“哈勃”維修十大要點

哈勃空間望遠鏡（以下簡稱“哈勃”）和此前的空間望遠鏡有一個很大的區(qū)別，它從設計之初就考慮了周期性地接受維護。當時考慮，是依托航天飛機，每兩年半到三年接受一次維護和設備升級，不斷地改進觀測能力。這樣，“哈勃”就可以不斷引入最前沿的科技成果。這種維護和升級任務稱為“服務任務”，簡稱SM?！肮钡木S修和維護，不但為天文界維持了一件重要的科學儀器，同樣也為后續(xù)的在軌維修和維護總結(jié)出了一套行之有效的工作組織方法。美國宇航局（NASA）在SM3任務完成后，總結(jié)了10個要點，非常具有啟發(fā)性。

1.建立一支專家隊伍

“哈勃”的設備和分系統(tǒng)來自美國和歐洲的不同供應商，為了執(zhí)行SM任務，NASA把這些供應商的代表召集到了戈達德飛行中心，那里有全世界規(guī)模最大的超凈間。從事“哈勃”修理工作的航天員要在這里熟悉“哈勃”的硬件并且接受訓練。不僅如此，航天員還要到休斯頓的約翰遜飛行中心，在零重力水池中接受綜合訓練。在最后階段，負責發(fā)射航天飛機的肯尼迪飛行中心也要派人加入。當航天員真的開始執(zhí)行維修任務時，由約翰遜中心負責地面指揮，但各有關方面都要派人到場。

在艙外活動期間，每個需要更換的器件，地面團隊都要指派一名負責人，負責與其他相關系統(tǒng)的硬件設計師進行溝通。而負責艙外活動工作設計的專家必須在早期介入硬件設計工作。比如在機械臂設計中，空間活動專家就要從一開始就加入設計工作。這是因為艙外活動的需求和標準是非常獨特的，艙外活動專家考慮硬件問題的時候，必須考慮航天員穿著艙外航天服的操作需求。艙外活動專家本人還需要能夠承擔起工具設計師的角色，能夠設計、試驗、集成工具，并且能訓練航天員使用這些專用工具。

那么艙外活動專家是如何培養(yǎng)出來的呢？非常簡單，上一輪任務中負責艙外活動的航天員，在下一輪任務中就扮演專家的角色。受他培訓的航天員在執(zhí)行任務時，被稱作“有效載荷指令長”。如此循環(huán)延續(xù)。

在艙外航天服的設計過程中，就充分體現(xiàn)了專家隊伍的作用?！肮本S修工作使用的艙外航天服是特制的，它的需求和此前的型號都不一樣。設計師們?yōu)榇颂匾庠诹阒亓λ刂羞M行了體驗，充分了解穿著航天服之后如何觀察、運動，以此不斷改進航天服設計，特別是改進手套的設計。

2.建立需求清單

無論要做什么，首先要明確需求。這對于“哈勃”任務來說也是一樣的。

從1992年開始，“哈勃”服務任務團隊就開始設計所需的工具和流程。他們根據(jù)以下層次梳理有關的需求：總體任務、任務所需更換的硬件、任務中的艙外活動部分、用于支持艙外活動的硬件、用于更換硬件所需的工具、艙外活動需求和NASA現(xiàn)有標準的關聯(lián)。

▲ 歐空局的航天員克勞德·尼克列在SM3A任務中維修哈勃望遠鏡的存儲系統(tǒng)

由于“哈勃”的維修維護工作與從前的各類艙外活動都不一樣，所以它的任務設計和工具設計流程也完全不一樣?！肮眻F隊采用了頭腦風暴的方式來啟動設計，往往能預見到很多常規(guī)設計方式想不到的問題。例如在頭腦風暴中，有人提出“哈勃”的設備艙門鎖會不會卡死。于是團隊設計了潤滑脂涂敷器，然后真的用上了。還有人提出，用手動工具拆裝電子連接器容易疲勞，于是團隊把這件工具改成了電動的，不但降低了航天員的勞動強度，還節(jié)省了寶貴的艙外活動時間。

