太空行走：漫步星海間舉手摘星辰

2021-08-21 09:54:40楊詩瑞

太空探索 2021年8期

關鍵詞：活動

文/ 楊詩瑞

▲ 出艙活動

7月4日14 時57 分，經過約7小時的出艙活動，神舟十二號航天員乘組完成出艙活動期間全部既定任務，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，我國空間站階段航天員首次太空行走取得圓滿成功。

太空行走與載人天地往返、交會對接一起，被稱為載人航天三大基本技術之一，對發展載人航天事業有著獨特而重要的作用，尤其是在組建空間站、進行太空維護維修和太空救援等任務中作用巨大。

下面就讓我們一起走近“太空行走”。

載人航天關鍵技術

太空行走指的是航天員的出艙活動。出艙活動是航天員脫離載人航天器或建在其他天體上的基地，依靠自身攜帶的生命保障系統，在太空中或其他天體表面工作和活動，然后再返回載人航天器或基地的一系列過程的總稱。這里的載人航天器包括飛船、航天飛機、空間站和登月艙等。

空間站在太空中長期運行，為人類提供了重要的科研、實驗場所。但是空間站規模龐大、結構復雜，無法用火箭直接發射到太空，只能將各個部件、設備逐一發射，然后在太空中組建起來，這就需要航天員進行艙外作業。劉伯明、湯洪波的出艙活動，完成了相關設備組裝、全景相機抬升等任務，就屬于這一類活動。

航天器在軌維修是出艙活動的重要任務。衛星、飛船和空間站的研制、發射需要投入大量資金，進入軌道后開始面臨種種安全風險，如設備故障、儀器失效等，有時候一塊幾厘米的空間碎片就可能擊毀價值數千萬的航天器。而很多時候只需更換少量部件，就能讓航天器起死回生，繼續工作。

在美國航天飛機時代，航天員每次飛行任務中都有維修維護任務。1990年，價值15 億美元的哈勃望遠鏡升空后，因故障導致性能下降，航天員經過7 次出艙，近50 個小時的在軌維修，成功讓它以更長壽命和良好精度繼續工作。國際空間站從1998年啟動建設，設計壽命10～15年，在航天員們的努力維護下，一直平穩運行到今天。

載人航天風險很高，當載人航天器在太空出現嚴重故障時，就需要航天員脫離故障航天器，以太空行走的方式進入另外的載具，或者以這種方式對其他航天員進行太空救援。未來人類登上月球，太空行走的任務也將大大擴充，甚至成為常態工作，來推動月球基地建設、資源探測開采、科學考察等重要任務。

太空環境闖四關

太空行走是航天活動中最危險的任務之一。航天員離開航天器的保護，只身進入茫茫太空，以每秒近8 千米的速度漂浮在軌道上，同時面臨著真空、強輻射、失重和驟冷驟熱交替等嚴酷太空環境的考驗。

▲ 中國航天員出艙

▲ 航天員在太空行走，移動身體

真空環境里，航天員如果失去有效防護，15 秒內就會因缺氧喪失意識，30 秒內死亡。由于沒有大氣壓力，人體血液和體液會像煮開的水一樣“沸騰”，同時皮膚、組織和器官向外膨脹。

太空沒有地球大氣和磁場的屏障，航天員將直接面對各種宇宙輻射，包括太陽耀斑爆發期間噴射出來的太陽射線，銀河系高能粒子，以及紫外線、紅外線、射頻輻射等非電離輻射。這些輻射會對人體造成不同程度的傷害，超過安全限值，會導致航天員患放射病，甚至危及生命。

在太空失重環境中，航天員會發生前庭功能障礙，產生暈眩、惡心、嘔吐等“航天運動病”。長期失重會造成人體內鈣、磷、鎂等無機鹽的排泄增加，發生骨質疏松和肌肉萎縮。

太空中沒有空氣，對流消失，溫度變化非常劇烈，空間站90 分鐘繞地球一圈，一半時間受太陽照射，一半時間受地球阻隔，照射時溫度超過100℃，阻隔時下降到-100℃。這種驟冷驟熱交替的極端環境下，航天員持續幾個小時的太空行走，是對身體和心理的極大考驗。

航天員太空行走需要直面太空環境4 道關卡，艙外航天服就是迎接考驗的終極保障。

艙外航天服由服裝、頭盔、手套和航天靴等組成，其中最復雜的是服裝，從內到外有6 層。最里層是襯里和尿收集裝置，其次是散熱的液冷通風層；三、四層分別是保持航天服內壓力的加壓氣密層和限制加壓氣密層向外膨脹的限制層；第五層是隔熱層，應對艙外極端溫差變化，最外層是保護層，由多種纖維復合織物制成，具有良好的柔軟性，耐穿透、耐磨損、耐高溫、耐燃燒、耐腐蝕、防輻射，并有其他裝具接口。

