參與空間科學與應用操作的航天員職責

靳召君 ，劉迎春

（1中國科學院光電研究院，北京100094；2中國科學院研究生院，北京100094；3中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

1 引言

航天員的英文“astronaut”源自希臘語，是指隨著載人航天器發(fā)射進入軌道飛行的航天乘組人員?！癱osmonaut”是指蘇聯/俄羅斯載人航天任務中的航天員。隨著我國載人航天飛行任務的順利實施，新增了“taikonaut”一詞，即指中國航天員[1]。中國載人航天工程實施以來，成績斐然：繼神舟一號至四號任務成功后，神舟五號任務首次實現載人飛行，神舟六號任務實現了2人多天飛行，神舟七號任務實現了3人飛行并出艙活動，天宮一號目標飛行器發(fā)射成功并與神舟八號飛船完成交會對接，神舟九號任務3名航天員乘組（其中1名女航天員首飛）成功完成了人控交會對接及較長時間飛行。

航天任務中，通常由多名航天員組成飛行乘組，共同執(zhí)行相應的任務。我國計劃在2020年前后建立長期運行的載人空間站，開展大量空間科學與應用，將需要空間站和載人飛船的航天員參與進行有效載荷的操作。

本文調研了美國、蘇聯/俄羅斯執(zhí)行航天飛行任務中航天員的分類，分析了航天員乘組的各崗位職責及分工，重點比較了參與空間科學與應用任務及其有效載荷操作的航天員崗位及其職責，提出對我國載人空間站航天員參與載荷操作崗位職責的建議。

2 載人航天任務中航天員的分類

美國和蘇聯/俄羅斯作為載人航天技術發(fā)達國家，對載人航天任務的航天員乘組職責有明確的分工，并設立了相應的選拔條件和培訓過程。其他一些國家和組織（如歐洲航天局和日本等）也通過國際空間站參與了載人飛行，但由于沒有獨立的載人航天器，其航天員只能加入美國和俄羅斯的航天員乘組，在其中承擔部分職責。

2.1 NASA的航天員崗位

NASA的航天員進入太空，在飛行任務中發(fā)揮了重要的作用，其崗位職責隨著不同任務的需求不斷變化。

初期NASA的航天員全部來自飛行員。1964年，在美國國家科學院及其他機構的鼓勵下，NASA開始選拔科學家作為航天員，參與“阿波羅”登月計劃和近地軌道探測等任務，即“科學家-航天員”。科學家-航天員要求獲得醫(yī)學、工學或一門自然科學的博士學位，不必擔任過飛行員。這類航天員首先由美國國家科學院篩選和評估，再由NASA選拔。由于缺少飛行經驗，NASA將他們送入空軍飛行學校學習一年，才最終決定其是否能夠執(zhí)行飛行任務[2]。

1972年，航天飛機任務獲得通過，NASA開始選拔兩類新航天員：駕駛員及任務專家。同期，NASA也將載荷專家列入航天員計劃。隨著空間任務的多樣化，航天員需求擴展到女性及多學科的工程師和科學家，航天員的崗位職責與分工也不斷細化。航天飛機任務的航天員可以分為兩大類：一類為職業(yè)航天員，包括指令長、駕駛員和任務專家，其中任務專家又可細分為航天飛機飛行工程師、載荷指令長、教育任務專家和國際任務專家等[3]；另一類為非職業(yè)航天員，稱作“載荷專家”。一次飛行任務同時培訓2～4名載荷專家，由任務首席科學家在航天員選訓辦公室的幫助下確定其中2人作為主備載荷專家。1988年挑戰(zhàn)者號航天飛機失事后，不再設立教育任務專家，但仍然保留載荷專家[2]。

上世紀九十年代，美國、俄羅斯等國家共同開始建造國際空間站（ISS）。國際空間站密集的發(fā)射任務、廣泛的應用領域，都對航天員提出了更高要求。然而，由于“哥倫比亞”號航天飛機失事，NASA在2004年才開始選拔國際空間站的首批航天員。在國際空間站上，航天員的崗位主要包括指令長、飛行工程師、科學官員和飛行參與者等，但參與國際空間站歷次考察任務的航天員中不曾設置載荷專家一職；直至2011年航天飛機退役，也沒有航天飛機任務的載荷專家到達過國際空間站[3]。

