俄美聯(lián)合開展“天狼星”地面模擬飛行試驗

宋堯 王永生（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

莫斯科時間2017年11月7日14：00，位于俄羅斯生物醫(yī)學(xué)問題研究所（lBMP）內(nèi)的地面“宇宙飛船”關(guān)上了艙門，標(biāo)志著“天狼星”（SlRlUS）國際模擬試驗正式啟動。

“天狼星”系列模擬試驗是由俄羅斯科學(xué)院和美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合開展的。這一名稱是從征集來的106個名字中挑選出來的?！疤炖切恰笔紫仁窃囼炄Q首字母構(gòu)成的縮寫：Scientific lnternational Research in Unique Terrestrial Station—“地面密封艙內(nèi)開展的國際科學(xué)研究”；其次，“天狼星”還帶有深空探測的含義，與該系列試驗的目的也相吻合。

俄羅斯方面于2016年起開始策劃名為“天狼星”的系列試驗；當(dāng)年完成了合作伙伴的尋找和洽談，制定試驗計劃，準(zhǔn)備綜合試驗艙，簽訂相關(guān)合同。該系列試驗計劃分為4個階段：

1）2017年開展為期17天的模擬試驗（2017.11.07-2017.11.24）；

2）2018-2019年擬定開展2次試驗：2周及4個月的模擬試驗；

3）2019-2020年計劃進(jìn)行為期8個月的模擬試驗；

4）2021-2022年計劃開展為期1年的隔離試驗。

2017年開展的試驗為期17天，因此試驗又被稱為SlRlUS-17，根據(jù)本次試驗的“腳本”，“飛船”攜帶6名乘員從地球出發(fā)，在17天的時間里，他們到達(dá)月球軌道，進(jìn)行繞月飛行，之后返回地球。實際上，這就是在模擬搭乘俄羅斯聯(lián)邦號（Federation）或者是美國的“獵戶座”（Orion）飛船去探索月球時開展的飛行旅程的模擬。參試乘員將要模擬實際任務(wù)中航天員的所有操作。

1 SlRlUS-17模擬試驗的背景

“天狼星”模擬試驗是俄美于2016年年底簽署的為期5年的合作協(xié)議框架下開展的第一個項目，是俄美5年合作的第一步。

俄羅斯IBMP研究所負(fù)責(zé)人奧列格·奧爾洛夫表示，此次試驗是俄美長期合作計劃的第一個階段，俄方也希望能夠與更多的國家進(jìn)行合作。他認(rèn)為，合作將取得的最重要的成果就是建立起一個為深空探索飛行做準(zhǔn)備的國際中心，同時促進(jìn)開發(fā)及制定實現(xiàn)深空探索飛行的方法和手段。

類似于“天狼星”這樣的項目，能夠幫助美國和俄羅斯將“國際空間站”建造及運(yùn)行中獲取到的積極經(jīng)驗保留下來。俄羅斯和NASA同行一致認(rèn)為，雙方的合作及共同努力有助于更快、更高效和更經(jīng)濟(jì)地解決當(dāng)前面臨的學(xué)術(shù)課題。并且雙方還正在討論，怎樣將“國際空間站”的管理經(jīng)驗用于未來國際星際探索任務(wù)的準(zhǔn)備和實施中。目前，俄美之間有3種合作渠道：國際宇航科學(xué)院（IAA）、航天生物學(xué)聯(lián)合工作小組及與“國際空間站”運(yùn)行相關(guān)的聯(lián)合委員會。

2 SlRlUS-17模擬試驗參試乘組

參試乘組圖中前排3名男性志愿者從左至右依次為：

伊利亞·盧卡維什尼科夫：參試乘組醫(yī)生，生物所研究人員。

馬克·謝羅夫：任參試乘組指令長。俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)（RSC Energia）代表，曾入選俄羅斯航天員大隊，未參加過航天飛行即退出現(xiàn)役，任參試乘組指令長。另外他還是俄羅斯第4名女航天員葉蓮娜·謝羅娃的丈夫，他們夫婦因航天而結(jié)緣，兩人都曾就職于能源火箭航天集團(tuán)并在那里相識相愛。