除此之外，艙外航天服提供獨立的背包式生命保障系統、氣液電保障系統、測控和通信裝置，可以說是一個最微型的宇宙飛船。

此次我國“飛天”艙外航天服，重100 多千克，采用全數字電控系統，可支持航天員長時間艙外活動和多次重復使用，具有很高的整體效能，更加可靠舒適，為航天員太空行走提供最可靠的保障。

太空行走準備工作

太空行走之前，出艙準備工作程序也非常復雜，航天員需要操作上百個設備，對專業知識、操作技能都提出很高要求。航天員要清楚任何一個設備的形狀、位置、操作方法、操作要領和關聯動作，出艙前要準備很多天，出艙當天要提前準備數個小時。

此次出艙活動，兩位航天員在凌晨三四點鐘開始工作。首先穿著艙外服，要進行艙外服的系統檢查和艙外服艙載對接系統檢查，“鉆”進服裝，對服裝進行尺寸調整、氣密性檢查和全性能測試，確保一切正常。“穿衣”的過程中，兩名航天員互相配合，一人操作，另一人讀操作手冊確認，確保所有步驟萬無一失。

第二步是開展在軌訓練。穿上艙外服后，航天員要進行移動和各種模擬操作，以體驗失重狀態下移動和操作的特點。雖然在地面上有中性浮力水槽提供失重訓練，但與真正的太空環境還有較大差距。同時，航天員要找好開艙門的位置和手腳的著力點。在軌訓練過程中，航天員要把整個在軌準備和艙外活動預演一遍，以進一步熟悉出艙程序，但運動量不能太大，以防患上空間運動病。這些工作結束后，航天員將進行一段時間的休息。

▲ 航天員穿戴艙外航天服

▲ 出艙前準備

最后是過閘程序和開門。航天員通過氣閘艙進出空間站，它有兩個艙門，一個是與載人大艙連接的內艙門，另一個是通向宇宙空間的外艙門。航天員進入氣閘艙后，關閉內艙門，給艙外服加壓，同時進行吸氧排氮，避免減壓病。氣閘艙慢慢泄壓，泄至3千帕時，艙外服與飛船的氣液組合連接器斷開，服裝轉入完全自主供氧和冷卻。

當氣壓降至1 千帕左右，就可以打開外艙門。開門時先解鎖，等到艙內外壓力平衡，再把門完全打開。出艙之前，航天員還要給艙門罩上一個保護罩，避免進出艙發生剮蹭。這個過程中，航天員始終要用一只手固定身體，只靠單手完成所有動作。

經歷幾個小時的準備，7月4日8時11 分，航天員劉伯明成功開啟天和核心艙節點艙外艙門，正式開展艙外活動。

天地配合太空行走

航天員出艙進行太空行走，會嚴格被物理規律所支配，這是極端危險的工作，稍不注意就會被空間站彈飛到太空中，需要遵循一整套的行動和技術規范。

根據國內外專家計算和國際空間站的經驗，航天員出艙后將與空間站保持數個不同的相對運動軌跡（和離艙點相關），航天員的運動軌道通常是呈橢圓形。航天員離艙時所用力度、角度，都將影響他在“太空飛行”時的軌道，力度角度稍有偏差，就會掉入太空中，所以航天員必須擁有豐富的物理知識以及經過千百次的訓練，才能進行太空行走。

▲ 航天員進行水下訓練

艙外活動時，航天員要扎牢安全繩索。由于處于失重狀態，無法用腳行走，航天員移動身體就要靠手、機械臂或載人機動裝置。為了方便航天員移動，空間站艙外專門安裝扶手，航天員可以像攀巖一樣移動身體，這要求臂力和體力都很好。

此次兩位航天員出艙活動約7 個小時，一位通過傳統方式，依靠空間站艙外扶手運動，另外一位通過機械臂輔助運動。與此同時，地面測控中心各分系統密切配合，通過天鏈系列衛星，建立通信連接，為地面實時觀測航天員出艙狀態、航天員與地面之間對話溝通提供了高速話音圖像中繼服務。

在天地協同、艙內外密切配合下，兩位航天員完成了在機械臂上安裝腳限位器和艙外工作臺等工作，相互配合開展空間站艙外有關設備組裝等作業，協同完成空間站艙外全景相機抬升操作，并驗證了航天員與機械臂協同工作的能力及出艙活動相關支持設備的可靠性與安全性，第一次出艙活動取得圓滿成功。

為了確保航天員太空行走安全，出艙活動也要選擇最佳時間，這就是出艙窗口。時間選擇要考慮人的安全和設備安全，盡可能安排在陽照區。空間站在近地軌道運行時，多次穿越南大西洋異常區，這一區域的異常輻射對電子設備、儀器有影響，對人體也有較大危害，因此出艙活動安排必須避開該區域。

此次出艙活動原定7月3日進行，氣象專家研判當天會有大雨、雷暴天氣，可能影響地面站與空間站的通信連接，最終出艙活動推遲一天，確保航天員太空行走期間的通信覆蓋。

全方位訓練確保任務完成

為圓滿完成空間站組建任務，我國航天員在5年前開始出艙活動和出艙維修相關訓練。其中既有基礎理論訓練、體質訓練、心理訓練、專業技術訓練等常規訓練項目，也有出艙程序訓練、失重訓練、低壓艙訓練及出艙任務訓練等挑戰生理極限的高難度訓練項目。

