控制航天器的飞行动作。 通过这种设计，可以在自动系统故障时立即人手交接，确保安全，继续执行任务。

人的控制作为一种补充设计，常见于机械臂的操作。 在机械臂辅助出舱活动的过程中，大范围移动通常由计算机进行路径规划和执行，可以有效避免障碍，优化机构运动。 到达作业现场需要微调时，由于现场宇航员能够更好地了解自己的需求，直接观察，获得比依赖摄像机影像更全面的三维空间信息，因此，这一阶段多采用“听作业宇航员指挥”的方式对机械臂进行局部姿态调整。提高为了提高效率，这种指挥和执行一般不采用天地协同模式，而是由舱内宇航员按照舱外密码操作仪器和手柄。 欧洲机械臂( European Robotic Arm/ERA )的现场操作更为“现场”，为舱外宇航员配置了操作盒。 通过操作箱子上的手柄和按钮，宇航员可以像在舱外作业现场驾驶挖掘机一样操作机械臂。

我国首次手控交会对接成功

3、应对事故是人特有的优势

宇航员执行的轨道设施维护主要是硬件设备的更换和维修，是数据注入、软件升级等“软”方式无法实现的、机器执行困难的项目。 在国际空间站20多年的飞行中，宇航员更新了寿命到期的机泵组，分解了故障的控制力矩陀螺，将氢镍电池升级为锂电池，人机操作涵盖了各种设备的维护工作。

航天员起更大作用的工作是处理除设计状态外，还需要现场根据具体情况判断的问题。 典型的例子包括哈勃望远镜的5次轨道修理和维护升级，国际空间站阿尔法磁质谱仪( Alpha Magnetic Spectrometer/AMS )热控系统的维护。 为了解决哈勃望远镜镜头组装误差的问题，宇航员必须拆除相对无关紧要的设备(高速光度计)，才能在面向天安装有为哈勃定制的修正镜的有限体积内留出安装位置。 第二种情况，工程研制了20余种专用工具，经过地面试验在天操作，根据航天员每次出舱的实际操作情况制定了后续任务方案，最终完成了AMS制冷系统管道的维护。

应急措施是航天员处理的最严重故障，在世界载人航天史上屡见不鲜。 国际空间站密封舱泄漏，航天员通过关闭舱门隔离密封舱、在疑似泄漏区域覆盖塑料薄膜等方法定位泄漏点； 和平号空间站发生火灾，宇航员通过灭火器等手段灭火，然后恢复空气成分，修复部分设备的失控礼炮7号空间站，由联盟叔13宇航员控制对接进行修复。 有宇航员在轨道的维护，设计寿命为5年的和平号空间站可以连续工作15年，国际空间站运行20多年后在技术上也可以延长寿命。

“随机应变”的现场处置和应急措施，都是“意想不到的”。 发生这种非正常情况时，输入数据和训练数据过大，机器难以以最佳性能应对。 而人通过根据自己的知识、经验和逻辑判断，往往能够用智慧解决问题、化解危机。

1997年2月，美国宇航员在航天飞机STS-82任务中出舱修理哈勃望远镜(图源： NASA/ESA )

4、研究人员自身也是航天的重要任务

人是载人航天的活动主体，也是研究对象之一。 从神舟五号的某一天到空间站任务的6个月里，我国宇航员连续在轨道飞行。时间越来越长。 研究空间环境中的人是保障当前飞行任务健康安全的基础，也是未来载人登月、星际旅行的前奏。

通过比较研究分别在宇宙和地球停留1年的同卵双胞胎宇航员的生理、心理指标，NASA的科学小组部分明确了宇宙飞行对人类染色体端粒、认知能力、基因表达等的影响。 我国也结合以往的载人飞行任务对航天医学问题的产生机制进行了深入研究，发展了高性能的综合干预防护措施。 航天医学实验和空间科学研究与应用、航天技术试验一起，构成了中国空间站的三个应用领域。

神舟十二号宇航员聂海胜在轨测试心肺功能(图源： CCTV ) )。

尽管脑科学研究已经取得了很大的进展，我们对大脑工作原理的了解仍然非常有限。 复杂的信息加工能力和综合判断能力，就像世界给人类这个物种带来了特别的礼物。

让机器执行运算量大、逻辑相对确定的工作，投身于高度创造性甚至不可预见的活动，不仅是地球科技和生产领域的共识，也是世界各国发展载人航天、引导人从近地走向深空的系统设计的根本。