有時候，還需要在艙外活動期間，實時組織頭腦風暴。在第一次維護期間，航天員們發(fā)現(xiàn)“哈勃”的磁力計維護艙蓋松脫了。地面團隊立刻臨時組織起了一場頭腦風暴，約翰遜中心和戈達德中心的專家們隔空交流，認為有必要從航天飛機設備架上切下一塊材料，臨時制作一個艙門。但是到底是切防護氈還是切蓋板呢？材料污染專家介入后認為，防護氈會影響磁力計工作，因此團隊最終決定切蓋板。航天員回到艙內(nèi)，用切掉的蓋板材料制成了一個臨時艙門，然后出艙把它裝上，解決了問題。這次經(jīng)驗也引出了一套新的“哈勃”維修設備，叫做偶發(fā)防護層維修套件。在SM2任務中，這個套件就發(fā)揮了作用。航天員意外發(fā)現(xiàn)“哈勃”的防護氈有多處裂口，就用偶發(fā)防護層維護套件打了幾個補丁。

▲ 哈勃望遠鏡防護氈上的撕裂部分

3.設計要簡單

“哈勃”是飛行在軌道上的物體，所以給維護方案和維護工具的設計帶來了很大的特殊性，而且每次艙外行走的時間都是有限的。因此，無論動作設計還是工具設計都要遵循一個原則，那就是要簡單，具體要考慮的問題包括：

能用手的就不要用工具；

能用現(xiàn)有標準工具的就不要設計新工具；

能設計通用工具就不要設計專用工具；

如果要滿足特定目標，還是要設計專用工具；

確認工作由機械臂完成，還是由系留在航天飛機上的航天員完成，還是由不系留的自由飛行航天員完成；

任務可以用一只手完成嗎？

用機械臂完成的工作同樣要遵循簡單性原則，例如：人類在地面上會怎么做這件事？如果發(fā)生機械干涉怎么辦？設備和工具如何存放？如何分段運輸?shù)焦ぷ魑恢?？工具的互換性會影響設計嗎？

在滿足簡單性原則之后，當然還要考慮很多其他問題，例如載荷、航天員和航天飛機本身的安全，熱防護，艙外航天服操作的便利性、運動能力、限制條件、航天員體力消耗，以及艙外活動時間消耗。

梳理需求之后，“哈勃”團隊總共提出了150類工具。有些用來把需要更換的設備運到“哈勃”附近，有些是在維護過程中供航天員攀爬和固定身體的，有些是用來捕捉設備和器件不讓它亂飛的，還有低扭矩小型同軸電纜接頭、計算機控制的電動起子，等等。

SM1任務就是簡單原則的一個體現(xiàn)。當團隊發(fā)現(xiàn)“哈勃”主鏡頭存在2.2微米的誤差，導致部分影像模糊之后，并沒有決定換掉主鏡頭，而是制作了一個很小的自適應修正鏡，裝在了主光軸的后面。

4.聽取用戶反饋

這里說的用戶，不是天文學家們，而是為“哈勃”執(zhí)行修理任務的航天員。他們擁有真正的第一手經(jīng)驗。

為了充分利用他們的寶貴經(jīng)驗，“哈勃”團隊建立起了一種迭代式反饋機制。迭代的起點設立在設備更換的初始需求之上。由項目工程技術人員在零重力水池中對維修任務流程和工具進行第一輪評估。根據(jù)他們的反饋來改進流程和工具。

▲ 航天員們在地面進行維修時的配合訓練

▲ 航天員們在練習使用維修哈勃時要用到的工具

然后由真正的航天員來進行評估。根據(jù)他們的意見，把任務流程和工具設計分成四種類型：

（1）可接受，不需要改變設計，航天員可以毫無困難或者基本順暢地用工具完成任務。后續(xù)可能會對工具進行改進。

（2）不可接受，需要進行小幅度改進。

（3）不可接受，需要對設計進行重大改進，并且需要重新驗證。

（4）不能給出結(jié)論。由于試驗條件或者環(huán)境不恰當，無法對設備或者任務進行驗證；或者硬件設備仿真度不足，試驗項目不恰當，無法給出結(jié)論，需要重新試驗。

