CC BY
115
2
Биотехнические системы
УДК 629.78
Б. И. Крючков, д-р техн. наук,
A. А. Курицын, д-р техн. наук,
B. М. Усов, д-р мед. наук,
Е. В. Попова, начальник отделения, ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина», А. В. Поляков, канд. мед. наук, ГНЦ РФ — ИМБП РАН, Москва
Б. И. Крючков
А. А. Курицын
В. М.Усов
Е. В. Попова
А. В. Поляков
Перспективы развития научно-прикладных исследований и экспериментов
на Международной космической станции
Ключевые слова: космический полет, станция, космический эксперимент, Международная космическая станция, вид деятельности членов экипажа, пилот, профессиональная подготовка, российский сегмент. Key words: manned space flight, International Space Station, Russian Segment, space experiment, research activities, cosmonaut training, methods and means of ground training.
Вопросы совершенствования профессиональной подготовки космонавтов к выполнению космических экспериментов (КЭ) на борту Международной космической станции (МКС), поиски новых методов и средств формирования профессионализма членов экипажа как космонавтов-исследователей являются предметом острых дискуссий о роли и месте пилотируемой космонавтики при проведении фундаментальных и научно-прикладных исследований и экспериментов (НПИЭ). Представлены краткая предыстория и современное состояние НПИЭ на МКС; виды деятельности экипажа, непосредственно связанные с выполнением НПИЭ и сопутствующие им, методы и средства наземной подготовки космонавтов к выполнению НПИЭ.
Введение
Проект строительства российских космических станций (программа «Салют», 1971—1991) положил начало работам с целью создать условия для
долговременного поддержания жизненно важных функций организма человека в космосе и для выполнения сложных технических и технологических операций (включая различные виды внутри- и вне-корабельной деятельности). В дальнейшем развитие отечественной программы научно-прикладных исследований и экспериментов (НПИЭ) в космосе было связано с созданием орбитального пилотируемого комплекса (ОПК) «Мир» (1986—2001) [1]. Начиная с 2000 года МКС представляла собой крупнейший международный проект пилотируемой космонавтики с широким участием специалистов из 16 стран. Согласно Федеральной космической программе России на 2006-2015 годы (ФКП-2015), в ближайшие годы именно с МКС и реализуемой на ней программой НПИЭ связывается дальнейшее поступательное развитие космических технологий. Важной составной частью планирования и практической реализации НПИЭ на основе коллегиально подготавливаемых программно-целевых документов является раздел, регламентирующий объем исследовательской и испытательной деятельности космонавтов в составе экипажей МКС. Указанные
в них направления профессиональной подготовки членов экипажа необходимо учитывать при решении вопросов обеспечения готовности экипажа к выполнению космических экспериментов (КЭ) и эксплуатации научной аппаратуры (НА) в условиях космического полета.
Современное состояние и перспективы научных исследований и испытаний
Организация фундаментальных космических исследований в РФ (ФКП-2015). В соответствии с совместным решением Российского космического агентства (Роскосмоса) и Российской академии наук (РАН), принятым 6 июля 2001 года, при выполнении проектов в области фундаментальных космических исследований (ФКИ) и НПИЭ в рамках ФКП-2015 ответственность ведомств распределяется следующим образом. В качестве государственного заказчика Роскосмос несет ответственность за формирование государственной космической политики, развитие космической техники, создание и эксплуатацию космических комплексов научного назначения. Собственно космические средства для проведения исследований изготавливают организации ракетно-космической промышленности. РАН отвечает за выбор приоритетов и направлений ФКИ, определение целей и задач космических научных проектов, комплексов НА, космических программ НПИЭ, тематическую обработку и хранение научной информации, выступая в качестве заказчика ФКИ и научной аппаратуры. Основные направления фундаментальных исследований РАН сформулированы в постановлении Президиума РАН от 1 июля 2003 года № 233. Цели, научные задачи и приоритетность проектов ФКИ определены Советом РАН по космосу, работы, включенные в ФКП-2015, согласованы в установленном порядке с РАН и утверждены Правительством РФ.
Значимую роль в формировании и, при необходимости, доработке программы и отдельных проектов ФКИ и НПИЭ играет Координационный научно-технический совет (КНТС) Роскосмоса, обеспечивающий взаимодействие всех заинтересованных организаций и исполнителей работ [2]. КНТС образован по решению Роскосмоса и РАН в 1994 году для разработки, формирования на конкурсной основе долгосрочных программ НПИЭ на пилотируемых космических комплексах, создаваемых в рамках ФКП, Межгосударственной космической программы и программ международного сотрудничества, их научно-технического сопровождения.
В Научно-исследовательском испытательном центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина (ЦПК) формируются экипажи космонавтов, имеющих необходимую профессиональную подготовку, для выполнения КЭ и подготовки к работе с НА, формируются представления об условиях выполне-
ния КЭ в реальном полете и объем планируемых затрат времени на исследовательскую и испытательную деятельность.
Состояние научно-исследовательской работы на МКС к началу 2012 года. В настоящее время на борту МКС проводится системно организованная научно-исследовательская и испытательная работа, в «Долгосрочной программе научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на РС МКС» определены 210 КЭ, которые предстоит провести [1, 2] (табл. 1). Наибольшее количество КЭ запланировано в рамках технических исследований и экспериментов, медико-биологических исследований и космической биотехнологии. Анализ распределения экспериментов по экспедициям МКС в целом свидетельствует о положительной тенденции роста количества выполняемых экспериментов (рис. 1).
По итогам 2011 года проводится 212 КЭ, в том числе 24, начатых в том году. Начата (или уже закончена) бортовая реализация 105 КЭ, в том числе 57 КЭ продолжаются, 48 КЭ завершены. Проводится наземная подготовка 107 КЭ: ведутся работы по 74 КЭ, еще для 33 КЭ готовятся документы для включения в опытно-конструкторские работы (ОКР) [1, 3].
