中國人的太空漫步

2008年9月25日21點10分，“神舟7號”一飛沖天。此舉標志著中國載人航天技術將達到一個新水平，并成為世界上第3個完全獨立實現太空行走的國家。載人航天是當今高技術中最具挑戰性的領域，能體現一個國家的綜合國力和整體科技水平。

中國航天員進行首次太空行走，也引起了國人對太空行走技術的極大關注，不禁提出了太空行走有什么意義、需要哪些設備、怎樣進行訓練等一系列問題。

太空行走用途廣

太空行走是載人航天活動中一項十分復雜而又必須突破的關鍵技術，它主要用于維修航天器和大型航天器的太空組裝。中國航天界有句話叫“造船為建站，建站為應用”，所以，掌握出艙活動技術主要是為以后建立空間站、進行太空組裝或維修做準備。

美國人曾通過太空行走修復了“天空實驗室”等重要航天器。蘇俄航天員利用太空行走修復過禮炮號空間站和組裝、維修了和平號空間站。當前正在建造的“國際空間站”只能由航天員采用多次出艙活動才能在軌組裝建成。另外，通過太空行走，可以完成發射或回收衛星等服務性工作，美國已多次在軌回收、維修和釋放了“太陽峰年衛星”和“哈勃”空間望遠鏡等衛星。2008年10月，美國將第5次在軌維修和升級“哈勃”空間望遠鏡。國外航天員利用太空行走完成了多項科學實驗，最典型的例子就是“阿波羅”登月航天員在月面行走時所完成的科學實驗。今后，在建造月球基地或載人登火星的過程中，更是離不開太空行走了。不過，各國航天員剛開始進行太空行走時一般都是為了驗證這項技術。

到2007年底，全世界航天員共完成342人次太空行走，其中美國207人次，蘇聯/俄羅斯125人次，其他國家10人次。

不過，大家知道，太空的高真空、高潔凈、強輻射等環境對人體來說是一個致命的環境，人一旦暴露在太空中將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷4大危險。所以，人要離開航天器進入開放的太空，必須使用復雜的出艙活動系統硬件，它包括氣閘艙或艙門，艙外航天服和生命保障系統的安全帶和限制裝備，載人機動裝置三大系統以及出艙活動用的特制工具，其中前三樣缺一不可，而且任何一樣出現故障都會有危險。

出艙活動有門戶

有些人以為太空行走是航天員在太空散步，其實，太空行走分兩種形式，第一種是航天員到載人航天器艙外，第二種是在月面行走。最常見的第一種形式與人們在地面行走完全不同，是一種不是行走的“行走”，因為宇宙真空無路可走；且航天員在太空處于失重狀態，飄來飄去也沒法行走，他們移動身體是靠手、機械臂或機動裝置，不是通過腳。為了方便航天員的行動，設計人員在航天器的里外都安裝了一些扶手，航天員可用手握住一個一個扶手來回移動身體。所以，太空行走只是一種俗稱，嚴格地講應該叫“出艙活動”。

在《太空旅行》一書中，俄羅斯的齊奧爾科夫斯基率先從科學意義上提出了出艙活動設想，并認為要實現出艙活動須給航天員提供航天服、氣閘艙和安全繩索。

由于太空環境惡劣，所以航天員出艙必須穿著特制的艙外活動航天服，攜帶生命保障系統等。然而，要進行太空行走首先要使用的一個重要設備是氣閘艙。它是航天員出艙活動的門戶，居于兩個大氣壓力不同的空間之間的一個艙室，一般兩邊裝有兩扇不透氣的門，目的是防止兩個空間之間的氣體交流，所以也叫“氣壓過渡艙”。