下篇

万无一失的系统：人类在太空的最佳平台

既然人类在宇宙中的作用是无可替代的，载人航天的根本作用就是人类在宇宙中创造工作和生活的平台。 虽然该平台是最直接的载人航天器，但其维度实际上已经远远超出了航天器本身，通过工程各个要素的人通过设计和技术方案的优化，使整个系统达到了为“人”服务的最高状态

作为航天工程师，我们需要通过设计航天器及其运行系统来确保人的安全，在基本生存环境的基础上建立人的舒适生活条件，最终设计和建设高效的工作岗位和保障条件。 这一切都是对载人航天任务需求的回应，也体现了中国空间站设计的后发优势。

1、安全第一的系统设计

确保人在太空的安全是载人航天的第一要务。 载人航天作为一个多系统、多专家参与的系统项目，围绕保证人的安全要求，在整个大系统的布局和运行中设计了多项安全措施。

)1)多舱空间站安全逻辑

多级空间站的一大优点是各级相对独立，可以分散承担安全保障功能，并且在局部出现问题时可以通过物理隔离保证全局安全。

例如，在国际空间站舱段的功能分配中，安全功能相互支持。 尽管技术难度很大，两国的技术路线不一致，但俄罗斯的美国船舱里保证了各配置一套再生式生命保障系统。

中国空间站以天和核心模块为平台控制管理中心，统一控制整个空间站。 天问实验室可备份完整的能源管理、信息系统、控制系统、载人环境等关键功能，在核心模块故障时接管全站控制。 针对核心模块失火、失压等严重故障情况，宇航员长时间这里还配置了完整的再生式生命保障系统和应急物资，等待地面故障处置和救援。 梦天实验室进行关键功能的设备级备份，进一步提高提高系统的安全性。 针对航天员出舱活动的安全性，上天将在实验室配置主气闸舱，以天和核心模块节点模块作为备用气闸舱。 如果出舱过程中出现主气闸舱问题，航天员可以通过节点模块返回舱内，确保出舱活动安全。

中国空间站在轨组装过程(图源：中国载人航天工程办公室) )。

)2)救生船和终极安全方案

如果宇航员遇到安全问题，终极解决方案是返回地面。 地面环境避免了所有的空间不安全因素，人在地面上得到的保障与轨道相比也几乎是无限大的。 这一“最安全”原则对空间站提出了可随时让宇航员返回地面的要求，从而引出“救生圈”概念，——载人飞船将宇航员送上空间站后，不会立即撤离，而是始终与空间站保持一致

站多少人，需要多少人的救生能力，这与轮船配备救生艇的要求是一致的。 在任务安排上，保障了一系列具体要求和措施。

——无救生圈有人站立，或人数多于救生圈容量的，暂时或长期不允许。 例如，如果需要进行交会试验，或者需要更换接口以便飞船暂时分离、再次对接，无论操作需要多少人，对应的机组都要全员进入飞船，万一任务出现问题，全员都在飞船上，安全返回地面

——救生船在停车时不能完全断电，处于休眠状态，测量等设备可以开机值班，随时接到指令唤醒全船。

——救生圈内必须储备必要的返回物资，定期进行巡视检查，航天员也要定期进入飞船检查，确保飞船状态良好，随时可用。

——救生船万一发生无法返回的故障，第一时间，发挥最大能力发射新宇宙飞船进行交接。

2021年10月16日，神舟十三号成功对接天和核心模块径向端口。 (图源：中国空间技术研究院)。

)3)上天前被称为地面救援船

(1)时间接管故障救生船的航天器，即地面救援船。 在空间站的长期载人运行中，要真正全时保证在轨人员的安全，需要地面持续待命的救援船。

从神舟十二号任务开始，我国将结合连续任务，采用滚动方式进行地面救援值班。 神舟十二号准备发射时，神舟十三号也进入发射场，完成了测试。 神舟十二号飞船发射后，神舟十三号飞船在发射场作为救援船待命，接到救援指令后，最短可发射到时间，执行救援； 在神舟十三号正式任务开始前，神舟十四号进入发射场，完成测试……如此循环，各船滚动执行救援待命和常规飞行任务。 这种任务模式的优点是每艘船在地面上的等待。时间不长而近似，避免了专用救援船长期存放带来的一系列问题。

2021年9月17日，随着神舟十二号返回地球，神舟十三号由救援船变为正式任务船。 (新华社记者琚振华摄) ) ) ) ) )。

)4)轨道设计以安全返回为目标

由于返回地球是最安全的，空间站的轨道设计也必须为在各种情况下尽快返回地球创造最佳条件。

采用——回归轨道。 各国的载人空间站都位于高度340-450km的轨道上，这是平衡考虑大气层的宇宙辐射防护效果和轨道衰减因素的结果，因为该高度的轨道具有2-3天恢复的特性。 也就是说，空间站通过的地面区域(包括返回坠落区域和地面观测站)以2-3天为周期重复，可以编制比较固定的返回飞行程序。 这对于应对返回的安全性，特别是发生时刻不确定的紧急返回非常有利。