Имеются показательные примеры успешного развития отечественной космической науки. В частности, проведенные космические исследования стимулировали развитие ряда отраслей науки и техники, наиболее заметные результаты получены в таких направлениях, как обеспечение надежности сложных систем, биотехнологии, биология и физиология, эргономика, биофизика и медицина [4—8]. В сфере космической медицины и физиологии основными результатами явились:
• исследования базовых механизмов регуляции функций и закономерностей адаптации к условиям невесомости;
Таблица 1 Направления и число научных исследований на МКС
Направление Общее кол-во КЭ
Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса Геофизика и околоземное космическое пространство Медико-биологические исследования Дистанционное зондирование Земли Исследование Солнечной системы Космическая биотехнология Технические исследования и эксперименты Астрофизика и фундаментальные физические проблемы Исследование физических условий в космическом пространстве на орбите Земли Образование и популяризация космических исследований 21 20 42 14 6 38 46 3 7 11
й
и н 800
а
ов 700
ед
л с 600
с
и 500
н
с о 400
н
л л 300
е
т и 200
ж
л 100
до
о р 0
к
Количество российских членов экипажей МКС
12 12 111
111 1212122333
I.....II
11111 I I
и со ^ ю со
1М И ^ Ю СО
ООООООООО'.,,,,,,,^^
КККККККК ММММММММ
ММММММММ
Экспедиция
<М (М б б б ККК МММ
СС КК
Рис. 1
Общая продолжительность научных исследований на борту РС МКС для каждой экспедиции
• идентификация факторов риска в полете;
• изучение реакций организма и поведенческих реакций, наиболее подверженных неблагоприятному влиянию невесомости и других факторов космического полета;
• определение требований к условиям жизнедеятельности экипажей [5, 7, 9, 10].
Благодаря систематическому анализу и корректировке медицинского раздела программы НПИЭ созданы системы управления состоянием человека в ходе полета разработан комплекс мер для его медицинского обеспечения [7]. В 2001-2011 годах результаты завершенных КЭ нашли применение в различных областях науки, техники и экономики. Так, методы и средства, разработанные в ходе завершенных медико-биологических экспериментов («Гематология», «Диурез», «Кардио-ОДНТ», «Профилактика», «Прогноз» и др.), защищены рядом патентов [5, 6].
Характеристика привлекаемых ресурсов работ экипажа на МКС. При выполнении научно-исследовательской и испытательной работы на МКС требуется обеспечение напряженной и слаженной работы всех элементов наземной и космической инфраструктуры посредством использования уникальных технологий обеспечения непрерывного режима эксплуатации МКС, предусматривающих мероприятия для восполнения естественной убыли ее ресурсов, наращивания технических возможностей и энергетических характеристик, а также ввода в действие новых сегментов, расширяющих полезную нагрузку. Этой цели служат развитая космическая транспортная система доставки грузов на основе пилотируемых космических аппаратов (ПКА) типа «Союз-М», «Прогресс-М» и сложная организация планирования и поддержки работ экипажа на МКС для выполнения всех технологических режимов [8, 9, 11]. На обеспечение членов экипажа отведены немалые ресурсы: «...на жизнедеятельность каждого космо-
навта ежедневно должно затрачиваться около 10 кг грузов: воды, продуктов и материалов, для чего не менее чем один раз в квартал на орбиту необходимо доставлять около трех с половиной тонн грузов, включая оборудование и топливо. Стоимость доставки на орбиту одного килограмма составляет 10-12 тыс. долл. США» [8, 11].
Несмотря на критические высказывания о программе ФКИ [9], создание необходимых организационно-технических предпосылок для конструктивной и продуктивной работы космических экипажей по выполнению научной программы на МКС дает основание утверждать, что благодаря инновационным научным проектам возможно достижение принципиально новых технологических горизонтов, недоступных на Земле вследствие объективных трудностей переноса в космос лучших достижений фундаментальной науки. В связи с этим актуальны вопросы о влиянии лимитирующих факторов на результативность НПИЭ в пилотируемых полетах, о поиске дополнительных ресурсов для повышения полезной отдачи от масштабных экономических вложений в космическую деятельность, диверсификации применения результатов НПИЭ в различных сферах жизнедеятельности человека на Земле (особенно по таким направлениям, как защита организма от экстремальных воздействий внешней среды, информационные технологии, дистанционный экологический мониторинг, дистанционные методы медицинской диагностики и мониторинга состояния работоспособности и др.).
Исследовательская деятельности экипажа в условиях космического полета. Во время пилотируемого космического полета экипаж выполняет достаточно много разноплановых задач [9, 11-13], что существенно затрудняет разработку единой общепризнанной классификации видов профессиональной деятельности космонавта [14-20], в той или иной степени обеспечивающих проведение исследований, работу в особых условиях. Рассмотрим, какие тенденции изменения состава видов и
структуры деятельности космонавта проявляются при усложнении программ полета, увеличении сроков пребывания экспедиций на орбите и численности их членов.
Главный тренд — устойчивая тенденция усложнения деятельности членов экипажа, увеличение интеллектуальной составляющей. Если изначально космонавта принято было считать специалистом, выполняющим функции управления пилотируемым космическим комплексом, в том числе его системами (что особенно характерно для транспортных кораблей), то постепенно его стали рассматривать как универсального профессионала, способного самостоятельно выполнить подавляющее число операций с полезной нагрузкой, операций, связанных с техническим обслуживанием станции, например ее бортовых систем, систем обеспечения жизнедеятельности, а также задач, связанных с функционированием космической транспортной системы, и/или осуществить эффективный контроль за их исполнением. Таким образом были определены базовые составляющие сложной профессии космонавта (виды деятельности), от которых зависит поддержание в рабочем состоянии станции и к выполнению которых каждый космонавт должен быть готов. Применительно к эксплуатации МКС в качестве укрупненной схемы может быть использован вариант рабочей классификации видов деятельности членов экипажа, который наряду с представлением о характере стоящих перед экипажем МКС задач при выполнении программы полета, насыщенной НПИЭ, позволяет описать некоторое ядро взаимосвязанных видов деятельности экипажа [12]:
• производительная (или испытательная) деятельность: проведение исследований и экспериментов, эксплуатация научного оборудования, наблюдение и регистрация объектов для получения новых научных продуктов и научно-технических результатов;
• обеспечивающая деятельность: техническое обслуживание систем, выполнение монтажных и ремонтных работ (внутри и снаружи станции), бытовое самообслуживание, организация внутреннего пространства станции, разгрузочно-погрузочные работы и т. п.;
• коммуникативная деятельность: обмен информацией и общение со специалистами центров управления полетом (ЦУП), с общественностью (РК), членами своего экипажа и экипажей транспортных кораблей;
• управляющая деятельность: контроль работы систем комплекса, заданий и изменение режимов их функционирования;
• планово-корректирующая деятельность: анализ, оценка возможностей реализации и внесение поправок в план работ на определенный период (суточные, недельные планы);
• профилактическая деятельность: поддержание здоровья и работоспособности членов экипажа;
• тренировочная деятельность: поддержание необходимого уровня знаний и навыков для выполнения жизненно важных и особо ответственных операций (действий в аварийных ситуациях, обеспечения срочного спуска на Землю, стыковки, выхода в открытый космос и т. д.);
• информационная деятельность: оценка и регистрация результатов каких-либо процессов, состояния определенных объектов и составление отчетов;
• поисково-аналитическая деятельность: решение нестандартных задач, включая идентификацию объектов, оценку и сопоставление их характеристик, определение правил работы с ними, определение местоположения объектов и т. д.
