哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱“哈勃”）和此前的空間望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)很大的區(qū)別，它從設(shè)計(jì)之初就考慮了周期性地接受維護(hù)。當(dāng)時(shí)考慮，是依托航天飛機(jī)，每?jī)赡臧氲饺杲邮芤淮尉S護(hù)和設(shè)備升級(jí)，不斷地改進(jìn)觀測(cè)能力。這樣，“哈勃”就可以不斷引入最前沿的科技成果。這種維護(hù)和升級(jí)任務(wù)稱為“服務(wù)任務(wù)”，簡(jiǎn)稱SM?！肮钡木S修和維護(hù)，不但為天文界維持了一件重要的科學(xué)儀器，同樣也為后續(xù)的在軌維修和維護(hù)總結(jié)出了一套行之有效的工作組織方法。美國(guó)宇航局（NASA）在SM3任務(wù)完成后，總結(jié)了10個(gè)要點(diǎn)，非常具有啟發(fā)性。

1.建立一支專家隊(duì)伍

“哈勃”的設(shè)備和分系統(tǒng)來自美國(guó)和歐洲的不同供應(yīng)商，為了執(zhí)行SM任務(wù)，NASA把這些供應(yīng)商的代表召集到了戈達(dá)德飛行中心，那里有全世界規(guī)模最大的超凈間。從事“哈勃”修理工作的航天員要在這里熟悉“哈勃”的硬件并且接受訓(xùn)練。不僅如此，航天員還要到休斯頓的約翰遜飛行中心，在零重力水池中接受綜合訓(xùn)練。在最后階段，負(fù)責(zé)發(fā)射航天飛機(jī)的肯尼迪飛行中心也要派人加入。當(dāng)航天員真的開始執(zhí)行維修任務(wù)時(shí)，由約翰遜中心負(fù)責(zé)地面指揮，但各有關(guān)方面都要派人到場(chǎng)。

在艙外活動(dòng)期間，每個(gè)需要更換的器件，地面團(tuán)隊(duì)都要指派一名負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)與其他相關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)師進(jìn)行溝通。而負(fù)責(zé)艙外活動(dòng)工作設(shè)計(jì)的專家必須在早期介入硬件設(shè)計(jì)工作。比如在機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，空間活動(dòng)專家就要從一開始就加入設(shè)計(jì)工作。這是因?yàn)榕撏饣顒?dòng)的需求和標(biāo)準(zhǔn)是非常獨(dú)特的，艙外活動(dòng)專家考慮硬件問題的時(shí)候，必須考慮航天員穿著艙外航天服的操作需求。艙外活動(dòng)專家本人還需要能夠承擔(dān)起工具設(shè)計(jì)師的角色，能夠設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、集成工具，并且能訓(xùn)練航天員使用這些專用工具。

那么艙外活動(dòng)專家是如何培養(yǎng)出來的呢？非常簡(jiǎn)單，上一輪任務(wù)中負(fù)責(zé)艙外活動(dòng)的航天員，在下一輪任務(wù)中就扮演專家的角色。受他培訓(xùn)的航天員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，被稱作“有效載荷指令長(zhǎng)”。如此循環(huán)延續(xù)。

在艙外航天服的設(shè)計(jì)過程中，就充分體現(xiàn)了專家隊(duì)伍的作用?！肮本S修工作使用的艙外航天服是特制的，它的需求和此前的型號(hào)都不一樣。設(shè)計(jì)師們?yōu)榇颂匾庠诹阒亓λ刂羞M(jìn)行了體驗(yàn)，充分了解穿著航天服之后如何觀察、運(yùn)動(dòng)，以此不斷改進(jìn)航天服設(shè)計(jì)，特別是改進(jìn)手套的設(shè)計(jì)。

2.建立需求清單

無論要做什么，首先要明確需求。這對(duì)于“哈勃”任務(wù)來說也是一樣的。

從1992年開始，“哈勃”服務(wù)任務(wù)團(tuán)隊(duì)就開始設(shè)計(jì)所需的工具和流程。他們根據(jù)以下層次梳理有關(guān)的需求：總體任務(wù)、任務(wù)所需更換的硬件、任務(wù)中的艙外活動(dòng)部分、用于支持艙外活動(dòng)的硬件、用于更換硬件所需的工具、艙外活動(dòng)需求和NASA現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)。

