太空行走步步穩(wěn)健

周岫彬

航天員進(jìn)駐“太空之家”，在空間站里“安居樂業(yè)”，執(zhí)行各項(xiàng)科研任務(wù)。為了讓空間站順利完成建造及穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，執(zhí)行出艙任務(wù)也成為航天員的一種常態(tài)。出艙活動(dòng)的航天員要面臨超低溫、宇宙射線、真空環(huán)境、太空垃圾等考驗(yàn)，他們要如何應(yīng)對(duì)，又有哪些“黑科技”在保障航天員的安全呢？

太空中航天員的出艙活動(dòng)被稱為太空行走，是指航天員穿著艙外航天服離開載人航天器乘員艙，進(jìn)入太空的行為。一般分為兩類：基于太空軌道的出艙活動(dòng)，如空間站和載人飛船;基于地外星球的出艙活動(dòng)，如登陸月球、火星等。出艙活動(dòng)是載人航天活動(dòng)的重要組成部分，也是載人航天的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

出艙活動(dòng)使航天員直接進(jìn)入太空，消除了航天器艙壁對(duì)航天員的限制，大大拓展了人類在太空的活動(dòng)范圍。通過出艙活動(dòng)，航天員在航天器艙外執(zhí)行組裝、維修、實(shí)驗(yàn)、建造、生產(chǎn)、釋放衛(wèi)星等各種任務(wù)，讓人類更好地認(rèn)識(shí)太空、進(jìn)入太空，開發(fā)和利用太空資源。

主要驗(yàn)證出艙活動(dòng)系統(tǒng)的可行性、安全性和可靠性的相關(guān)技術(shù)，如驗(yàn)證新一代航天服等出艙相關(guān)裝備和產(chǎn)品。

主要包括小型航天器的回收、修整與釋放，艙外設(shè)備轉(zhuǎn)移、安裝、維護(hù)與管理，空間設(shè)施的組裝、維修與建造，緊急太空救援，月面工作、登陸火星工作及地外星球的科研、生活設(shè)施建設(shè)等。

主要有天文觀測(cè)和對(duì)地觀測(cè)，空間生命科學(xué)和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)，空間流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，空間材料加工實(shí)驗(yàn)，微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，空間生活技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

2003年執(zhí)行神舟五號(hào)載人飛行任務(wù)時(shí)，航天英雄楊利偉返回地面后的一句“感覺良好”令人振奮。2008年，執(zhí)行神舟七號(hào)載人飛行任務(wù)的航天員翟志剛出艙時(shí)遇到兩次突發(fā)狀況，把艙門撬開之后，他的一句“我已出艙，感覺良好”令人安心。

“感覺良好”，已成為中國航天員出艙時(shí)報(bào)平安的“傳統(tǒng)”用語，也成為中國開啟空間站時(shí)代之后我們經(jīng)常能聽到的“熱詞”。

時(shí)間來到2021年，執(zhí)行神舟十三號(hào)載人飛行任務(wù)的航天員葉光富、翟志剛、王亞平組成“感覺良好”三人組，圓滿完成了各項(xiàng)出艙任務(wù)。這句話聽起來很輕松，但要實(shí)現(xiàn)讓航天員“感覺良好”的出艙活動(dòng)卻并不容易。

由于太空是一個(gè)微重力、高真空、強(qiáng)輻射、冷黑的環(huán)境，航天器或航天服在太陽照射時(shí)溫度可高于100攝氏度，無太陽照射時(shí)溫度降至零下200攝氏度，還可能遭遇微流星體（宇宙空間細(xì)小的巖石顆粒）的撞擊等。

另外，航天員在微重力環(huán)境中要穿著并操作重達(dá)130千克的艙外航天服，開展各種工作時(shí)還會(huì)遇到諸多困難，對(duì)航天員的身體和心理都是巨大挑戰(zhàn)。太空行走要求航天員有強(qiáng)健的體魄、優(yōu)良的心理素質(zhì)、對(duì)特因環(huán)境的耐受力，并掌握載人航天基本知識(shí)和技能、出艙活動(dòng)專業(yè)知識(shí)和技能。因此，太空行走是一項(xiàng)具有極高技術(shù)含量的活動(dòng)。

靠得住的“大力士”

——天和機(jī)械臂

空間站組合體體積龐大，航天員的出艙作業(yè)量繁多，難度大。這時(shí)候就需要天和機(jī)械臂來輔助航天員出艙作業(yè)。

天和機(jī)械臂是模仿人類手臂設(shè)計(jì)的，由兩根臂桿組成，對(duì)應(yīng)人體的大臂、小臂。兩根臂桿的展開長(zhǎng)度可達(dá)10.2米，在肩部、肘部、腕部設(shè)置了7個(gè)可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)。天和機(jī)械臂不僅靈活，還是一個(gè)“大力士”，其末端可承載25噸重物。在天和機(jī)械臂末端可以安裝腳限位器，航天員出艙后只需站在腳限位器上，機(jī)械臂便可安全平穩(wěn)地將他們送至目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)航天員在艙外的大范圍轉(zhuǎn)移，輔助航天員執(zhí)行艙外作業(yè)任務(wù)。這不僅能節(jié)省體力，還可以解放航天員的雙手，使得艙外作業(yè)效率更高。

