太空行走有多難？

2021-08-16 01:32:10龐之浩

中國科技財(cái)富 2021年7期

文／龐之浩

7月4日11時(shí)02分，航天員劉伯明、湯洪波身著中國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服，先后從天和核心艙的節(jié)點(diǎn)艙成功出艙。接著，他們在機(jī)械臂的支持下相互配合，在艙外完成了抬升艙外全景攝像機(jī)位置的任務(wù)。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)航天員乘組密切協(xié)同，圓滿完成出艙活動(dòng)期間全部既定任務(wù)，航天員安全返回天和核心艙，標(biāo)志著我國空間站階段航天員首次出艙活動(dòng)取得圓滿成功。

航天員為何要出艙

簡單地說，太空行走主要有六大用途：一是在太空組裝、擴(kuò)建空間站；二是在太空維修、維護(hù)航天器；三是回收、維護(hù)與釋放衛(wèi)星；四是完成一些科研任務(wù)；五是進(jìn)行緊急太空救援；六是載人登月和載人登火星等。所以，太空行走很重要。

美國曾通過太空行走修復(fù)了剛一發(fā)射上天就出現(xiàn)重大故障的“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站，使它“起死回生”。蘇俄航天員則多次出艙活動(dòng)修理“和平號(hào)”空間站，使它轉(zhuǎn)危為安。當(dāng)前在軌運(yùn)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。美國還通過太空行走5次維修“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”等衛(wèi)星，使它們延年益壽。美國“阿波羅”登月航天員在月面行走時(shí)完成了多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

隨著太空行走技術(shù)的發(fā)展，太空行走的方式也越來越多。按出艙活動(dòng)的目的和任務(wù)可分為4種：第一種是驗(yàn)證類出艙活動(dòng)；第二種是組裝類出艙活動(dòng)；第三種是維修類出艙活動(dòng)；第四種是有效載荷類出艙活動(dòng)，即回收、修理和釋放衛(wèi)星或在月面安裝實(shí)驗(yàn)裝置、采集月巖標(biāo)本等。

2008年，航天員翟志剛進(jìn)行的我國第一次太空行走屬于驗(yàn)證類出艙活動(dòng)，而這次神舟十二號(hào)航天員進(jìn)行的太空行走屬于組裝類出艙活動(dòng)或有效載荷類出艙活動(dòng)。由于這次太空行走時(shí)間長很多，而且要完成復(fù)雜的艙外安裝任務(wù)，包括進(jìn)行首次人和機(jī)械臂的協(xié)同配合，用機(jī)械臂把航天員載到艙外作業(yè)點(diǎn)附近工作，所以難度比翟志剛首次太空行走大不少。

此次航天員出艙活動(dòng)，3名航天員都有明確分工。指令長聶海勝負(fù)責(zé)在艙內(nèi)操作機(jī)械臂。出艙有兩名航天員，劉伯明要為機(jī)械臂安裝上臂支架，包括腳限位器、工具臺(tái)等，隨后借助機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)；湯洪波借助艙壁上安裝的扶手，爬行一段距離到作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行輔助工作，其間還要進(jìn)行一次應(yīng)急返回驗(yàn)證。

“飛天”艙外航天服長啥樣

出艙前航天員必須通過載人航天器上裝的一個(gè)小艙室——?dú)忾l艙才行，否則不僅會(huì)使整個(gè)艙內(nèi)的所有氣體迅速泄光，造成氣體大量浪費(fèi)，而且航天員也會(huì)由于壓差突然變大而得減壓病。

我國今年發(fā)射的空間站天和核心艙的節(jié)點(diǎn)艙兼有氣閘艙的功能，供今年出艙的航天員使用，其上方有一個(gè)出艙口。天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船已為核心艙運(yùn)去了兩套第二代“飛天”艙外航天服，然后由神舟十二號(hào)航天員取出來送到節(jié)點(diǎn)艙內(nèi)組裝。等到明年發(fā)射了“問天”實(shí)驗(yàn)艙后，由于該艙配有主份氣閘艙，所以到時(shí)可從那里出艙。

由于人一旦暴露在太空中將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷等危險(xiǎn)，因此航天員出艙時(shí)必須穿艙外服，從而把身體與太空惡劣環(huán)境隔離開來，并向航天員提供一個(gè)相當(dāng)于地面的環(huán)境。艙外服其實(shí)就是一種微型載人航天器。