——设计选择返回放置区。 正常返回时，航天器应降落在地理、气候、搜救等条件较好的区域。 我国采用陆地返回着陆的方案，比海上飞散方案对设计的约束更大。 由于满足着陆场条件的着陆区域有限且地理位置固定，轨道倾角的设计要求空间站在返回周期内能够通过尽可能多的着陆区域。 每天通过一次，就可以每天按常规程序返回预定着陆区域。 为了应对地面气象条件的不确定性，还需要考虑在距离主着陆区域足够远、天气有差异的地方设置副着陆区域。 在空间站运行稳定、能够提供足够安全和物资保障的情况下，在轨等待可以避免地面恶劣天气，降低对副着陆场的依赖。 也就是说，在时间 )等天气下改变空间(选择其他地区着陆)。

——设计选择紧急坠落区。 紧急着陆区的设置针对在空间站不支持单独飞行时宇宙飞船发生故障，需要尽快着陆以确保宇航员的安全的情况。 这里的“尽快”是指宇宙飞船在自身能量和氧气等资源被消耗之前安全着陆。 考虑到最坏的情况，故障可能在任意时刻发生。 工程应结合轨道返回特性，在全球范围内选择足够多且合适的区域作为紧急着陆区，保证“尽快”的(时间 )内航天器有选择地坠落在这些区域内，而不会坠落在设计外的地方。

天宫一号空间实验室的飞行轨迹(图源： Phillyvoice ) )。

)5)载人月面探测安全策略

低轨道载人航天，紧急情况下飞船约45小时即可返回地面； 即使回到主着陆场，也一定要在一天以内。时间 因此，“返回地面”成为近地飞行任务中多种应急模式的对策。 前述的和平号火灾事故，考虑马上放弃宇宙空间站返回，但最后火势得到控制，首先返回3人，留下3人继续在车站进行修复工作。

但是月球的任务不同。 即使不考虑月球表面起飞和环月轨道的轨道变更等工作，光是从环月轨道返回地球轨道就需要3天以上。 紧急情况下这个时间太长了。 笔者与俄罗斯同行交流时，对方非常重视的是，要进行月球表面持续工作的有人月球表面探测，必须改变低轨道应急机制，形成新的应急体系。

事实上，在各国目前提出的长期月球探测任务方案中，设计了月球轨道空间站。 月球轨道站的重要作用之一是成为月球人员紧急情况下的临时安全避难所。 面对月球未知环境和登月所需的推进剂等代价，可以在稳定的月球轨道上建立和运行更安全、可靠、资源更充足的空间站。 从安全性的观点来看，这样的配置方案实际上形成了“尖端探索(月球表面活动)前方基地)月球轨道宇宙站(大后方)地球”的安全系统。

2、航天器作为空间生存场所

在安全有保障的前提下，宇宙飞船必须为人类提供基本的生存条件。

)1)大气环境

大部分在轨飞行时间在密闭室内，耗氧，产生二氧化碳和一些有害气体，同时空间站上的设备和试验装置也会释放少量有害气体。 因此，舱内环境需要动态控制大气压和成分。 从和平号空间站开始，长期飞行的空间站拥有再生式生命保障系统的中国空间站也配置了电解制氧、再生二氧化碳清除、微量有害气体净化、冷凝水处理及尿液处理等系统，实现了物质闭环度高的载人环境控制。

)2)微生物控制

人居住的环境中会繁殖微生物。 如不加以控制，微生物不仅危害人体健康，而且腐蚀设备。 因此，微生物防治是长期载人飞行生存环境安全的重要问题。

空间站的微生物控制也是一项系统工程。 抗菌防霉材料只有在设备生产和舱总装测试中选择清洁、检测和环境控制，前一天采用空气净化、水净化和表面擦拭等方法净化，持续控制微生物，才能保证人能健康生存的环境。

)3)空间环境保护

宇宙射线危害人体健康。 大气层防护、飞机防护、飞行时间控制、人体防护三种方式。 以防护当量衡量，地球贡献最大，低轨道区的地球大气和磁场保护可使银河宇宙线辐射强度降低70%-90%； 飞机采用金属结构，并合理地将设备布置在人员活动区周围是有效的防护手段； 目前，各国宇航员每次飞行任务一般不超过半年，也是为了控制总辐射量。