艙外航天服里的“黑科技”

艙外航天服需解決防輻射、溫度控制、壓力調(diào)節(jié)、供氧、供電、通信、通風(fēng)、動(dòng)力等各種問題，需要支持人體長(zhǎng)時(shí)間在太空環(huán)境下開展各項(xiàng)作業(yè)，保障航天員的生命安全。艙外航天服實(shí)際上是一個(gè)小型航天器，主要包括服裝、頭盔、手套以及航天靴。其中服裝部分最為復(fù)雜，是由排泄物收集裝置和舒適層、液冷通風(fēng)層、加壓氣密層、限制層、隔熱層和外防護(hù)層組成的6層結(jié)構(gòu)。艙外航天服是一個(gè)跨專業(yè)融合的高科技復(fù)雜巨系統(tǒng)（組成系統(tǒng)的元素?cái)?shù)量大且種類多，它們之間的關(guān)系復(fù)雜并有多層次結(jié)構(gòu)時(shí)，被稱為復(fù)雜巨系統(tǒng)），反映了一個(gè)國家的科技實(shí)力。中國自主研制的第二代飛天艙外航天服已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

克服太空常見病——減壓病

人體在環(huán)境氣壓快速下降時(shí)，組織、體液中溶解的氮?dú)獬尸F(xiàn)過飽和狀態(tài)，如果溶于體內(nèi)的氮?dú)庥捎跉鈮航档筒荒茈S呼吸排出，而是逸出到皮膚、關(guān)節(jié)、肺部、血管、神經(jīng)系統(tǒng)等組織，就會(huì)形成氣泡而產(chǎn)生病癥。其主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、皮膚瘙癢、蟻?zhàn)吒小⒗錈岣?、呼吸壓迫感、干燥感、頭痛、神經(jīng)麻痹以及肌肉抽搐等。

一般艙外的氣壓不超過0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，航天員如果直接進(jìn)入艙外環(huán)境，會(huì)因氣壓快速下降而導(dǎo)致減壓病。因此，航天員在出艙過程中，需要先進(jìn)入氣閘艙，氣閘艙將緩慢泄壓、航天服加壓充氧。航天員出艙前預(yù)先吸入純氧，以此降低肺泡中的氮?dú)夥謮海獨(dú)獗恢鸩胶舫鲶w外，同時(shí)溶解于組織和體液中的氮?dú)鈱⑾蜓褐袕浡?，最終通過循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)排出體外。通過多次吸氧排氮，將體內(nèi)的氮含量控制在安全范圍，航天員即可避免太空減壓病了。

后續(xù)，中國航天員還將開展次數(shù)更多、更為復(fù)雜的出艙活動(dòng)，相信在飛速發(fā)展的空間技術(shù)的支持下，他們能交出更優(yōu)異的成績(jī)單。

?艙外航天服功能示意圖?（繪圖/ 飛飛）

安裝艙外航天服，先把各部分組合成一件完整的艙外航天服，再把凈化器、氧氣瓶、電池、無線電遙測(cè)裝置等可更換部件裝在艙外航天服上。

進(jìn)入氣閘艙，關(guān)閉氣閘艙與核心艙艙門，穿液冷服、艙外航天服，對(duì)服裝進(jìn)行調(diào)整、氣密性檢查和性能測(cè)試。

航天員吸氧排氮，給艙外航天服加壓，同時(shí)氣閘艙緩慢泄壓，最后將艙外航天服加壓至40千帕（人體能夠承受而又保證靈活性與氣密性的壓力值）。

當(dāng)氣閘艙減壓至20千帕?xí)r解鎖并打開艙門，航天員按計(jì)劃執(zhí)行出艙任務(wù)。出艙時(shí)，一般會(huì)借助把手、扶欄和助力裝置，來固定身體、維持姿勢(shì)和發(fā)力操作，系繩防止飄失。神舟十二號(hào)、神舟十三號(hào)載人飛船在執(zhí)行出艙任務(wù)時(shí)，就采用了帶腳限位器的機(jī)械臂輔助和自行攀爬作業(yè)兩種方式。

航天員完成出艙任務(wù)后返回氣閘艙，執(zhí)行一套反向程序，關(guān)艙門、增壓、脫艙外航天服、換艙內(nèi)航天服、打開雙向艙門，最后回到核心艙內(nèi)的工作位置。