▲ 歐空局的航天員克勞德·尼克列在SM3A任務(wù)中維修哈勃望遠(yuǎn)鏡的存儲(chǔ)系統(tǒng)

由于“哈勃”的維修維護(hù)工作與從前的各類艙外活動(dòng)都不一樣，所以它的任務(wù)設(shè)計(jì)和工具設(shè)計(jì)流程也完全不一樣?！肮眻F(tuán)隊(duì)采用了頭腦風(fēng)暴的方式來啟動(dòng)設(shè)計(jì)，往往能預(yù)見到很多常規(guī)設(shè)計(jì)方式想不到的問題。例如在頭腦風(fēng)暴中，有人提出“哈勃”的設(shè)備艙門鎖會(huì)不會(huì)卡死。于是團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑脂涂敷器，然后真的用上了。還有人提出，用手動(dòng)工具拆裝電子連接器容易疲勞，于是團(tuán)隊(duì)把這件工具改成了電動(dòng)的，不但降低了航天員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還節(jié)省了寶貴的艙外活動(dòng)時(shí)間。

有時(shí)候，還需要在艙外活動(dòng)期間，實(shí)時(shí)組織頭腦風(fēng)暴。在第一次維護(hù)期間，航天員們發(fā)現(xiàn)“哈勃”的磁力計(jì)維護(hù)艙蓋松脫了。地面團(tuán)隊(duì)立刻臨時(shí)組織起了一場(chǎng)頭腦風(fēng)暴，約翰遜中心和戈達(dá)德中心的專家們隔空交流，認(rèn)為有必要從航天飛機(jī)設(shè)備架上切下一塊材料，臨時(shí)制作一個(gè)艙門。但是到底是切防護(hù)氈還是切蓋板呢？材料污染專家介入后認(rèn)為，防護(hù)氈會(huì)影響磁力計(jì)工作，因此團(tuán)隊(duì)最終決定切蓋板。航天員回到艙內(nèi)，用切掉的蓋板材料制成了一個(gè)臨時(shí)艙門，然后出艙把它裝上，解決了問題。這次經(jīng)驗(yàn)也引出了一套新的“哈勃”維修設(shè)備，叫做偶發(fā)防護(hù)層維修套件。在SM2任務(wù)中，這個(gè)套件就發(fā)揮了作用。航天員意外發(fā)現(xiàn)“哈勃”的防護(hù)氈有多處裂口，就用偶發(fā)防護(hù)層維護(hù)套件打了幾個(gè)補(bǔ)丁。

▲ 哈勃望遠(yuǎn)鏡防護(hù)氈上的撕裂部分

3.設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單

“哈勃”是飛行在軌道上的物體，所以給維護(hù)方案和維護(hù)工具的設(shè)計(jì)帶來了很大的特殊性，而且每次艙外行走的時(shí)間都是有限的。因此，無論動(dòng)作設(shè)計(jì)還是工具設(shè)計(jì)都要遵循一個(gè)原則，那就是要簡(jiǎn)單，具體要考慮的問題包括：

能用手的就不要用工具；

能用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)工具的就不要設(shè)計(jì)新工具；

能設(shè)計(jì)通用工具就不要設(shè)計(jì)專用工具；

如果要滿足特定目標(biāo)，還是要設(shè)計(jì)專用工具；

確認(rèn)工作由機(jī)械臂完成，還是由系留在航天飛機(jī)上的航天員完成，還是由不系留的自由飛行航天員完成；

任務(wù)可以用一只手完成嗎？

用機(jī)械臂完成的工作同樣要遵循簡(jiǎn)單性原則，例如：人類在地面上會(huì)怎么做這件事？如果發(fā)生機(jī)械干涉怎么辦？設(shè)備和工具如何存放？如何分段運(yùn)輸?shù)焦ぷ魑恢?？工具的互換性會(huì)影響設(shè)計(jì)嗎？

在滿足簡(jiǎn)單性原則之后，當(dāng)然還要考慮很多其他問題，例如載荷、航天員和航天飛機(jī)本身的安全，熱防護(hù)，艙外航天服操作的便利性、運(yùn)動(dòng)能力、限制條件、航天員體力消耗，以及艙外活動(dòng)時(shí)間消耗。