維克托·費(fèi)特爾，德國人，歐洲空客防務(wù)與航天公司（ADS）代表。

后排3名女性志愿者從左至右依次為：

娜塔莉婭·雷索娃：生物所研究人員。

安娜·基金娜：加加林航天員中心航天員大隊現(xiàn)役航天員。

葉蓮娜·盧奇茨卡婭：IBMP研究所研究人員，曾參與月球-2015（Luna-2015）模擬試驗。

3 SlRlUS-17模擬試驗環(huán)境與試驗保障

試驗環(huán)境

模擬試驗在生物醫(yī)學(xué)問題研究所的地面試驗艙已經(jīng)開展過很多次了，早期試驗可追溯至20世紀(jì)60年代，最近的幾次試驗有火星-500（Mars-500）和月球-2015（全女性乘組）。

參試者們居住的密封艙有點類似于礦井或潛艇，里面有廚房、衛(wèi)生間、浴室和儲藏室大小的單人臥室，還有2個60m2左右的房間：一間用于工作，另一間用于休息。乘員們可以在這里看電視、點播電影（絕大多數(shù)都是與太空有關(guān)的）。

試驗期間乘員們并不會遇到地球上沒有的新奇事物，他們每天要完成多項任務(wù)，有腦力的，也有體能方面的。有很多測試，在試驗前、中、后期都要開展，目的就是為了考察隔離對人體到底產(chǎn)生了哪些影響。在試驗準(zhǔn)備期間，參試者的負(fù)荷要比試驗中還要重一些，而試驗進(jìn)行期間科學(xué)家并不想讓乘組過度疲勞。

然而，科學(xué)家們預(yù)計，試驗艙內(nèi)的人工環(huán)境還是會讓參試者感到“疲勞”：除了植物栽培溫室外，周圍的一切都是人工的，恒溫、恒濕。這個溫室與火星-500試驗中的溫室是一樣的。IBMP研究所心理學(xué)專家古辛講了一個真實的事例：植物是有生命的，你需要去關(guān)心它。有一次“國際空間站”上的航天員被要求將栽培出的植物樣本送回地球?？墒沁@名航天員從大葉子上只剪下來小小的一個三角形?？茖W(xué)家不解地問：“你為什么不把整枝都剪下來，這樣我們有更多的研究材料，你也更方便?！焙教靻T答道：“天吶，你們怎么能這樣想！它可是活的！”

通信保障

IBMP研究所內(nèi)建立了一個通信中心，便于同地面試驗乘組聯(lián)系。4名值班人員分別是醫(yī)生、工程師、技術(shù)員和實驗員。對乘組的觀察與交流是不間斷的。

通信中心有2名NASA常駐代表，他們有詳細(xì)的試驗計劃安排表，上面注明了在某個時間某名參試者將要開展NASA的某項研究。NASA專家介紹說，每名乘員都攜帶有類似手表的專用設(shè)備，能記錄該乘員的運(yùn)動頻率和在空間內(nèi)的位置（3D）。

飲食保障

據(jù)IBMP研究所食品研究室主任介紹，SIRIUS項目參試乘員的配餐最大限度地與“國際空間站”上的食品一致，也就是說，飯前僅需要加熱或者加入冷水/熱水進(jìn)行復(fù)水處理。每名乘員的伙食總量為2kg/日。男性參試乘員的飲食配給是2800kcal/日（1kcal=4.2kJ），女性的配給是2000kcal/日左右。6名乘員自己準(zhǔn)備餐食，艙內(nèi)有2臺微波爐，沒有爐灶。

位于俄羅斯坦波夫州米丘林斯克市的科學(xué)家為SIRIUS-17試驗乘組提供了他們特意研制的20種食品。以米丘林命名的聯(lián)邦科技中心負(fù)責(zé)人米哈伊爾·阿基莫夫介紹說：他們?yōu)镾IRIUS-17項目提供了近20種食品，第一道菜是湯，第二道菜有粥、肉和配菜、蔬菜以及肉類食品，蛋白質(zhì)、食物纖維和脂肪的含量按要求進(jìn)行配比。此外，還有蔬菜沙拉、水果/漿果制成的果泥和飲料。

阿基莫夫指出：“早些時候，為航天員特制的食品，對營養(yǎng)物質(zhì)與味道相結(jié)合并沒有特別關(guān)注，但現(xiàn)在對我們提出的要求是使加工出來的航天食品最大限度地接近于航天員們平日里在地球上的飲食。對個人選擇食物口味上的偏愛和嗜好的考慮，對于處于封閉隔離空間、心理情感負(fù)荷較重情況下的乘組是非常有益的?！?/p>

