重返月球,航天員還需要過多少難關?
發布時間:2023-05-06
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今年2月底,日本宇宙航空研究開發機構公開了2名候選航天員,分別是46歲的世界銀行風險管理專家和28歲的外科醫生。他們將參與美國主導的“阿爾忒彌斯計劃”,爭取實現日本人首次登陸月球。此前,美國宇航局曾宣布選拔了28名“阿爾忒彌斯計劃”航天員,包括14名女性,呼應了這次以月亮女神命名的行動。那么,新時代的載人登月計劃在航天員選拔與訓練方面有何特殊之處?航天員可能借助哪些新技術克服新挑戰呢?

日本宇宙航空研究開發機構公開的2名候選航天員

“重返月球”更注重人

1969年阿姆斯特朗的“一小步”,邁出了人類探索外星球的“一大步”,之后“阿波羅計劃”分批將12名航天員送上月球。而“阿爾忒彌斯計劃”的目標不僅是“到月球一游”,其“野心”和復雜程度都遠遠超過“前輩”。

該計劃將在月球軌道上建立名為“門戶”的空間站,近可作為“重返月球”任務的大本營,不時派遣航天員登陸月球,開發月球資源,遠可充當載人登火的前哨基地,在恰當時機派遣先行者登陸火星,嘗試建設新家園。相比之下,歷經10余年坎坷后成功組合首飛的SLS重型火箭和獵戶座飛船在整個計劃中僅是“開胃小菜”,“門戶”的建設才是“第一道主菜”。而在更復雜的系統中,必須更多地考慮航天員的需求和限制。

繞月空間站將由美、歐、日等多方聯合打造,主體由動力與推進系統、居住與后勤系統、國際居住艙等核心艙段以及加油艙、氣閘艙等功能艙段組成,預計能同時對接獵戶座飛船、“星艦”和貨運補給飛船。該空間站建成后,將成為“阿爾忒彌斯計劃”實施行動的主要基地,獵戶座飛船、日本白鶴飛船等負責從地球往空間站補充人員和貨物,“星艦”則負責從空間站往月球(遠期可能還包括火星)送人送貨。這相當于在地月空間建立了半永久性“驛站”,有望開展為期數月的復雜月面任務。

由此,“門戶”能否支持多名航天員長期駐留,一向是外界關注的焦點。不久前,一些參與過設計工作的航天工程師表示,“門戶”的航天員居住區過于狹小,導致航天員很難站立活動,且艙內大部分空間很可能充斥著設備噪聲和振動,進而嚴重影響航天員的身心健康。為消除質疑,項目團隊決定建造真實尺寸的居住艙模型,測試是否存在威脅航天員的隱患,以便在2024年按計劃發射“門戶”首個艙段。

“門戶”空間站示意圖(來源:美國宇航局)

在繞月空間站完工之前,航天員同樣任務繁重。按規劃,“阿爾忒彌斯計劃”的第三次任務是載人登月行動。屆時,航天員將乘坐獵戶座飛船,由SLS重型火箭送往繞月軌道,與提前發射的“星艦”改裝的登月艙在軌對接。然后,航天員進入登月艙,前往月球南極降落。

這次航天員的月面之旅預計將比“阿波羅計劃”更充實,可能會少些探險的刺激和樂趣,卻要開展更多的細致瑣碎的科研活動,重點是尋找可能存在的水資源,調查地質狀況,為后續建立月球基地打下基礎。

全新挑戰無處不在

如今,已有越來越多的普通太空游客造訪國際空間站,那么納入空間站項目的新時代載人登月計劃會不會放寬航天員的身體選拔標準呢?答案可能恰恰相反。

從“阿爾忒彌斯計劃”不難看出,新時代的載人登月計劃充分吸取了空間站長期運營過程中的經驗教訓。

人類至今沒有在外星球上長期駐扎過,太空生活體驗普遍是在近地軌道的密封設施內,而那里與月球表面環境顯著不同。所以航天員在月表長期駐留必將面臨很多新問題,包括不同重力環境下生理適應性、輻射危害與防護、心理健康維護、太空醫學“盲區”等。