氣閘艙是一種航天員出艙活動的門戶，用于密封艙與宇宙真空之間的隔離，有四大用途：

一是為了節省載人航天器內的氣體，防止在航天員打開艙門進行宇宙空間時載人航天器內的氣體大量流失。

載人航天器的氣閘艙一般有2個艙門（也叫閘門），一個與座艙連接叫內艙門（也叫內閘門），另一個是可通向宇宙空間的外艙門（也叫外閘門）。航天員出艙時先走出內艙門，然后關閉內艙門，把氣閘艙逐步減壓到真空狀態，這時就可打開外艙門進入宇宙空間了。航天員返回氣閘艙時按相反的順序操作，即航天員返回氣閘艙后，先關閉外艙門，然后逐步恢復氣閘艙的壓力，當氣閘艙內的壓力與座艙內的壓力相等時，就可以打開內艙門了。這個過程有點類似輪船過大壩水閘。

二是在航天員出艙前對大氣壓力進行調節，預防航天員在進行太空行走時得減壓病，影響太空行走任務的完成，甚至航天員的生命安全，因為目前所有載人航天器內都是1個大氣壓，而航天員出艙活動穿的艙外航天服內的壓力較低，如果航天員從高壓環境迅速轉為低壓環境，就很容易患減壓病。但航天員在氣閘艙內，通過高低壓環境之間的逐步過渡，以及采取吸氧排氮措施，則能預防減壓病。所以，氣閘艙內一般還裝有吸氧排氮設備。

三是泄壓和復壓，使航天員可以方便地打開艙門進入宇宙空間，以及在航天員回到艙內后恢復氣閘艙內的壓力。

四是簡化出艙活動系統的設計，提高太空行走的安全性。

因此，氣閘艙是航天員進行太空行走時的必經之路。

與神舟6號開關一個艙門相比，神舟7號要開關2個艙門。在任務過程中它們是否能被順利開關好而不漏氣，直接關系到航天員的生命安全，所以被稱之為“生死之門”。（前）蘇聯聯盟11號飛船在返回地面的過程中，就是因為飛船漏氣，導致3名航天員因窒息和體液沸騰而死亡。為此，技術人員對神舟7號的艙門做了幾百次各種壓力下的試驗。

神舟7號飛船總指揮尚志說，由于艙外是真空，所以出艙首先要把軌道艙里的壓力泄放掉。泄放壓力很簡單，只要摁一下一個放氣開關，就可以打開直接泄放。這樣內外壓力平衡，艙門才能打開，航天員才能出得去。航天員返回航天器后則要恢復軌道艙里的壓力。因此，神舟7號上必須有一個設施具有泄壓和復壓功能。

航天員的護身服

太空環境非常惡劣：沒有氣壓，沒有氧氣，陽光下溫度高達120℃，背陰處溫度低于零下100℃，還有大量的宇宙輻射。因此，在出艙活動中最重要的裝備是艙外航天服，該技術十分復雜，一套裝有便攜式生命保障系統的艙外航天服就相當于一個微型載人航天器，質量有100多千克（艙內航天服質量為10千克）。它將航天員的身體與太空惡劣環境隔離開來，并向航天員提供一個相當于地面的工作環境，同時提供氧氣、正常氣壓、排放二氧化碳、維持舒適的溫度和抵御宇宙輻射等維持生命所需的各種條件。

艙外航天服由服裝、頭盔、手套和航天靴等組成，其中結構最復雜的是服裝，由多層組成。最里層是液冷通風服的襯里；襯里外是液冷通風服，這種服裝由尼龍彈性纖維和穿在上面的許多輸送冷卻液的塑料細管制成；液冷通風服外是加壓氣密層；然后是限制加壓氣密層向外膨脹的限制層；最外面的防護層除要有防高熱、防磨損和保護內部各層的功能外，還要有防太陽輻射的功能和連接其它裝具的接口。例如，與航天員艙外活動時的“臍帶”連接，與身背攜帶式生保環境裝備、載人機動裝置的連接等。