在以下情况下，如果上述三种手段不同时得到满足，则会带来空间环境影响的风险。

——船外活动。 宇航员在舱外活动中失去了对宇宙飞船金属外壳的保护。 舱外时间累计辐射剂量应单独计算。 各国在计划正常出舱任务时，一般要求航天员在出舱6-8小时飞行中避让南大西洋异常区——，该区域磁场强度比周边弱30-50%，范艾伦辐射带在此凹陷至200km，在400km轨道飞行的空间站较低

——柔性空气舱。 格罗航天公司( Bigelow Aerospace )的可膨胀活动宇宙飞船( bigelowexpandableactivitymodule，BEAM )已经对接国际空间站并投入试验应用，许多其他公司的商业空间站也多层新型材料柔性机房在保温、空间碎片防护、结构强度、密封、内部防伤防刺等方面性能有了很大提高，但由于材料密度低，对空间辐射的防护效果远远低于金属。 因此，BEAM目前是具有正常大气环境的试验室，人员可以进入，但不能长期停留。 柔性气舱的导轨性能还在持续评估中。

——深空飞行。 载人深空飞行往往长达数月甚至数年，距离地球较远，现有航天器技术水平无法保证运载器辐射剂量的安全性，缺乏三种防护手段。 在没有月球表面等大气的环境下长期工作也存在同样的问题。 因此，深空飞行器防辐射和利用月球表面原位资源建设防护场地值得深入研究。

空间站再生保险系统体系结构(图源：航天医学与医学工程)。

3、太空生活变得更好

生存问题解决后，必须为宇航员改善生活条件，才能飞得更久，工作更好。 随着载人航天实践经验的积累和技术的进步，空间站的生活条件也逐渐从保障足够的硬件条件发展到兼顾身心健康。

位于国际空间站的圆顶舱( Cupola )设计精良。 它是距离舱面1.5米的全景阁楼，为机械臂操作、飞行器对接等任务时飞行工程师提供了观察点，更有意义的作用是让长期居住在狭小密闭空间的宇航员来这里眺望地球和星空，放松心情拱顶房应该是设计理念和技术进步双重作用的成果，难以想象谁会特意开发出直径近3米、重1.8吨、似乎没有实质性工程功能的全景天窗上天。

国际空间站的巨蛋室(图源： NASA ) )。

在生活条件方面，中国空间站引入宜居设计理念，保障宇航员生活和心理生理健康。

——生活区和工作区。 两个区域相对独立，在空间尺寸、照明、色彩、标识等方面进行了特殊设计。 生活区配备卧室、厨房、卫生间，布局和设备配置上充分考虑便利性和私密性。 设计要求，每间卧室均有舷窗，生活区和工作区有相应的噪声指标和控制措施。

——训练设施。 飞机内配置有跑步机、自行车等固定的运动设施，宇航员也配备了拉力等便携式运动器材和阻抗运动装置。 科学的轨道运动帮助宇航员保持体力和身体功能，有助于在轨任务的完成和返回地面的恢复。

——智能家居管理和娱乐。 基于无线WiFi网络，项目为航天员设计了工作、生活、娱乐APP，通过智能手机、平板电脑控制实现了空间站的智能家居管理和物资管理。

——天地网络。 天地互联网保障双向音视频，航天员不仅可以看地面电视节目，还可以通过网络电话与家属、队友、医生、技术支持人员通话。 这是真正的“天涯若比邻”。

神舟十二号宇航员在轨锻炼(图源：中国空间技术研究院)。

4、上天是为了工作

上天，是为了执行任务。 在安全宜居的前提下，载人航天器应当为航天员设计更好的工作场所和方便的工作方式。

(1)人机界面设计

从计划阶段开始，对航天员操作使用的设备和接口同时进行工程设计。 随着空间站的研制，相关产品的地面验证必须进行从系统到单机的各级工作效率的验证和评估，以便前一天以后宇航员能够安全、高效、方便地驾驶。

)2)维护性设计

要想做好工作，一定要先发制人。 既然维护是航天员在轨工作的重要内容，空间站必须以满足维护需要为目标开展一系列设计。 主要工作包括：

——服务需求识别。 简单来说，比较易碎、寿命短的设备，或者损坏后影响安全和任务的重要设备，必须在设计上保证它们可以修理。 前者是寿命有限的电池和泵，后者是生命保障设备等。 相反，如果不可维修或不可维修的设备成本太高，则必须进行足够可靠的设计和制造，例如管道系统和干线电缆网。 这和装修房子很相似。 水龙头和灯泡可以更换，但嵌在墙上的上下水管和供电线通常不修理，不易损坏。