隨著航天飛機退役、國際空間站進入全面應用階段，NASA開始思考后航天飛機時代航天員的選訓工作。2011年底，NASA啟動了新一輪航天員選拔工作，預計在2013年完成。這些航天員將完成ISS的在軌操作，包括出艙活動（EVA）、機械臂、科學實驗和在軌維修等任務，同時兼顧NASA的載人深空探測任務。

2.2 俄羅斯的航天員崗位

在蘇聯/俄羅斯的載人航天任務中，“聯盟”號飛船的航天員乘組包括指令長、飛行工程師和飛行參與者等崗位，其中指令長和飛行工程師為職業(yè)航天員，飛行參與者是非職業(yè)航天員。與NASA的載荷專家類似，從事空間科學研究相關操作工作的研究航天員為“聯盟”號飛行參與者，為非職業(yè)航天員[3，4]。

綜上，國外載人航天飛行中航天員崗位及其主要職責詳見表1。

表1 國外載人航天飛行中航天員崗位及其主要職責[3]

可以看出，美國和蘇聯/俄羅斯都非常重視與空間科學與應用操作相關的航天員，從早期的載人航天任務（如天空實驗室）起就設立了從事科學實驗操作的專職航天員。這些專職或兼職從事空間科學與應用相關操作的航天員，包括“阿波羅”任務中的科學家-航天員、航天飛機任務中的任務專家、載荷專家和國際空間站任務中的科學官員，以及俄羅斯的研究航天員等。下面逐一闡述這幾類航天員的職責和相關背景情況，并對載荷專家進行重點介紹。

3 與空間科學與應用操作相關的航天員職責和選訓

3.1 科學家-航天員

起初航天員均為飛行員，以確保起飛、在軌飛行及降落整個過程的安全。1958年，美國空間技術委員會向NASA提議，發(fā)展航天工程中的空間物理學和生命科學研究，提高載人航天能力；同時強調具有科學背景知識的人在實現這一目標中的重要性，建議貫徹落實科學任務的選擇以及相應科學家的分配。1964年，在美國國家科學院及其他機構的鼓勵下，NASA開始選拔科學家作為航天員，即科學家-航天員，主要從事科學、醫(yī)學、工程領域或者這些領域相結合的有關工作[5]。

申請科學家-航天員的人需為美國公民；身高不超過182cm；具有自然科學，醫(yī)學或工學的博士學位。除此之外，候選人還需要接受嚴格的身體檢查和國家科學院在科學方面的能力和學歷測試。對科學家-航天員的訓練一般包括：

（1）常規(guī)訓練：包括基礎學科學習、業(yè)務情況介紹、航天系統訓練、野外生存訓練、控制任務訓練、運載火箭故障終止訓練和航天器飛行項目訓練。

（2）飛行訓練：所有沒有接受過軍事訓練的候選人都要接受操作軍事噴氣飛機的訓練。

（3）技術訓練：按“阿波羅”和“雙子座”任務剖面，對分配的任務進行針對性訓練。

科學家-航天員參與“阿波羅”登月和近地探測計劃，職責包括艙外活動、評估設備在航天操作中的可用性及安全性、制定并分配“阿波羅”未來項目和實驗，以及“阿波羅”應用計劃的相關技術活動等。1961年到1975年之間參與飛行的航天員有4名來自科學家-航天員，1名被分配到“阿波羅”任務、其他3名被分配到天空實驗室任務中。

1974年11 月，NASA和其他幾個航天機構就航天飛機中的“科學家-航天員”的問題進行了深入討論，肯定了科學家作為航天員的意義，最終確定“科學家-航天員”可以參加航天飛機任務，但需要在接受更嚴格的訓練后作為航天飛機的“任務專家”參加飛行。

