载人航天系统的适人性问题（上）

载人航天系统是一个典型的人－机－环境系统。人－机－环境系统以系统的安全、经济和高效为目标，在处理好人、航天器、环境之间的关系的基础上实现系统优化。载人航天系统在处理人、航天器、环境之间的关系时，必须解决四个适合问题：使载人航天器适合于人(载人航天器的适人性问题)；使载人航天器适合于飞行环境；使人适合于航天器(航天员的培训)；使人适合于环境(航天员的培训)。

在上述四个适合问题中，载人航天器的适人性又是最重要、最核心的问题。为了完成人在空间预定的试验和探索任务，载人航天器首先必须保证人在空间飞行全过程中的安全、健康和工作效率，即载人航天器首先必须保证其是适宜于载人的。

国际发展概况

载人航天器适人性问题的提出是在载人航天事业发展的初期阶段。在美国载人航天的早期阶段，如美国的“水星”、“双子星座”和“阿波罗”计划，适人性涵盖的内容主要集中于保证人的安全。“水星”和“双子星座”的运载火箭基本上是由“红石”短程导弹以及“宇宙神”和“大力神”洲际导弹发展而来，而“阿波罗”计划的运载火箭是专门为载人登月任务而设计的。不论是改进的火箭还是新研制的火箭，其满足适人性要求的主要措施是：1通过增加火箭系统关键部件的冗余来提高其可靠性；2通过增加火箭失效探测系统或增加其冗余度来提高火箭探测的可靠性；3通过增加火箭失效报警系统或增加其冗余度来提高火箭失效报警的可靠性；4增加乘员逃逸救生系统；5进行严格的地面试验和无人飞行试验。

随着载人飞行任务和技术的不断发展，在天空实验室、航天飞机和空间站计划中，载人航天器适人性所涵盖的内容逐步增加。除了保证人的安全以外，人的效能、人的健康管理和保障都成为适人性的重要内容。飞行任务的复杂化，乘员人数的增加，使得人的作用变得更加复杂，使得人与航天器相互之间的关系和影响变得更重要和更深刻。航天员不可分割地被链接到人－发射器－轨道器－返回器－有效载荷以及相应的环境这样一个共同的系统中。为了有效地将人这一要素整合到系统中，必须解决人的效能、人的健康管理和保障问题。

尽管随着载人航天的发展，对载人航天器的适人性的过程一直在履行，然而直到20世纪90年代初期，载人航天器的适人性问题仍然没有明确的定义，仍然没有从技术上明确地、系统地将其纳入载人航天器研制计划的管理中。1992年11月，美国航宇局建立了一个由其总部、约翰逊航天中心、马歇尔航天飞行中心、肯尼迪航天中心和斯坦尼思航天中心组成的委员会，对载人航天适人性要求进行定义。委员会成员在认真讨论和分析之后，认为载人航天适人性的履行是一个过程，是一个在解决人的安全、人的效能、人的健康管理和保障要求的同时，满足成本、进度、特性、风险和效益相互之间关系的约束条件。

为适应未来载人航天发展的需要，1998年6月，美国约翰逊航天中心制订了载人航天系统的适人性要求。2001年3月，美国航宇局空间飞行办公室制订了适人性程序和指导文件。自此，美国航宇局将适人性问题正式列为所有新研制的载人航天器的首要要求。目前，美国航宇局正在研究的乘员返回飞行器(CRV)和乘员及货物转移飞行器(CCTV)都将适人性作为系统设计和计划管理的第一项要求。

我国在开展载人航天技术的研制工作中，尚未明确提出“适人性”问题。尽管在“适人性”技术涉及的一些重要内容方面已经进行了多年的研究，主要体现在载人航天医学工程的研究工作中，包括对载人航天器的医学要求及评价、工效学要求及评价、环境控制与生命保障技术等方面，但对“适人性”问题进行全面、系统、综合的研究尚未开展。在中国载人航天领域明确地提出适人性技术，系统研究和规范适人性的技术内容，将有利于中国载人航天事业更健康、更系统、更规范地发展。

适人性基本定义

在讨论适人性技术之前，首先对与适人性有关的术语定义如下：

1．适人性(Human－rating或Man－rating)：证明一个正在被研制的系统能够以某种方式适宜于人(乘员)使用而风险最小。一个被证明满足适人性要求的系统必须保证：(1)人的安全；(2)人的效能(正常工作状态和降级工作状态)；(3)人的合适的健康管理和保障。

2．适人性履行过程：用于使一个系统达到适人性要求的过程和步骤。它是指一个在解决人的安全、人的效能、人的健康管理和保障要求的同时，满足成本、进度、特性、风险和效益相互之间的约束条件的过程。

