太空漫步鑄輝煌
—紀念人類首次太空行走50周年

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1 不是行走的“行走”

不少人以為太空行走是一種在宇宙空間進行很浪漫的散步，其實不然，因為航天員在載人航天器艙外活動，一是太空無路可走；二是航天員處于失重狀態，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，而不是通過腳。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，很像攀巖。所以，太空行走是一種俗稱，是一種不用腳的“行走”，嚴格地講應該叫太空出艙活動（EVA）。當然，航天員如果是在地外星球，如月球表面活動，則是一種名副其實的太空行走。

中國航天員翟志剛在艙外揮舞國旗

美國太空行走第一人懷特進行“臍帶”式太空行走

鏈 接

采用“臍帶”式進行出艙活動的優點是簡單、低廉，早期的出艙活動都采用這種方式。但它存在明顯的缺陷，比如，“臍帶”不能過長，航天員只能在離母載人航天器幾米范圍內活動，因為如果過長，在航天員出艙距離較遠時“臍帶”容易被纏繞，甚至使航天員“窒息”而死，所以對航天員在艙外的活動范圍限制較大，蘇聯在列昂諾夫出艙以后，美國從“阿波羅”飛行開始，航天員在太空行走時都不再使用“臍帶”式，而采用“自主”式。航天員采用“自主”式太空行走時，使用一種外形像一個大背包的便攜式生命保障系統，如果航天員使用載人機動裝置，目前最遠可到達離母載人航天器100m遠處活動了。

太空行走技術現已發展了三個階段，即起步探索階段（1965-1968，通過上升-2、“雙子星座”飛船出艙）、改進強化階段（1969-1972，通過“聯盟”、“阿波羅”飛船出艙）、發展完善階段（1973-現在，通過空間站、航天飛機出艙）。

太空行走有多種分類方式。目前常用的主要有下述4種：

1）按出艙活動的場所不同可分2種。第1種是航天員到載人航天器艙外的宇宙真空中行走；第2種是在月球、火星、小行星等地外星球表面行走。

2）按出艙活動是否列入計劃和時間的緊迫性可分為3種。第1種是計劃內出艙活動；第2種是計劃外出艙活動；第3種是應急出艙活動。其中計劃外出艙活動是根據實際情況臨時增加的，而應急出艙活動是為了保障載人航天器順利返回地球或是航天員的生命安全。

3）按出艙活動的目的和任務可分為4種。第1種是驗證類出艙活動，即用于檢驗出艙活動系統的可行性和可靠性，蘇聯、美國、中國的首次出艙活動都屬于此類；第2種是組裝類出艙活動，即在軌組裝空間站或建造月球基地等；第3種是維修類出艙活動；第4種是有效載荷類出艙活動，即回收、修理和釋放衛星或在月面安裝實驗裝置、采集月巖標本等。

4）按出艙活動時航天員的生命保障系統是否依賴母器可分為2種。第1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。第2種是“自主”式，即航天員出艙活動時不系“臍帶”，而是使用外形像一個大背包的便攜式生命保障系統，即航天員在出艙活動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。

通過太空行走維修“哈勃”空間望遠鏡

美國航天員奧爾德林在月面展開地震儀

2 用途多多是法寶

太空行走是一項很重要的載人航天技術，主要有五大用途：一是在太空組裝、擴建大型空間站；二是在太空維修、維護航天器；三是較方便地完成回收、維護與釋放衛星以及科研等一些任務；四是能進行緊急太空救援；五是建立月球基地和載人登火星等。不過，由于該技術十分復雜，所以目前只有俄羅斯、美國和中國完全獨立的掌握了它，其中中國航天員翟志剛于2008年9月27日從神舟-7載人飛船出艙，成為世界上第3個完全獨立實現太空行走的國家，產生了較大反響。

美國人曾通過太空行走修復了剛一發射上天就出現重大故障的“天空實驗室”空間站，使這一價值連城的龐然大物起死回生，避免了高額損失。蘇俄航天員則利用出艙活動修理過禮炮號系列空間站，尤其是多次組裝、維修了和平號空間站，使它的壽命達到15年之久。當前在軌運行的“國際空間站”更是由航天員通過多次太空行走才完成在軌組裝的。另外，通過出艙活動，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。