據(jù)該負(fù)責(zé)人介紹，此次試驗中他們提供的所有食物都按人份進(jìn)行軟包裝，所使用的食物原料都是天然的、不含防腐劑，含有規(guī)定的生物活性維他命成分及均衡的營養(yǎng)物質(zhì)。

根據(jù)俄羅斯航天醫(yī)學(xué)研究所下達(dá)的技術(shù)任務(wù)，這批食物由米丘林斯克試驗中心和米丘林聯(lián)邦科技中心生產(chǎn)。

米丘林聯(lián)邦科技中心具有豐富的航天食品及運(yùn)動員所需食品的生產(chǎn)經(jīng)驗。他們從2009年起開始參與航天食品項目，當(dāng)時為長達(dá)1年半的火星-500項目的參試者提供了食品支持。自2011年起，向“國際空間站”提供了25種食品以及新鮮的蘋果。為此，他們精心挑選出了2個蘋果品種：分別來自克拉斯諾達(dá)爾州及利佩茨克州，并為蘋果的長期保存研發(fā)了專門的技術(shù)。2014年冬奧會期間，他們?yōu)檫\(yùn)動員研發(fā)生產(chǎn)了抵御過重負(fù)荷可能引起的大腦缺氧和反應(yīng)降低的食品。

4 SlRlUS-17模擬試驗任務(wù)及內(nèi)容

NASA人體研究計劃負(fù)責(zé)人與來自俄羅斯IBMP的專家們一同向俄新社記者介紹了俄美醫(yī)學(xué)研究人員和科學(xué)家是如何開展月球飛行的準(zhǔn)備，以及未來對深空進(jìn)行有計劃的探索。

第一個任務(wù)，正如NASA方面項目負(fù)責(zé)人比爾·帕洛斯基講的那樣，隔離條件下具有不同文化背景的人之間的相互關(guān)系研究。IBMP研究所所長奧列格·奧爾洛夫同樣強(qiáng)調(diào)說，這對于未來深空探索和研究極為重要，因為未來的深空探索必將是以美國和俄羅斯?fàn)款^的國際合作。

第二個任務(wù)，是最大限度地達(dá)到乘組活動的自主化，其中包括緊急情況下實施醫(yī)療救援。試驗組織者表示，對自主性的研究和探索，對于月球飛行、火星飛行以及在月球上建造駐留基地而言非常重要。

模擬試驗設(shè)計為17天，以及參試乘組每天需完成的作業(yè)和實驗項目，這些并不是隨意安排的。參試乘員將要模擬實際任務(wù)中航天員的所有操作，就連乘組吃的食品也都是為長期航天飛行的航天員加工制作的。

SIRIUS-17模擬試驗重點關(guān)注以下問題。

性別平等對乘員間相互關(guān)系的影響

目前，在“國際空間站”飛行中，男女混合乘組越來越為常見。本次試驗的參試乘組由3名男性和3名女性組成，在性別的比例上達(dá)到了平等。此次模擬試驗的主要任務(wù)之一就是考察，性別平等將如何影響乘員間的相互關(guān)系以及乘組內(nèi)部的互動。

此外，專家們都非常想知道，性別平等如何影響行為、影響對空間的利用，以及如何影響乘組的自我感覺狀態(tài)。這些問題俄羅斯和美國學(xué)者都未曾涉足過，SIRIUS模擬試驗首次觸碰到了這一問題。

SIRIUS-17模擬試驗的負(fù)責(zé)專家之一，IBMP研究所社會心理學(xué)實驗室主任弗拉基米爾·古辛博士說：“我們在地球軌道上飛了很久了，現(xiàn)在該走出下一步了：飛向其他星球。航天飛行的每一個微小細(xì)節(jié)都應(yīng)被考慮到，因為錯誤的代價過于高昂。為此，需要事先開展地面試驗。通過開展這些模擬試驗，科學(xué)家們能夠弄清楚，例如，飛船內(nèi)部空間或駐留空間及乘組是什么樣的最為合適，在這樣一個封閉空間里會發(fā)生什么，對于乘員而言什么是最重要的。還有一個重要問題就是—性別?！?/p>