3．一个通过了适人性评定的空间系统：指一个空间系统，它满足了接纳人参与其中所必须具有的设计特性、运行程序和要求；所有的风险都已被评估，并被消除或将其降低到可接受的水平；人的效能和健康管理及保障是合适的；系统已经被鉴定能够安全地支持人的活动；能够安全地进行需要人照管的工作，包括需要人从任何确信可能恢复的应急状态中将其恢复到安全状态。

4．适人性技术的总体考虑

适人性技术涵盖的主要内容如图1所示。对于一个载人航天系统，在其总任务确定之后，应制定对于这个载人航天系统的适人性要求。这些要求应成为总体技术指标的重要组成部分。适人性要求包括：安全性和可靠性要求；医学要求；工效学要求；环境控制与生命保障系统；可居住性及乘员支持；健康保障等。同时，应在工程总体计划指导之下，制定该载人航天系统的适人性履行计划，以保证适人性要求在其工程研制过程中得到履行。适人性履行计划也应是总计划的重要组成部分。在设计阶段，应针对适人性要求进行专门设计。在制定适人性履行计划的同时，还应制定一个适人性验证计划，确定并安排适人性试验验证项目，以检验适人性要求是否得到满足。在试验验证的基础上，应对载人航天系统进行适人性评定，确认载人航天系统是否达到了载人飞行的要求。

在制定和履行适人性要求的过程中,必须同时考虑经费、进度、系统整体特性等方面的限制因素。图2说明了适人性履行过程是一个复杂系统的整合过程。为了使一个载人航天系统适宜于载人，可能选择不同的方案。这时，必须对经费、进度、性能进行全面的分析，找出既能满足适人性要求，又使系统的研制总体优化的方案。

适人性要求

针对载人航天系统的任务要求制定适人性要求是履行适人性过程的第一步。由于适人性要求必须满足具体的飞行任务要求并遵循系统整体优化的原则，因此，飞行任务不同，适人性要求的具体内容也不同。但另一方面，由于适人性要求的制定必然是从人的安全、人的生命保障、人的健康、人的工作效能出发，因此，其主要内容将具有一致性。美国航宇局约翰逊航天中心针对未来载人航天计划制定了适人性要求以及程序和指导文件，规定了16条原则性要求。本文将对适人性涉及的6个共同性问题，以飞船或空间站为背景进行分析论述。

1．一般要求

（1）为人的空间飞行而设计

载人航天系统与无人航天系统及其他航空航天系统有着重要的差别。它必须充分考虑“载人”及空间飞行的特点，必须专门针对已确定的适人性要求进行设计、制造、检查、试验和鉴定，使其成为一个适宜于载人的空间系统。

（2）执行航天设计标准

在载人航天事业发展的进程中，应建立和不断完善载人航天标准体系。标准是前人长期实践经验的积累，是用时间、金钱、众多的失败甚至生命换来的知识。载人航天器的设计、制造和试验必须遵守相应的标准。

在采用替代的近似标准时，应对其进行确认，证实替代标准或近似方法符合或超过许用标准或方法规定的特性要求。

2．安全性和可靠性要求

保证人的安全是载人航天系统适人性最重要的技术内容。设计和运行一个载人航天系统必须使其具有尽可能高的安全性和可靠性，保证航天员的安全。

（1）安全性指标

在规划和设计一个载人航天系统时，首先应该确定这个系统的航天员安全性指标。目前，在定义航天员的安全性时常用“在整个计划寿命期间，航天员安全返回的概率”。例如有关文献规定：应设计这样一种计划，使得在整个计划寿命期间，乘员安全返回的累积概率高于0.99。

航天员安全性的定义及其指标的确定与事故的分类有关。一般是按不发生航天员死亡或永久性残疾的灾难性事故考虑。

（2）安全性控制一般准则

1通过设计选择消除危险或使危险最小化

控制危险的第一个措施是在设计过程中通过不同方案的设计选择，消除已识别的危险和危险条件，或将危险事件及其影响的严重程度减至最小。

2使用危险探测及安全装置控制危险

对于那些通过选择设计不能消除的危险，应采用危险探测及安全装置使危险减小并得到控制。在载人航天系统中，使用危险探测及安全装置控制危险已被证明是非常有效的。

3使用报警装置控制危险

载人航天器必须设置安全显示和报警系统，为航天员和地面控制人员提供必要的信息，便于其采取相应的安全措施。安全显示和报警系统应按照故障的严重程度进行分级，如告诫(时间不紧迫，但需航天员注意)、警告(需航天员立即处置)和紧急报警(需航天员立即采取应急措施)，应明确告知航天员有关故障的状态，并为航天员提供处置故障的安全措施和能力。对于紧急报警，必须具有相应的应急安全措施和能力。地面发射和控制人员应能近实时获得报警系统的信息及状态参数，支持航天员对故障做出正确处置。