Не все в этой классификации можно принять безоговорочно, но она, на наш взгляд, дает основание для дискуссии и обсуждения. Наиболее проблемными остаются вопросы: каковы пределы универсализации профессии космонавта как испытателя, насколько возможна специализация космонавта-исследователя?
Сегодня можно говорить о многих видах деятельности, к выполнению которых должен быть готов экипаж, но по мере развития программы НПИЭ на МКС, расширения оснащения и функциональных возможностей российского сегмента (РС) МКС выявилась необходимость обратить особое внимание на исследовательскую и испытательную деятельность. Хотя с точки зрения физиологии и медицины труда в особых условиях все виды деятельности космонавтов относятся к напряженным и связанным с длительным воздействием комплекса неблагоприятных факторов на организм человека, дополнительная нагрузка на членов экипажа при выполнении НПИЭ обусловлена повышенными требованиями к интеллектуальной деятельности космонавта, его познавательной активности, уровню тех личностных потребностей, которые предполагают непосредственное активное участие космонавта в научных исследованиях. Следовательно, в ходе профессионализации космонавта необходимо решать достаточно сложные вопросы формирования ценностных представлений о высокой значимости получаемых каждым экипажем научных результатов для пилотируемой космонавтики, высокой мотивации к повышению общей научной эрудиции и приобретению навыков исследовательской деятельности. Остаются обязательными выполнение в полном объеме всех контрактных обязательств членов экипажа по программе НПИЭ полета независимо от специализации космонавта и высокая готовность к обеспечению безопасности работ на МКС. Следует особо отметить, что большинство НПИЭ экипаж МКС выполняет при помощи специалистов ЦУП в режиме дистанционной поддержки.
Психологическая особенность исследовательской деятельности космонавта состоит в том, что, с одной стороны, космонавт выступает как субъект труда, в том числе как космонавт-исследователь, работа-
ющий с НА конкретного КЭ, а с другой — каждый член экипажа становится объектом исследований — испытателем-добровольцем, чей организм, поведенческие реакции и другие проявления реакций адаптации к факторам и условиям полета изучаются специалистами на Земле в дистанционном режиме [5-7, 21]. Немаловажно, что НА, предназначенная для выполнения КЭ в жестких условиях космического полета, также представляет собой объект эргономических испытаний и эргономической экспертизы, в процессе которой члены экипажа выступают и как непосредственные исполнители испытательных работ, и как эксперты высокой квалификации, занимающиеся сбором данных и систематизирующие результаты наблюдений [9, 13, 22]. В итоговых отчетах по результатам программы полета космонавты, выполнявшие КЭ в реальных условиях, предоставляют следующую информацию:
• насколько удобно выполнять предписанные работы;
• какого вида трудности и отказы НА наблюдались в полете;
• какие дополнительные условия необходимо предусматривать в программе и методике КЭ для улучшения качества этих работ;
• как измененная гравитация и другие факторы полета воздействуют на самочувствие и работоспособность космонавта;
• когда и в каких ситуациях от этих характеристик зависит результативность работы с НА и результаты КЭ.
Краткая характеристика исследовательской деятельности как вполне самостоятельного вида в составе трудовой (производственной) деятельности в целом. Традиционной для отечественной физиологии, психологии и медицины труда в особых условиях является классификация видов деятельности по предметной сфере, то есть по профессиональной принадлежности и направленности [8, 12, 14, 19, 20, 23, 24]. С этих позиций исследовательская (научно-исследовательская) деятельность направлена на получение и применение новых знаний с привлечением средств исследовательской деятельности, как правило с использованием специальной научной аппаратуры, специальных измерительных приборов, инструментов и т. д. при изучении объектов или предметов исследования [5, 17, 18, 21, 23-25].
Ориентируясь на перечисленные отличительные признаки исследовательской деятельности, выделим некоторые особенности формирования профессионализма у космонавта со специализацией «исследователь» и «испытатель» как субъекта труда. Космонавт-исследователь должен быть подготовлен к выполнению научного исследования как специфического вида творческой деятельности, включающего в себя набор интеллектуальных составляющих, в том числе способностей:
• распознавать научные проблемы и проблемные ситуации;
• определять их происхождение, свойства, закономерности развития;
• устанавливать место этих проблем в системе накопленных знаний или сформулированных научных гипотез;
• находить возможности использования вновь полученных представлений или знаний о той конкретной научной проблеме, которая привела к постановке новых экспериментов, в практике ее разрешения и др. [12, 13, 17, 22, 25].