梳理需求之后，“哈勃”團(tuán)隊(duì)總共提出了150類工具。有些用來把需要更換的設(shè)備運(yùn)到“哈勃”附近，有些是在維護(hù)過程中供航天員攀爬和固定身體的，有些是用來捕捉設(shè)備和器件不讓它亂飛的，還有低扭矩小型同軸電纜接頭、計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)起子，等等。

SM1任務(wù)就是簡(jiǎn)單原則的一個(gè)體現(xiàn)。當(dāng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)“哈勃”主鏡頭存在2.2微米的誤差，導(dǎo)致部分影像模糊之后，并沒有決定換掉主鏡頭，而是制作了一個(gè)很小的自適應(yīng)修正鏡，裝在了主光軸的后面。

4.聽取用戶反饋

這里說的用戶，不是天文學(xué)家們，而是為“哈勃”執(zhí)行修理任務(wù)的航天員。他們擁有真正的第一手經(jīng)驗(yàn)。

為了充分利用他們的寶貴經(jīng)驗(yàn)，“哈勃”團(tuán)隊(duì)建立起了一種迭代式反饋機(jī)制。迭代的起點(diǎn)設(shè)立在設(shè)備更換的初始需求之上。由項(xiàng)目工程技術(shù)人員在零重力水池中對(duì)維修任務(wù)流程和工具進(jìn)行第一輪評(píng)估。根據(jù)他們的反饋來改進(jìn)流程和工具。

▲ 航天員們?cè)诘孛孢M(jìn)行維修時(shí)的配合訓(xùn)練

▲ 航天員們?cè)诰毩?xí)使用維修哈勃時(shí)要用到的工具

然后由真正的航天員來進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)他們的意見，把任務(wù)流程和工具設(shè)計(jì)分成四種類型：

（1）可接受，不需要改變?cè)O(shè)計(jì)，航天員可以毫無困難或者基本順暢地用工具完成任務(wù)。后續(xù)可能會(huì)對(duì)工具進(jìn)行改進(jìn)。

（2）不可接受，需要進(jìn)行小幅度改進(jìn)。

（3）不可接受，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大改進(jìn)，并且需要重新驗(yàn)證。

（4）不能給出結(jié)論。由于試驗(yàn)條件或者環(huán)境不恰當(dāng)，無法對(duì)設(shè)備或者任務(wù)進(jìn)行驗(yàn)證；或者硬件設(shè)備仿真度不足，試驗(yàn)項(xiàng)目不恰當(dāng)，無法給出結(jié)論，需要重新試驗(yàn)。

▲ 航天員進(jìn)行硬件維修的訓(xùn)練

一般來說，需要由一名航天員出面，起草一份《乘員一致意見報(bào)告》交給“哈勃”團(tuán)隊(duì)，列出試驗(yàn)結(jié)果、設(shè)計(jì)改進(jìn)意見和總體評(píng)價(jià)。這是“哈勃”團(tuán)隊(duì)用來改進(jìn)流程和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。許多“哈勃”維護(hù)工作所用的工具，都是根據(jù)航天員的意見逐步改進(jìn)完善的，例如手動(dòng)接頭工具和電動(dòng)扳手。

5.經(jīng)常問“如果”

把一項(xiàng)工作或者一件工具設(shè)計(jì)完成，并不意味著萬事大吉?！肮眻F(tuán)隊(duì)要求設(shè)計(jì)人員必須經(jīng)常問自己“如果這東西失靈了怎么辦”。這并不是神經(jīng)過敏，在“哈勃”維修期間，總是會(huì)發(fā)生一些計(jì)劃之外的情況。所以，設(shè)計(jì)師需要讓自己的腦洞開大一點(diǎn)，不能讓自己的流程或者設(shè)備因?yàn)槟骋粋€(gè)意外情況就失效了。

具體來說，“如果……怎么辦”有四種情況。

第一，“如果這個(gè)機(jī)械失靈了怎么辦”，設(shè)計(jì)師需要收集和驗(yàn)證涉及扭矩需求和機(jī)械失效模式的有關(guān)工程數(shù)據(jù)。

第二，“有沒有解決麻煩的辦法”，需要在《艙外活動(dòng)突發(fā)情況文件》中給出正式的流程。

第三，“這個(gè)部件能不能被無視、移除或者丟棄”，這需要針對(duì)異常情況進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

▲ 亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)向哈勃空間望遠(yuǎn)鏡靠近時(shí)拍攝到的太空中的哈勃