3.2 研究航天員

“聯盟”號飛船的航天員經過訓練，分成測試航天員（test-cosmonaut）和研究航天員（research-cosmonaut）。對測試航天員的要求較嚴格，經過訓練可成為指令長或飛行工程師；而研究航天員則與NASA的載荷專家類似，為非職業(yè)航天員，對其要求沒有對測試航天員那么嚴格[4]。上世紀九十年代蘇聯解體后，俄羅斯航天業(yè)資金短缺，制定了以商業(yè)為基礎的國際協議，進而擴展航天員選拔范圍，從別國選擇航天員參加“聯盟”號飛行。后來該協議進一步更改為出售“聯盟”號飛船上的席位，一方面賺取資金，另一方面增強與他國的合作，多數研究航天員為非俄羅斯籍。中國也在1986年首次與俄羅斯合作，選派人員參與學習了航天員訓練的整個過程，但未能通過最終的訓練獲得飛行機會[6]。

法國人Colonel Jean-Loup Chrétien以研究航天員身份參與了“聯盟”號任務，成為美國以外第1位飛入太空的西方人。1961年在法國空軍學院獲得航空工程碩士學位；1979年9月，被法國選派作為“聯盟”6任務的研究航天員參加飛行。在軌期間，用了將近7d時間，與其他航天員合作開展蘇-法聯合實驗，其中包括一系列法國心血管超聲波檢測系統的實驗[7]。

3.3 任務專家

任務專家一職設立于1978年，是從航天飛機第1批航天員選拔訓練開始的。任務專家可以是普通人員或者是無軍銜的軍隊人員。NASA對航天飛機乘組按照每次飛行任務（STS）進行職責分工和培訓。任務專家的主要職責范圍包括：航天飛機系統、乘組工作計劃、各種消耗品（燃料、水、食品等）、實驗和載荷等的協調操作，執(zhí)行EVA，操作機械臂（RMS），并負責載荷和特殊實驗的操作[8]。任務專家的訓練內容包括：掌握航天器系統、運行特點、任務需求和目標，以及所參與每一個實驗相關系統和設備的支持保障。

任務專家對航天飛機貨艙內的科學實驗和搭載Spacelab內的科學實驗都負首要責任。因此，NASA降低了對任務專家的飛行經歷要求，增加了對科學、工程或醫(yī)學方面研究（工作經歷）的要求。任務專家一般具有科學或工學碩士以上學位，相當多的任務專家還獲得了科學或醫(yī)學博士學位。在任務專家的培訓過程中，還強化了科學實驗相關內容。任務專家除第一年的訓練內容與駕駛員相同外，在確定具體執(zhí)行的任務后，主要接受與所執(zhí)行任務目標相關的培訓，包括熟悉空間站構型、微重力科學研究內容、對地對天觀測和其它類型的科學實驗，掌握修復衛(wèi)星、機械臂或EVA操作等。有經驗的任務專家大約2-4年隨航天飛機飛行一次，其它時間幫助其他乘員訓練或參與試驗。當飛行任務中包含復雜載荷時，任務專家可能會成為載荷指令長，協助指令長監(jiān)視實驗狀態(tài)，監(jiān)督實驗操作。任務專家也可作為飛行工程師或指令長在國際空間站上工作。

盡管任務專家也參與科學實驗操作，但他們最主要的技能是熟練操作機械臂和艙外活動[9]。以STS-118任務的任務專家Richard A.Mastracchio為例，他曾獲得理學和物理學雙碩士學位。他參加了此次任務的3次出艙活動，在出艙活動過程中完成了安裝結構組件、信號處理器、無線電轉發(fā)器及通信電子器件盒，回收散熱器，更換陀螺儀，挪動天線，升級通信系統等工作。同一飛行任務的另一名任務專家Barbara R.Morgan則主要負責機械臂的操作，并完成了航天飛機到空間站的貨物轉移。