俄羅斯有女航天員，然而在半個世紀(jì)左右的時間里，只有4名女性到訪過太空。即使是在地面試驗中，女性也不多見。古辛說：“人們似乎有一種成見，同樣的事，對于女性而言就更加復(fù)雜。有可能，未來首次星際飛行任務(wù)將由一個純男性乘組執(zhí)行。但如果我們將要到另一個星球去殖民，那時，女性是不可或缺的。SIRIUS-17模擬試驗將告訴我們，在男女平等參與的情況下，誰對應(yīng)激更加耐受。”

馬克·謝羅夫表示，在不久的將來，各種職業(yè)背景的普通人都將有機(jī)會參加航天飛行。

科學(xué)家們最為關(guān)心的是乘組中男人和女人將如何互動。參試者之一的娜塔莉婭·雷索娃說：“實際上和人打交道，比跟最復(fù)雜的設(shè)備打交道更為復(fù)雜?！?/p>

在月球-2015試驗中，6名女性參試者沒有發(fā)生過爭吵。然而，在1999年開展的“國際空間站”模擬飛行試驗（SFINCSS）過程中，乘員之間就發(fā)生了嚴(yán)重的沖突。當(dāng)時的場景是，有幾名多國乘員組成的國際乘組居住在不同的艙室內(nèi)。事件的導(dǎo)火索是一名俄羅斯男性親吻了一名加拿大女性，這一行為被她認(rèn)為是性騷擾。接下來，兩個男人為此打了起來。然后，一個參試乘組就關(guān)閉了另一個參試乘組通向浴室的通道。古辛對記者說：“你們覺得可笑，可當(dāng)時完全不好笑！我們之后不得不向艙內(nèi)派去了一組談判人員，作為訪問乘組參加飛行，就像實際飛行中的一樣。最終，通向浴室的通道打開了，但是兩個乘組的關(guān)系還是沒能恢復(fù)如初。這就是生活，而不完全是試驗。

正是基于SFINCSS試驗期間所發(fā)生的跨性別沖突以及團(tuán)組之間的沖突，研究者們制定了后來應(yīng)用于“國際空間站”的乘員行為準(zhǔn)則。

這樣的情景讓我們想到“真人秀”。艙內(nèi)有攝像頭，但是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)倫理委員會的要求，科學(xué)家們只能觀察，而聽不到他們之間的談話。

古辛說：“人都有壞情緒，有時也會帶有攻擊性?，F(xiàn)實生活中，如果一個人令你感到厭煩，你完全可以走開，而這里卻無處可躲?！蹦壳?，乘組對此表示樂觀，馬克·謝羅夫表示：“我們這個乘組太好了，和他們在一起，哪怕是明天就起飛去月球，我也愿意！”

睡眠剝奪對參試者心理和身體狀態(tài)的影響

SIRIUS-17模擬試驗中設(shè)計了一個意外情況，涉及到睡眠剝奪，乘組不得不保持清醒，并不間斷地連續(xù)工作38h。這項艱苦的測試安排在試驗的收尾階段，這是在模擬“國際空間站”航天員的經(jīng)歷：對接、出艙行走需要按照軌道的特點來安排，經(jīng)常是夜間。航天員在夜里進(jìn)行對接、搬運(yùn)貨物，然后接下來是36h休息補(bǔ)覺。此次試驗中參試者需要通過討論的方式自己做出決定，如何度過這最后的38h。

研究者們不僅要關(guān)注參試者的反應(yīng)，還有他們的身體狀態(tài)，例如血液中的皮質(zhì)醇水平—它能客觀地反應(yīng)緊張程度。

睡眠剝奪是NASA同行提出來的，俄羅斯專家對此特別理解，因為在“國際空間站”實際飛行中，有很多作業(yè)需要乘組在夜間來完成，例如出艙和對接。

乘組的自主性

與“國際空間站”實際情況不同的是，SIRIUS-17模擬試驗中每名參試乘員都有自己的獨立房間，同時也有公共活動艙室。

古辛說，任何一個空間都有一個所謂的“焦點”和中心，你是愿意離“焦點”近一些呢還是遠(yuǎn)一些？還有廚房，你是愿意離它遠(yuǎn)點兒還是近點兒？還有鄰居，你愿意和誰待在一起？這都是我們作為研究人員非常感興趣的問題。

試驗的基本背景要素之一是自主性。乘組和地面的通信聯(lián)系有5min的延遲，也就是說咨詢問題時無法立即得到答案，必要時，乘組不得不獨立做出決定。此外，參試者在飛船上需要獨立完成多項實驗。

