文/ 楊詩(shī)瑞

▲ 出艙活動(dòng)

7月4日14 時(shí)57 分，經(jīng)過約7小時(shí)的出艙活動(dòng)，神舟十二號(hào)航天員乘組完成出艙活動(dòng)期間全部既定任務(wù)，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，我國(guó)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(huì)對(duì)接一起，被稱為載人航天三大基本技術(shù)之一，對(duì)發(fā)展載人航天事業(yè)有著獨(dú)特而重要的作用，尤其是在組建空間站、進(jìn)行太空維護(hù)維修和太空救援等任務(wù)中作用巨大。

下面就讓我們一起走近“太空行走”。

載人航天關(guān)鍵技術(shù)

太空行走指的是航天員的出艙活動(dòng)。出艙活動(dòng)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(tǒng)，在太空中或其他天體表面工作和活動(dòng)，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(jī)、空間站和登月艙等。

空間站在太空中長(zhǎng)期運(yùn)行，為人類提供了重要的科研、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。但是空間站規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法用火箭直接發(fā)射到太空，只能將各個(gè)部件、設(shè)備逐一發(fā)射，然后在太空中組建起來，這就需要航天員進(jìn)行艙外作業(yè)。劉伯明、湯洪波的出艙活動(dòng)，完成了相關(guān)設(shè)備組裝、全景相機(jī)抬升等任務(wù)，就屬于這一類活動(dòng)。

航天器在軌維修是出艙活動(dòng)的重要任務(wù)。衛(wèi)星、飛船和空間站的研制、發(fā)射需要投入大量資金，進(jìn)入軌道后開始面臨種種安全風(fēng)險(xiǎn)，如設(shè)備故障、儀器失效等，有時(shí)候一塊幾厘米的空間碎片就可能擊毀價(jià)值數(shù)千萬的航天器。而很多時(shí)候只需更換少量部件，就能讓航天器起死回生，繼續(xù)工作。

在美國(guó)航天飛機(jī)時(shí)代，航天員每次飛行任務(wù)中都有維修維護(hù)任務(wù)。1990年，價(jià)值15 億美元的哈勃望遠(yuǎn)鏡升空后，因故障導(dǎo)致性能下降，航天員經(jīng)過7 次出艙，近50 個(gè)小時(shí)的在軌維修，成功讓它以更長(zhǎng)壽命和良好精度繼續(xù)工作。國(guó)際空間站從1998年啟動(dòng)建設(shè)，設(shè)計(jì)壽命10～15年，在航天員們的努力維護(hù)下，一直平穩(wěn)運(yùn)行到今天。

載人航天風(fēng)險(xiǎn)很高，當(dāng)載人航天器在太空出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，就需要航天員脫離故障航天器，以太空行走的方式進(jìn)入另外的載具，或者以這種方式對(duì)其他航天員進(jìn)行太空救援。未來人類登上月球，太空行走的任務(wù)也將大大擴(kuò)充，甚至成為常態(tài)工作，來推動(dòng)月球基地建設(shè)、資源探測(cè)開采、科學(xué)考察等重要任務(wù)。

太空環(huán)境闖四關(guān)

太空行走是航天活動(dòng)中最危險(xiǎn)的任務(wù)之一。航天員離開航天器的保護(hù)，只身進(jìn)入茫茫太空，以每秒近8 千米的速度漂浮在軌道上，同時(shí)面臨著真空、強(qiáng)輻射、失重和驟冷驟熱交替等嚴(yán)酷太空環(huán)境的考驗(yàn)。

▲ 中國(guó)航天員出艙

▲ 航天員在太空行走，移動(dòng)身體

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

太空沒有地球大氣和磁場(chǎng)的屏障，航天員將直接面對(duì)各種宇宙輻射，包括太陽耀斑爆發(fā)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(huì)對(duì)人體造成不同程度的傷害，超過安全限值，會(huì)導(dǎo)致航天員患放射病，甚至危及生命。

在太空失重環(huán)境中，航天員會(huì)發(fā)生前庭功能障礙，產(chǎn)生暈眩、惡心、嘔吐等“航天運(yùn)動(dòng)病”。長(zhǎng)期失重會(huì)造成人體內(nèi)鈣、磷、鎂等無機(jī)鹽的排泄增加，發(fā)生骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮。