——设备可以修理。 对于单个设备，可以根据需要设计专门的工具，使宇航员在失重条件下甚至在舱外穿戴时，都能非常可靠地操作并有效地测试维修效果。 舱外设备维修难度更大，操作手柄、电缆插头等经过专门设计，使航天员能够在携带舱外手套的情况下开展相应操作。 在进行设备安装布局时，应当考虑航天员有足够的操作空间和照明条件。

——系统维护性支持。 轨道维修不能像地面那样全站断电停机，在维修中必须能隔离故障设备，维持系统运行。 更换水龙头时必须关闭上游的水阀，更换灯泡时解除此房间的电闸，其他房间可以用水供电。 航天器设计中，可维护设备具有备用设备持续运行维护功能，或本身可短时间断电不影响系统运行； 供电系统可以部分断电维修或更换故障设备，剩余供电的设备可以维持系统运行； 信息系统应避免设备在断开连接和访问时出现网络协议冲突等问题。

——工具设计。 宇航员的手持工具、机器人和机器人都是需要设计的工具。 从中国空间站已经完成的四次出舱任务中，可以看到典型的出舱操作工具及其表现。 宇航员乘坐团队进行高效人机合作，操作机械臂完成人与设备的移动； 舱外宇航员使用功能齐全的工具完成维修或组装任务； 空间站舱室外壁配置有宇航员穿舱外服时固定身体的脚挡，使宇航员能在工作点展开手脚。

正在进行地面测试的中国空间站机械臂(图源：中国空间技术研究院)。

) 3“太空港”设计

整个空间站都是航天员“好用”的工作台和“上手”工具，还可以成为航天员的航天母港提供服务。 例如，基于绕轨航天器在轨服务的创新模式，太空望远镜可以短期停靠天宫空间站，进行推进剂补给和设备维护。

与当时美国不得不多次发射航天飞机维修哈勃望远镜的沉重代价相比，共轨飞行服务模式方便、经济，大大扩大了载人航天飞机的“一专多能”。 这种工作模式也充分发挥了无人机和有人机的特点，避免了不同工作状态下可能出现的矛盾。 望远镜平时为无人卫星，可实现高精度、高稳定的姿态控制，不干扰人的动作，对天文观测极为有利，需要维护时可停靠空间站，成为载人航天器的一部分，航天员可进行相关操作。

(4)天地协同保障

宇航员并不是自己在天上战斗。 高效的天地协同，是充分发挥天地长项的重要保障。

阿波罗13号的返回是典型的例子。 宇宙飞船接近月球，服务舱的氧气罐爆炸，地面控制中心决定中止登月任务。 宇航员在地面工程师团队的支持下实施了紧急供电、空气净化器改造和返回制动，最终成功返回地球。 前面提到的BEAM空气舱提供了现代天地协同的例子。 BEAM在首次展开过程中曾因气垫舱软质织物间摩擦力超出预期而中止展开，天地3队3354协同在轨宇航员乘组、飞控中心NASA队和毕格罗研发队——完成了故障定位和处置。 地面工程师们熬夜观察密封舱状态变化，结合航天员现场调查情况，一些会商进行问题定位，实时指导航天员操作，“航天员操作——膨胀密封舱变化——天地协同观察判断——讨论形成下一步操作意见” 在第二次展开的7个多小时里，宇航员手动打开充气器25次，成功填满BEAM展开。

中国空间站的核心模块在轨飞行已经一年多了。 从已完成的舱外和舱内任务来看，天地大系统保障下的轨道操作模式已经形成。 在未来空间站的建设、扩建、升级和在轨服务应用中，将有更强的地面专业团队支撑的航天员在轨工作能力，人类在太空的作用将得到更充分的发挥。

( 2021年11月7日，北京航天控制中心拍摄的神舟十三号宇航员翟志刚走出船舱的画面(新华社记者郭中正摄) ) ) ) )。

千百年来，技术改变了人类主要的劳动形式，更加凸显了人的智力优势。 技术更新和人的进步，在动态互补、相互适应中进行。 人以其智慧不断创造更先进的技术，人要自我提高以适应技术迭代速度的技术为发展人的能力、拓展人的生存空间、实现人的全面发展提供了更好的条件。

这就是人类在宇宙中的意义。

中国空间站的时代正在慢慢开启。 人达到空间站，空间站也达到和提高人的价值和尊严的人是载人航天的一部分，与载人航天一起构成更大的系统，共同探索极限，追求世界。 (完) )。

监制：李晓云

编辑：王鑫蓉

校对：崔祎璁