После профессиональной подготовки космонавт-исследователь должен выступать, как профессионально подготовленный, обладающий специальными научными знаниями субъект познания, который способен овладеть средствами, приемами и методами исследовательской деятельности, сложившимися на данном этапе развития науки, техники, технологий, с учетом принципиально новых условий осуществления этой деятельности, которые принято относить к напряженным и опасным для здоровья и работоспособности. В зависимости от условий деятельности выделяют труд в необычных условиях, при постоянном воздействии неблагоприятных факторов и в экстремальных условиях (при повышенной ответственности за результат работы, здоровье людей и сохранность техники, а также при опасности для жизни, вредности для здоровья). Труд космонавта содержит классификационные признаки постоянного воздействия неблагоприятных факторов (например, гравитационный фактор гиповесомости) и экстремальных условий. Это обуславливает наличие на борту МКС постоянно функционирующей системы контроля состояния космонавтов и применение средств профилактики возможных расстройств. Часть этих средств медицинского назначения также вполне правомерно относить к исследовательским. Кроме того, космонавт, как субъект научного познания и как ответственный представитель на МКС всего коллектива специалистов, участвующих в программе НПИЭ, должен усвоить и принять определенную систему ценностей и нравственных ориентиров, свойственных научному сообществу и разделяемую всеми участниками НПИЭ, в своей профессии занимать нравственную позицию, отвечающую высоким моральным и этическим критериям.
При выполнении КЭ и оценке эргономических характеристик НА космонавт-испытатель должен быть подготовлен к выполнению запланированного научного исследования и практическому применению НА в любых условиях ее эксплуатации как эксперт, способный оценить:
• выполнимость конкретных КЭ в условиях космического полета;
• пригодность НА для работы в условиях космического полета и удобство работы с ней;
• возможности обеспечения работоспособности НА при ее сопряжении со служебными системами РС МКС;
• возможности включения того или иного научного исследования и КЭ в циклограмму работ на конкретных этапах полета;
• технологические особенности построения КЭ с точки зрения рисков отказов НА, появления нештатных ситуаций и рисков для здоровья и работоспособности членов экипажа при нерасчетных режимах функционирования НА, ее отказах, необходимости ремонта и наладки в натурных условиях полета и др.
Основные операции, которые космонавт-испытатель должен выполнить во время КЭ и оценить по эргономическим критериям после завершения:
• организация рабочего места, безопасное расположение исследуемых материалов, НА и средств обеспечения ее работоспособности;
• монтаж необходимых блоков НА и обеспечивающих служебных систем и средств (терморегулирования, электропитания, вакуумирования, газораспределения, телеметрии, информационного обеспечения и др.) на рабочих местах в РС МКС;
• подключение блоков НА к служебным системам РС МКС с помощью межблочных кабелей;
• включение и проверка функционирования НА;
• управление НА по техническому заданию (ТЗ) на КЭ;
• контроль работоспособности НА во время КЭ;
• информационная поддержка КЭ;
• коммуникация с группами обеспечения ЦУПа, обеспечивающими поддержку экипажа при выполнении КЭ;
• замена расходных материалов и образцов для испытаний, организация их хранения и/или при необходимости утилизации.
В некоторых случаях экипаж должен обеспечивать специальные «Требования к внешним условиям проведения сеансов КЭ». Специальные требования к внешним условиям, к орбите и точности знания места положения КА, к наведению осей визирования, ко времени начала сеанса КЭ и включения аппаратуры, к точности привязки научной информации к системе единого времени предъявляются еще на этапе разработки ТЗ на КЭ и НА.
В интересах совершенствования подготовки космонавтов к исследовательской и испытательной работе важно отметить еще одну сторону предметной деятельности — межличностное отношение продуктивного типа «человек — человек» [26], предполагающее получение результата деятельности в виде освоения человеком тех или иных знаний, умений, других форм социального опыта, переданного от других специалистов — персонала, отвечающего за подготовку, часто в форме специально организованного обучения или профессиональной подготовки [12, 15, 19, 20, 24].
Таким образом, исследовательская и испытательная деятельность, как составляющая профессии космонавта, реализуется не автономно, а в контексте всей циклограммы работ, перманентно ре-
шаемых задач обеспечения безопасности полета и контроля всех систем станции, включая системы обеспечения жизнедеятельности и поддержания стабильности среды обитания.
Существующие ограничения и выявленные недостатки расходования полетного времени при выполнении программы НПИЭ на борту МКС. Повышение эффективности использования результатов космической деятельности включено в число приоритетных направлений развития науки, техники и технологий в РФ. Однако анализ распределения полетного времени на РС МКС показывает, что до 2008 года непосредственно на выполнение программы НПИЭ в среднем затрачивалось не более 10 % рабочего времени экипажа [22]. Интересны данные о распределении времени на разные полетные операции и виды деятельности, полученные из других источников. Так, по оценке космонавта П. Виноградова, имеющего опыт полетов на пилотируемых орбитальных станциях «Мир» и МКС, значительное количество времени и усилий экипажа тратится на поддержание работоспособности самой станции и ее систем: «.мы летаем ради того, чтобы поддерживать работоспособность станции; 62 % времени — на обслуживание бортовых систем, 15 % — на личные нужды и только 23% — на науку» (цит. по: [12]).
Анализ затрат рабочего времени экипажей основных экспедиций (с 1-й по 29-ю) показывает, что 30-32 % времени приходится на проведение исследований на борту РС МКС (рис. 2). Можно констатировать, что увеличение доли затрат полетного времени на выполнение НПИЭ является непременным условием совершенствования процесса эксплуатации МКС и повышения полезной отдачи от затрат на длительные основные экспедиции.
На определенных этапах орбитальных полетов структура временных затрат членов экипажа на разные виды деятельности существенно меняется, особенно когда для увеличения ресурса орбитальной станции транспортные корабли типа «Союз-М», транспортные грузовые корабли типа «Прогресс-М» доставляют новые грузы.
При выполнении программы НПИЭ на борту МКС отмечены следующие основные проблемы:
• проблемы управления планированием и проведением НПИЭ;
• проблемы организации деятельности экипажа при выполнении программы НПИЭ;
• конструктивные и эргономические недостатки НА и оборудования, их недостаточно высокие эксплуатационно-технические характеристики.
• недостатки информационного обеспечения программы НПИЭ.
Выявление проблем и определение путей повышения эффективности деятельности космонавтов за счет совершенствования их подготовки к выполнению программы НПИЭ имеют исключительно важное значение.