出艙程序訓練是航天員出艙活動訓練中最重要也是最全面的訓練項目，是在航天員掌握理論知識和專業技術的基礎上開展的，在專用設備——具備氣閘艙的出艙程序模擬器中進行。航天員穿著訓練用艙外航天服，模擬訓練出艙過程及操作特點。

出艙程序訓練項目很多，基本涵蓋從出艙活動準備到出艙活動結束返回、整理完畢艙外服的全部工作程序，包括開關內外艙門、檢查艙外服和氣閘艙、大流量氧沖洗艙外服、吸氧排氮、進入航天服、氣閘艙泄壓和復壓等訓練項目。

航天員出艙活動主要進行維修、排除故障、組裝空間站、航天器的布放和回收等任務，對失重狀態下航天員的工作能力和操作的精確性要求很高。

這方面訓練大部分是在模擬失重水槽里進行。模擬失重水槽由槽體、水處理系統、人體生理參數監測系統、高壓氣源系統以及救生與醫療救護設備等組成，水質要達到飲用水標準，水深10～15 米，有一個與實物大小相同的空間站氣閘艙。

訓練時，航天員穿著訓練用艙外服進入水中，通過調整艙外服上的配重器和配浮器，使航天員在水中受到的浮力和重力相等，可以懸浮在水中。這時，航天員處于失重狀態，與太空失重的感覺非常相似，再通過大量反復訓練，熟練掌握失重狀態下的運動規律，以及太空作業的方法技巧。

不過這種方式還不能完全還原失重環境，一方面人體的生理反應還是處于重力環境中，另一方面水下運動時受到水的阻力與失重狀態差別較大，所以航天員進入太空后還要開展適應性訓練。

真空、低壓環境訓練在專用試驗設備低壓艙里進行。低壓艙可以模擬除失重以外的大部分太空環境，包括真空、低壓，冷熱及輻射環境，航天員能夠以接近實戰的狀態進行訓練，真實體驗吸氧排氮、用氧氣沖洗艙外服、氣閘艙泄壓復壓等過程，并在較真實的環境中穿艙外服開展操作訓練和故障處置訓練，如航天服電源故障、通風故障、溫控故障、航天服泄漏和艙外服通風、調溫、儀表監視等。★

相關鏈接

太空行走之最

1965年3月18日，蘇聯航天員阿列克謝·阿爾希波維奇·列昂諾夫進行了人類歷史上第一次太空行走。這次出艙僅持續16 分鐘，由于限制層沒有做好，航天服在真空環境下像皮球一樣鼓起來，列昂諾夫差點沒能擠進氣閘艙狹小的艙口，返回飛船。此后50 多年，人類一共完成了近400 次出艙活動，留下諸多歷史銘記的時刻。

歷史上持續時間最久的一次艙外作業發生在2001年3月11日美國發現號航天飛機任務，航天員蘇珊·赫爾姆斯和吉姆·沃斯艙外連續作業8小時59 分鐘，開展國際空間站組裝工作。

最短的出艙活動僅僅持續了14分鐘，航天員麥克·芬克在艙外作業期間發現氧氣瓶泄露，不得不與搭檔提前結束，返回國際空間站。

最復雜的一次出艙發生在2007年，航天員斯科特·帕拉津斯基在機械臂的幫助下，歷時7小時19 分，成功修補一塊國際空間站太陽能電池板。由于電池板帶電，而且破損點距離工作艙足有半個足球場遠，帕拉津斯基“走”了近1 個小時才到達目標位置。

航天員布魯斯·麥坎德利斯是第一位無系留繩索太空漫步者。當時，他使用噴氣推進式背包，離開挑戰者號航天飛機約100米后安全返回。亞歷山大·塞雷布羅夫是第一位駕駛太空摩托的航天員。他騎著太空摩托繞和平號空間站飛行了40 分鐘，回艙后又強烈要求再來一次，然而指控中心堅決拒絕了。

出艙活動非常危險。1990年7月17日，航天員阿納托利·索洛維耶夫和亞歷山大·巴蘭丁返回和平號空間站時，過閘艙門損壞，無法關上，他們不得不使用量子-2號實驗艙的備用艙返回和平號空間站。2013年7月16日，航天員魯卡·帕爾米塔諾身穿航天服出艙兩分鐘后，突然發現頭盔漏水，返回空間站時，頭盔里已經積水2 升，帕爾米塔諾的耳朵和眼睛都進了水。之后，美國航天員數月沒有出艙以調查事故原因，美國宇航局也對航天服做了改進。

出艙次數最多的人目前是俄羅斯航天員安納多利·索羅維耶夫，從1988年至1997年，他一共出艙16 次。出艙活動次數最多的女航天員是蘇莉塔·威廉姆斯，她出艙7次。