國外航天員利用太空行走還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小行星和火星的過程中，也要依靠航天員通過太空行走來完成。

經過多年的發展，航天員在太空行走領域創造了多個世界紀錄。例如：

1965年3月18日，蘇聯航天員列昂諾夫成為世界太空行走第一人；1984年7月25日，蘇聯女航天員薩維茨卡婭成為世界上第一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一人；1984年10月8日，莎麗文成為美國太空行走第一女。

至今，太空行走次數最多的是蘇聯/俄羅斯航天員索洛維耶夫，他一共出艙活動16次，累計時間達77h41min。這是由于索洛維耶夫的太空行走技術高超，所以在和平號空間站“晚年”百病纏身期間,一出現故障就派他出艙進行維修。

單次太空行走時間最長的是美國航天員赫爾姆斯和沃斯，他們于2001年3月11日在太空行走了8h56min，調整了“國際空間站”團結號節點艙上的1個對接艙的位置。

單次太空行走距離最遠的是美國航天員麥坎德利斯，他于1984年2月走到離母航天器100m遠的地方，而且是人類史上第一次完全自由的太空行走，稱得上是1顆人體衛星。

太空行走次數最多的女航天員是美國女航天員威廉斯。她出艙4次，并于2007年4月16日在空間站內的跑步機上跑完了42.16km的馬拉松賽程，用時4h24min。她也是目前在太空一次連續逗留時間最長的女航天員，達195天。

美國航天員麥坎德利斯利用載人機動裝置飛到離母航天器100m遠的地方

吊裝“國際空間站”探索號聯合氣閘艙

3 出艙必經之門戶

由于太空的高真空、高潔凈、強輻射等環境對人體來說它是一個的致命環境，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和軟件來克服空間環境的影響。出艙活動系統的硬件主要包括氣閘艙、艙外航天服及其生命保障系統、固定航天員身體的設備以及安全帶、載人機動裝置、出艙活動用的特制工具等；出艙活動系統的軟件主要包括航天員出艙活動程序、預吸氧要求以及氣閘艙和服裝內壓力變化的要求等。

進行太空行走首先要通過氣閘艙這個出艙的門戶才行，因為不通過它而直接打開艙門出去會帶來一系列問題。比如，不僅會使艙內的所有氣體迅速泄光，造成氣體大量浪費，而且航天員也會由于壓差大的原因而得減壓病。因此，航天員出艙前必須通過載人航天器上裝的一個小艙室—氣閘艙。氣閘艙一般有2個艙門（也叫閘門），一個是與載人的艙連接叫內艙門（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）。航天員出艙時先打開內艙門進入氣閘艙，然后關閉內艙門，把氣閘艙逐步減壓到真空狀態，然后打開外艙門進入宇宙空間，航天員返回氣閘艙時按相反的順序操作。這樣就可以解決氣體大量浪費、減壓病等問題。

因為體積等原因，目前只有空間站和航天飛機設有專用氣閘艙，而載人飛船大都采用直接泄壓和復壓的方式（除蘇聯上升-2裝有簡易氣閘艙外），例如，把三艙式飛船的軌道艙兼作氣閘艙使用。這是由于飛船較小，并采用分艙式設計，所以泄壓時不會浪費太多的氧氣，而且難于安裝氣閘艙，因此可以不用專門的氣閘艙。但空間站和航天飛機艙內的空間很大，如果沒有氣閘艙，在航天員進行太空行走時會造成極大的氣體浪費。另外，航天員在空間站和航天飛機上一般要進行多次太空行走，因此在空間站和航天飛機外進行太空行走，必須要有氣閘艙。

在氣閘艙內航天員不僅要穿出艙用的艙外航天服，還要進行吸氧排氮，這是為什么呢？這是因為載人航天器與地面一樣為1個大氣壓力，但是為了出艙行動方便，艙外航天服內的壓力只有0.3～0.4個大氣壓，所以航天員即使穿著艙外航天服也不能直接出艙，否則仍會得減壓病。但如果航天員通過氣閘艙進行高低壓環境的過度，再加上進行吸氧排氮，就可以預防減壓病的發生。這是為什么呢？

