“神舟七號(hào)”：中國(guó)空間站的“渡船”

□葉詮之

“神舟七號(hào)”：中國(guó)空間站的“渡船”

□葉詮之

2008年9月25日21時(shí)09分，“神七”飛船在全世界目光的關(guān)注下，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，把翟志剛、劉伯明、景海鵬三名航天員送上太空。27日，翟志剛身著我國(guó)研制的“飛天”艙外航天服，在身著俄羅斯“海鷹”艙外航天服的劉伯明的輔助下，在距地343千米的軌道上，在飛船每秒7千米速度的運(yùn)動(dòng)中，克服真空殺手、宇宙射線等阻礙，進(jìn)行了19分35秒的出艙活動(dòng)。這是航天員翟志剛的一小步，卻是中國(guó)人和平利用太空的一大步。

28日17時(shí)37分，在太空飛行2天20小時(shí)27分35秒后，三位航天員平安健康返回?！吧衿摺憋w天的成功，表明“神七”飛船實(shí)現(xiàn)航天員在艙內(nèi)自由活動(dòng)的突破，表明中國(guó)飛船的艙內(nèi)環(huán)境技術(shù)已經(jīng)有質(zhì)的飛躍，更表明我國(guó)從此成為繼俄美之后世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握空間出艙技術(shù)的國(guó)家，邁出了太空交會(huì)對(duì)接、建立空間站關(guān)鍵性的一步。

那么，“神七”飛天為中國(guó)空間站建設(shè)打造“渡船”的過(guò)程中取得了哪些突破呢？

將“飛船”穿在身上

“神七”航天員出艙活動(dòng)，艙外航天服是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。艙外航天服為航天員提供三方面的保障：一是輻射、真空、微流塵等環(huán)境的防護(hù)；二是生命保障，也就是要保持一個(gè)適合航天員生存的氣體和溫度濕度環(huán)境；三是良好的功效保障，保證航天員穿著艙外航天服能開展維修器材等太空作業(yè)。可以說(shuō)，艙外航天服就是一個(gè)“穿在身上的飛船”。

我國(guó)的艙外航天服取名為“飛天”，身長(zhǎng)最高能達(dá)到2米，軀干像盔甲，四肢像面包，背上還有一只1.3米高的大背包，重量120千克……很像一件加厚、特大號(hào)的羽絨服。服裝通體純白，從上到下依次由頭盔、上肢、軀干、下肢、壓力手套和航天靴等組成。其中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的是軀干部分，由特殊防靜電處理過(guò)的棉布織成的舒適層、橡膠質(zhì)地的備份氣密層、復(fù)合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過(guò)熱反射來(lái)實(shí)現(xiàn)隔熱的隔熱層、最外面的外防護(hù)層組成。艙外航天服的四肢裝有調(diào)節(jié)帶，通過(guò)調(diào)節(jié)上臂、小臂和下肢的長(zhǎng)度，身高1.60～1.80米的人都能穿上這套衣服，相當(dāng)于一只設(shè)備齊全的“迷你飛船”，可保證航天服內(nèi)航天員4小時(shí)的出艙活動(dòng)，并可重復(fù)使用5次。

實(shí)際上艙外航天服是由兩部分組成的“套裝”。第一部分是航天員“穿”艙外服之前要準(zhǔn)備的“4件內(nèi)衣”，也就是在首先穿上貼身內(nèi)衣以后，要穿一件能夠測(cè)量心跳、體溫的生理背心，接下來(lái)是防靜電的連體內(nèi)衣，最后一層是給人體散熱的液冷通風(fēng)服，然后戴上通訊裝備。液冷通風(fēng)服是由尼龍彈性纖維和穿在上面的許多輸送冷卻液的塑料網(wǎng)狀的細(xì)管制成，主要是吸收航天員散發(fā)出的熱量。

第二部分就是一套完整的艙外服。它的最里層是加壓氣密層，要供給航天員呼吸的氧氣，因?yàn)檠鯕鉄o(wú)法從外部空間來(lái)，所以這一層也是供氧氣層。氧氣層外面要有限制層，因?yàn)椴荒茏?.29個(gè)大氣壓的氧氣膨脹，否則衣服膨脹起來(lái)，航天員活動(dòng)就不方便，所以要有一個(gè)一定厚度的限制層。外層是防護(hù)材料，具備防輻射、防紫外線、抗驟冷、驟熱，抗流星、空間碎片撞擊等功能，一共十幾層，還有連接其它裝具的接口。例如，與航天員艙外活動(dòng)時(shí)的臍帶連接，與身背攜帶式生保環(huán)境裝備、載人機(jī)動(dòng)裝置連接等?！按边@套艙外服時(shí)，航天員需要先把雙腿伸進(jìn)航天服的下肢，將臀部放在航天服的背包沿上，然后關(guān)閉背包門，把自己裹在龐大的航天服中。