▲ 航天員進行硬件維修的訓練

一般來說，需要由一名航天員出面，起草一份《乘員一致意見報告》交給“哈勃”團隊，列出試驗結(jié)果、設計改進意見和總體評價。這是“哈勃”團隊用來改進流程和設計的基礎。許多“哈勃”維護工作所用的工具，都是根據(jù)航天員的意見逐步改進完善的，例如手動接頭工具和電動扳手。

5.經(jīng)常問“如果”

把一項工作或者一件工具設計完成，并不意味著萬事大吉?！肮眻F隊要求設計人員必須經(jīng)常問自己“如果這東西失靈了怎么辦”。這并不是神經(jīng)過敏，在“哈勃”維修期間，總是會發(fā)生一些計劃之外的情況。所以，設計師需要讓自己的腦洞開大一點，不能讓自己的流程或者設備因為某一個意外情況就失效了。

具體來說，“如果……怎么辦”有四種情況。

第一，“如果這個機械失靈了怎么辦”，設計師需要收集和驗證涉及扭矩需求和機械失效模式的有關工程數(shù)據(jù)。

第二，“有沒有解決麻煩的辦法”，需要在《艙外活動突發(fā)情況文件》中給出正式的流程。

第三，“這個部件能不能被無視、移除或者丟棄”，這需要針對異常情況進行特殊設計。

▲ 亞特蘭蒂斯號航天飛機向哈勃空間望遠鏡靠近時拍攝到的太空中的哈勃

第四，“有沒有備用工具”，這涉及到后勤策略，需要把備件或代用工具存放在航天員可以拿到的位置。

為了回答上述問題，1993年，戈達德中心開發(fā)了一套意外事件應對的計劃、備案和訓練流程。

在人們所能想到的意外事件中，最常見的是機械臂失靈。所以，航天員要訓練使用航天飛機攜帶的備件或者貨艙里的“哈勃”衛(wèi)星支架，在沒有機械臂的情況下完成修理任務。

有些情況下，還需要為航天員設計特定用途的訓練模擬器。比如一種叫做電力控制單元的模擬器，它和“哈勃”的設備架幾乎完全一樣，真實再現(xiàn)了那些很難夠到的接頭，供航天員反復練習。

為了支持任務，“哈勃”團隊還建立了三個專門小組，應對維修中遇到的常規(guī)和突發(fā)問題：艙外活動軌道小組，在六個半小時的艙外活動期間保持在線，提供實時支持；艙外活動再計劃小組，負責梳理任務計劃，發(fā)生任何更改后都要重整目標、動作和時間線；艙外活動轉(zhuǎn)型小組，負責提高態(tài)勢感知能力，提高溝通能力，一旦發(fā)生異常，要保持任務連續(xù)性。

6.用不同的方式來訓練

航天員在太空里執(zhí)行任務，可能遇到各種意想不到的情況，所以在地面訓練時，要多換幾種方法，提高上天之后的應對能力。航天員的主要訓練設施是戈達德中心的原比例仿真設備，它們的好處是和航天飛機、“哈勃”一模一樣；缺點是無法模擬失重環(huán)境，不能繞著它們飛行，也不能體現(xiàn)艙外航天服的性能。

在約翰遜中心的零重力水池中訓練就能克服上述問題。為了提高保真度，NASA在這個巨大的水池里建立了全尺寸的航天飛機和“哈勃”模型，潛水訓練服很好地模擬了失重環(huán)境下穿著航天服的體驗。然而零重力水池也有自己的缺點，因為地球引力還是存在的，為了模擬失重，必須把設備本身做得輕一些，水也對航天員的運動造成了比較大的阻力。另外，無法對航天員使用的金屬工具模擬失重效果。