太空中沒有空氣，對(duì)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(shí)間受太陽照射，一半時(shí)間受地球阻隔，照射時(shí)溫度超過100℃，阻隔時(shí)下降到-100℃。這種驟冷驟熱交替的極端環(huán)境下，航天員持續(xù)幾個(gè)小時(shí)的太空行走，是對(duì)身體和心理的極大考驗(yàn)。

航天員太空行走需要直面太空環(huán)境4 道關(guān)卡，艙外航天服就是迎接考驗(yàn)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(fù)雜的是服裝，從內(nèi)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(fēng)層；三、四層分別是保持航天服內(nèi)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(yīng)對(duì)艙外極端溫差變化，最外層是保護(hù)層，由多種纖維復(fù)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(dú)立的背包式生命保障系統(tǒng)、氣液電保障系統(tǒng)、測(cè)控和通信裝置，可以說是一個(gè)最微型的宇宙飛船。

此次我國(guó)“飛天”艙外航天服，重100 多千克，采用全數(shù)字電控系統(tǒng)，可支持航天員長(zhǎng)時(shí)間艙外活動(dòng)和多次重復(fù)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(zhǔn)備工作

太空行走之前，出艙準(zhǔn)備工作程序也非常復(fù)雜，航天員需要操作上百個(gè)設(shè)備，對(duì)專業(yè)知識(shí)、操作技能都提出很高要求。航天員要清楚任何一個(gè)設(shè)備的形狀、位置、操作方法、操作要領(lǐng)和關(guān)聯(lián)動(dòng)作，出艙前要準(zhǔn)備很多天，出艙當(dāng)天要提前準(zhǔn)備數(shù)個(gè)小時(shí)。

此次出艙活動(dòng)，兩位航天員在凌晨三四點(diǎn)鐘開始工作。首先穿著艙外服，要進(jìn)行艙外服的系統(tǒng)檢查和艙外服艙載對(duì)接系統(tǒng)檢查，“鉆”進(jìn)服裝，對(duì)服裝進(jìn)行尺寸調(diào)整、氣密性檢查和全性能測(cè)試，確保一切正常?！按┮隆钡倪^程中，兩名航天員互相配合，一人操作，另一人讀操作手冊(cè)確認(rèn)，確保所有步驟萬無一失。

第二步是開展在軌訓(xùn)練。穿上艙外服后，航天員要進(jìn)行移動(dòng)和各種模擬操作，以體驗(yàn)失重狀態(tài)下移動(dòng)和操作的特點(diǎn)。雖然在地面上有中性浮力水槽提供失重訓(xùn)練，但與真正的太空環(huán)境還有較大差距。同時(shí)，航天員要找好開艙門的位置和手腳的著力點(diǎn)。在軌訓(xùn)練過程中，航天員要把整個(gè)在軌準(zhǔn)備和艙外活動(dòng)預(yù)演一遍，以進(jìn)一步熟悉出艙程序，但運(yùn)動(dòng)量不能太大，以防患上空間運(yùn)動(dòng)病。這些工作結(jié)束后，航天員將進(jìn)行一段時(shí)間的休息。

▲ 航天員穿戴艙外航天服

▲ 出艙前準(zhǔn)備

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

當(dāng)氣壓降至1 千帕左右，就可以打開外艙門。開門時(shí)先解鎖，等到艙內(nèi)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(gè)保護(hù)罩，避免進(jìn)出艙發(fā)生剮蹭。這個(gè)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(dòng)作。

經(jīng)歷幾個(gè)小時(shí)的準(zhǔn)備，7月4日8時(shí)11 分，航天員劉伯明成功開啟天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙外艙門，正式開展艙外活動(dòng)。