Рис. 2 | Объемы научных исследований каждой основной экспедиции на борту РС МКС
a -s и 54
40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0
О <М TP О 00 22222
ОООООООО'!''!'''
Экспедиция
2222 О б б б б й й й й й S S S S S
Общая характеристика профессиональной подготовки космонавтов к выполнению НПИЭ. Профессиональная подготовка космонавтов в РФ проводится специально организованным для решения этих задач учреждением — ЦПК, который обладает уникальной лабораторной, технической и испытательной базой для всесторонней наземной подготовки космонавтов к профессиональной деятельности [22, 24]. Подготовка кандидатов в космонавты и космонавтов по разделам (направлениям) НПИЭ является самостоятельным видом подготовки, но тесно взаимосвязана с другими видами подготовки: технической подготовкой по конструкции и бортовым системам ПКА, подготовкой к внекорабельной деятельности, комплексной подготовкой и др.
Наличие ряда развитых технических средств профессиональной подготовки позволяет проводить не только теоретические и практические занятия в классных комнатах, тренировки на космических тренажерах, но и различные испытания в моделируемых условиях воздействия неблагоприятных факторов космического полета. Это чрезвычайно важно, так как по условиям реализации исследовательской работы космонавта выполнение КЭ в полете существенно отличается от того, как эта деятельность осуществляется в обычных земных условиях, на результативность КЭ существенно влияет и надежность НА, и работоспособность членов экипажа. Так, например, подготовка космонавтов к выполнению КЭ вне корабля осуществляется в гидролаборатории ЦПК, с использованием полногабаритных макетов модулей и научного оборудования, средств обеспечения монтажа, техобслуживания и ремонтно-восстановительных работ, а также полномасштабного макета манипулятора ERA для водной среды. При необходимости в состав бригады, проводящей тренировку, наряду со специалистами ЦПК, ответственными за соответствующие направления подготовки по КЭ, включают представителей головной организации — разработчика космических тренажеров, организаций — разработчиков НА, создателей и постановщиков КЭ.
Объем подготовки космонавтов по НПИЭ зависит от планируемой научной программы и началь-
ного уровня компетенций экипажа. С увеличением объемов научной программы на борту РС МКС обучение и тренировки космонавтов по разделу НПИЭ занимают большую долю общих затрат времени на подготовку космонавтов. Соответственно, для опытных космонавтов учебная (теоретическая в классе и практическая в лабораторных условиях) подготовка по НПИЭ проводится в меньшем объеме, приоритет отдается тренировкам на комплексных и специализированных тренажерах станции с включением элементов программы НПИЭ в том объеме, в каком доступны образцы НА для отработки навыков ее эксплуатации.
К основным задачам подготовки экипажей к выполнению программы НПИЭ в наземных условиях относятся:
• изучение программы НПИЭ предстоящей экспедиции;
• изучение состава НА применительно к конкретным КЭ, правил ее эксплуатации и особенностей управления при проведении КЭ;
• изучение функциональных обязанностей членов экипажа при выполнении конкретных КЭ;
• отработка практических навыков и умений по подготовке и выполнению КЭ на комплексных тренажерах, стендах и тренажных образцах НА;
• изучение и отработка нештатных ситуаций, возникавших при проведении КЭ в ходе предшествующих полетов;
• отработка практических действий при проведении монтажно-демонтажных работ с НА, а также при управлении штатными системами РС МКС, задействованными в аппаратном обеспечении КЭ [12, 13, 22, 27].
В соответствии с установленными обязанностями и уровнями квалификации российские члены экипажа, участвующие в проведении КЭ, должны уметь:
• выполнять программу НПИЭ в соответствии с методикой, бортовой документацией и указаниями ЦУП (радиограммы), в том числе уметь проводить подготовку и подключение НА и эксплуатировать ее, обеспечить требуемые условия работы на МКС с данной НА по ТЗ на КЭ, вести репортажи о ходе проведения НПИЭ, осуществлять экспресс-анализ
№ 5-БС23-24)/20!2 |
биотехносфера
на борту проведенного КЭ и доставку (передачу) данных на Землю;
• учитывать факторы космического полета, оказывающие влияние на выполнение КЭ, и отражать это в отчетных материалах;
• обеспечивать личную безопасность и безопасность других членов экипажа при выполнении программы НПИЭ;
• вести связь с ЦУПом по вопросам обеспечения результативности и безопасности работ при выполнении КЭ [1, 2, 5, 9, 22].
В уникальном сочетании исследовательской и испытательной работы в экстремальных условиях космического полета заключается существенное отличие исследовательской деятельности космонавта от любой другой сложной и/или опасной профессии или профессии научного сотрудника, работающего в обычных, земных условиях. Он должен иметь возможность получить знания, навыки и представления о том, как его способности к исследовательской деятельности будут реализованы в натурных условиях полета в составе других, не менее важных для безопасности полета, видов деятельности.
Как показывает опыт космических полетов на ОПК «Мир» и МКС, выполнение широкого спектра научных КЭ и испытаний НА требует глубоких и разносторонних знаний физических основ и методик их проведения, принципов работы и устройства используемых НА и оборудования [1, 2, 5, 22]. Кроме того, нужны знания, умения и навыки технического обслуживания и ремонта оборудования в течение длительного, многомесячного полета. Это положение в большой степени относится к членам экипажей основных экспедиций, выполняющих КЭ практически по всем существующим направлениям программы НПИЭ. Некоторые КЭ были успешно реализованы лишь благодаря проявленной инициативе и творческому участию в них космонавтов [12, 22, 24]. В длительных космических полетах по мере выработки ресурса НА будет только возрастать роль экипажа в продлении ее работоспособности за счет проведения профилактических и ремонтно-восстановительных операций.
Для готовности космонавтов к эксплуатации НА нужно сформировать:
• знания о схемах, конструкциях и эксплуатационных характеристиках НА (знание о методах обеспечения надежности, продления ресурса и принятых вариантах технического обслуживания для конкретных систем);
• умения определять техническое состояние НА с использованием бортовых средств диагностики, оценивать сложившуюся ситуацию, устанавливать режим эксплуатации, требуемые расходные средства;
• навыки выполнения текущего ремонта, типовых монтажно-демонтажных работ и профилактических операций;
• знания о способах коммуникации, взаимодействия и взаимной страховки.