生活在地球表面時，人體受到的大氣層的壓力為一個大氣壓，人在載人航天器內受到壓力也是如此。這時，人體組織內的氧氣只占21%左右，而氮氣約占79%，而且這些氣體因體外有1個大氣壓而不會外逸。但當航天員進入宇宙真空時，人體組織內的氣體會因外界壓力較低而往外逸出。氧氣是人體需要的，但氮氣逸出人體組織外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，這種病就是減壓病。對此，必須采取措施，其方法就是在出艙前通過吸純氧來置換出身體內的氮，使存留在身體內的氮減少到不會影響航天員身體健康的程度，這個過程就叫“吸氧排氮”。若艙外航天服的壓力相對較大，吸氧排氮的時間就短，反之則長。

航天員在氣閘艙內吸氧排氮

航天飛機氣閘艙內的2套艙外航天服

4 價值連城的“天衣”

太空環境對于人的生存來講是非常惡劣的，因此，航天員進行出艙活動時還必須穿艙外航天服。它相當于一個微型載人航天器，能把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，包括提供氧氣、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。

與艙內航天服相比，艙外航天服除有艙內航天服的所有各層外，還增加了一些層，比如：增加了液冷通風層，它是將艙內航天服的通風散熱層管內的氣體改為液體而成，這是因為艙外作業有時長達幾個小時，身體產生的熱量多，靠氣體散熱達不到散熱要求，而液態冷卻工質就可很好把熱散掉；增加了真空隔熱層，它用于保護航天員在艙外作業或在月球與其它星體表面活動時，不受艙外環境過熱、過冷的侵襲，又可防止服裝內部的熱量散失；增加了最外面的防護層，它由多種纖維復合織物制成（包括使用防彈背心材料），具有良好的柔軟性、耐穿透、耐磨損、耐高溫、耐燃燒、耐腐蝕，且表面摩擦系數小，還有防輻射的功能和連接其它裝具的接口，從而保護內部各層的功能，并與航天員艙外活動時的“臍帶”或攜帶式生保系統、機動裝置連接等。

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。最里層是襯里和尿收集裝置；襯里外是用于散熱的液冷通風層；液冷通風層外是用于產生一定壓力的加壓氣密層；然后是限制加壓氣密層向外膨脹的限制層；限制層外是對付艙外大溫差變化的隔熱層；最外面是保護層。每層又含多層。

艙外航天服的頭盔由頭盔殼、面窗結構和頸圈等組件構成，其中的頭盔殼所用材料具有強度大、抗沖擊和足夠的耐熱性等優點。航天員在出艙前，頭盔面窗的內部要噴上防霧劑。

手套與服裝通過腕圈接連，要符合穿戴者手型，能快速穿脫戴。其靴子由壓力靴和艙外熱防護套靴組成。

現代艙外航天服在背部直接裝有便攜式生命保障系統。由于太空行走時間一般較長，所以艙外航天服內裝有用飲水袋，它由進水閥、飲水閥和飲水管組成。在飲水管的旁邊還有一個放置食物棒的長孔，航天員需要進食時，只要一伸嘴即可吃到美味可口的棒狀食品。

由于手伸不到臉部，艙外航天服中還有搔癢工具。艙外航天服內有“尿不濕”和專門設計的便器，在太空行走期間可以小便，但一般不能大便。

至今，蘇聯、俄羅斯、美國、中國已先后研制并使用過多種艙外航天服，它們各有千秋，其中美國還研制并使用了艙外登月服。近年，俄羅斯開始使用智能化艙外航天服—海鷹-Mk：在出艙活動之前，該航天服電腦系統會提示航天員按順序檢查航天服穿戴是否正確；在進行出艙活動時，如果發生意外情況，海鷹-Mk的電腦系統會向航天員提示故障原因，指示航天員如何操作。美國在2014年公布了Z-2系列艙外航天服設計概念：它能抗擊一定速度的空間碎片撞擊，滿足長時間太空行走的防輻射和調節溫度的功能，可滿足登陸火星的航天員需求。其最大的特點是背部的生命保障系統與頭盔相連接，并采用了仿生技術，如果天體表面環境較為昏暗，就可以進行照明。