天地配合太空行走

航天員出艙進(jìn)行太空行走，會(huì)嚴(yán)格被物理規(guī)律所支配，這是極端危險(xiǎn)的工作，稍不注意就會(huì)被空間站彈飛到太空中，需要遵循一整套的行動(dòng)和技術(shù)規(guī)范。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家計(jì)算和國(guó)際空間站的經(jīng)驗(yàn)，航天員出艙后將與空間站保持?jǐn)?shù)個(gè)不同的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡（和離艙點(diǎn)相關(guān)），航天員的運(yùn)動(dòng)軌道通常是呈橢圓形。航天員離艙時(shí)所用力度、角度，都將影響他在“太空飛行”時(shí)的軌道，力度角度稍有偏差，就會(huì)掉入太空中，所以航天員必須擁有豐富的物理知識(shí)以及經(jīng)過千百次的訓(xùn)練，才能進(jìn)行太空行走。

▲ 航天員進(jìn)行水下訓(xùn)練

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

此次兩位航天員出艙活動(dòng)約7 個(gè)小時(shí)，一位通過傳統(tǒng)方式，依靠空間站艙外扶手運(yùn)動(dòng)，另外一位通過機(jī)械臂輔助運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，地面測(cè)控中心各分系統(tǒng)密切配合，通過天鏈系列衛(wèi)星，建立通信連接，為地面實(shí)時(shí)觀測(cè)航天員出艙狀態(tài)、航天員與地面之間對(duì)話溝通提供了高速話音圖像中繼服務(wù)。

在天地協(xié)同、艙內(nèi)外密切配合下，兩位航天員完成了在機(jī)械臂上安裝腳限位器和艙外工作臺(tái)等工作，相互配合開展空間站艙外有關(guān)設(shè)備組裝等作業(yè)，協(xié)同完成空間站艙外全景相機(jī)抬升操作，并驗(yàn)證了航天員與機(jī)械臂協(xié)同工作的能力及出艙活動(dòng)相關(guān)支持設(shè)備的可靠性與安全性，第一次出艙活動(dòng)取得圓滿成功。

為了確保航天員太空行走安全，出艙活動(dòng)也要選擇最佳時(shí)間，這就是出艙窗口。時(shí)間選擇要考慮人的安全和設(shè)備安全，盡可能安排在陽照區(qū)?？臻g站在近地軌道運(yùn)行時(shí)，多次穿越南大西洋異常區(qū)，這一區(qū)域的異常輻射對(duì)電子設(shè)備、儀器有影響，對(duì)人體也有較大危害，因此出艙活動(dòng)安排必須避開該區(qū)域。

此次出艙活動(dòng)原定7月3日進(jìn)行，氣象專家研判當(dāng)天會(huì)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(dòng)推遲一天，確保航天員太空行走期間的通信覆蓋。

全方位訓(xùn)練確保任務(wù)完成

為圓滿完成空間站組建任務(wù)，我國(guó)航天員在5年前開始出艙活動(dòng)和出艙維修相關(guān)訓(xùn)練。其中既有基礎(chǔ)理論訓(xùn)練、體質(zhì)訓(xùn)練、心理訓(xùn)練、專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練等常規(guī)訓(xùn)練項(xiàng)目，也有出艙程序訓(xùn)練、失重訓(xùn)練、低壓艙訓(xùn)練及出艙任務(wù)訓(xùn)練等挑戰(zhàn)生理極限的高難度訓(xùn)練項(xiàng)目。

出艙程序訓(xùn)練是航天員出艙活動(dòng)訓(xùn)練中最重要也是最全面的訓(xùn)練項(xiàng)目，是在航天員掌握理論知識(shí)和專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展的，在專用設(shè)備——具備氣閘艙的出艙程序模擬器中進(jìn)行。航天員穿著訓(xùn)練用艙外航天服，模擬訓(xùn)練出艙過程及操作特點(diǎn)。

出艙程序訓(xùn)練項(xiàng)目很多，基本涵蓋從出艙活動(dòng)準(zhǔn)備到出艙活動(dòng)結(jié)束返回、整理完畢艙外服的全部工作程序，包括開關(guān)內(nèi)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(jìn)入航天服、氣閘艙泄壓和復(fù)壓等訓(xùn)練項(xiàng)目。

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

這方面訓(xùn)練大部分是在模擬失重水槽里進(jìn)行。模擬失重水槽由槽體、水處理系統(tǒng)、人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)以及救生與醫(yī)療救護(hù)設(shè)備等組成，水質(zhì)要達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，水深10～15 米，有一個(gè)與實(shí)物大小相同的空間站氣閘艙。