有的艙外服裝有飲用水袋和食物，供長時(shí)間太空行走的航天員飲用。由于穿了艙外服后手伸不到臉部，所以有的艙外服中還有搔癢工具。艙外服內(nèi)有“尿不濕”，在太空行走期間可以小便，但一般不能大便，所以出艙前一般吃低產(chǎn)氣、低纖維、高能量密度的食品。

翟志剛2008年穿的第一代“飛天”艙外服配有生命保障系統(tǒng)背包。它從內(nèi)到外分6層：舒適層、備份氣密層、主氣密層、限制層、隔熱層、外防護(hù)層，具備防輻射、溫度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)等功能，還有完備的生命保障系統(tǒng)。

穿“飛天”服時(shí)要先把臀部放在航天服的背包沿上，接著雙腿伸進(jìn)航天服的下肢，然后關(guān)閉背包門，把自己裹在龐大的艙外服中。

這次神舟十二號(hào)航天員是穿著進(jìn)行了大量改進(jìn)與升級(jí)的新型“飛天”艙外服。例如，它可支持更長時(shí)間的艙外活動(dòng)，從第一代“飛天”艙外服的4個(gè)小時(shí)增加到8個(gè)小時(shí)；航天服頭盔上配有攝像機(jī)，可以全程記錄航天員艙外操作過程；重復(fù)使用次數(shù)更多，關(guān)節(jié)處更加靈活，航天員戴著手套由第一代可以握持直徑為25毫米的物體提升為握持直徑大約為5毫米的物體。艙外服的整體效能、可靠性、舒適性有了進(jìn)一步提高，艙外服的操作動(dòng)作和信息識(shí)別更加迅速、準(zhǔn)確，科技感更強(qiáng)，同時(shí)具有中國的審美識(shí)別性。

如何訓(xùn)練太空行走

太空行走技術(shù)非常復(fù)雜，因此必須進(jìn)行大量的訓(xùn)練。其中最重要的訓(xùn)練是在水槽中進(jìn)行，因?yàn)檫@種方法可以給航天員提供模擬失重的訓(xùn)練環(huán)境，是最為有效的訓(xùn)練手段。

我國航天員中心的中性浮力水槽呈圓形，直徑23米，深10米，為亞洲最大。在水槽訓(xùn)練時(shí)，需通過調(diào)整航天員水槽訓(xùn)練服上的配重鉛塊，使航天員既不浮上來也不沉底，從而模擬失重環(huán)境的操作效應(yīng)。

水槽內(nèi)有個(gè)1∶1的核心艙模型。通過中性浮力水槽訓(xùn)練，可使航天員體驗(yàn)和熟練掌握模擬失重狀態(tài)下身體的運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)控制，以及出艙活動(dòng)操作的特點(diǎn)、方法、技巧和技能，包括開關(guān)艙門、出艙和進(jìn)艙、艙外行走、艙外作業(yè)等單項(xiàng)操作技能訓(xùn)練，還有安裝新的設(shè)備、修理和更換部件以及艙外救援訓(xùn)練等。由于太空行走技術(shù)非常復(fù)雜，所以凡是要在艙外進(jìn)行的操作，一般都要在水槽內(nèi)練習(xí)60次左右。

在太空失重環(huán)境中，航天員要靠手把扶住周圍的某些物體，用手“走”，因此需要航天員的上肢肌力和耐力較大，這就要求航天員在飛行前要加強(qiáng)上肢力量的鍛煉。神舟十二號(hào)乘組加強(qiáng)了體能訓(xùn)練、上肢力量訓(xùn)練和核心力量訓(xùn)練。航天員在水槽里訓(xùn)練時(shí)，要穿200多公斤的水槽訓(xùn)練服在水下訓(xùn)練幾個(gè)小時(shí)，最初訓(xùn)練結(jié)束后累得連筷子都拿不住。另外，男女航天員的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)是一致的，王亞平等兩名女航天員最初也面臨巨大挑戰(zhàn)，但經(jīng)過訓(xùn)練后都沒有問題了。所以今明兩年，我國太空行走第一女航天員有可能問世。

太空行走難在哪兒

太空行走技術(shù)難點(diǎn)有三個(gè)：一是太空無路可走；二是航天員在失重狀態(tài)也沒法用腿行走，主要是靠手；三是艙外環(huán)境十分惡劣，必須使用復(fù)雜而可靠的出艙活動(dòng)系統(tǒng)來克服空間環(huán)境的影響，如果出艙活動(dòng)系統(tǒng)中某個(gè)重要部件出現(xiàn)故障，就有可能危急航天員的生命安全。

