Анализ проводится с целью определения возможных тенденций их развития для информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации и в условиях ограниченных возможностей взаимодействия с наземным центром управления полётом. Перспективы и тенденции такого рода особенно важно знать и учитывать на стадии предварительного проектирования человеко-машинных интерфейсов.

Введение

Основами государственной политики в области космической деятельности начиная с 2030 года [ 1 ] предусмотрены регулярные пилотируемые полёты на Луну. Ключевые особенности деятельности экипажей пилотируемых лунных экспедиций [ 2 ] связаны с перелётами по трассе «Земля – Луна – Земля», взлётно-посадочными операциями, спецификой выполнения научных и прикладных задач на поверхности Луны, высокой автономностью деятельности космонавтов и соображениями безопасности. Безопасность пилотируемых лунных экспедиций [ 3 ], в том числе в случае отказа автоматических контуров их функционирования, в значительной степени определяется надёжностью операторской деятельности экипажей [ 4 ].

В ходе длительных космических полётов под воздействием невесомости и других неблагоприятных факторов происходит изменение характеристик операторской деятельности космонавтов по выполнению различных работ, предусматриваемых программой полёта.

С учётом этого актуальными являются исследования вопросов создания и совершенствования средств и человеко-машинных интерфейсов (ЧМИ) информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации космических аппаратов (КА) и в условиях ограниченных возможностей оперативного взаимодействия с наземным центром управления полётом и длительного влияния невесомости и других неблагоприятных факторов на операторскую деятельность (ОД) космонавтов.

Человеко-машинные интерфейсы пилотируемых космических аппаратов, создаваемые на базе ЖК-экранов, возможно, позволят реализовать в ближайшем будущем 3D-технологии с элементами виртуальной и дополненной реальности.

Цель: рассмотреть опыт и перспективные подходы к созданию новых конструкторско-технологических решений ЧМИ пилотируемых космических аппаратов (ПКА) в интересах эффективной работы экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации КА.

Материалы. Эволюция конструкторско-технологических решений ЧМИ определялась необходимостью расширения возможностей экипажей и усложнением ПКА, развитием вычислительной техники и её интеграцией со средствами отображения информации (СОИ) и органами управления (ОУ).

Конструкторско-технологические решения ЧМИ первых ПКА были отчасти схожи с интерфейсами оборудования и систем авиационной техники (рис. 1). Состав СОИ и ОУ был минимально необходимым и определялся выполняемыми задачами. Ручные режимы эксплуатации КА применялись в основном при отказах автоматических контуров, которые имели несколько уровней функционального и приборного резервирования.

Ориентация конструкторов первых ПКА на ЧМИ авиационной техники имела место как в СССР (ПКА «Восток», «Союз»), так и в США (ПКА «Меркурий», «Джемини»). В проектах «Буран» и «Спейс шаттл» опыт авиационно-конструкторских решений при создании ЧМИ также имел место, что было естественным, поскольку оба комплекса относились к классу авиационно-космических систем.

В ЧМИ ПКА нового поколения в качестве СОИ и ОУ используются жидкокристаллические экраны (ЖК-экраны) и электронные мобильные планшеты [ 5 ], что позволяет:

• существенно снизить количество натурных (физических) СОИ и ОУ;
• оперативно производить гибкую конфигурацию и / или реконфигурацию отображаемой информации и сенсоров управления без конструктивных вмешательств.

Прототипом ЧМИ на базе ЖК-экранов являются пользовательские интерфейсы компьютерной техники. Они универсальны и могут масштабироваться применительно к пилотируемым транспортным кораблям (ПТК), пилотируемым орбитальным станциям, взлётно-посадочным комплексам, планетоходам и т. п.

Рис. 1. Конструкторско-технологические решения ЧМИ ПКА

Такого рода ЧМИ становятся основой для их более широкого внедрения и апробации в моделирующих комплексах, используемых в экспериментальных исследованиях операторских качеств космонавтов по управлению сложными человеко-машинными комплексами.

Потенциально ЧМИ ПКА, создаваемые на базе ЖК-экранов, позволяют реализовать в ближайшем будущем 3D-технологии с элементами виртуальной и дополненной реальности [ 6 ]. Параллельная ветвь развития перспективных ЧМИ – это и технология аватара (телеприсутствие человека в космосе), позволяющая человеку-оператору работать дистанционно от условий враждебной для него среды [ 7 ]. Эти нюансы необходимо учитывать как на стадии предварительного проектирования состава средств и ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации КА, так и в моделирующих комплексах, используемых для оценки операторской деятельности космонавтов длительных космических полётов.

На стадии предварительного проектирования человеко-машинных интерфейсов для экипажей лунных экспедиций необходимо изучить тактико-технические, конструкторско-технологические заделы и прогнозировать возможности выполнения космонавтами различных видов операторской деятельности в условиях длительных полётов и специфических особенностей работы по новым программам.