3.4 科學官員

國際空間站以每6個月一次的航天飛機飛行為時間線，作為一次考察任務進行任務管理。其航天員乘組也按考察任務進行輪換，崗位組成與航天飛機不同，設指令長和飛行工程師。國際空間站的出現，令空間科學任務不再囿于短期、簡單的任務。長期、復雜的空間實驗，要求航天員必須精通空間站軟件、管理艙外活動和操作空間機械臂等很多其他的任務。航天員要增強在太空中進行長期生存和實驗的技能，提高處理偶然事件的技能，以及操作多項不同空間科學實驗的技能。2002年，NASA決定在國際空間站乘組中設立科學官員作為一類新的航天員，并在NASA職業(yè)航天員中選拔產生。最初，科學官員僅負責美國的空間實驗研究，后經與其它合作國商議決定，負責任務中所有國家的科學研究項目。

科學官員的職責如下：

（1）飛行前：了解所有乘員需要完成的任務，以及載荷的正確操作，對各種科學實驗有充分的準備。與載荷科學家們進行比較專業(yè)的溝通，接受嚴格的載荷和科學實驗訓練，以起到促進整個任務的作用。

（2）飛行中：在任務中，科學官員是所有科學研究實驗、硬件和整個任務的紐帶?？茖W官員擔任NASA實驗的操作，確定飛行過程中實際操作狀態(tài)和系統參數，了解載荷的最佳狀態(tài)和參數，使得操作效率更高；同時還負責確定實驗操作的次序，修復失效的實驗，判斷實驗結果正誤等等。在整個任務過程中科學官員還負責與媒體和公眾交流，展示實驗的進展。

（3）飛行后：與載荷科學家一起對整個任務進行分析；參加NASA舉行的各類公共事務；闡明整個任務過程中的實驗成果和相互聯系。

NASA在國際空間站第5次考察任務中第一次安排了作為科學官員的航天員Peggy Whitson。她具有生物化學專業(yè)博士后學位。第5次遠征任務中，Whitson在空間站上工作6個月，期間完成了移動基站系統、S1桁架和P1桁架、屏蔽設備等安裝和太空行走4h25min等任務，啟動、檢查了微重力科學手套箱和一個載荷設施，還開展了21項生命科學、微重力科學及商業(yè)載荷的實驗，并向地面控制中心及公眾報告了整個任務的執(zhí)行過程。[5]

科學官員即需要了解科學實驗及其技術問題，還要有良好的交流和溝通能力，能夠和其他人員配合默契，向大眾和媒體交流收獲和科學研究成果，因此要求其具有專業(yè)的科學背景和很強的從業(yè)經驗，能夠理解科學實驗，并對科學實驗負責。科學官員除承擔科學實驗相關的操作工作，同時還承擔航天器和機械臂操作、EVA等工作，以及科學教育普及工作。

國際空間站設立科學官員是一個有益的嘗試，可是效果并不顯著?？臻g站的科學教育、宣傳的工作不能單純依靠航天員完成，必須與科學家、技術專家結合起來，統籌組織，分工負責。

4 載荷專家（非職業(yè)航天員）的職責與選訓

載荷專家是NASA專為空間實驗設立的，曾經有51位載荷專家（其中8位參與兩次或兩次以上）參加過航天飛機任務，開展了大量空間科學和應用任務，見表2。

表2 航天飛機任務中載荷專家統計表[10]

續(xù)表

由表2，載荷專家負責航天飛機搭載的各空間實驗室中 （spacelab-1、spacelab-2、spacelab-3、spacelab-J、spacelab D-1、spacelab D-2等）的科學實驗或技術試驗，進行科學研究設備的檢測和觀察，釋放衛(wèi)星，并在突發(fā)情況下對科學儀器進行調整，但不負責導航、在軌操作等與航天器平臺相關工作。以STS-51-B的載荷專家王贛駿博士為例：他是第一位登上太空的美籍華人，在為期7d的太空飛行中，成功完成了自己設計的“零地心引力的液體狀態(tài)”實驗。此實驗對其后續(xù)研究工作產生了重大影響，據此開發(fā)了具有免疫隔離功能的多空膠囊系統。

