原标题:触摸屏不受待见?载人航天器上的按钮有讲究
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内部布局,更有细心的网友注意到飞船和空间站内部的很多按钮。这些按钮功能复杂,经过了设计师的精心设计,以帮助航天员在太空中更好地操控航天器。
航天员边看操作说明书边操控按钮
令人眼花缭乱的操控区
20世纪70年代以前,由于计算机技术还不够成熟,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,并设置有大量的操纵杆、按钮、警报灯、仪表等。
当时,美国、苏联的载人航天器大多采用机电式仪表,驾驶舱的布局借鉴了同时期的飞机座舱“T”形布局。根据载人航天器的航行任务,对航天员操作最重要的仪表,如全姿态仪、地平仪、飞行高度等基本仪表,被放在航天员的主视区,以便完成主要任务。除此之外,一些次要的飞行仪表则被布置于主视区附近。
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,安装在驾驶舱的四壁,甚至连“天花板”上也铺满了。
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。由于要满足航天员生活、空间站维护、科学研究等的需求,空间站按钮的功能更加丰富。
NASA发布的国际空间站内景照片
这些按钮有保证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、报话通信系统等的按钮;还有保证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、航天服务等的按钮。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是电脑自动控制的,只有在紧急情况下,或者有特殊需求时,航天员才会手动操控那些按钮。
不受待见的触摸屏
载人航天器上的按钮如此之多,科学合理的设计就显得尤为重要,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。
比如载人航天器在太空运行过程中,因为太空环境复杂,航天员可能经常处于倒立状态去操作按钮,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地输入指令或者输入过长的指令。
载人航天器中还要尽量避免大面积采用触摸屏。触摸屏因为便于操作,给人们的生活带来了极大便利,但是在载人航天器上却很少出现,这是为什么呢?
首先,从操作性上看,触摸屏更容易“误操作”。不同于物理按钮需要“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”是很困难的,所以航天员很难在这种时候在触摸屏上操控航天器。
其次,从可靠性上看,触摸屏相比物理按钮更容易出现问题或者被损坏,而且一旦出现问题,无法使用的将是整个屏幕上的操控键。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。
与之相反,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,相比触摸屏更加有真实感、更加准确。
猎户座飞船控制界面
按钮设计的五项原则
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完成特定任务。设计师根据用户需求设计产品时的原则主要有5条:
一是按钮设计要绝对简单。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。
二是要配备操作说明书。飞船设计师编制了操作说明书,仍需要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,虽然也经过长期培训,但是在高压环境下,不能完全依靠航天员对操作指令的记忆,而是要配备操作说明书以备不时之需。
“神舟十二号”航天员在进行操作时手里就拿着操作说明书,这正是设计人员专门为用户配备的。
三是要按功能重要程度分布按钮位置,并设置不同颜色的按钮灯。这些设计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,同时也能降低犯错概率。
美国航天飞机的按钮就遵循了以上原则,这些不同颜色的按钮有规律地整齐排列在操控台上,让人一目了然。
四是重要指标、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,而且警示灯也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,一定要将最棘手的问题摆在最明显的位置,例如氧气不足时。
五是要有防误操设计。重要操控按钮要配备保护罩,防止误碰,比如返回按钮。想象一下在执行任务过程中航天员误按了返回按钮……
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。
未来的发展趋势
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,计算机能够理解人类语言指令完成操控。这项技术可用于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,也可缩短航天员的反应时间。
2020年5月31日,SpaceX公司研发的载人“龙”飞船成功实现首飞。在发射过程中,除了运载火箭之外,很多人还注意到载人“龙”飞船的操作系统。它的操控界面并没有布置很多按钮和刻度盘,而是采用了超级大的触摸屏,看上去像是把特斯拉电动车上的触摸屏搬了上来。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。由于物理按钮很少,整个驾驶舱显得十分简洁,充满科技感。
载人“龙”飞船超大触摸屏
载人“龙”飞船上作为应急使用的物理按钮
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减少。
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,载人航天器可以非常容易上手,更加符合我们心目中宇宙飞船的样子。(文:马振政)
来源: 中国航天报微信公众号
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