外觀呈白色的美國航天飛機艙外航天服是目前最先進的出艙活動航天服之一，重130多千克，由14層組成，現也用于“國際空間站”。該航天服是按上半身、下半身和手臂分開裁剪縫制的。其工作壓力為29.647千帕。較低的工作壓力不僅使手部活動比較靈活，而且由于關節部位保持恒定的容積，所以身體能在航天服內很容易地活動，從而給航天員提供了較大的活動自由度。另外，美國艙外航天服的航天手套的觸覺敏感性極好（可以很容易地拾起1枚硬幣），因此美國航天員能夠完成的任務種類比較多。一套美國艙外航天服實際上可以適合任何人，但每半年就要送回地面維修。

俄羅斯在“國際空間站”上使用的是奧蘭-M（又叫海鷹-M）航天服，呈土黃色。它重110多千克，與美國艙外航天服在外觀上似乎只是顏色不同，但實際上性能差異很大。例如，奧蘭-M艙外航天服的工作壓力比美國的高，為39.989千帕，從而可以減少航天員出艙前用于吸氧排氮的時間。盡管奧蘭-M艙外航天服具有較高的工作壓力，但還是能容易或比較容易地完成一些操作的。不過，奧蘭-M艙外航天服適用的身材范圍比美國的小，航天員需要選擇適合自己的航天服，現有適應身高在165～190厘米的幾種型號，且袖長和褲長可加以調整，但手套卻要按人定制。

美制航天服由軟材料制造而成，航天員需要在別人幫助下才能穿得上。俄制航天服呈半軟半硬狀態，除了胳膊和腿部為軟材料制造外，其余部分全部為金屬材料，屬于“自穿”式的，即航天員一個人就可穿上航天服。其鋁制上衣的背后有1個門，航天員從后門鉆進去，關上門后開始加壓。穿衣的過程比較簡單，在幾分鐘內就能完成。俄制航天服看似比較粗笨，但設計比較簡單。另外，奧蘭-M航天服設計簡單，非常耐用，使用期為4年，并可在太空中維修和更換零部件。

對于航天員的“方便”問題，美國使用普通的尿不濕，俄羅斯使用特制的男式短褲，還專門設計了便器。由于手伸不到臉部，艙外航天服中還有搔癢工具。俄羅斯航天服的靴子底是軟皮革的，而美國航天服的靴子底是硬橡膠的。

總之，美俄艙外航天服存在工作壓力不同、生保系統放置方式不同、結構和穿、脫方式不同等諸多不同，但在使用上它們各有千秋。

2008年9月27日16時41分，中國“神七”載人飛船航天員翟志剛順利出艙，實施中國首次空間出艙活動。17時0分35秒翟志剛返回軌道艙。我國首次實施的空間出艙活動取得了圓滿成功。翟志剛身上所穿的中國自行研制的第一套“飛天”艙外航天服，也首次在茫茫太空中“亮相”。我國自主研制的“飛天”艙外航天服，每套總重量約120千克，造價3000萬元人民幣左右。

行走方式與訓練

通過大量的研究和實踐，航天員現在已有2種太空行走方式可供選擇：一種是“臍帶”式，即航天員出艙時像剛出生的嬰兒一樣，通過一根類似“臍帶”的繩索與載人航天器相連接，這條“臍帶”有2個作用，一是提供生命保障功能，航天員在艙外所需要的氧氣、壓力、冷卻工質、電源和通信等都是通過“臍帶”由“母”載人航天器提供的，二是起保險作用，防止航天員漂離載人航天器太遠而回不來。

另一種是“自主”式，即航天員太空行走時不系“臍帶”。（前）蘇聯在太空行走第1人列昂諾夫出艙以后，美國從阿波羅飛行開始，航天員在太空行走時不再使用“臍帶”式繩索，而是使用外形像一個大背包的便攜式生命保障系統，即航天員在太空行走時除了身穿艙外航天服外，還要背上這種提供氧氣、溫度、濕度等的大背包。

另外，還配有像動畫片《鐵臂阿童木》一樣采用機動裝置，即所謂太空摩托艇或太空摩托車，簡單的說就是航天員身背一個可以控制的小火箭在太空自由飛行。機動裝置是航天員出艙時的交通工具，可使航天員活動范圍最大可達近百米，因此目前的太空行走大多采用這種方式。