NASA的航天器或實驗所需要的載荷專家，由項目的首席科學家提名，經NASA批準后確定。非NASA有效載荷實驗的載荷專家，則由資助方（包括研究機構、公司或商業(yè)機構）選定[6]；或者由NASA的國際合作伙伴（如沙特阿拉伯和墨西哥等首次參與載人航天飛行的國家）指定。載荷專家為非職業(yè)航天員，不必為美國公民。表2的51名載荷專家中，28名具有美國國籍，其余國籍為德國、加拿大、法國、沙特、荷蘭、墨西哥、比利時、意大利、日本、烏克蘭以及以色列等。以STS-41-G任務的加拿大籍載荷專家Marc Garneau為例，主要任務是完成加拿大布置的科學實驗任務。

多數載荷專家的專業(yè)為生命科學、醫(yī)學、物理學、天文學和航天工程，在飛行前已經是所在科學研究或技術領域的專家，或者是熟練操作航天飛機任務中專業(yè)設備的技術人員。在上述51名載荷專家中，32名具有博士及以上學歷、7名具有碩士學位，共占總數的76%。

載荷專家必須符合NASA嚴格的健康和身體條件標準，一經選拔出來后，即與NASA載荷專家服務處共同制定具體的訓練計劃。載荷專家的任務不包括航天飛機的操作，因此不需要進行職業(yè)航天員的操作訓練，但需要接受一系列的飛行訓練，熟悉航天飛機系統、載荷支持設備、航天員操作、日常管理技術和應急程序等。載荷專家的訓練一般分為[11]：

1）與載荷專家飛行任務直接相關的訓練，即與空間科學實驗和技術試驗有關的訓練內容，此訓練需要18個月以上；

2）與載荷專家飛行任務不直接相關的訓練，主要是了解航天飛機本身的航天環(huán)境、航天知識等[7]，此訓練需要6個月。

一般情況下，載荷專家在執(zhí)行任務后，會回到實驗室或者原工作單位，繼續(xù)從事地面相關科學研究。

5 對我國空間站航天員乘組設置的建議

我國計劃在2020年前后建立空間站，開展大量空間科學實驗與應用，涉及空間生命科學與生物技術、物理學、天文學、地球科學、航天工程等多個領域。有人參與的空間實驗，是載人航天空間科學與應用任務區(qū)別于衛(wèi)星任務的突出特點，尤其是一些大型實驗設施跨學科、高精密，需要航天員操作、維護或維修，甚至組裝和更換。

在分析國外載人航天任務中航天員職責和分工的基礎上，參照國外航天機構在航天員選拔訓練的實踐情況，對我國載人空間站中從事空間科學與應用相關操作的航天員崗位和職責提出以下幾點建議：

1）設立從事空間科學與應用相關操作的航天員崗位。美國、前蘇聯/俄羅斯經歷了半個世紀的載人航天飛行實踐，雖然其航天員乘組的崗位設置和職責分工仍在不斷演變中，但同樣都很重視設立從事科學應用相關操作的航天員崗位。延續(xù)全部從飛行員中選拔培訓航天員，候選者的空間科學與技術知識背景不作明確要求，將難以滿足我國空間站空間科學與應用的需求。

2）結合神舟飛船上開展的空間科學實驗情況，3人乘組中可設置指令長、駕駛員和任務專家，由任務專家兼職完成科學實驗相關操作。

3）與航天飛機和國際空間站相比，我國空間站長期駐留航天員人數較少，可根據每次飛行任務情況靈活配置，即日常的科學實驗操作可由飛行工程師1人為主、另1人為輔完成，需要時設1名航天員專職從事空間科學與應用任務。周期較短、專業(yè)性極強的操作，也可由乘組中的任務專家兼任。原則上除特別復雜載荷、特別重大實驗外，不宜選派僅支持單一或少數幾項實驗項目的專職載荷專家。