目前，美俄航天員在太空行走時，還配有像鐵臂阿童木一樣采用載人機動裝置（MMU)，以擴大航天員的活動范圍。該機動裝置又叫太空摩托艇或太空自行車，是航天員出艙時的交通工具。它是通過噴嘴噴出無污染的高壓氣體—氮，來推動航天員的身體朝一定方向移動。目前常用的載人機動裝置外形像一背包，所以又叫噴氣背包。除了氣箱和供氣系統外，它裝有24個噴氣裝置，可在上下左右前后6個方向的機動控制，噴氣時能產生15cm/s的移動速度，最大移動速度為3m/s。

航天員通過載人機動裝置在空中飛行，在其背包中有一個氮氣噴射推進裝置提供機動力，航天員用置于手臂支架前端的控制器進行噴氣方向選擇，從而對自身的移動進行控制

5 太空行走中的“常見病”

到目前為止，航天員在太空行走中雖然沒有出現過人員傷亡的情況，但還是遇到了許多危險，其中最危險的一次就是世界首次太空行走。

1965年3月18日，蘇聯上升-2飛船載著別列亞耶夫和列昂諾夫上天。入軌后在別列亞耶夫的幫助下，列昂諾夫穿上艙外航天服并吸了1個多小時純氧后便漂出。出艙后，列昂諾夫感覺自己像在太空“游泳”。他在太空不僅浮游，還翻筋斗，并從艙外卸掉1個相機，移動了幾件艙外物體。10min后，列昂諾夫擬返回艙內，但此時出現了麻煩。一是列昂諾夫出的汗量超出了他的航天服所能吸收的量，汗水流到了眼睛上，汗氣也使面罩模糊，而航天員因戴頭盔不能擦汗；二是由于他穿的艙外航天服有0.4個大氣壓，而太空是真空的，無法從外部對航天服施壓，所以艙外航天服出艙后像汽球一樣鼓了起來多，卡在氣閘艙艙門口。這時，列昂諾夫除了能聽到自己的心在咚咚地急促跳動外，什么也看不清，聽不見。突然他靈機一動，給艙外航天服放氣降壓。一次不行兩次，兩次不行三次，直到將壓力降到了極危險的低限，即從0.4降至0.25個大氣壓，才終于穿著癟下來的艙外航天服活著爬進了艙門。列昂諾夫在太空行走了10min，但為了擠進艙門他又拼力花了14min。

總的說來，太空環境、氣閘艙、艙外航天服、人為失誤等因素都會對太空行走的安全性有不同程度的影響。

在太空特殊環境下，航天員容易得空間運動病，曾對太空行走影響較大。1969年3月，阿波羅-9航天員施韋卡特在升空第2天準備穿艙外航天服進行太空行走時突然嘔吐，這表明他患了空間運動病。為此，推遲了他出艙的時間，因為如果在太空行走過程中嘔吐，嘔吐物會飄在頭盔內沒法處理，并可能被航天員吸入肺中造成嚴重后果。

氣閘艙的設計、操作和質量對太空行走是否能順利完成很重要，尤其是其艙門的好壞直接關系到航天員的生命安全。1990年7月17日，2名俄羅斯航天員經過量子號氣閘艙走出和平號空間站，他們在氣閘艙還未完全減壓到0時就打開了艙門。結果在艙門打開時艙內氣體涌了出來，損壞了門的鉸鏈，從而使他們在結束出艙活動后關艙門時遇到了困難，最后還是通過應急氣閘艙關閉了內艙門。

對于太空行走來說，最常見的問題大都與艙外航天服故障有關，它是太空行走的最薄弱環節。2003～2004年“國際空間站”第8和第9長期考察組在太空行走時都曾因溫控系統失靈或氧氣瓶氣壓急劇下降等故障而緊急提前返回艙內。2013年7月16日，意大利航天員帕爾米塔諾在太空行走時由于突遇頭盔漏水故障而差點兒被水淹死，后來他使用安全繩才把自己“拉”回了“國際空間站”氣閘艙內艙門。其同事幫他脫掉頭盔后發現里面已積了1～1.5L的水。為此，美國主導的太空行走被叫停例了1年多進行整改，直到2014年10月7日才恢復。但在2015年2月25日的太空行走中又出現了輕度漏水問題。