因此，航天員需要在兩地都進行訓練，才能更適應真實的空間飛行環(huán)境。

為了維修“哈勃”，NASA修建了以下模擬設備：

▲ 航天員正在進行水下模擬訓練

高保真度機械模擬器，用來模擬“哈勃”本身的主鏡頭、光軸架和其他科學設備。

電系統(tǒng)試驗設施，用來模擬維修中需要更換的小型用電設備，例如計算機、電子設備盒、磁帶記錄儀。

外部模擬器設施，模擬“哈勃”的前半部分，用于訓練航天員更換防護氈和外部元件。

后部艙門模擬器，訓練航天員順利開閉“哈勃”后部的儀器艙門。

2002年，為了執(zhí)行SM4任務，又建立了專用的電源控制單元訓練模擬器，幫助航天員在非常狹窄的空間里接觸和操作36個電連接器。

不但如此，航天員們還要在真空模擬器中接受訓練，體驗真空和強太陽輻照的雙重影響。到了21世紀，更新的技術引入了航天員訓練之中，那就是虛擬現(xiàn)實。

由于上述哪個訓練都不能完全模擬空間環(huán)境。所以，多方法訓練的必要性就更加明顯了。

7.不斷進步

訓練當中會發(fā)現(xiàn)很多新的問題，因此無論軟硬件設計還是訓練方法都要不斷進步。特別是要根據(jù)航天員的反饋不斷完善。艙外活動所用的工具也不斷改進，從常規(guī)任務工具發(fā)展成能應對突發(fā)事件的工具。起初，在零重力水池中只能進行部分任務的訓練，經(jīng)過改進，已經(jīng)能模擬維修任務的全過程。任務流程也在訓練中不斷優(yōu)化，形成最終的艙外活動耗時計劃，并且再增加20%的余量來應對各種意外情況。

8.反復訓練

無論多么完善的設計，都需要人去執(zhí)行。特別是應對突發(fā)事件的動作，更需要航天員形成肌肉記憶。根據(jù)訓練和實際飛行，NASA發(fā)現(xiàn)以下方面的反復訓練尤其重要：兩名出艙航天員之間的相對走位（一個人在機械臂附近，一個人自由飛行）；新舊設備和相關工具的運送動作；航天員更換設備、工具的捆綁方式和運送操作；更換設備期間的動作效率和時間效率。

航天員們首先要在常規(guī)重力下熟悉操作，然后才能進入零重力水池。不過有時候，航天員們也可以用很小的桌面版模型來訓練。另外，出艙航天員不但要練習自己分內(nèi)的工作內(nèi)容，還要練習另外一人的工作內(nèi)容，一旦發(fā)生意外情況，兩人可以交替工作。在航天飛機內(nèi)部配合的航天員也要同時參與，確保協(xié)調(diào)順暢。

這樣的反復訓練是相當艱苦的，根據(jù)NASA的統(tǒng)計，天上一小時的出艙活動，在零重力水池里至少要練習10個小時，其他形式的練習時間就更長了。

需要訓練的不僅僅是航天員，地面控制團隊同樣要在模擬操作臺上反復訓練。當航天員進入零重力水池的時候，正是地面控制團隊仿真訓練的好時機，這也提高了雙方的訓練效率。

9.驗證飛行硬件和流程的匹配度

“哈勃”是一個已經(jīng)在天上飛行的東西，不可能去實際測量它的零部件尺寸之后再設計修理工具和流程。好在NASA保留了完整的設計資料，以及工程樣機和備件。根據(jù)這些東西，可以在地面上驗證要上天的工具是不是合用，驗證維修流程的設計是不是合理。特別是設備運輸路線、任務流程、存放位置、工作區(qū)大小和容積、出艙航天員視野和手套能觸及的范圍等等。有些方面的內(nèi)容不但要看資料設計，更要在工程樣機上毫無遺漏地驗證一遍，比如扳手、收納槽。據(jù)統(tǒng)計，每次飛行前，要進行3500項匹配度驗證工作。

10.不斷落實整改措施

作為一種具有探索性的工作，每次SM任務之后，航天員都有一大堆體驗和感觸。這對NASA來說，是寶貴的財富。因此，SM2之后的每次任務都會總結(jié)上一次任務的經(jīng)驗教訓，并落實整改措施。到了SM4任務，整個維護流程就更加完善了。