航天員出艙活動(dòng)ＡＢＣ

編者按：我國(guó)已正式宣布，將于今年下半年發(fā)射神舟七號(hào)載人飛船，進(jìn)行首次航天員出艙活動(dòng)。本刊將從此期開始開辟“期盼‘神七’巡天”專題報(bào)道，陸續(xù)刊登有關(guān)介紹航天員出艙活動(dòng)的文章，以饗讀者。

出艙活動(dòng)，俗稱“太空行走”，是指航天員離開載人航天器座艙，到開放的太空中活動(dòng)，從更廣的意義上說，也包括在其他天體表面上的活動(dòng)。

人在太空中處于失重狀態(tài)下是無法行走的，只能是飄來飄去；在其他天體上也只有在具有固態(tài)表面，如月球、火星等類地行星上才能行走。

1965年3月，蘇聯(lián)航天員列昂諾夫完成了人類航天史上首次出艙活動(dòng)，在開放的太空中停留了12分鐘。次年6月，美國(guó)航天員懷特走出座艙，在外面呆了20分鐘，實(shí)現(xiàn)了美國(guó)航天員首次艙外活動(dòng)。當(dāng)時(shí)兩國(guó)航天員出艙活動(dòng)的目的主要是為了在太空競(jìng)賽中爭(zhēng)取“第一”。不過，出艙活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著人類的載人航天邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

航天員為什么要出艙？

太空是一個(gè)對(duì)人體有致命傷害的環(huán)境。人們開展出艙活動(dòng)的根本目的，不是為了太空競(jìng)賽，也不是為了在太空漫步，觀賞風(fēng)光，而是有許多特殊的任務(wù)，不得不靠航天員到艙外去執(zhí)行。這些任務(wù)包括：

① 將從地面分散運(yùn)到軌道上的艙段、構(gòu)件拼接、組裝，建造空間站等大型航天器；

② 檢測(cè)、維修或更換空間站等航天器安裝在外部暴露在太空中的儀器、設(shè)備和部件，例如太陽(yáng)電池翼板、通信天線、雷達(dá)天線、望遠(yuǎn)鏡等遙感儀器的鏡頭、探頭，探測(cè)太陽(yáng)紫外輻射、粒子輻射、微流星和空間碎片等實(shí)驗(yàn)裝置；

③ 檢查、維修或回收在軌道上發(fā)生故障的航天器。

出艙活動(dòng)的歷史功績(jī)

航天員出艙活動(dòng)曾經(jīng)為航天活動(dòng)的順利開展及航天技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，建立過不朽的功勛。

1973年，美國(guó)發(fā)射了它的唯一的空間站——“天空實(shí)驗(yàn)室”。入軌后，發(fā)現(xiàn)它的一對(duì)太陽(yáng)電池翼一個(gè)在上升時(shí)被高速氣流沖掉了，另一個(gè)被微流星防護(hù)罩碎片纏住，伸展不開，無法發(fā)電；同時(shí)，由于喪失了兼作防熱用的微流星防護(hù)罩，“天空實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)的溫度高達(dá)50℃。首批航天員到達(dá)空間站后，第一樁任務(wù)就是到艙外去將防護(hù)罩碎片切斷，打開太陽(yáng)電池翼，并把一頂從地面帶來的傘狀遮陽(yáng)篷，鋪設(shè)在“實(shí)驗(yàn)室”外朝太陽(yáng)的一側(cè)，從而使“實(shí)驗(yàn)室”開始供電，室內(nèi)溫度降到20℃左右的常溫，挽救了瀕臨報(bào)廢的“天空實(shí)驗(yàn)室”。

1993年到2002年，美國(guó)航天員4次在太空修理1990年上天的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，更換有故障的設(shè)備、部件，安裝先進(jìn)的新設(shè)備，不僅糾正了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在地面制造時(shí)隱藏的低級(jí)錯(cuò)誤，而且提高了觀測(cè)能力，延長(zhǎng)了工作壽命。修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡是迄今為止航天員艙外活動(dòng)最突出的成果。

蘇聯(lián)/俄羅斯自1969年以來，聯(lián)盟號(hào)飛船和7個(gè)禮炮號(hào)空間站上的航天員進(jìn)行過數(shù)十次出艙活動(dòng)，特別是和平號(hào)多艙組合式空間站，由于依靠航天員不斷到艙外進(jìn)行檢查、維修、更換陳舊或故障設(shè)備，安裝新的實(shí)驗(yàn)件，使它在太空的工作壽命從原計(jì)劃的5年延長(zhǎng)到15年。