列昂諾夫進行世界首次太空行走

2014年，美國航天員斯瓦森出艙行走

最令人頭疼的是人為失誤對太空行走所造成的影響。1977年12月20日，聯盟-26航天員格里奇科在氣閘艙內輔助羅曼連科進行太空行走。當羅曼連科把頭伸出艙門外，身體即將離開空間站時，格里奇科發現他沒有系安全帶，并手急眼快地一把拽住了他。實際上羅曼連科還是系了安全帶，只不過后來松開了。

中國航天員穿艙外航天服在模擬失重訓練水槽中進行出艙活動任務訓練

6 辦法總比困難多

經過50年的發展，太空行走技術水平已經得到了很大的提高，也取得了許多預防“常見病”的經驗。

為了減少空間運動病的影響，現在航天員一般是在上天后的第3天才進行首次太空行走，目的是讓航天員適應太空微重力環境，同時也是為了避開空間運動病的高發期。

對于氣閘艙來說，最重要的要保證其內外兩扇艙門的氣密性絕對可靠，它們是航天員的生命之門，如果漏氣則十分危險為此，所以一般對氣閘艙艙門要做幾百次各種壓力下的試驗，安然無恙后才能發射上天。

為了保障安全，采用“自主”式進行出艙活動的航天員多為2人一組，為的是相互關照，保障安全，及時救助。

系好安全帶也很重要,目前安全帶能承受的最大拉力可達395kg。

另外，由于太空行走技術非常復雜，所以準備出艙的航天員上天前必須進行大量而科學的訓練，凡要在太空進行的操作，一般需在地面練習60次左右。它又可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，在太空行走是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的具體任務。

太空行走訓練主要通過失重飛機、模擬失重水槽、各種模擬器以及虛擬現實設備進行，其中最重要的就是在水槽中訓練，因為這種方法最接近實際。在水槽中訓練主要是利用水的浮力使身穿艙外航天服的航天員漂在水中，從而模擬太空失重環境。水槽中還有載人航天器模型，通過它航天員能熟悉在失重狀態下身體如何完成出艙任務。

不過，實際的太空行走與在模擬失重水槽中進行的訓練還不完全相同。在水槽中訓練時，由于水的阻力比較大，所以航天員做動作時可以比較緩慢。但是在實際的太空行走中因為沒有阻力，使航天員做動作靈活性增強而容易失控。比如，擰一個螺絲，如果用勁太大，航天員就可能跟著旋轉。所以，在太空失重環境中移動身體要慢，要小心謹慎、不慌不忙控制好自己的身體，不要接觸任何飛行中的物體，不要快速移動。這些需要航天員在實際太空行走中體驗和掌握。

在太空失重環境中，航天員要靠手把扶住周圍的某些物體。因此航天員的手、手腕和手臂的肌力和耐力十分重要，這就要求航天員在飛行前要加強手、手腕和手臂肌力的鍛煉。

簡言之，太空行走技術正方興未艾，未來主要是突破在小行星和火星上的太空行走技術，研制出既安全可靠又輕便靈巧的新型艙外航天服。

天宇/文

2014年第四季度航天器發射統計

續 表

續 表

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50th Anniversary of Humankind’s First Spacewalking

今年3月18日是個值得紀念的日子，因為在50年前的這一天，蘇聯航天員列昂諾夫完成了人類第一次太空行走。此后，太空行走成為載人航天的三大基本技術之一并取得了飛速發展，為推動人類載人航天事業的發展做出了重要貢獻。現在，太空行走已成為載人航天常態，比如，2015年2月21日、2月25日和3月1日，“國際空間站”上的2名美國航天員先后進行了3次太空行走，他們在艙外架設了一條超過200m長的電纜，為今年晚些時候送到空間站兩個“國際對接適配器”做準備，最終用于在2017年“接待”美國商業載人飛船。