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。

来源/中国航天报微信公众号
文/马振政

编辑/杨斯爽

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