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(shí)代。兩個(gè)乘組各有3位航天員先后搭乘神舟十二號(hào)、十三號(hào)飛船進(jìn)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(nèi)部布局。飛船和空間站內(nèi)部按鈕表示的功能復(fù)雜多樣，經(jīng)過了航天設(shè)計(jì)師的精心設(shè)計(jì)，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(qū)

20世紀(jì)70年代以前，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)不夠成熟，科研工作者使用匯編語言開發(fā)航天器操作指令，載人航天器通過顯示器顯示狀態(tài)和操作流程，并設(shè)置了大量的操縱桿、按鈕、警報(bào)燈、儀表等。

當(dāng)時(shí)，美國的載人航天器駕駛艙的布局借鑒了同期飛機(jī)座艙的“T”形布局，

大多采用機(jī)電式儀表。

根據(jù)載人航天器的航行任務(wù)，航天員操作的重要儀表如全姿態(tài)儀、地平儀、飛行高度等基本儀表，均安裝在航天員的主視區(qū)，一些次要的飛行儀表則被置于主視區(qū)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(jìn)號(hào)”“亞特蘭蒂斯號(hào)”和“發(fā)現(xiàn)號(hào)”3艘航天飛機(jī)的駕駛艙——駕駛艙操控臺(tái)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的視頻。為滿足航天員生活、空間站維護(hù)、科學(xué)研究等需求，空間站內(nèi)的各種按鈕被賦予了更加豐富的功能。

圖1 國際空間站內(nèi)景照片（圖/NASA）

這些按鈕中包含確保航天器正常運(yùn)行的按鈕，主要有操控姿態(tài)控制系統(tǒng)、生命維持系統(tǒng)、報(bào)話通信系統(tǒng)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(tǒng)、廢水處理和再生系統(tǒng)、航天服務(wù)等按鈕。它們的作用包括控制飛船飛行姿態(tài)、監(jiān)測飛船工作狀態(tài)、保護(hù)航天員的生命等。不過，很多時(shí)候這些系統(tǒng)都由電腦控制，只有在出現(xiàn)緊急情況或有特殊需求時(shí)，才會(huì)由航天員手動(dòng)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(xué)合理的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，要在保證操作便捷性的同時(shí)，避免各種容易產(chǎn)生問題的設(shè)計(jì)。比如載人航天器在運(yùn)行過程中，因太空環(huán)境復(fù)雜，航天員可能經(jīng)常在倒立狀態(tài)下操作按鈕，很難完成復(fù)雜指令的輸入，所以在定義按鈕的時(shí)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(lián)盟號(hào)”飛船內(nèi)部空間擁擠，布滿按鈕 （圖/NASA）

載人航天器中還應(yīng)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(dòng)作，觸摸屏的虛擬按鈕是“點(diǎn)到即可”。航天器在飛行過程中會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)的情況，這時(shí)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(xiàn)問題或遭到損壞，一旦出現(xiàn)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(tǒng)的唯一操作媒介，一旦出現(xiàn)問題，航天員將失去對航天器的控制權(quán)。因此，物理按鈕一直被公認(rèn)為是最可靠的設(shè)計(jì)，伴隨著載人航天器的一路發(fā)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(shí)感、更準(zhǔn)確。

按鈕設(shè)計(jì)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(jié)果就行。在日常飛行中要完成出艙維修、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、人體健康檢測等任務(wù)，不可避免地需要航天員手動(dòng)操控按鈕。根據(jù)需求，設(shè)計(jì)師需遵循以下5條原則。

1.簡單

要將復(fù)雜功能匯聚于一個(gè)按鈕，一個(gè)操控按鈕完成一個(gè)功能，而且按鈕之間相互獨(dú)立，一個(gè)按鈕的損壞不會(huì)影響到其他按鈕的正常運(yùn)行。例如艙體對接、分離的動(dòng)作分別由獨(dú)立的按鈕控制完成，包括按照程序設(shè)定控制對接、分離，以及手動(dòng)對接、分離的按鈕。

2.配備操作說明書

飛船設(shè)計(jì)師編制了操作說明書，仍需花費(fèi)大量的時(shí)間將這些操作爛熟于心，方可完美地完成演示驗(yàn)證試驗(yàn)。航天員并非飛船設(shè)計(jì)人員，雖然經(jīng)過了長期培訓(xùn)，但在高壓環(huán)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(shí)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(shè)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(shí)間，方便操作，又能降低航天員的誤操作概率。

4.重要指標(biāo)、警報(bào)一目了然

當(dāng)載人航天器出現(xiàn)問題時(shí)，除了警報(bào)還需要有警示燈閃爍，且警示燈被設(shè)置為不同顏色以區(qū)分警報(bào)的重要程度。紅色標(biāo)識(shí)為最高警報(bào)，一般要將解決最棘手問題的按鈕設(shè)置在最明顯的位置，例如氧氣不足時(shí)。

圖/東方IC

5.具備防誤操作設(shè)計(jì)

重要操控按鈕要配備保護(hù)罩，防止誤碰，比如返回按鈕。想象一下，航天員在執(zhí)行任務(wù)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(jìn)行協(xié)同控制，例如航天器的姿態(tài)控制由測量器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)部分共同完成。

未來趨勢

圖3 載人“龍”飛船內(nèi)航天員通過觸摸屏執(zhí)行操作，并實(shí)時(shí)觀看視頻畫面(圖/NASA)

人機(jī)交互堅(jiān)持以人為中心的設(shè)計(jì)理念，經(jīng)過多年的發(fā)展，語音控制技術(shù)水平快速提高，在語音識(shí)別技術(shù)支持下，計(jì)算機(jī)能理解人類語言指令并完成操控。這項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)載人航天器的飛行自動(dòng)化。該功能的擴(kuò)充不僅可以減輕航天員操作的體力負(fù)荷，還可縮短航天員的反應(yīng)時(shí)間。

2020年，SpaceX公司研發(fā)的載人“龍”飛船成功實(shí)現(xiàn)首飛?！褒垺憋w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(fù)雜的系統(tǒng)，整個(gè)操作系統(tǒng)看起來非?？犰?，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(shù)的不斷發(fā)展，一系列的改變正在循序漸進(jìn)地進(jìn)行著，載人航天器上的物理按鈕也在逐步優(yōu)化。隨著觸摸屏可靠度的提升和語音助手技術(shù)的發(fā)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。