Частными примерами учёта тенденций эволюции ЧМИ ПКА в моделирующих и натурных комплексах, используемых для оценки операторской деятельности космонавтов, являются (рис. 2):

• экспериментальные исследования по управлению виртуальным транспортным средством (ровером) на базе 2D-технологии визуализации СОИ с использованием ЖК-экрана;
• экспериментальные исследования на тренажёре РУС на центрифуге ЦФ-18 на базе 3D-технологии визуализации информации виртуальных моделей с использованием 3D-очков.

Рис. 2. Экспериментальные исследования с применением ЧМИ на новых технологиях

На стадии предварительного проектирования ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации ПКА, в интересах реализации перспективных пилотируемых миссий в окололунном пространстве и на Луну, необходимо изучение тактико-технических, конструкторско-технологических заделов и прогнозирование возможности выполнения космонавтами различных видов операторской деятельности в условиях длительных полётов и специфических особенностей работы по новым программам. Результатами такого предварительного проектирования должны стать обоснованные требования (предварительный облик) к средствам и ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций (рис. 3).

Рис. 3. Метод предварительного проектирования средств и ЧМИ информационной поддержки экипажей

Данные по изменению характеристик операторской деятельности космонавтов под воздействием невесомости и других неблагоприятных факторов длительных космических полётов могут быть получены путём организации и проведения специальных экспериментальных исследований. Это исследования по оценке возможности выполнения сложной операторской деятельности с участием российских экипажей Международной космической стации (МКС) до и после завершения длительных полётов на моделирующих комплексах научно-исследовательского испытательного Центра подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина [ 8, 9 ] (рис. 4).

Рис. 4. Модель специальных экспериментальных исследований

Обобщённо метод специальных экспериментальных исследований представлен на рис. 5.

Рис. 5. Метод специальных экспериментальных исследований по оценке операторской деятельности космонавтов

Обсуждение результатов

Облик ЧМИ в моделирующих комплексах этих экспериментальных исследований определяется с учётом тенденций развития ПКА и новых конструкторско-технологических решений в области развития информационных технологий.

В обеспечении операторской деятельности космонавтов прослеживаются перекрёстные взаимосвязи:

• между операторской деятельностью космонавтов и обликом средств и ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации КА с учётом тенденций развития конструкторско-технологических решений;
• между обликом средств и ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации КА и конфигурацией моделирующих и натурных комплексов, используемых для оценки операторской деятельности космонавтов длительных космических полётов.

Для разрешения проблемы перекрёстных взаимосвязей предлагается итерационный метод на основе вышерассмотренных методов предварительного проектирования и специальных экспериментальных исследований (рис. 6).

Рис. 6. Итерационный метод предварительного проектирования ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации КА

Необходимо достичь допустимого рассогласования между априорной (определённой до экспериментальных исследований) и апостериорной (апробированной в ходе исследований) операторской деятельностью космонавтов с точки зрения её результативности, безопасности, надёжности и экономичности.

Рассогласования между априорной и апостериорной операторской деятельностью космонавтов могут быть уменьшены за счёт:

• коррекции операций ручных режимов эксплуатации КА без конструкторско-технологических изменений в них;
• внесения конструкторско-технологических изменений в КА и, следовательно, в ручные режимы эксплуатации КА, включая средства и ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций.

Для разрешения проблемы перекрёстных взаимосвязей в обеспечении операторской деятельности космонавтов предлагается итерационный метод на основе метода предварительного проектирования и метода специальных экспериментальных исследований.

Заключение

Понимание опыта и перспектив конструкторско-технологических решений ЧМИ ПКА способствует выявлению и уточнению тенденций их развития, в том числе и для информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации КА, которые, безусловно, важно знать и учитывать на стадии предварительного проектирования рассматриваемых ЧМИ.

Проблема перекрёстных взаимосвязей относительно операторской деятельности космонавтов является составной частью исходных данных, необходимых для формирования требований к средствам и ЧМИ с их предпроектной апробацией в рамках проводимых специальных экспериментальных исследований. Предлагаемый итерационный метод предварительного проектирования средств и ЧМИ информационной поддержки экипажей лунных экспедиций в ручных режимах эксплуатации ПКА в условиях ограниченных возможностей оперативного взаимодействия с наземным центром управления полётом позволяет разрешить эту проблему.

Литература

1. Основные положения Основ государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу (утв. Президентом РФ от 19.04.2013 N Пр-906) [Электронный ресурс] // legalacts.ru «Законы, кодексы и нормативно-правовые акты в Российской Федерации». URL: https://legalacts.ru/doc/osnovnye-polozhenija-osnov-gosudarstvennoi-politiki-rossiiskoi-federatsii/ (Дата обращения: 11.05.2021).

2. Крючков Б. И., Усов В. М., Ярополов В. И., Сосюрка Ю. Б., Троицкий С. С., Долгов П. П. Об особенностях профессиональной деятельности космонавтов при осуществлении лунных миссий // Пилотируемые полёты в космос. 2016. № 2(19). С. 35-57.