出艙活動(dòng)必需的保障條件

太空是一個(gè)沒有氧氣、沒有大氣壓力、極端低溫、有強(qiáng)烈的電磁輻射和粒子輻射、致人于死命的環(huán)境。航天員到開放的太空中活動(dòng)是一樁既復(fù)雜又危險(xiǎn)的事情，是一項(xiàng)高難度的綜合性技術(shù)。為了保證航天員安全、高效地完成出艙活動(dòng)的各項(xiàng)任務(wù)，必須具備先進(jìn)的技術(shù)措施和完善的保障條件，主要有：供出艙活動(dòng)穿的航天服——艙外航天服；與航天服配套的背包式環(huán)境控制與生命保險(xiǎn)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“背包式環(huán)控生保系統(tǒng)”；在飛船、航天飛機(jī)、空間站等載人航天器中增設(shè)氣閘艙；載人機(jī)動(dòng)裝置；出艙活動(dòng)的航天員接受地面模擬訓(xùn)練。

艙外航天服

出艙活動(dòng)的航天員必須從頭到腳把自己“全副捂裝”起來，與太空隔絕。艙外航天服不僅包括衣褲（服裝），而且包括頭盔、手套和靴子。

服裝由多層組成。最里面貼身的一層是液冷服，外形像一件衣褲聯(lián)在一起的工裝，用有彈性的細(xì)管編織成網(wǎng)狀，細(xì)管內(nèi)有冷卻水循環(huán)流動(dòng)，用于帶走身體發(fā)出的多余熱量；第二層是加壓服，有3層：內(nèi)層用有通風(fēng)管的尼龍制成，中層與外層之間充氣，外層用涂氯丁橡膠的尼龍制成，以維持服裝內(nèi)的氣體壓力；第三層是限制服，其作用是限制加壓服向外膨脹；第四層是防熱服，也有多層：最里層是涂鋁的聚酯薄膜，中間幾層用卡普倫和薄紗羅制成，最外層是服裝的外套，也是由涂鋁薄膜制成，除防熱外，還起著防磨損、防燃燒、防微流星和空間碎片的作用。

服裝內(nèi)還有廢物收集器，供緊急情況下，航天員排大小便用。

頭盔由頭盔殼、面窗和頸圈組成。頭盔殼用高強(qiáng)度聚碳酸酯制成，四壁有襯墊、襯墊上鑲有細(xì)管，并有減震、隔熱、消聲、通風(fēng)和供氧的功能；面窗除有開闊的視野外，還有過濾紫外線的作用，以保護(hù)眼睛；頸圈是頭盔與服裝的連接件，有良好的氣密性和連接強(qiáng)度。

手套和靴子通過有全密性的腕圈與服裝連接。手套按航天員手的大小定做。手指部分有波紋結(jié)構(gòu)，便于操作。靴子有加壓靴和外套靴兩層：加壓靴是服裝加壓服的延伸，中間用腕圈連接；外套靴則用于防熱和防磨損。

背包式環(huán)控生保系統(tǒng)或“臍帶”

背包式環(huán)控生保系統(tǒng)由供氧裝置、空氣再生系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無線電通信系統(tǒng)等組成，其功能是，向航天服內(nèi)輸送供氧氣和冷卻水，維持航天服內(nèi)的壓力和溫度，實(shí)施通風(fēng)、散熱，以及為航天員提供與載人航天器或地面之間的通信。背包式環(huán)控生保系統(tǒng)由身著航天服的航天員背在身上。

艙外航天服與背包式環(huán)控生保系統(tǒng)，實(shí)際上構(gòu)成一個(gè)微型載人航天器，為航天員提供一個(gè)合適的壓力、供氧、溫度、通風(fēng)的環(huán)境，并提供電力和通信能力，保證航天員能脫離航天器，在開放的太空中生存與執(zhí)行任務(wù)。

早年或初期出艙活動(dòng)，一般還沒有準(zhǔn)備好背包式環(huán)控生保系統(tǒng)，或者為了減輕航天員的負(fù)擔(dān)起見，用一根由多條管道組成的“臍帶”，從母航天器中伸出，連接到航天服上。由母航天器的環(huán)控與生保系統(tǒng)通過“臍帶”中的管道向航天服輸送氧氣、壓力、冷卻水和電力，完成通風(fēng)、散熱，清除廢氣及提供通信。這根“臍帶”是名副其實(shí)的出艙活動(dòng)航天員的生命線。

氣閘艙

凡有執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù)的載人航天器，無論是飛船、航天飛機(jī)還是空間站內(nèi)，必須設(shè)置氣閘艙。氣閘艙是一種特設(shè)的專用小艙室，可供兩名航天員同時(shí)在里面穿、脫航天服。氣閘艙的主要特點(diǎn)是有內(nèi)、外兩扇閘門，內(nèi)閘門與座艙相通，外閘門與太空相通。航天員欲出艙，先在外閘門關(guān)閉情況下打開內(nèi)閘門，航天員進(jìn)入氣閘艙，穿好航天服后，關(guān)閉內(nèi)閘門，以防止座艙中的空氣外泄，然后打開外閘門，走入太空或其他天體表面。