中國(guó)制造的艙外航天服不但能適應(yīng)太空行走，還非常的舒適。對(duì)于中國(guó)航天來(lái)說(shuō)也是一大突破，因?yàn)榇饲爸袊?guó)的航天服有從俄羅斯進(jìn)口的“海鷹”號(hào)，但這種航天服比較笨重，無(wú)論在艙內(nèi)活動(dòng)還是艙外都非常不方便?，F(xiàn)在中國(guó)自主研制的“飛天”航天服技術(shù)“堪比美國(guó)”。

運(yùn)載火箭新性能驚人

由于“神七”將會(huì)搭載3名航天員、重達(dá)120多千克的艙外航天服以及航天員7天太空生活所需物品，故與“神六”相比，“神七”載荷有所增加，這對(duì)運(yùn)載火箭的推力提出了更高要求。為此，發(fā)射“神七”飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭作了36項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，進(jìn)一步提高了可靠性和安全性。特別是針對(duì)火箭上升振動(dòng)進(jìn)行了較大改進(jìn)，提高了乘坐的舒適性。一項(xiàng)是在火箭助推器內(nèi)安裝了“變能蓄壓器”，目的是進(jìn)一步降低火箭上升過(guò)程中的振動(dòng)，令航天員乘坐起來(lái)更舒適。另一項(xiàng)是把二級(jí)尾艙增壓系統(tǒng)的導(dǎo)管材料由鋁合金換成了不銹鋼，進(jìn)一步提高火箭的可靠性。此外，還在火箭關(guān)鍵部位安裝遙測(cè)圖像測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)視和記錄火箭主要飛行動(dòng)作。

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭是按照載人航天工程技術(shù)指標(biāo)重新研制的?；鸺伤膫€(gè)液體助推器、芯一級(jí)火箭、芯二級(jí)火箭、整流罩和逃逸塔組成，總高度約58.3米，總重約480噸，可將8噸重的有效載荷送入近地軌道。

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭的故障檢測(cè)處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)是為確保航天員的安全而增加的。火箭共設(shè)計(jì)了310種故障報(bào)警裝置，在航天員進(jìn)艙前和進(jìn)艙后至飛船入軌前，監(jiān)測(cè)運(yùn)載火箭狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生相應(yīng)的故障報(bào)警時(shí)，“神七”航天員都有一套安全逃生的法寶。比如，在登船階段如果出現(xiàn)險(xiǎn)情，航天員仍在塔架上尚未進(jìn)艙，他們可就近跳進(jìn)塔架上的“逃逸布袋”進(jìn)行逃生。這“布袋”是用一種彈力很強(qiáng)的特殊帆布制成的逃逸滑道。航天員可以像乘軟滑梯一樣從數(shù)十米高的發(fā)射塔上層一直滑到地下室的安全地區(qū)。“神三”、“神四”飛船發(fā)射前進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，14名航天員從發(fā)射塔到地下室，最慢只用了5秒鐘時(shí)間。

由此可見(jiàn)，長(zhǎng)征二號(hào)F型火箭可靠性指標(biāo)已高達(dá)0.97，航天員安全性指標(biāo)達(dá)到0.997，是目前國(guó)內(nèi)可靠性、安全性指標(biāo)最高的運(yùn)載火箭。它曾成功地將7艘“神舟”飛船送入太空預(yù)定軌道，發(fā)射成功率達(dá)到100%，其可靠穩(wěn)定的飛行性能得到了檢驗(yàn)。

釋放神奇的小伴星

“神七”載人飛船通往太空的道路并不寂寞，和它相伴升空的是一顆在上海“孕育”出生的微小衛(wèi)星。“神七”發(fā)射升空后，在341千米高度的繞地軌道上飛行第31圈時(shí)放飛了飛船攜帶的這顆小衛(wèi)星，也就是“伴星”?！鞍樾恰鄙系牧Ⅲw相機(jī)對(duì)飛船進(jìn)行照相和視頻觀測(cè)，恰如“神七”的“隨行記者”。

伴飛小衛(wèi)星像個(gè)方盒子，體重不到40千克，體積是450毫米×430毫米×450毫米，在地面控制和航天員的操作之下由彈簧機(jī)構(gòu)推出進(jìn)入軌道。但麻雀雖小，五臟俱全，伴星作為一個(gè)小衛(wèi)星，有六大功能：光學(xué)成像，大容量壓縮存儲(chǔ)，機(jī)動(dòng)變軌，自主導(dǎo)航，多模式指向，測(cè)控?cái)?shù)傳。所以，伴星釋放以后，本身能夠?qū)崿F(xiàn)極其精確的變軌和自動(dòng)控制。

