載人航天器上的按鈕有講究

◆馬振政

圖/東方IC

隨著天和核心艙成功入軌，中國載人航天全面邁入空間站時代。兩個乘組各有3位航天員先后搭乘神舟十二號、十三號飛船進入太空，在“天宮”駐扎值守。從天地連線的視頻中，我們得以一窺航天器的內部布局。飛船和空間站內部按鈕表示的功能復雜多樣，經過了航天設計師的精心設計，便于航天員在太空中更好地操控航天器。

眼花繚亂的操控區

20世紀70年代以前，由于計算機技術不夠成熟，科研工作者使用匯編語言開發航天器操作指令，載人航天器通過顯示器顯示狀態和操作流程，并設置了大量的操縱桿、按鈕、警報燈、儀表等。

當時，美國的載人航天器駕駛艙的布局借鑒了同期飛機座艙的“T”形布局，

大多采用機電式儀表。

根據載人航天器的航行任務，航天員操作的重要儀表如全姿態儀、地平儀、飛行高度等基本儀表，均安裝在航天員的主視區，一些次要的飛行儀表則被置于主視區附近。

攝影師丹?溫特斯曾拍攝了一組名為《太空艙》的照片集，照片中展示了“奮進號”“亞特蘭蒂斯號”和“發現號”3艘航天飛機的駕駛艙——駕駛艙操控臺附近布置了形式不同、功能各異的按鈕，它們被安裝在駕駛艙的四壁，甚至連“天花板”上也有它們的身影。

2015年1月16日，美國宇航局公布了國際空間站內部結構的視頻。為滿足航天員生活、空間站維護、科學研究等需求，空間站內的各種按鈕被賦予了更加豐富的功能。

圖1 國際空間站內景照片（圖/NASA）

這些按鈕中包含確保航天器正常運行的按鈕，主要有操控姿態控制系統、生命維持系統、報話通信系統等按鈕，還有保障航天員工作和生活的按鈕，如操控空氣更新系統、廢水處理和再生系統、航天服務等按鈕。它們的作用包括控制飛船飛行姿態、監測飛船工作狀態、保護航天員的生命等。不過，很多時候這些系統都由電腦控制，只有在出現緊急情況或有特殊需求時，才會由航天員手動操控。

不受待見的觸摸屏

載人航天器上的按鈕如此之多，科學合理的設計顯得尤為重要，要在保證操作便捷性的同時，避免各種容易產生問題的設計。比如載人航天器在運行過程中，因太空環境復雜，航天員可能經常在倒立狀態下操作按鈕，很難完成復雜指令的輸入，所以在定義按鈕的時候，需要盡量避免讓航天員頻繁輸入指令或者輸入較長的指令。

圖2 “聯盟號”飛船內部空間擁擠，布滿按鈕 （圖/NASA）

載人航天器中還應盡量避免大面積采用觸摸屏。觸摸屏便于操作，給人們的生活帶來了極大便利，但在載人航天器上卻很少見，這是為什么？

首先，從操作性上看，觸摸屏免去了物理按鈕需要“按”下去的動作，觸摸屏的虛擬按鈕是“點到即可”。航天器在飛行過程中會出現劇烈抖動的情況，這時想要“一擊即中”是比較困難的。

其次，從可靠性上看，觸摸屏較物理按鈕更易出現問題或遭到損壞，一旦出現問題，整塊屏幕上的操控鍵將無法使用。觸摸屏如果成為主要操控系統的唯一操作媒介，一旦出現問題，航天員將失去對航天器的控制權。因此，物理按鈕一直被公認為是最可靠的設計，伴隨著載人航天器的一路發展。它在操作的過程中給人以物理反饋，相比觸摸屏更有真實感、更準確。

按鈕設計五原則

航天器不是程序員的電腦，完成輸入指令后等著輸出結果就行。在日常飛行中要完成出艙維修、科學實驗、人體健康檢測等任務，不可避免地需要航天員手動操控按鈕。根據需求，設計師需遵循以下5條原則。

1.簡單

要將復雜功能匯聚于一個按鈕，一個操控按鈕完成一個功能，而且按鈕之間相互獨立，一個按鈕的損壞不會影響到其他按鈕的正常運行。例如艙體對接、分離的動作分別由獨立的按鈕控制完成，包括按照程序設定控制對接、分離，以及手動對接、分離的按鈕。

2.配備操作說明書

飛船設計師編制了操作說明書，仍需花費大量的時間將這些操作爛熟于心，方可完美地完成演示驗證試驗。航天員并非飛船設計人員，雖然經過了長期培訓，但在高壓環境下，仍不能完全依賴對操作指令的記憶，還要配備操作說明書以備不時之需。

3.位置、顏色有講究

按功能重要程度分布按鈕位置，并設置不同顏色的按鈕燈，可以幫助航天員直觀地了解按鈕功能的重要程度，既可以縮短查找時間，方便操作，又能降低航天員的誤操作概率。

4.重要指標、警報一目了然

當載人航天器出現問題時，除了警報還需要有警示燈閃爍，且警示燈被設置為不同顏色以區分警報的重要程度。紅色標識為最高警報，一般要將解決最棘手問題的按鈕設置在最明顯的位置，例如氧氣不足時。

圖/東方IC

5.具備防誤操作設計

重要操控按鈕要配備保護罩，防止誤碰，比如返回按鈕。想象一下，航天員在執行任務過程中不小心碰到了返回按鈕……

此外，載人航天器上采用軟件、硬件對操作流程進行協同控制，例如航天器的姿態控制由測量器、數據處理系統和執行機構3個部分共同完成。

未來趨勢

圖3 載人“龍”飛船內航天員通過觸摸屏執行操作，并實時觀看視頻畫面(圖/NASA)

人機交互堅持以人為中心的設計理念，經過多年的發展，語音控制技術水平快速提高，在語音識別技術支持下，計算機能理解人類語言指令并完成操控。這項技術可實現載人航天器的飛行自動化。該功能的擴充不僅可以減輕航天員操作的體力負荷，還可縮短航天員的反應時間。

2020年，SpaceX公司研發的載人“龍”飛船成功實現首飛。“龍”飛船的操作界面并沒有布置太多按鈕和刻度盤，而是采用了超大的觸摸屏，屏幕上集成了很多復雜的系統，整個操作系統看起來非常酷炫，讓人驚嘆不已。由于物理按鈕較少，駕駛艙顯得十分簡潔，充滿科技感。

隨著航天技術的不斷發展，一系列的改變正在循序漸進地進行著，載人航天器上的物理按鈕也在逐步優化。隨著觸摸屏可靠度的提升和語音助手技術的發展，也許在不久的將來，載人航天器操作將非常方便，更加符合我們心目中宇宙飛船的樣子。