參試者娜塔莉婭·雷索娃說，在飛行期間和親屬也不能直接聯(lián)系，她發(fā)出的電子郵件首先發(fā)到通信中心，然后再分發(fā)給親屬。艙內(nèi)沒有因特網(wǎng)，所以社交網(wǎng)站也無法使用。她說：“我們可以通過指揮中心，請他們在SIRIUS項目的網(wǎng)頁及社交網(wǎng)站上發(fā)布出來。”

作為心理支持，在艙內(nèi)建立了一個植物栽培溫室，可以用來養(yǎng)花。專家將通過攝像頭進(jìn)行觀察，乘員在植物的維護(hù)上花了多少時間及對乘員有哪些影響。有3名女性參試者，研究人員預(yù)計，她們對此比男性更感興趣。

乘組的作息時間表是8h工作、8h自由時間及8h睡眠。沒有給乘組安排體能訓(xùn)練—健身器械和跑步機(jī)，因為在短短的17天內(nèi)，缺乏鍛煉很難有所體現(xiàn)。

VR技術(shù)：虛擬的月球

SIRIUS模擬試驗乘組要飛向月球，因此，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬月球表面的一部分。乘組的任務(wù)包括觀察月球表面的目標(biāo)，遙控月球車。此外，乘員還要按照NASA的計劃開展對“機(jī)械手”的測試，他們要用這個“機(jī)械手”去抓取捕獲“衛(wèi)星”。

專家指出，這些虛擬模型就是未來模擬器的基礎(chǔ)，例如，未來火星飛行訓(xùn)練模擬器。所有作業(yè)，乘組不需要出艙就能完成。研究人員補(bǔ)充說，如果設(shè)備工作一切正常，那么在后續(xù)的4個月和8個月試驗中還可以繼續(xù)使用。

聯(lián)邦號新型飛船模擬器的首次測試

試驗的第4天，即2017年11月10日，SIRIUS項目參試乘組中的3名乘員在艙內(nèi)順利完成了俄羅斯聯(lián)邦號新型飛船模擬器的首次測試。

據(jù)IBMP研究所代表向俄新社記者介紹，此項測試是IBMP研究所與能源火箭航天集團(tuán)聯(lián)合開展的，3名參試者對聯(lián)邦號飛船的移動模擬平臺進(jìn)行了首次測試。這是一個與負(fù)責(zé)接近、對接及控制系統(tǒng)完全一致的模型。訓(xùn)練過程中，謝羅夫、盧卡維什尼科夫和基金娜按順序完成了動態(tài)作業(yè)，用于評價操作員完成作業(yè)的質(zhì)量及其與新設(shè)備界面交互的質(zhì)量。在測試過程中對3名參試人員的心率、血壓及應(yīng)激指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測。

其他實驗

為期17天的模擬試驗中按計劃開展了約60項實驗，其中60%是俄羅斯的，40%是美國的。

IBMP研究所實驗室主任亞歷山大·蘇沃羅夫是SIRIUS模擬試驗的學(xué)術(shù)負(fù)責(zé)人，他表示，試驗中要對乘組使用的醫(yī)學(xué)觀察（監(jiān)督）系統(tǒng)進(jìn)行驗證和校正。選拔標(biāo)準(zhǔn)、培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)、健康狀態(tài)的監(jiān)督指標(biāo)，也就是說，對哪些指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測：只是跟蹤脈搏和血壓，還是將全套數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合監(jiān)督，是選取某個時間段實施監(jiān)督還是不間斷地進(jìn)行監(jiān)測？

試驗中還包括衛(wèi)生-保健研究，因為乘組居住在一個密閉空間里，微生物群落會被迅速地傳播和交換。某種微生物對于這個人是無害的，但對于另一個人卻可能是致病的。并且，試驗艙和“國際空間站”一樣，沒有淋浴。參試乘員需要使用濕巾和一次性毛巾來清潔身體。

5 模擬試驗結(jié)果及下次“飛行”

此次“飛行”的結(jié)果大約半年后才能公布。之后，專家將著手準(zhǔn)備下一次的模擬試驗——為期4個月、計劃于2018年10月開始。下一次試驗中將使用2種語言，而本次試驗中基本上只講俄語。

專家還強(qiáng)調(diào)指出，合作將進(jìn)一步擴(kuò)大，俄羅斯專家期待德國、日本、法國及意大利的科學(xué)家能夠參與模擬試驗的后續(xù)幾個階段的研究。