第四，“有沒有備用工具”，這涉及到后勤策略，需要把備件或代用工具存放在航天員可以拿到的位置。

為了回答上述問題，1993年，戈達(dá)德中心開發(fā)了一套意外事件應(yīng)對(duì)的計(jì)劃、備案和訓(xùn)練流程。

在人們所能想到的意外事件中，最常見的是機(jī)械臂失靈。所以，航天員要訓(xùn)練使用航天飛機(jī)攜帶的備件或者貨艙里的“哈勃”衛(wèi)星支架，在沒有機(jī)械臂的情況下完成修理任務(wù)。

有些情況下，還需要為航天員設(shè)計(jì)特定用途的訓(xùn)練模擬器。比如一種叫做電力控制單元的模擬器，它和“哈勃”的設(shè)備架幾乎完全一樣，真實(shí)再現(xiàn)了那些很難夠到的接頭，供航天員反復(fù)練習(xí)。

為了支持任務(wù)，“哈勃”團(tuán)隊(duì)還建立了三個(gè)專門小組，應(yīng)對(duì)維修中遇到的常規(guī)和突發(fā)問題：艙外活動(dòng)軌道小組，在六個(gè)半小時(shí)的艙外活動(dòng)期間保持在線，提供實(shí)時(shí)支持；艙外活動(dòng)再計(jì)劃小組，負(fù)責(zé)梳理任務(wù)計(jì)劃，發(fā)生任何更改后都要重整目標(biāo)、動(dòng)作和時(shí)間線；艙外活動(dòng)轉(zhuǎn)型小組，負(fù)責(zé)提高態(tài)勢(shì)感知能力，提高溝通能力，一旦發(fā)生異常，要保持任務(wù)連續(xù)性。

6.用不同的方式來訓(xùn)練

航天員在太空里執(zhí)行任務(wù)，可能遇到各種意想不到的情況，所以在地面訓(xùn)練時(shí)，要多換幾種方法，提高上天之后的應(yīng)對(duì)能力。航天員的主要訓(xùn)練設(shè)施是戈達(dá)德中心的原比例仿真設(shè)備，它們的好處是和航天飛機(jī)、“哈勃”一模一樣；缺點(diǎn)是無法模擬失重環(huán)境，不能繞著它們飛行，也不能體現(xiàn)艙外航天服的性能。

在約翰遜中心的零重力水池中訓(xùn)練就能克服上述問題。為了提高保真度，NASA在這個(gè)巨大的水池里建立了全尺寸的航天飛機(jī)和“哈勃”模型，潛水訓(xùn)練服很好地模擬了失重環(huán)境下穿著航天服的體驗(yàn)。然而零重力水池也有自己的缺點(diǎn)，因?yàn)榈厍蛞€是存在的，為了模擬失重，必須把設(shè)備本身做得輕一些，水也對(duì)航天員的運(yùn)動(dòng)造成了比較大的阻力。另外，無法對(duì)航天員使用的金屬工具模擬失重效果。

因此，航天員需要在兩地都進(jìn)行訓(xùn)練，才能更適應(yīng)真實(shí)的空間飛行環(huán)境。

為了維修“哈勃”，NASA修建了以下模擬設(shè)備：

▲ 航天員正在進(jìn)行水下模擬訓(xùn)練

高保真度機(jī)械模擬器，用來模擬“哈勃”本身的主鏡頭、光軸架和其他科學(xué)設(shè)備。

電系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施，用來模擬維修中需要更換的小型用電設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備盒、磁帶記錄儀。

外部模擬器設(shè)施，模擬“哈勃”的前半部分，用于訓(xùn)練航天員更換防護(hù)氈和外部元件。

后部艙門模擬器，訓(xùn)練航天員順利開閉“哈勃”后部的儀器艙門。

2002年，為了執(zhí)行SM4任務(wù)，又建立了專用的電源控制單元訓(xùn)練模擬器，幫助航天員在非常狹窄的空間里接觸和操作36個(gè)電連接器。

不但如此，航天員們還要在真空模擬器中接受訓(xùn)練，體驗(yàn)真空和強(qiáng)太陽輻照的雙重影響。到了21世紀(jì)，更新的技術(shù)引入了航天員訓(xùn)練之中，那就是虛擬現(xiàn)實(shí)。

