载人航天器上的按钮有讲究

◆马振政

图/东方IC

随着天和核心舱成功入轨，中国载人航天全面迈入空间站时代。两个乘组各有3位航天员先后搭乘神舟十二号、十三号飞船进入太空，在“天宫”驻扎值守。从天地连线的视频中，我们得以一窥航天器的内部布局。飞船和空间站内部按钮表示的功能复杂多样，经过了航天设计师的精心设计，便于航天员在太空中更好地操控航天器。

眼花缭乱的操控区

20世纪70年代以前，由于计算机技术不够成熟，科研工作者使用汇编语言开发航天器操作指令，载人航天器通过显示器显示状态和操作流程，并设置了大量的操纵杆、按钮、警报灯、仪表等。

当时，美国的载人航天器驾驶舱的布局借鉴了同期飞机座舱的“T”形布局，

大多采用机电式仪表。

根据载人航天器的航行任务，航天员操作的重要仪表如全姿态仪、地平仪、飞行高度等基本仪表，均安装在航天员的主视区，一些次要的飞行仪表则被置于主视区附近。

摄影师丹•温特斯曾拍摄了一组名为《太空舱》的照片集，照片中展示了“奋进号”“亚特兰蒂斯号”和“发现号”3艘航天飞机的驾驶舱——驾驶舱操控台附近布置了形式不同、功能各异的按钮，它们被安装在驾驶舱的四壁，甚至连“天花板”上也有它们的身影。

2015年1月16日，美国宇航局公布了国际空间站内部结构的视频。为满足航天员生活、空间站维护、科学研究等需求，空间站内的各种按钮被赋予了更加丰富的功能。

图1 国际空间站内景照片（图/NASA）

这些按钮中包含确保航天器正常运行的按钮，主要有操控姿态控制系统、生命维持系统、报话通信系统等按钮，还有保障航天员工作和生活的按钮，如操控空气更新系统、废水处理和再生系统、航天服务等按钮。它们的作用包括控制飞船飞行姿态、监测飞船工作状态、保护航天员的生命等。不过，很多时候这些系统都由电脑控制，只有在出现紧急情况或有特殊需求时，才会由航天员手动操控。

不受待见的触摸屏

载人航天器上的按钮如此之多，科学合理的设计显得尤为重要，要在保证操作便捷性的同时，避免各种容易产生问题的设计。比如载人航天器在运行过程中，因太空环境复杂，航天员可能经常在倒立状态下操作按钮，很难完成复杂指令的输入，所以在定义按钮的时候，需要尽量避免让航天员频繁输入指令或者输入较长的指令。

图2 “联盟号”飞船内部空间拥挤，布满按钮 （图/NASA）

载人航天器中还应尽量避免大面积采用触摸屏。触摸屏便于操作，给人们的生活带来了极大便利，但在载人航天器上却很少见，这是为什么？

首先，从操作性上看，触摸屏免去了物理按钮需要“按”下去的动作，触摸屏的虚拟按钮是“点到即可”。航天器在飞行过程中会出现剧烈抖动的情况，这时想要“一击即中”是比较困难的。

其次，从可靠性上看，触摸屏较物理按钮更易出现问题或遭到损坏，一旦出现问题，整块屏幕上的操控键将无法使用。触摸屏如果成为主要操控系统的唯一操作媒介，一旦出现问题，航天员将失去对航天器的控制权。因此，物理按钮一直被公认为是最可靠的设计，伴随着载人航天器的一路发展。它在操作的过程中给人以物理反馈，相比触摸屏更有真实感、更准确。

按钮设计五原则

航天器不是程序员的电脑，完成输入指令后等着输出结果就行。在日常飞行中要完成出舱维修、科学实验、人体健康检测等任务，不可避免地需要航天员手动操控按钮。根据需求，设计师需遵循以下5条原则。

1.简单

要将复杂功能汇聚于一个按钮，一个操控按钮完成一个功能，而且按钮之间相互独立，一个按钮的损坏不会影响到其他按钮的正常运行。例如舱体对接、分离的动作分别由独立的按钮控制完成，包括按照程序设定控制对接、分离，以及手动对接、分离的按钮。

2.配备操作说明书

飞船设计师编制了操作说明书，仍需花费大量的时间将这些操作烂熟于心，方可完美地完成演示验证试验。航天员并非飞船设计人员，虽然经过了长期培训，但在高压环境下，仍不能完全依赖对操作指令的记忆，还要配备操作说明书以备不时之需。

3.位置、颜色有讲究

按功能重要程度分布按钮位置，并设置不同颜色的按钮灯，可以帮助航天员直观地了解按钮功能的重要程度，既可以缩短查找时间，方便操作，又能降低航天员的误操作概率。

4.重要指标、警报一目了然

当载人航天器出现问题时，除了警报还需要有警示灯闪烁，且警示灯被设置为不同颜色以区分警报的重要程度。红色标识为最高警报，一般要将解决最棘手问题的按钮设置在最明显的位置，例如氧气不足时。

图/东方IC

5.具备防误操作设计

重要操控按钮要配备保护罩，防止误碰，比如返回按钮。想象一下，航天员在执行任务过程中不小心碰到了返回按钮……

此外，载人航天器上采用软件、硬件对操作流程进行协同控制，例如航天器的姿态控制由测量器、数据处理系统和执行机构3个部分共同完成。

未来趋势

图3 载人“龙”飞船内航天员通过触摸屏执行操作，并实时观看视频画面(图/NASA)

人机交互坚持以人为中心的设计理念，经过多年的发展，语音控制技术水平快速提高，在语音识别技术支持下，计算机能理解人类语言指令并完成操控。这项技术可实现载人航天器的飞行自动化。该功能的扩充不仅可以减轻航天员操作的体力负荷，还可缩短航天员的反应时间。

2020年，SpaceX公司研发的载人“龙”飞船成功实现首飞。“龙”飞船的操作界面并没有布置太多按钮和刻度盘，而是采用了超大的触摸屏，屏幕上集成了很多复杂的系统，整个操作系统看起来非常酷炫，让人惊叹不已。由于物理按钮较少，驾驶舱显得十分简洁，充满科技感。

随着航天技术的不断发展，一系列的改变正在循序渐进地进行着，载人航天器上的物理按钮也在逐步优化。随着触摸屏可靠度的提升和语音助手技术的发展，也许在不久的将来，载人航天器操作将非常方便，更加符合我们心目中宇宙飞船的样子。