4）在選拔從事空間科學與應用操作的航天員時，應強調科學技術的教育背景和工作經驗。候選人至少應具有醫(yī)學、理學或工學等相關專業(yè)學士以上學歷。

6 對我國空間站載荷專家設置的思考

NASA對于載荷專家這類非職業(yè)航天員的設置一直存在爭議。設立載荷專家的原意是為非職業(yè)航天員提供在航天飛機進行科學實驗的機會，或者是伴隨并管理本國的載荷升空。載荷專家無疑為空間科學的發(fā)展做出了巨大的貢獻，但載荷專家的確定過程卻不再單純與科學相關，往往夾雜著NASA與不同組織機構之間的政治、商業(yè)等復雜關系。曾有8名載荷專家不止一次升空，但有的載荷專家支付了費用才能夠參加飛行[5]。甚至有人認為，載荷專家只是航天飛機的乘客[12]。自2003年STS-107任務的載荷專家以色列航天員Ilan Ramon罹難，至2011年航天飛機退役，航天飛機任務中未再設立載荷專家，因此也就不曾有一名載荷專家出現在國際空間站上。NASA并未對此作過任何的官方解釋。探究其原因，一方面是受到當時布什政府對NASA航天政策調整的影響，導致航天飛機承擔的空間科學實驗項目遠少于最初的計劃安排，載荷專家的需求大量減少；另一方面，國際空間站受諸多因素影響，建造計劃一再延遲，科學實驗及其應用規(guī)模和能力始終受限。而“哥倫比亞”號航天飛機的失事，作為非NASA職業(yè)航天員犧牲的載荷專家，則促使NASA真正反思其對載荷專家這類非職業(yè)航天員設立和職責分工的合理性。從NASA最新一輪航天員的選拔要求看，特別強調非飛行員航天員的學術背景，要求獲得工學、生命科學、物理學或者數學學士。何時會再安排載荷專家參加飛行任務，尚不得而知。

值得特別說明的是，我國載人航天術語定義的載荷專家為“載人航天器上負責有效載荷的管理、操作、維修，從事空間技術實/試驗的航天員”[13]，這與NASA載荷專家內涵并不相同。綜合本文所闡述的幾類參與空間科學與應用的航天員職責，一是我國目前飛行員均接受過系統的本科教育，二是我國科學技術工作者鮮有飛行經驗，因此我國航天員中載荷專家的選拔不能簡單照抄照搬國外，不宜片面強調某方面的背景。

立足我國科技現狀，考慮載人航天工程進展及未來趨勢，并鑒于工程的系統分工、部門設置、航天員選拔培訓的工作基礎等因素，提出工程統籌考慮是否在我國航天員乘組設立專職載荷專家的建議，可以汲取NASA任務工程師和載荷專家的選拔和培訓經驗，由航天員系統與空間應用系統密切配合，共同負責載荷專家的相關工作。而在國際合作過程中，可參照國際慣例進行非職業(yè)航天員的載荷專家選拔和培訓?！?/p>

［1］張霄軍.“taikonaut”的由來［J］.中國科技術語，2007，（4）：36-37.

［2］Preparing for the High Frontier:The Role and Training of NASA Astronauts in the Post-Space Shuttle Era，Committee on Human Spaceflight Crew Operations，National Research Council，ISBN 978-0-309-21869-6，2011.

［3］http://en.wikipedia.org/wiki/Astronaut_ranks_and_positions.

［4］http://en.wikipedia.org/wiki/Spaceflight_Participant.

［5］David J.Shayler，Colin Burgess.NASA’s Scientist-astronauts［M］.Springer，007.

［6］Rex D.Hall，David J.Shayler，Bert Vis.Russia’s cosmonauts:inside the Yuri Gagarin Training Center［M］.Springer.2005:216-236.

［7］Gordon R.Hooper.The Soviet cosmonaut team:a comprehensive guide to the men and women of Soviet manned space programme［M］.GRH publication.1986.

［8］http://www.nasa.gov/audience/forstudents/postsecondary/features/F_Astronaut_Requirements.html.

［9］http://members.shaw.ca/kcic1/space.html.

［10］http://en.wikipedia.org/wiki/Payload_specialist.

［11］http://wenku.baidu.com/book/view/0ee5d268e6109591422753fb.html.

［12］Henry S.F.Cooper，Jr.Before lift-off:the making of a space shuttle crew［M］.The John Hopkins University Press.1987.

［13］載人航天工程術語（征求意見稿）.GJB2496-1995修訂版，2012.