宇宙在演化中创造了一个能够部分理解它的物种：人类。
从混沌初开到航天时代，作为唯一已知的智能生命，人利用各种工具认识世界改造世界，实现了物种的延续与文明的进化。
然而，在人工智能技术快速发展的今天，为什么还要派人上天？人和机器在太空任务中如何协同工作？作为有人参与的航天活动，载人航天怎样注入与升华“人”之价值？
载人航天是多个系统组成的复杂工程，也是由人、机和空间环境建构的系统工程。在体现国家意志、振奋民族精神、推动科技进步和延续未来文明的维度之外，本文从空间站工程师的视角谈谈人在太空的作用，以及载人航天为满足人在太空需求而进行的系统设计。
人之珍贵，万物难以替代；以人为本，航天始于初心。
上篇
不可替代的人：智能物种的地外使命
“假舆马者，非利足也，而致千里；假舟楫者，非能水也，而绝江河。”早在两千多年前，我们的祖先就总结了骡马、舟船等工具对人类能力的极大延伸。
工业革命以来，人类能够利用的工具进一步发展为自动化设备、机器人、人工智能等（本文以广义的“机器”一词概括）。机器的应用并未取代人力，而是催生了专业分工、产业链条、第三方服务众多领域的更多岗位。
站在太空时代的开端，航天先驱者冯·布劳恩认为，空间站里人的一项主要任务是更换相机胶片。今天，无论对地对天观测都已经不使用胶片了，但人在太空不仅没有失业，反而有了更多、更复杂、更有意义的工作，甚至连航天员职业都细分出了科学家、工程师等更多岗位。
机器能替代人吗？这个新鲜而古老的话题其实早已有了答案。几百年来，从地球到天外，技术不断进步，但人能做的工作超越了同时代的机器能力，或者是在当时代机器能力的基础上又有了更高的需求，可以在机器补充或替代部分人力劳动的同时腾出手和脑去做更“高级”的事。“高级”是相对时代而言的，而人所拥有独一无二的超越机器的能力是与时代无关的，因此载人航天也永远是以“人”为设计起点的。
▲1984 年的航天飞机STS 41-D任务中，航天员 Michael L. Coats 从卡住的 IMAX 摄像机中取出胶卷。（图源：Space.com/NASA）
1、人在现场大不同
空间遥操作已是人类开展航天活动的一种基本方式，但人在现场的参与能够获得更高效、更直接的操作效果和更加综合、丰富的成果。这些典型的工作现场包括科学研究与技术试验、空间站的运行操作、空间站及其他在轨设施的组装建造等。它们的共同特点在于，有专业知识和技能的人能够根据现场的多样化信息进行综合判断，实时做出针对性的决策，并实施物理层面的操作。
（1）科学研究与技术试验
这类工作是探索性的，按照“尝试-评价-修正-再尝试”的过程迭代进行。人在现场可以第一时间获得全面的试验信息，对当前状态做出判断并由此形成下一步的工作方案，调整并确定试验状态与参数。相比地面的专家队伍只能依赖有限的遥测数据开展工作，载荷专家航天员在现场可以利用丰富的状态信息做出综合判断和高效决策。
现场专家还可以直接更换试验样品、调整试件或试验设施状态。这些操作必须“看得见摸得着”才能进行——至少，基于目前的技术能力，地面人员要想通过远程操控达到同样的效果，约束和难度要大得多。
空间站内，高性能计算机的配置和在轨3D打印、原位材料加工等技术的发展，将进一步加强现场人员介入试验的能力。依托天地链路，载人航天活动可以形成载荷专家在轨试验与地面专业中心技术保障相结合的工作模式，充分发挥天地所长。
▲神舟十三航天员乘组进行在轨科学实（试）验
（2）空间站的运行操作
空间站是一个庞大的机、电、热综合设施，内含大量的机构和机电类产品，人进行直接操作不仅效率高，而且易于对操作结果进行判定。比如，对于阀门、动作机构等产品的开关或运动状态，地面通常以“开/关指令是否发出”或机构某一部位“是否触发压点开关”作为依据；受传感器原理及实现方法的制约，设备的运动部件“物理动作是否到位”在很多时候是难以直接判断的，人操作则可以直接由手柄位置、阀门角度、机构形位等实时判明操作结果。
人在现场的更大优势在于快速处置能力。一旦发生“动作不到位”，可以迅速判明是实际物理动作故障还是传感器或信息传输等其他环节的问题，并第一时间处置。机构类产品的物理动作最适宜“眼见为实”，这也是无人航天器越来越多地配置摄像机，让地面人员能够直接从图像判断太阳翼展开、机械臂运动等状态的原因。
（3）空间站及其他在轨设施的组装建造