Знание и умения эксплуатировать служебные бортовые системы являются существенной составной частью профессионализма космонавта, важной для выполнения НПИЭ, поскольку НА для КЭ, как правило, не функционирует изолированно, напротив, предполагается совместная со служебными бортовыми системами и модулями эксплуатация НА [13, 22].
Организационные основы формирование профессионализма космонавта при выполнении КЭ. Для подготовки кандидатов в космонавты и космонавтов по разделам НПИЭ на трех первых этапах используются:
• занятия в классах и лабораториях с целью изучить методы проведения экспериментов и исследований по направлениям НПИЭ на борту МКС, принципы построения, конструкции научной аппаратуры, ее размещение и эксплуатацию, содержание научной программы полета, бортовую документацию, правила безопасного выполнения НПИЭ и работ с полезной нагрузкой (ПН), в том числе при проведении работ снаружи гермоотсеков (в условиях внекорабельной деятельности) и т. д.;
• практические занятия и тренировки на тренажерах различных типов и назначения, стендах, в летающих лабораториях, на натурных макетах, в гидролаборатории, на экспериментальных установках;
• самостоятельная подготовка и консультации по изучению основной и дополнительной учебной литературы, подготовка к практическим занятиям, тренировкам и экзаменам;
• учебные занятия с посещением научной, исследовательской (испытательной) и производственной баз организаций — постановщиков КЭ и разработчиков космических тренажеров и НА;
• занятия на учебно-тренировочных базах международных партнеров (НАСА, ЕКА и др.);
• участие в испытаниях, исследованиях и проведении экспертизы космической техники и бортовой документации, используемой в КЭ;
• участие в послеполетном анализе результатов подготовки и реализации в полете научных программ экипажами, выполнившими космические полеты;
• участие в международных и национальных конференциях, семинарах и других научно-практических мероприятиях [13, 22].
Подготовка по направлениям НПИЭ проводится специалистами ЦПК с привлечением специалистов российских постановщиков КЭ, разработчиков ПКА и НА, а также специалистов — представителей зарубежных партнеров. Она осуществляется на базах ЦПК и вышеуказанных организаций.
Подготовка экипажа к выполнению задач НПИЭ завершается проведением комплексной экзаменационной тренировки, по ее результатам члены экзаменационной комиссии выносят заключение о степени готовности экипажа. В отдельных случаях
(при необходимости) экипаж получает консультации по бортовой документации, программе НПИЭ и особенностям работ с НА в период предстартовой подготовки на космодроме Байконур. Учебно-тренировочная деятельность в объеме научной программы полета направлена на получение знаний о составе КЭ, отработку и выполнение каждого КЭ согласно программе и методике проведения КЭ в космических условиях.
Подготовка к выполнению медицинской части программы полета и медико-биологических экспериментов. В данной части программы полета космонавт одновременно выступает в качестве субъекта и объекта научного исследования: он самостоятельно работает с медицинской измерительной аппаратурой, а реакции его организма дают материал, на основе которого физиологи и врачи поставят диагнозы, вынесут заключение и выберут систему корректирующих и профилактических мероприятий [1, 2, 5-7, 28]. Следует отметить, что при выполнении программы научных медико-биологических исследований и экспериментов космонавтам отводится активная роль, так как именно они реализуют методики исследований в полете, выполняя функции не только обследуемого, но и исследователя (экспериментатора). В связи с этим члены экипажа должны изучать теоретические основы медико-биологических исследований и КЭ, состав и назначение используемой медицинской измерительной аппараты, особенности ее эксплуатации.
Перспективы совершенствования технических средств обучения космонавтов к выполнению КЭ. Одним из направлений совершенствования процесса подготовки экипажей МКС является использование современных информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) для создания виртуальных компьютерных тренажеров, моделирующих проведение КЭ. С этой целью на базе ЦПК создан тренажерный класс, где используется трехмерное моделирование. Другой пример — стенд виртуальной реальности РС МКС, который позволяет, в частности, обеспечивать решение следующих задач подготовки космонавтов:
• изучение конструкции и компоновки модулей и комплекса в целом.
• изучение и отработку первоначальных навыков соблюдения режимов управления бортовыми системами, включая контроль работоспособности;
• поддержание и закрепление знаний о деятельности на борту орбитального комплекса и соответствующих навыков и др.
С 2011 года при подготовке космонавтов используются 3Б-модели по космическим экспериментам с условными наименованиями «Асептик», «Каскад», «Матрешка-Р». Справочная информация об этих экспериментах и применяемой НА размещена на сайтах организаций Роскосмоса [1, 2, 21].
Подготовка космонавтов с использованием виртуальных тренажеров выявила ряд преимуществ по
сравнению с имеющимися традиционными вариантами обучения и тренировки. К ним относятся:
• синтезированная на компьютере 3Б-модель, способная отобразить все окружающее пространство космического модуля, в котором космонавт может перемещать НА при выполнении КЭ;
• снижение стоимости подготовки (компьютерный тренажер значительно дешевле технологического аналога при использовании приборов — имитаторов или адаптированных для применения на тренажерах образцов реальной НА);
• продолжительность и режимы обучения, менее жестко ограниченные по времени в связи с большой пропускной способностью;
• возможность расширения самостоятельной отработки КЭ космонавтом (при необходимости).
У виртуальных тренажеров имеются и ограничения, в частности, существующие компьютерные модели не дают возможность в полной мере сформировать концептуальное представление обо всех деталях выполняемой работы, обеднен чувственный и моторный компоненты, входящие в психологическую структуру регуляции действий с НА, что пока не позволяет полностью отказаться от традиционного тренажера в пользу подготовки на виртуальных тренажерах.
В ближайшей перспективе совершенствования компьютерных моделей обучения и тренировки космонавтов планируется создание виртуальных тренажеров для космических научно-технических исследований «Физико-химические материалы в условиях космоса» и «Космическая биотехнология».