另外，在太空中行走時(shí)人體運(yùn)動(dòng)和作業(yè)規(guī)律完全不同于地面，也有別于艙內(nèi)，所以要掌握在太空中的運(yùn)動(dòng)與控制技術(shù)，最重要的是讓航天員在失重狀態(tài)下將身體保持在一定的位置?？渴职逊鲎≈車哪承┪矬w。因此航天員手、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(qiáng)手、手腕和手臂肌力的鍛煉。在航天器里外都安裝了一些扶手，航天員可用手握住一個(gè)一個(gè)扶手來回移動(dòng)身體。

其實(shí)，航天員進(jìn)行太空行走時(shí)大部分時(shí)間是從一個(gè)工作位置移動(dòng)到另一個(gè)工作位置，因此在太空行走中如何有效地進(jìn)行身體移動(dòng)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。

在太空失重環(huán)境中移動(dòng)身體，關(guān)鍵的是要慢、要小心謹(jǐn)慎、要不慌不忙，同時(shí)要控制好自己的身體，不要接觸到任何飛行中的物體，不要快速移動(dòng)，否則會(huì)產(chǎn)生不必要的旋轉(zhuǎn)……

太空行走與在模擬失重水槽中的訓(xùn)練還不完全相同。在水槽中訓(xùn)練時(shí)，由于水的阻力較大，所以航天員做動(dòng)作時(shí)比較緩慢。但是在太空行走中沒有阻力，動(dòng)作靈活性增強(qiáng)而容易，比如擰一個(gè)螺絲，如用勁太大可能跟著旋轉(zhuǎn)。

所以在移動(dòng)身體和操作時(shí)要慢一些，在太空中控制和移動(dòng)身體跟在地球上還是不一樣的，需要航天員去體驗(yàn)，真正的情況只有在太空實(shí)際操作中才能體會(huì)。

太空行走曾出現(xiàn)過哪些險(xiǎn)情

至今，雖然在太空行走中沒有出現(xiàn)過人員傷亡的情況，但還是遇到了許多危險(xiǎn)。其中最危險(xiǎn)的一次就是1965年“太空行走第一人”列昂諾夫出艙后，因艙外服的限制層發(fā)生故障，使服裝鼓了起來，差點(diǎn)沒能返回艙內(nèi)。

在太空特殊環(huán)境下，航天員容易得空間運(yùn)動(dòng)病，對(duì)太空行走影響較大。1969年3月，“阿波羅九號(hào)”航天員施韋卡特在升空第二天準(zhǔn)備出艙時(shí)突然嘔吐，這表明他患了空間運(yùn)動(dòng)病，為此推遲了出艙的時(shí)間。因?yàn)槿绻谔招凶哌^程中嘔吐，嘔吐物會(huì)飄在頭盔內(nèi)沒法處理，并可能被航天員吸入肺中造成嚴(yán)重后果。為了減少空間運(yùn)動(dòng)病的影響，現(xiàn)在航天員一般是在上天后的第三天才太空行走。

氣閘艙艙門的好壞直接關(guān)系到航天員的生命安全。1990年7月17日，兩名俄羅斯航天員經(jīng)過“量子號(hào)”氣閘艙走出“和平號(hào)”空間站，他們在氣閘艙還未完全減壓到0時(shí)就打開了艙門，結(jié)果在艙門打開時(shí)艙內(nèi)氣體涌了出來，損壞了門的鉸鏈，最后只能通過應(yīng)急氣閘艙關(guān)閉了內(nèi)艙門。

最常見的問題大都與艙外航天服故障有關(guān)。2013年7月16日，意大利航天員帕爾米塔諾在太空行走時(shí)由于突遇頭盔漏水故障而差點(diǎn)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(nèi)艙門。

最令人頭疼的是人為失誤對(duì)太空行走所造成的影響。1977年12月20日，聯(lián)盟二十六號(hào)航天員格里奇科在氣閘艙內(nèi)輔助羅曼連科進(jìn)行太空行走。當(dāng)羅曼連科把頭伸出艙門外，身體即將離開空間站時(shí)，格里奇科發(fā)現(xiàn)他沒有系安全帶，并手疾眼快地一把拽住了他。實(shí)際上羅曼連科還是系了安全帶，只不過后來松開了。