4使用应急程序控制危险

当通过采用设计选择、安全装置和报警装置仍不能减小某一危险的危害性时，必须制定相应的应急程序，保证航天员的安全返回。需要特别强调的是，应急程序必须通过试验验证确认其有效性和适用性，并考虑相关人员的培训问题。

图3以飞船为例，说明在整个飞行任务期间发生各种故障时，为了保证航天员安全返回而可能采取的措施，主要包括发射台紧急撤离；发射台逃逸与营救；上升段逃逸与营救；轨道段舱内压力应急、缺氧、二氧化碳及有害气体浓度增高等大气环境参数应急、舱内火灾等应急状态下的应急返回；陆上及水上的搜索救援等。各种措施的最终结果，都应是保证航天员安全地返回和回收。

（3）故障容限设计

故障容限设计是载人航天器最基本的安全设计准则之一。当故障会导致航天员伤亡或航天器毁坏时，必须进行故障容限设计。故障容限设计的准则是：任何单一故障不允许造成航天员伤亡或航天器毁坏；操作人员的任何单个差错不允许造成航天员伤亡或航天器毁坏；两个故障，或操作人员的两个差错，或单一故障和操作人员的单个差错同时出现时，不允许造成航天员伤亡或航天器毁坏。

有关文献规定，所有用于保证航天员安全的关键系统应设计成双故障容限。如果这一要求不能实现，则应将系统设计成不存在引起乘员丧失生命的单一失效。为了达到这一要求，在任务运行和后勤补给允许的条件下，可以将维修措施作为冗余。

对于用于支持关键安全功能的软件，也应具有上述类似的故障容限要求，除非该软件在其发生故障到产生危险后果的时段内能够被修改并生效。

（4）安全性关键项目控制

为了保证在飞行任务的每一阶段乘员的安全和任务的成功，必须按照任务的阶段和设计特性，对保证安全性要求的关键系统、关键功能、关键操作进行分析，确定对这些关键项目的专门要求。关键项目必须在计划初步设计评审阶段被批准,并编制成相应的文件。在运行使用之前，这些关键项目的适用性和在保证安全性方面的作用应得到确认。

（5）安全返回准则

载人航天系统应该充分利用所有可利用的技术途径，保证在已经考虑到的各种故障状态下，系统都能转入安全返回模式。安全返回是载人航天器最重要的安全性设计准则。

对于载人飞船，在其飞行的所有阶段，都应提供中途失败、中止飞行、安全返回的模式及技术措施。

在发射准备阶段，应提供发射台故障状态下航天员紧急撤离或逃逸救生的措施。在发射飞行段，载人飞船系统不能单纯依靠提高运载器的可靠性来保证飞行的安全，而要采用火箭故障探测系统。在故障达到某种状态时，中止飞行，转入逃逸救生，将有效地提高航天员安全返回的概率。这一技术已被载人航天发展的历史所证实。有关文献规定，对于从地球到轨道的载人航天器，其飞行的所有阶段都应提供中途失败中止飞行模式，同时应该提供一个乘员逃逸系统，在飞行失败时，能够使乘员安全地脱离和回收。逃逸系统保证乘员成功返回的概率为0.99。在轨道运行段，应提供故障状态下中止飞行应急返回的能力。在返回段，应具备故障状态下应急人控返回的能力。

对于与另一个航天器邻近飞行和对接飞行的载人航天器，必须保证载人航天器上的航天员能够在任何时间中止邻近飞行和解除对接的能力，以保证载人航天器能够安全返回。

地面测控通信和搜索救援能力对于保证载人航天器的安全飞行和返回是至关重要的。特别是对于应急返回的载人飞船，地面测控通信和搜索救援是保证航天员安全回收的重要条件。

3．医学要求

载人航天器的医学要求是载人航天适人性的一个重要方面。图4 列出了载人航天医学要求所涉及的主要技术内容。首先，要研究和分析飞行全过程(发射前、飞行中及着陆后) 可能遇到的各种环境因素，研究这些环境因素对人的生理及心理状态的影响，确定人在这些环境因素影响下正常工作及应急状态下的安全限值，提出对于这些环境因素的控制及防护要求。同时，应确定人的生命保障要求，并提供人体在飞行环境下的生理数据。

载人航天系统的设计必须满足上述医学要求。运载火箭和飞船的飞行动力特性必须满足加速度、冲击、振动等允许限值的要求，载人航天器必须提供控制和防护有害环境因素的措施和手段，为航天员创造一个安全和舒适的舱内大气、噪声及辐射环境，为航天员在空间生活和工作提供必需的生命保障条件。

载人航天器适人性医学要求的制定，应以保证航天员的安全、身心健康和工作效率为目标，以具体的飞行计划和任务为依据，其内容应该是全面的、完整的和合理的。(待续)

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