訓(xùn)練時(shí)，航天員穿著訓(xùn)練用艙外服進(jìn)入水中，通過調(diào)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(shí)，航天員處于失重狀態(tài)，與太空失重的感覺非常相似，再通過大量反復(fù)訓(xùn)練，熟練掌握失重狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及太空作業(yè)的方法技巧。

不過這種方式還不能完全還原失重環(huán)境，一方面人體的生理反應(yīng)還是處于重力環(huán)境中，另一方面水下運(yùn)動(dòng)時(shí)受到水的阻力與失重狀態(tài)差別較大，所以航天員進(jìn)入太空后還要開展適應(yīng)性訓(xùn)練。

真空、低壓環(huán)境訓(xùn)練在專用試驗(yàn)設(shè)備低壓艙里進(jìn)行。低壓艙可以模擬除失重以外的大部分太空環(huán)境，包括真空、低壓，冷熱及輻射環(huán)境，航天員能夠以接近實(shí)戰(zhàn)的狀態(tài)進(jìn)行訓(xùn)練，真實(shí)體驗(yàn)吸氧排氮、用氧氣沖洗艙外服、氣閘艙泄壓復(fù)壓等過程，并在較真實(shí)的環(huán)境中穿艙外服開展操作訓(xùn)練和故障處置訓(xùn)練，如航天服電源故障、通風(fēng)故障、溫控故障、航天服泄漏和艙外服通風(fēng)、調(diào)溫、儀表監(jiān)視等。★

相關(guān)鏈接

太空行走之最

1965年3月18日，蘇聯(lián)航天員阿列克謝·阿爾希波維奇·列昂諾夫進(jìn)行了人類歷史上第一次太空行走。這次出艙僅持續(xù)16 分鐘，由于限制層沒有做好，航天服在真空環(huán)境下像皮球一樣鼓起來，列昂諾夫差點(diǎn)沒能擠進(jìn)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(dòng)，留下諸多歷史銘記的時(shí)刻。

歷史上持續(xù)時(shí)間最久的一次艙外作業(yè)發(fā)生在2001年3月11日美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)任務(wù)，航天員蘇珊·赫爾姆斯和吉姆·沃斯艙外連續(xù)作業(yè)8小時(shí)59 分鐘，開展國(guó)際空間站組裝工作。

最短的出艙活動(dòng)僅僅持續(xù)了14分鐘，航天員麥克·芬克在艙外作業(yè)期間發(fā)現(xiàn)氧氣瓶泄露，不得不與搭檔提前結(jié)束，返回國(guó)際空間站。

最復(fù)雜的一次出艙發(fā)生在2007年，航天員斯科特·帕拉津斯基在機(jī)械臂的幫助下，歷時(shí)7小時(shí)19 分，成功修補(bǔ)一塊國(guó)際空間站太陽能電池板。由于電池板帶電，而且破損點(diǎn)距離工作艙足有半個(gè)足球場(chǎng)遠(yuǎn)，帕拉津斯基“走”了近1 個(gè)小時(shí)才到達(dá)目標(biāo)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(dāng)時(shí)，他使用噴氣推進(jìn)式背包，離開挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)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(hào)空間站飛行了40 分鐘，回艙后又強(qiáng)烈要求再來一次，然而指控中心堅(jiān)決拒絕了。

出艙活動(dòng)非常危險(xiǎn)。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(hào)空間站時(shí)，過閘艙門損壞，無法關(guān)上，他們不得不使用量子-2號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的備用艙返回和平號(hào)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(fā)現(xiàn)頭盔漏水，返回空間站時(shí)，頭盔里已經(jīng)積水2 升，帕爾米塔諾的耳朵和眼睛都進(jìn)了水。之后，美國(guó)航天員數(shù)月沒有出艙以調(diào)查事故原因，美國(guó)宇航局也對(duì)航天服做了改進(jìn)。

出艙次數(shù)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(dòng)次數(shù)最多的女航天員是蘇莉塔·威廉姆斯，她出艙7次。

未來，隨著人類載人航天能力不斷進(jìn)步，空間站、載人登月、載人登火、月球基地等活動(dòng)持續(xù)開展，人類將創(chuàng)造更多太空行走的紀(jì)錄！