В настоящее время интенсивно развивается направление «Виртуализации выполнения КЭ» при подготовке космонавтов. В рамках поисковых исследований получило развитие интегрированное решение по типу виртуальной научной лаборатории [27]. Она предназначена для решения следующих задач:
• ознакомления с содержанием научных задач и экспериментов, проводимых космонавтами и астронавтами в космосе;
• демонстрации (иллюстрации) отдельных экспериментов и работ, отражающих проявление законов физики (химии) и физиологии человека в космосе;
• получения знаний и представлений, связанных с проведением научных экспериментов;
• моделирования научно-прикладных исследований и экспериментов с использованием средств виртуальной реальности;
• использования медико-биологических имитационных моделей для изучения влияния отдельных факторов космического полета на организм космонавта и условий проявления негативных эффектов — на состояние здоровья и работоспособности;
• использования медицинского оборудования (оборудования для регистрации физиологических функций, анатомических измерений, проведения лабораторных исследований с помощью оптическо-
го микроскопа и т. д.) для ознакомления космонавтов с методами научных исследований с участием человека.
Многие современные методы, методики, инструментарий и аппаратура в медицине и биологии, предназначенные для получения новых знаний в пилотируемых космических полетах, предполагают подготовку испытателя-профессионала в таком объеме, когда члены экипажа в состоянии оценить потенциальные риски в полете [9, 10, 16, 22, 29]. Фактически именно риски наступления неблагоприятного события в полете и ожидаемые в связи с этим ближайшие и отдаленные последствия составляют ту информационную основу, на которой строится прогноз психофизиологической надежности действий человека в полете и оценки безопасности его жизнедеятельности, то есть анализ составляющих компонент человеческого фактора. На основе представлений о потенциальных рисках члены экипажа и в первую очередь командир экипажа пилотируемого космического аппарата могут целенаправленно собирать полетные данные об условиях жизнедеятельности и реальных трудностях выполнения задания для специалистов группы медицинского обеспечения в ЦУП.
Первоочередным условием разработки компьютерных имитационных моделей является охват достаточно широкого спектра факторов деятельности и вредных условий труда, так как только на этой основе возможны их системный анализ и построение численных индексов совокупного риска с учетом экспертного ранжирования угроз и рисков в контексте ожидаемых ситуаций и событий в полете.
Важным дополнительным условием разработки обучающих моделей и моделирующих систем для формирования адекватных представлений о рисках и угрозах здоровью и работоспособности в экстремальных условиях среды является наглядная демонстрация эффектов (полезности) применения комплекса защитных средств и средств профилактики неблагоприятного состояния человека в полете.
Усилиями многочисленных исследователей — специалистов в области авиакосмической физиологии и медицины разработана методология и соответствующий ей критериальный аппарат оценки переносимости космонавтом факторов полета, в частности факторов гипоксии, динамических перегрузок, микрогравитации, радиационного фактора и др. Этот аппарат особенно хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях. Для построения индексов работоспособности оператора представляет интерес концепция «потенциальной ненадежности» действий человека опасной профессии в специфически затрудненных условиях деятельности [16, 29, 30]. В существующих разработках предполагается рассматривать такие условия не только как внешние по отношению к оператору, но и как внутренние, определяемые со-
стоянием базового физиологического компонента деятельности [16, 17, 29-31].
К обучающим системам на базе технологий экс-пертно-консультативных систем предъявляются специфические требования по построению интерфейса и отношений к набору некоторых событий и ситуаций, наиболее вероятных в том или ином режиме полета. В частности, естественным требованием является предъявление обучаемому основных выходных результатов в виде зависимости «доза воздействия — эффект».
На современном этапе развития медицинских, физиологических и психофизиологических знаний при обучении космонавта необходимо уделять повышенное внимание разработке численных имитационных моделей для прогноза эффектов воздействия факторов полета на организм космонавта [10, 16, 20]:
• реакций сердечнососудистой системы на условия микрогравитации при использовании средств профилактики в длительных космических полетах;
• реакций организма на гипоксические воздействия в искусственной газовой среде;
• транспорта кислорода в организме при изменении состава и парциального давления газов, а также при интенсивной физической работе, например во время внекорабельной деятельности, и др.;
• воздействия шумов различной интенсивности и спектра при использовании разных способов защиты органа слуха;
• воздействия ударных перегрузок на позвоночник космонавта при приземлении после космического полета разной продолжительности и в зависимости от сложившихся динамических условий спуска космического аппарата.
Таким образом, есть основания полагать, что при подготовке космонавтов к выполнению программы НПИЭ перспективными средствами обучения являются:
• экспертно-моделирующие системы, в состав которых входят компьютерные модели функционирования систем организма в экстремальных условиях, необходимые космонавту для понимания характера рисков для его здоровья и работоспособности;
• автоматизированные обучающие мультимедийные системы, показывающие типовые сценарии применения НА;
• автоматизированные обучающие системы, построенные на моделях — имитаторах НА, которые реализуют дидактические возможности воспроизведения внешнего вида НА, органов управления, средств отображения информации, средств телеметрии и т. д., но, главное, логики работы приборов и измерителей и тех реакций организма, параметры которых контролируются с помощью НА.
Новые перспективы обучения космонавтов открываются в связи с возможностями развития средств телекоммуникации.
Резюме
Система профессиональной подготовки космонавтов в России создавалась в течение многих лет при активном участии специалистов вузов, РАН и предприятий — разработчиков космической техники. Были разработаны и научно обоснованы требования к уровню подготовленности космонавта, его профессионально важным качествам. В соответствии с этими требованиями сформулированы и обоснованы цели и задачи профессиональной подготовки космонавтов, разработаны и определены ее виды и этапы. Вопросы совершенствования подготовки космонавтов по проведению НПИЭ в космосе, включая все стороны технического и методического обеспечения к выполнению КЭ на борту МКС, остаются актуальными в силу постоянно расширяющихся перечня и объема планируемых сеансов КЭ, повышающихся требований к качеству выполнения КЭ экипажами, а также значительных изменений, произошедших в системе подготовки космонавтов в связи с совместной эксплуатацией МКС с другими странами — участницами этого проекта.
| Литература |
1. Федеральное космическое агентство. URL: http://www. federalspace.ru.