我们常常把空间站的在轨建造比喻为在太空中搭积木、盖房子。它实质上是基础设施不断增加、拼接或调整的过程，涉及舱内舱外大量复杂而精细的机械、电气操作，最适合人在现场大显身手。
国际空间站去年的两个大动作，就是这类操作的典型。一是美国舱段通过多组多次航天员出舱进行安装、连接、展开等工作，完成了两组新太阳电池阵的安装升级。二是俄罗斯航天员通过出舱和舱内操作连接电缆、网线并安装舱外设施，使新近发射的“科学号”（Nauka）多功能舱真正成为国际空间站的组成部分。
首个模块1998年发射升空以来，国际空间站主结构桁架的装配和众多舱段的扩展，都是航天员在机械臂辅助下完成的。截至2022年4月28日，国际空间站已开展250次航天员出舱活动，对空间站进行组装、维护和升级。
▲2022年4月28日，俄罗斯航天员实施国际空间站第250次出舱活动，设置帮助启用新的欧洲机械臂。（图源：NASA）
2、人是机器的备份或补充
载人航天活动中，人控操作经常用作自动操作的备份或补充手段。我们可以理解为，人的操作与自动操作是两套独立且原理不同的异构控制器，二者配合能够极大地提高系统可靠性。
比较典型的独立备份设计是交会对接。在交会的大部分过程中，系统需要进行测定轨和轨道计算，人是无法胜任的。交会末段，主动飞行器要进行位置和姿态的六自由度控制，人的视觉和运动能力就可在此关键时段发挥作用了。在这一阶段，自动系统用雷达或光学测量设备进行位置和速度测量，用光学敏感器结合三维靶标测定相对姿态，用控制计算机解算控制参数并向推进系统发出控制指令；航天员则以直接目视或摄像机观察靶标图像，靠人的立体视觉判定姿态，依据自己的空间运动感和位姿判断进行手柄操作，控制飞船的飞行动作。这样的设计，可以确保在自动系统故障时立即以人控接管，保证安全并继续任务。
人控作为补充的设计则常见于机械臂操作。机械臂辅助舱外活动的过程中，大范围的转移通常是由计算机进行路径规划并执行的，这样可以有效规避障碍并优化机构运动。当到达作业点需要微调时，现场航天员更了解自己的需求，通过直接观察能够比依靠摄像机图像获得更全面的三维空间信息，因此这一阶段多采取“听作业航天员指挥”的方式进行机械臂的局部位姿调整。为了提高效率，这种指挥和执行通常不再以天地协同模式进行，而是由舱内航天员按照舱外口令进行仪表和手柄操作。欧洲机械臂（European Robotic Arm/ERA）的现场操作更“现场”，专门为舱外航天员配置了一个操作盒。通过操作盒上的手柄和按钮，航天员可以在舱外作业现场像开挖掘机那样操作机械臂。
▲我国首次手控交会对接成功
3、应对意外是人特有的优势
需要航天员执行的在轨设施维护主要是硬件设备更换或修理，即那些无法通过数据注入、软件升级等“软”方式实现且机器执行难度很大的项目。国际空间站二十余年的飞行中，航天员更新过寿命到期的机械泵组，拆换过发生故障的控制力矩陀螺，将氢镍电池升级为锂电池，人的操作涵盖了各类设备的维修维护工作。
航天员发挥更大作用的工作在于处置设计状态之外、需要现场根据具体情况判断的问题，典型例子包括哈勃望远镜的5次在轨维修和维护升级，以及国际空间站上阿尔法磁质谱仪（ Alpha Magnetic Spectrometer/AMS）热控系统的维修。为解决哈勃望远镜透镜装配误差问题，航天员上天安装为哈勃量身定制的修正镜；要在受限体积内腾出安装位置，还不得不拆除了一件相对不重要的设备（高速光度计）。在第二个案例中，工程研制了20余种专用工具，经过地面试验后上天操作，并根据航天员每次出舱的实际操作情况制定后续任务方案，最终完成了AMS制冷系统管路的维修。
应急抢险是航天员处理的最严酷故障，全球载人航天史上并不罕见。国际空间站密封舱泄漏，航天员通过关舱门隔离舱段、对疑似泄漏区域覆盖塑料膜等方法定位泄漏点；和平号空间站发生火灾，航天员以灭火器等手段扑灭火焰，之后又恢复空气成分并修复部分设备；失控的礼炮7号空间站，则由联盟T-13航天员手控对接后修复。正是有了航天员的在轨维修维护，设计寿命5年的和平号空间站持续工作了15年，国际空间站运行二十多年后在技术上仍可延寿。
“随机应变”式的现场处置与应急抢险，都属于“意料之外”。这样的非正常情况一旦出现，由于输入数据与训练数据相差太大，机器很难以最优性能应对。而人依靠自己的知识、经验和逻辑做出判断，往往能智慧地解决问题、化解危机。