采用“臍帶”式進行太空行走的優點是比較簡單和安全，不需要裝備昂貴、復雜的載人機動裝置，早期的太空行走都采用這種方式。但它存在明顯的缺陷，其缺點是“臍帶”不能過長，航天員只能在離“母”航天器幾米范圍內活動，如果走遠了則容易使“臍帶”纏繞，像嬰兒那樣“窒息”而死，從而對航天員在艙外的活動范圍限制較大。在早期出艙活動中常采用這種方式。

目前大多數太空行走采用“自主”式。如果航天員配有載人機動裝置，最遠可到離載人航天器100米遠處活動。不過，為了保障安全，采用“自主”式的航天員且太空行走距離較遠時多為2人一組，為的是相互關照，保障安全，相互救助。

太空行走技術非常復雜，要掌握這項技術必須進行大量的訓練。它分技能訓練和任務訓練兩種。前者是讓航天員學習怎樣穿脫艙外活動航天服、熟練掌握出艙程序和在太空行走時如何控制自己的身體和運動；后者是學習如何完成出艙活動任務。

中國人的太空步

早在20世紀70年代初，中國就開始可載人航天的研究，并曾做出過一個名叫曙光號的2艙式飛船的全尺寸飛船模型。但由于當時的政治環境、經濟能力和工業基礎等條件不成熟，所以半途而廢了。隨著中國國民經濟和科學技術的不斷發展，1992年，黨中央批準研制載人飛船工程。自此，中國的載人航天工程正式啟動，至今已取得巨大成功，現已發射的7艘神舟號飛船，其中神舟1號～４號為無人試驗飛船，神舟５號～７號為載人飛船，而且每一次飛行都在上一次飛行的基礎上在技術上有較大的提高。

以中國空間技術研究院為主研制的神舟號系列飛船采用多項先進技術，其中一些關鍵技術達到國際先進水平。我國神舟號飛船由環境控制與生命保障、返回著陸、逃逸救生、儀表與照明、乘員等13個分系統組成，它采用當代最先進的3艙式構型，具有起點較高、用途廣泛、創新性強、安全可靠等一系列特點。

中國載人航天實施“三步走”的發展戰略：第一步是以載人飛船起步，將航天員安全地送入近地軌道，進行適量的對地觀測及科學實驗，并使航天員安全返回地面，實現載人航天的歷史性突破。這一步已由神舟5號、6號勝利實現。

第二步重點突破航天員出艙活動、空間交會對接試驗兩項關鍵技術，并發射長期自主飛行、短期有人照料的空間實驗室，盡早建成中國完整配套的空間工程大系統，解決中國一定規模的空間應用問題。這一步從2008年發射的神舟7號開始實施。

第三步是建造長期有人照料、短期自主飛行的的大型空間站，從而大規模、長時間地開發寶貴的太空資源，為全人類造福。

“神舟7號”飛船將在3個方面實現大的突破，一是執行航天員出艙活動；二是飛船滿載3名航天員最長飛行5天；三是飛行期間要進行一些衛星通信的新技術試驗。神舟7號作為我國載人航天工程二期首次飛行，航天員空間出艙活動將成為最大突破，為下一步建立我國空間站奠定技術基礎。專家們制定了有害氣體控制等30多項出艙期間的應急預案，以保證航天員安全。

神舟6號、7號飛船總設計師張柏楠表示，與發射神舟6號飛船的長征2號F火箭相比，用于發射神舟7號載人航天飛船的長征2號F火箭共有36項技術改進，進一步提高了可靠性和安全性，比如：火箭的二級增壓管路材料由鋁換成了鋼，使其在高溫下的強度得到提高。

相比發射神舟6號的長征2號F火箭上的2個攝像頭，發射神舟7號的長征2號F在火箭二級的尾艙部位又增加了1個攝像頭。通過它可以從火箭內部觀察到火箭一二級的分離過程，還可以看到二級發動機的工作、點火。另外2個攝像頭與發射神舟6號的長征2號F火箭一樣，分別裝配在整流罩內和火箭箭體外。3個攝像頭一起，向地面顯示著最直觀的火箭飛行情況，清楚地看到和記錄火箭主要飛行的動作和全過程有助于地面必要的時候進行有效調整保證火箭飛行的安全。

由于2008年我國發射了首顆中繼衛星天鏈1號，所以它可大大提高中低軌道航天器的覆蓋率，使神舟7號的覆蓋率由原來的12%提

高到60%。屆時，將能直播中國航天員的首次太空行走。

太空人

“第一”知多少?