2. Координационный научно-технический совет по программам научно-прикладных исследований на пилотируемых космических комплексах. URL: http://knts.tsniimash.ru/ ru/site/Default.aspx.
3. Фундаментальные космические исследования // Федеральное космическое агентство. URL: http://www.federalspace. ru/main.php?id=25.
4. Афанасьев И. Б. Ближайшие перспективы пилотируемой космонавтики // Новости космонавтики. 2009. № 1. С. 24-27.
5. Баранов В. М., Моруков Б. В., Пестов И. Д. и др. Основные принципы и направления формирования и реализации научных программ медико-биологических исследований на российском сегменте МКС // Космическая биология и медицина: В 2 т. М.: ИМБП РАН, 2011. Т. 2: Медико-биологические исследования на российском сегменте МКС. С. 3-13.
6. Белаковский М. С., Самарин Г. И. Практическое внедрение результатов медико-биологических исследований, проводимых на РС МКС // Космическая биология и медицина. В 2 т. М.: ИМБП РАН. 2011. Т. 2: Медико-биологические исследования на российском сегменте МКС. С. 475-488.
7. Космос: наука и проблемы XXI века: Международный форум (2007; Москва) / А. И. Григорьев (предс.) [и др.]; [Рос. акад. наук]. М.: Наука, 2010. 685 с.
8. Лопота В. А., Зеленщиков Н. И., Брюханов Н. А. Строительство российского сегмента МКС // Космическая биология и медицина: В 2 т. М.: ИМБП РАН, 2011. Т. 1: Медицинское обеспечение экипажей МКС. С. 7-12.
9. Космонавтика XXI века / Под ред. акад. РАН Б. Е. Чер-тока. М.: РТСофт, 2010. 864 с.
10. Ушаков И. Б. Стратегические функции космической биологии и медицины // Космическая биология и медицина: В 2 т. М.: ИМБП РАН, 2011. Т. 1: Медицинское обеспечение экипажей МКС. С. 7-12.
11. Лопота В. А. Горизонты пилотируемой космонавтики (по материалам доклада на 32-х Королёвских чтениях) // Полет: Общероссийский научно-технический журнал. 2008. № 5. URL: http://www.energia.ru/rus/news/news-2008/ public_05.html.
12. Кукин О. Н. Калери А. Ю. Проблемы обеспечения деятельности космонавтов в дальних космических полетах // Инициативы XXI века. 2009. № 4. С. 2-5.
13. Орешкин Г. Д., Степанов Э. Н. Методологические аспекты профессиональной ориентации подготовки космонавтов // Пилотируемые полеты в космос. 2011. № 2(2). С. 37-46.
14. Карпов А. В. Когнитивные и регулятивные процессы в структуре деятельности // Проблемы индустриальной психологии: Сб. науч. тр. / ЯГУ. Ярославль: ЯГУ, 1989. С. 5-19.
15. Климов Е. А. Профессиональное самоопределение личности // Интеллект и творчество: Сб. науч. тр. М.: ИП РАН. 1999. С. 239-254.
16. Богомолов А. В., Гридин Л. А., Кукушкин Ю. А. Диагностика состояния человека. Математические подходы. М.: Медицина, 2003. 464 с.
17. Психология: Учебник для гуманитарных вузов / Под ред.
B. Н. Дружинина. 2-е изд. СПб.: Питер, 2009. 656 с.
18. Суворова Г. А. Психология деятельности: Учеб. пос. для студентов психол. и пед. вузов. М.: ПерСЭ, 2003. 176 с.
19. Шадриков В. Д. Проблемы системогенеза профессиональной деятельности. М.: Наука, 1982. 326 с.
20. Шадриков В. Д. Психологический анализ деятельности как системы // Психологический журнал. 1980. Т. 1, № 3.
C. 33-46.
21. Долгосрочная программа научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на PC МКС (версия 2008 г.) // ФГУП Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш). URL: http://knts. tsniimash.ru/ru/src/Files/dp.pdf.
22. Крикалёв С.К., Крючков Б. И., Курицын А. А. Пилотируемые полеты: от Ю. А. Гагарина к МКС и полетам в дальний космос // Пилотируемые полеты в космос. 2011. № 2 (2). С. 6-20.
23. Россинский Б. В. Административное право: Словарь-справочник. М.: Юнити-Дана, 2000. 271 с.
24. Циблиев В. В. Повышение эффективности деятельности космонавтов и их подготовки к выполнению научных исследований на МКС // Полет. 2008. № 2. С. 3-6.
25. Философский словарь / Под ред. И. Т. Фролова. 7-е изд., перераб. и доп. М.: Республика, 2001. 720 с.
26. Мясищев В. Н. Психология отношений / Под ред. А. А. Бо-далева; вступ. ст. А. А. Бодалева. М.: Институт практической психологии; Воронеж: НПО «МОДЭК», 1995. 356 с.
27. Котов О. В., Шукшунов В. Е., Гордиенко О. С. Молодежный образовательный КОСМОЦЕНТР // Пилотируемые полеты в космос. 2011. № 2 (2). С. 155-164.
28. Моруков Б. В., Белаковский М. С., Самарин Г. И. Международное сотрудничество при реализации научных медико-биологических исследований и экспериментов // Космическая биология и медицина: В 2 т. М.: ИМБП РАН, 2011. Т. 2: Медико-биологические исследования на российском сегменте МКС. С. 458-474.
29. Ступаков Г. П., Кукушкин Ю. А., Усов В. М. и др. Актуальные вопросы создания экспертных систем в авиационной медицине // Вестник РАМН. 1996. № 7. С. 31-37.
30. Кукушкин Ю. А. Особенности поддержки принятия решений по устранению особых событий и опасных состояний летчика в высотном полете // Проблемы безопасности полетов. 2009. № 6. С. 74-79.
31. Ломов Б. Ф. Системность в психологии: Избранные психологические труды / Под ред. В. А. Барабанщикова, Д. Н. Завалишиной, В. А. Пономаренко. М.: Изд-во МПСИ; Воронеж: Изд-во НПО «МОДЭК», 2003. 424 с.
