原标題：觸摸屏不受待見？載人航天器上的按鈕有講究

随着天和核心艙成功入軌，中國載人航天全面邁入空間站時代。兩個乘組各3位航天員先後搭乘神舟十二号、十三号飛船進入太空，在“天宮”駐紮值守。

從天地連線的視頻中，我們得以一窺航天器内部布局，更有細心的網友注意到飛船和空間站内部的很多按鈕。這些按鈕功能複雜，經過了設計師的精心設計，以幫助航天員在太空中更好地操控航天器。

航天員邊看操作說明書邊操控按鈕

令人眼花缭亂的操控區

20世紀70年代以前，由于計算機技術還不夠成熟，科研工作者使用彙編語言開發航天器操作指令，載人航天器通過顯示器顯示狀态和操作流程，并設置有大量的操縱杆、按鈕、警報燈、儀表等。

當時，美國、蘇聯的載人航天器大多采用機電式儀表，駕駛艙的布局借鑒了同時期的飛機座艙“T”形布局。根據載人航天器的航行任務，對航天員操作最重要的儀表，如全姿态儀、地平儀、飛行高度等基本儀表，被放在航天員的主視區，以便完成主要任務。除此之外，一些次要的飛行儀表則被布置于主視區附近。

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“奮進号”“亞特蘭蒂斯号”和“發現号”3艘航天飛機的駕駛艙，駕駛艙操控台附近布置了形式不同、功能各異的按鈕，安裝在駕駛艙的四壁，甚至連“天花闆”上也鋪滿了。

2015年1月16日，美國宇航局公布了國際空間站内部結構的視頻。由于要滿足航天員生活、空間站維護、科學研究等的需求，空間站按鈕的功能更加豐富。

NASA發布的國際空間站内景照片

這些按鈕有保證航天器正常運行的按鈕，主要有操控姿态控制系統、生命維持系統、報話通信系統等的按鈕；還有保證航天員工作和生活的按鈕，如操控空氣更新系統、廢水處理和再生系統、航天服務等的按鈕。它們的作用包括控制飛船飛行姿态、監測飛船工作狀态、保護航天員的生命等。不過，很多時候這些系統都是電腦自動控制的，隻有在緊急情況下，或者有特殊需求時，航天員才會手動操控那些按鈕。

不受待見的觸摸屏

載人航天器上的按鈕如此之多，科學合理的設計就顯得尤為重要，要在保證操作便捷性的同時，避免各種容易産生問題的設計。

比如載人航天器在太空運行過程中，因為太空環境複雜，航天員可能經常處于倒立狀态去操作按鈕，很難完成複雜指令的輸入，所以在定義按鈕的時候，需要盡量避免讓航天員頻繁地輸入指令或者輸入過長的指令。

載人航天器中還要盡量避免大面積采用觸摸屏。觸摸屏因為便于操作，給人們的生活帶來了極大便利，但是在載人航天器上卻很少出現，這是為什麼呢？

首先，從操作性上看，觸摸屏更容易“誤操作”。不同于物理按鈕需要“按”下去的動作，觸摸屏的虛拟按鈕是“點到即可”。航天器在飛行過程中會出現劇烈抖動的情況，這時想要“一擊即中”是很困難的，所以航天員很難在這種時候在觸摸屏上操控航天器。

其次，從可靠性上看，觸摸屏相比物理按鈕更容易出現問題或者被損壞，而且一旦出現問題，無法使用的将是整個屏幕上的操控鍵。觸摸屏如果成為主要操控系統的唯一操作媒介，一旦出現問題，航天員将失去對航天器的控制。

與之相反，物理按鈕一直被公認為是最可靠的設計，伴随着載人航天器的一路發展。它在操作的過程中給人以物理反饋，相比觸摸屏更加有真實感、更加準确。

獵戶座飛船控制界面

按鈕設計的五項原則

航天器不是程序員的電腦，完成輸入指令後等着輸出結果就行。在日常飛行中要完成出艙維修、科學實驗、人體健康檢測等任務，不可避免地需要航天員手動操控按鈕完成特定任務。設計師根據用戶需求設計産品時的原則主要有5條：

一是按鈕設計要絕對簡單。要将複雜功能彙聚于一個按鈕，一個操控按鈕完成一個功能；而且按鈕之間相互獨立，一個按鈕的損壞不會影響到其他按鈕的正常運行。

例如艙體對接、分離的動作分别由獨立的按鈕控制完成，包括按照程序設定控制對接、分離，以及手動對接、分離的按鈕。

二是要配備操作說明書。飛船設計師編制了操作說明書，仍需要花費大量的時間将這些操作爛熟于心，方可完美地完成演示驗證試驗。航天員并非飛船設計人員，雖然也經過長期培訓，但是在高壓環境下，不能完全依靠航天員對操作指令的記憶，而是要配備操作說明書以備不時之需。

“神舟十二号”航天員在進行操作時手裡就拿着操作說明書，這正是設計人員專門為用戶配備的。

三是要按功能重要程度分布按鈕位置，并設置不同顔色的按鈕燈。這些設計可以幫助航天員直觀地了解按鈕功能的重要程度，既可以縮短查找時間，方便操作，同時也能降低犯錯概率。

美國航天飛機的按鈕就遵循了以上原則，這些不同顔色的按鈕有規律地整齊排列在操控台上，讓人一目了然。

四是重要指标、警報一目了然。當載人航天器出現問題時，除了警報還需要有警示燈閃爍，而且警示燈也被設置為不同顔色以區分警報的重要程度。

紅色标識為最高警報，一定要将最棘手的問題擺在最明顯的位置，例如氧氣不足時。

五是要有防誤操設計。重要操控按鈕要配備保護罩，防止誤碰，比如返回按鈕。想象一下在執行任務過程中航天員誤按了返回按鈕……

此外，載人航天器上采用軟件、硬件對操作流程進行協同控制，例如航天器的姿态控制由測量器、數據處理系統和執行機構3個部分共同完成。

未來的發展趨勢

人機交互堅持以人為中心的設計理念，經過多年的發展，語音控制技術水平快速提高，在語音識别技術支持下，計算機能夠理解人類語言指令完成操控。這項技術可用于實現載人航天器的飛行自動化。該功能的擴充不僅可以減輕航天員操作的體力負荷，也可縮短航天員的反應時間。

2020年5月31日，SpaceX公司研發的載人“龍”飛船成功實現首飛。在發射過程中，除了運載火箭之外，很多人還注意到載人“龍”飛船的操作系統。它的操控界面并沒有布置很多按鈕和刻度盤，而是采用了超級大的觸摸屏，看上去像是把特斯拉電動車上的觸摸屏搬了上來。屏幕上集成了很多複雜的系統，整個操作系統看起來非常酷炫，讓人驚歎不已。由于物理按鈕很少，整個駕駛艙顯得十分簡潔，充滿科技感。

載人“龍”飛船超大觸摸屏

載人“龍”飛船上作為應急使用的物理按鈕

随着航天技術的不斷發展，一系列的改變正在循序漸進地進行着，載人航天器上的物理按鈕也在逐步減少。

随着觸摸屏可靠度的提升和語音助手技術的發展，也許在不久的将來，載人航天器可以非常容易上手，更加符合我們心目中宇宙飛船的樣子。（文：馬振政）

來源： 中國航天報微信公衆号

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