1965年3月18日，乘上升2號飛船上天的（前）蘇聯航天員列昂諾夫成為太空行走第1人。而1984年7月25日，（前）蘇聯女航天員薩維茨卡婭走出禮炮7號空間站艙外，成為世界上第1名在太空行走的女航天員。1965年6月3日，懷特成為美國太空行走第1人，美國太空行走第1女是1984年10月8日出艙的莎麗文。

至今，出艙行走次數最多的航天員是俄羅斯的索洛維耶夫，他出艙16次，累計在太空行走77小時。索洛維耶夫不僅在太空行走的次數和太空停留時間上是“世界冠軍”，而且在4個月內完成14次太空行走，即在一定時期內完成太空行走的頻率上也是“世界冠軍”。

單次在太空行走時間最長的是美國航天員赫爾姆斯和沃斯，他倆于2001年3月11日在太空行走8小時56分，調整了空間站團結號節點艙上1個對接艙的位置。

第1個在太空行走的華裔航天員是焦立中，他于1996年1月15日從奮進號航天飛機中走出，在太空中作了長達6小時的“太空行走”。在太空行走距離最遠的華裔航天員是盧杰，為安裝電纜和吊桿，他和俄羅斯航天員巴倫琴科于2000年9月11日結伴在太空行走了30.58米，歷時6小時14分鐘。

美航天員使用的載人機動裝置（右圖）

美國航天員現在使用的載人機動裝置叫“艙外活動救生輔助裝置”（SAFER）。它有24個噴氣裝置，噴氣時能產生15厘米/秒的移動速度，最大移動速度為3米/秒。航天員可通過綁在航天服前面的開關控制噴氣，實現各個方向的移動。它已多次用于“國際空間站”的組裝、維修和救援，不使用的時候可以折疊起來保存。

航天員出艙

為何要吸氧排氮？

我們生活在地球表面時，人體受到大氣層的壓力為一個大氣壓，在艙內也是如此，人體在這樣的壓力下不僅生活正常，而且與外界氣體交換也正常。但是在宇宙真空中，由于沒有大氣，即艙內外氣壓差別極大，所以航天員出艙后人體組織內的氣體會因外界壓力低而往外逸出。氧氣是人體需要的，逸到哪里都可以。但氮氣逸出人體組織外就會使人體產生皮膚發癢、關節與肌肉疼痛、咳嗽和胸悶等癥狀。這種從高壓（正常壓）變成低壓（航天服內的壓力）所引發的病就是減壓病。對此，必須采取措施。如果所設計的載人航天器乘員艙采用的是接近地面大氣的壓力制度，航天員進入航天器內時則不必進行吸氧排氮。如果所采用的是較低壓力，航天員在進入載人航天器之前，就得把體內多余的氮氣排出，用氧氣代替它。這是因為在一個大氣壓的普通空氣中生活時，人體中氧氣只占21%左右，而氮氣約占79%。

而在出艙前，無論艙內采取何種壓力，航天員都必須進行吸氧排氮，這是因為航天員太空行走時穿的艙外航天服中的壓力比艙內的壓力要低，所以，航天員在穿低壓航天服出艙之前，必須把體內多余的氮氣排出，用氧氣來代替它。其方法就是吸入純氧，這一過程就叫吸氧排氮。若航天服內的壓力相對較大，或者說它與艙內壓力水平接近，而且艙內的含氧量大，則吸氧排氮的時間就短，反之則長。