在空間站上近似零重力條件,而在月球表面的重力約為地球的1/6。航天員如果在繞月空間站上居住且不時前往月球表面工作,身體需要在與地面差異很大的不同重力環境中不斷調整適應。這種不定期變化的重力環境很可能對航天員的心血管系統、免疫系統、神經系統、骨骼肌肉等造成目前難以預估的危害。

更麻煩的是,航天員在“月球圈”長期工作生活,基本失去了地磁場的保護,更容易受到宇宙輻射威脅,身體不適很可能是常見的狀況,某些嚴重的輻射癥狀更加令人擔憂。

事實上,新時代的載人登月任務更加復雜,有可能是人類首次真正意義上的在近地空間以外長期活動,必須重點解決宇宙輻射防護問題。這還會給未來的載人探火任務提供更多指導性經驗。

此外,登月航天員遠離地球環境,活動受限,人際關系單一,還要時刻防備著宇宙輻射、設備故障、傷病等風險,預計將承受較大的心理壓力。比如,月球晝夜環境與地球相差極大,晝夜交替漫長,晝夜溫差可達300攝氏度,遍布荒漠和死寂,必然影響航天員的生物鐘和身心狀態,引發行為和認知能力下降。

由于從月球飛回地球至少需要兩天半時間,航天員一旦身體出現異常,迫切需要急救,不可能像近地軌道空間站上那樣盡快送人回地面或迎來地面緊急支援,這就對太空生命保障系統提出了更高的要求。

總之,航天員在“月球圈”長期執行任務,對于身心素質和太空醫療系統都將是更大的挑戰,選拔工作只會更加嚴格。再考慮到航天員的月面科研任務“更上一層樓”,在專業領域同樣不能放松標準。

素質更高“幫手”多

環境更加不友好,任務更加繁重,無不要求登月航天員具備更完善的綜合素質。

美國宇航局給“阿爾忒彌斯計劃”航天員設定的選拔條件為:擁有至少1000小時的噴氣式飛機駕駛經驗或至少3年的STEM(科學、技術、工程、數學)相關領域工作經驗。值得一提的是,這是美國宇航局有史以來第一次要求航天員申請人擁有STEM領域碩士學位。

之所以要設置如此高的“門檻”,是因為美國宇航局認為,相比近地軌道飛行任務,登月和長期“月球圈”居留對航天員的身心素質、創造潛力等要求更高,航天員還必須更加重視團隊合作,發揮整體效能。此外,這次月球科考和實驗任務跟“阿波羅計劃”不可同日而語,從而對航天員的專業背景和科學素養提出了特殊要求。

從2022年起,入選“阿爾忒彌斯計劃”的首批航天員陸續接受為期兩年的訓練,具體項目包括操作和維護空間站、太空行走、駕駛超聲速教練機飛行、學習復雜的機器人操作技能等。

基礎訓練完成后,他們必須通過針對登月任務的專題強化訓練。比如,他們要提升對于登月和月球環境的耐力、適應能力,學會操作登月航天器,熟悉飛行程序與任務,更不用說考核通過任務核心部分——登月與月面活動訓練、月球居留訓練、月球科學考察及實驗操作訓練等。視情況,訓練涉及個人和小組合作,甚至是跨系統、全系統參加的大型聯合演練。

不過,得益于虛擬現實技術和數字技術的大發展,未來高素質航天員登月前也會有更多“幫手”。比如,昂貴、繁瑣的實物實景訓練項目將逐漸被淘汰,航天員在全景模擬器上可以完成登月艙飛行訓練、空間站和月表居留訓練,涉及各種科學考察和實驗器材的仿真操作考核更是不在話下。

放眼未來,隨著大數據應用和信息技術的進步,航天員選拔與訓練將獲取更豐富、更多元化的數據支撐。人工智能有可能會參與任務規劃、人員優化組合,確保選出特定飛行和科研任務的航天員團隊“最優解”。(作者:李嵩)



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