3. Ярополов В. И. Анализ особенностей лунной экспедиции и разработка предложений по обеспечению безопасности экипажа при выполнении миссий к Луне // Пилотируемые полёты в космос. 2013. №1 (6). С. 44-65.

4. Бодров В. А., Орлов В. Я. Психология и надёжность: человек в системах управления техникой. М.: Институт психологии РАН, 1998. 288 с.

5. Галкин Д. В., Сербин В. А. Эволюция пользовательских интерфейсов: от терминала к дополненной реальности // Гуманитарная информатика. 2013. Вып. 7. С. 35-49.

6. Сергеев С. Ф. Проектирование интерфейсов. СПб.: ВВМ, 2020. 132 с.

7. Клюшников В. Ю., Родькина С. А. Робот-аватар – средство телеприсутствия человека в космосе // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 1(102). С. 60-69.

8. Крикалёв С. К., Крючков Б. И., Харламов М. М., Новицкий О. В., Тарелкин Е. И., Курицын А. А. Экспериментальные исследования по оценке выполнения космонавтами сложной операторской деятельности после длительного космического полёта на МКС в интересах осуществления полётов в дальний космос // Пилотируемые полёты в космос. 2013. № 4(9). С. 24-35.

9. Долгов П. П., Иродов Е. Ю., Киршанов В. Н., Коренной В. С., Крючков Б. И., Онуфриенко Ю. И. Подход к проведению послеполётного эксперимента по управлению планетоходом // Пилотируемые полёты в космос. 2020. № 2(35). С. 47-60.

References

1. Osnovnye polozheniya Osnov gosudarstvennoy politiki Rossiyskoy Federatsii v oblasti kosmicheskoy deyatel'nosti na period do 2030 goda i dal'neyshuyu perspektivu (utv. Prezidentom RF ot 19.04.2013 N Pr-906). Available at: https://legalacts.ru/doc/osnovnye-polozhenija-osnov-gosudarstvennoi-politiki-rossiiskoi-federatsii/ (Retrieval date: 11.05.2021).

2. Kryuchkov B. I., Usov V. M., Yaropolov V. I., Sosyurka Yu. B., Troitskiy S. S., Dolgov P. P. Ob osobennostyakh professional'noy deyatel'nosti kosmonavtov pri osushchestvlenii lunnykh missiy. Pilotiruemye polety v kosmos, 2016, no. 2(19), pp. 35-57.

3. Yaropolov V. I. Analiz osobennostey lunnoy ekspeditsii, i razrabotka predlozheniy po obespecheniyu bezopasnosti ekipazha pri vypolnenii missiy k Lune. Pilotiruemye polety v kosmos, 2013, №1 (6), pp. 44-65.

4. Bodrov V. A., Orlov V. Ya. Psikhologiya i nadezhnost': chelovek v sistemakh upravleniya tekhnikoy. Moscow, Institut psikhologii RAN, 1998. 288 p.

5. Galkin D. V., Serbin V. A. Evolyutsiya pol'zovatel'skikh interfeysov: ot terminala k dopolnennoy real'nosti. Gumanitarnaya informatika, 2013, iss. 7, pp.35-49.

6. Sergeev S.F. Proektirovanie interfeysov. Saint Petersburg, VVM, 2020. 132 p.

7. Klyushnikov V. Yu., Rod'kina S. A. Robot-avatar – sredstvo teleprisutstviya cheloveka v kosmose. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2020, no. 1(102), pp. 60-69.

8. Krikalev S. K., Kryuchkov B. I., Kharlamov M. M., Novitskiy O. V., Tarelkin E. I., Kuritsyn A. A. Eksperimental'nye issledovaniya po otsenke vypolneniya kosmonavtami slozhnoy operatorskoy deyatel'nosti posle dlitel'nogo kosmicheskogo poleta na MKS v interesakh osushchestvleniya poletov v dal'niy kosmos. Pilotiruemye polety v kosmos, 2013, no. 4(9), pp. 24-35.

9. Dolgov P. P., Irodov E. Yu., Kirshanov V. N., Korennoy V. S., Kryuchkov B. I., Onufrienko Yu. I. Podkhod k provedeniyu poslepoletnogo eksperimenta po upravleniyu planetokhodom. Pilotiruemye polety v kosmos, 2020, no. 2(35), pp. 47-60.

© Дикарев В. А, Кикина А. Ю., Крючков Б. И., Белозерова И. Н., 2021

История статьи:

Поступила в редакцию: 24.04.2021

Принята к публикации: 17.05.2021

Модератор: Гесс Л. А.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Дикарев В. А, Кикина А. Ю., Крючков Б. И., Белозерова И. Н. Человеко-машинные интерфейсы пилотируемых космических аппаратов: опыт и перспективы // Воздушно-космическая сфера. 2021. №2. С. 54-64.