航天員出艙之前必須在氣閘艙內(nèi)完成吸氧排氮——吸入純氧，呼出氮?dú)獾某绦?。因?yàn)樽搩?nèi)航天員呼吸的是1個(gè)大氣壓的氮氧混合氣體，而航天服內(nèi)提供的大氣是1/3大氣壓的純氧。當(dāng)外界壓力降低時(shí)，人體血液中的氮?dú)鈺?huì)逸出鉆入人體其他器官，引發(fā)減壓病。所以在穿航天服之前，先吸入氧氣，排出氮?dú)猓股眢w適應(yīng)航天服提供的低氣壓環(huán)境。

載人機(jī)動(dòng)裝置

這是一種像座椅式的推進(jìn)裝置，帶有高壓氮?dú)夂腿舾蓚€(gè)噴氮?dú)獾耐屏ζ?，推力器安裝在“座椅”的不同位置和不同方向。航天員用手動(dòng)控制不同位置的推力器，向不同方向噴氣，產(chǎn)生反作用力，可以改變自己在太空行走的方向、快慢以及身體的姿態(tài)。

早年或初期的艙外活動(dòng)往往不具備這種載人機(jī)動(dòng)裝置，靠航天員使用手持噴氣槍噴氣產(chǎn)生反作用力，在太空行走。如果只在母航天器周圍活動(dòng)，航天員可以用手扶著航天器外表面上安裝的專用扶手或其他突起物行走，但必須系有“臍帶”，以免脫離航天器后，回不來，因?yàn)槿f一噴氣槍氣體用完或者發(fā)生故障，不能噴氣，航天員可以靠臍帶把自己拉回母航天器。

臍帶的長(zhǎng)度有限，一般在十幾米，不能太長(zhǎng)，因?yàn)樘L(zhǎng)了容易發(fā)生扭曲、打結(jié)，甚至斷裂，出現(xiàn)危險(xiǎn)，所以航天員使用“臍帶”，只能在母航天器附近活動(dòng)；載人機(jī)動(dòng)裝置能攜帶一定量的高壓氮?dú)?，可以讓航天員到達(dá)離航天器百米遠(yuǎn)的地方活動(dòng)。

出艙活動(dòng)地面模擬訓(xùn)練

一套艙外航天服加上背包式環(huán)控生保系統(tǒng)，重量在100千克~120千克。不過在太空中它們是沒有重量的，航天員穿著并不感覺重，但是卻是非常臃腫。服裝里面充氣，四肢鼓鼓囊囊的，舉手投足很困難，動(dòng)作笨拙；戴上手套的手指，感覺也很遲鈍；由于物體沒有重量，操作時(shí)用力大小也掌握不住。為了順利實(shí)現(xiàn)太空行走，特別是為了完成太空組裝、檢修、更換設(shè)備等操作，航天員必須在上天之前，經(jīng)過專門訓(xùn)練。

訓(xùn)練的內(nèi)容包括：如何穿脫艙外航天服；如何在失重條件下穩(wěn)定自己的身體；如何利用“臍帶”來定向和“行走”；如何借助周圍物體施力和掌握用力技巧，以及安裝、拆卸、檢查、維修等專門操作訓(xùn)練。

航天員通常在失重飛機(jī)和大型水池中進(jìn)行失重和模擬失重訓(xùn)練。失重飛機(jī)作拋物線飛行，每次可產(chǎn)生30秒到1分鐘的短暫失重。航天員每堂課2~3小時(shí)，進(jìn)行多次拋物線飛行。

出艙活動(dòng)航天員更多地是在大型水池中訓(xùn)練。例如美國(guó)的被稱為“中性浮力實(shí)驗(yàn)室”的水池，長(zhǎng)61米，寬31米，深12米，可以容納國(guó)際空間站的整個(gè)艙段或航天飛機(jī)的貨艙。穿著艙外航天服的航天員與1∶1的空間站艙段或其他航天器模型，在水池中練習(xí)運(yùn)動(dòng)和裝卸、檢修、更換部件等操作。

中國(guó)航天員出艙的使命

我國(guó)載人航天工程的第二步是發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，開展短期有人照料、長(zhǎng)期自主飛行的運(yùn)營(yíng)任務(wù)?？臻g實(shí)驗(yàn)室是小型空間站，在軌運(yùn)行壽命達(dá)5~10年之久，在漫長(zhǎng)的歲月中，設(shè)備老化或出現(xiàn)故障等問題是免不了的，需要航天員出艙進(jìn)行檢查、修理、更換。掌握出艙活動(dòng)能力是實(shí)現(xiàn)載人航天工程第二步的先決條件。為了保證昂貴的空間實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)壽命、高可靠地在軌道上運(yùn)行，同時(shí)也為第三步建造多艙組合式大型空間站創(chuàng)造條件，我國(guó)經(jīng)過多年的艱苦努力，已完成艙外航天服研制、神舟飛船改裝、氣閘艙研制，以及航天員地面模擬出艙活動(dòng)訓(xùn)練等一系列工作，現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒，即將待命發(fā)射。