由于上述哪個(gè)訓(xùn)練都不能完全模擬空間環(huán)境。所以，多方法訓(xùn)練的必要性就更加明顯了。

7.不斷進(jìn)步

訓(xùn)練當(dāng)中會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新的問題，因此無論軟硬件設(shè)計(jì)還是訓(xùn)練方法都要不斷進(jìn)步。特別是要根據(jù)航天員的反饋不斷完善。艙外活動(dòng)所用的工具也不斷改進(jìn)，從常規(guī)任務(wù)工具發(fā)展成能應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的工具。起初，在零重力水池中只能進(jìn)行部分任務(wù)的訓(xùn)練，經(jīng)過改進(jìn)，已經(jīng)能模擬維修任務(wù)的全過程。任務(wù)流程也在訓(xùn)練中不斷優(yōu)化，形成最終的艙外活動(dòng)耗時(shí)計(jì)劃，并且再增加20%的余量來應(yīng)對(duì)各種意外情況。

8.反復(fù)訓(xùn)練

無論多么完善的設(shè)計(jì)，都需要人去執(zhí)行。特別是應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的動(dòng)作，更需要航天員形成肌肉記憶。根據(jù)訓(xùn)練和實(shí)際飛行，NASA發(fā)現(xiàn)以下方面的反復(fù)訓(xùn)練尤其重要：兩名出艙航天員之間的相對(duì)走位（一個(gè)人在機(jī)械臂附近，一個(gè)人自由飛行）；新舊設(shè)備和相關(guān)工具的運(yùn)送動(dòng)作；航天員更換設(shè)備、工具的捆綁方式和運(yùn)送操作；更換設(shè)備期間的動(dòng)作效率和時(shí)間效率。

航天員們首先要在常規(guī)重力下熟悉操作，然后才能進(jìn)入零重力水池。不過有時(shí)候，航天員們也可以用很小的桌面版模型來訓(xùn)練。另外，出艙航天員不但要練習(xí)自己分內(nèi)的工作內(nèi)容，還要練習(xí)另外一人的工作內(nèi)容，一旦發(fā)生意外情況，兩人可以交替工作。在航天飛機(jī)內(nèi)部配合的航天員也要同時(shí)參與，確保協(xié)調(diào)順暢。

這樣的反復(fù)訓(xùn)練是相當(dāng)艱苦的，根據(jù)NASA的統(tǒng)計(jì)，天上一小時(shí)的出艙活動(dòng)，在零重力水池里至少要練習(xí)10個(gè)小時(shí)，其他形式的練習(xí)時(shí)間就更長(zhǎng)了。

需要訓(xùn)練的不僅僅是航天員，地面控制團(tuán)隊(duì)同樣要在模擬操作臺(tái)上反復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)航天員進(jìn)入零重力水池的時(shí)候，正是地面控制團(tuán)隊(duì)仿真訓(xùn)練的好時(shí)機(jī)，這也提高了雙方的訓(xùn)練效率。

9.驗(yàn)證飛行硬件和流程的匹配度

“哈勃”是一個(gè)已經(jīng)在天上飛行的東西，不可能去實(shí)際測(cè)量它的零部件尺寸之后再設(shè)計(jì)修理工具和流程。好在NASA保留了完整的設(shè)計(jì)資料，以及工程樣機(jī)和備件。根據(jù)這些東西，可以在地面上驗(yàn)證要上天的工具是不是合用，驗(yàn)證維修流程的設(shè)計(jì)是不是合理。特別是設(shè)備運(yùn)輸路線、任務(wù)流程、存放位置、工作區(qū)大小和容積、出艙航天員視野和手套能觸及的范圍等等。有些方面的內(nèi)容不但要看資料設(shè)計(jì)，更要在工程樣機(jī)上毫無遺漏地驗(yàn)證一遍，比如扳手、收納槽。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每次飛行前，要進(jìn)行3500項(xiàng)匹配度驗(yàn)證工作。

10.不斷落實(shí)整改措施

作為一種具有探索性的工作，每次SM任務(wù)之后，航天員都有一大堆體驗(yàn)和感觸。這對(duì)NASA來說，是寶貴的財(cái)富。因此，SM2之后的每次任務(wù)都會(huì)總結(jié)上一次任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并落實(shí)整改措施。到了SM4任務(wù)，整個(gè)維護(hù)流程就更加完善了。