小衛(wèi)星上攜帶有安裝了兩個(gè)鏡頭的相機(jī)——寬視場(chǎng)和窄視場(chǎng)，一個(gè)看得寬一些，一個(gè)看得窄一些，可以在短距離內(nèi)拍攝到非常清晰的照片。每張照片像素大約有700k，相當(dāng)于普通的數(shù)碼相機(jī)的清晰度。小衛(wèi)星有大容量的存儲(chǔ)功能，傳輸速度也很快，每秒鐘能傳輸幾百萬(wàn)兆比特，所以小衛(wèi)星拍攝的飛船照片都會(huì)快速地傳到地球。

其實(shí)，伴飛小衛(wèi)星是“神七”載人航天應(yīng)用方面的一項(xiàng)新技術(shù)試驗(yàn)——伴隨飛行的試驗(yàn)。小衛(wèi)星近距離環(huán)繞、伴飛，不僅本身已經(jīng)是很具價(jià)值的試驗(yàn)，而且做到由地面和飛船上控制它后，為兩艘無(wú)人的航天器相互接近、環(huán)繞、對(duì)接甚至捕獲積累經(jīng)驗(yàn)，也為下一步我國(guó)的兩個(gè)飛行器對(duì)接所需的變軌、觀察等動(dòng)作做飛行試驗(yàn)。這在西方國(guó)家最近才開始試驗(yàn)，而我國(guó)在“神七”飛天任務(wù)中就開始運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)了，的確是很了不起。

此外，開展伴隨衛(wèi)星的試驗(yàn)，也為發(fā)展空間應(yīng)用技術(shù)和為主航天器提供服務(wù)開拓一個(gè)新途徑。比如說(shuō)空間站或者空間實(shí)驗(yàn)室，可以延伸大的飛行器的功能；再比如，觀測(cè)外表檢查可能的損傷，來(lái)對(duì)大飛行器或空間站進(jìn)行服務(wù)。

生死攸關(guān)的出艙行走

航天員出艙行走是“神七”飛船成功飛天的關(guān)鍵。太空行走的風(fēng)險(xiǎn)很高，從國(guó)際航天經(jīng)驗(yàn)上看，有五個(gè)因素關(guān)系著成敗：太空環(huán)境、氣閘艙、艙外航天服、機(jī)動(dòng)裝置和人為因素。

最令人難忘的是世界上第一次太空行走的故事。那是1965年3月18日，“上升2號(hào)”飛船成功到達(dá)軌道后，前蘇聯(lián)航天員列昂諾夫準(zhǔn)備出艙。他首先背上應(yīng)急背包，并將臍帶式軟管與飛船相連，然后進(jìn)入氣閘艙。另一名航天員別列亞耶夫關(guān)閉上氣閘艙的艙門，對(duì)氣閘艙進(jìn)行減壓，列昂諾夫打開通向太空的艙門，然后就離開飛船。

開始時(shí)他感到很順利，但10分鐘以后就出現(xiàn)了意想不到的問(wèn)題。他的航天服像氣球一樣膨脹，不僅使他不能在太空活動(dòng)，而且膨脹力還使他的手和腳要從太空手套和太空鞋中被擠出來(lái)。這時(shí)列昂諾夫已經(jīng)不能工作，由于手指不能彎曲，手也不能抓住氣閘艙上的扶手，因此太空行走12分鐘以后他準(zhǔn)備返回飛船。列昂諾夫沒(méi)有征求地面控制中心的意見(jiàn)，擅自決定將航天服內(nèi)氧氣的0.39個(gè)大氣壓力調(diào)低20%。因?yàn)樗J(rèn)為自己一直都在呼吸純氧，所以不會(huì)得減壓病。這樣，航天服就不再膨脹了。但是當(dāng)他返回氣閘艙時(shí)，又出現(xiàn)了另一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)榛艁y，他忘了先進(jìn)腳后進(jìn)頭的順序，而是顛倒了順序先進(jìn)頭后進(jìn)腳。

這一下麻煩了。氣閘艙的直徑是1米，而列昂諾夫穿著航天服的身高是1.9米，因此他不能在圓筒形的氣閘艙內(nèi)將身體倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)關(guān)閉身后的艙門。任憑他反復(fù)彎曲自己的身體，想將身體倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，但都無(wú)濟(jì)于事。他不得不冒著患減壓病甚至死亡的風(fēng)險(xiǎn)，再次調(diào)低航天服內(nèi)的壓力，最后他終于轉(zhuǎn)過(guò)身來(lái)將氣閘艙的艙門關(guān)閉上，再對(duì)氣閘艙重新加壓，并回到飛船座艙中。這時(shí)他已大汗淋漓，航天服里面全是汗水。

列昂諾夫的太空行走險(xiǎn)象環(huán)生，人類的首次太空行走并不順利，這跟在載人飛船上安裝技術(shù)不成熟的氣閘艙有一定關(guān)系。因此，1969年1月16日，“聯(lián)盟5號(hào)”航天員進(jìn)行太空行走時(shí)，載人飛船上就沒(méi)有氣閘艙，航天員是在飛船座艙減壓后打開艙門直接出艙的。

再看“神七”飛船，它在軌道艙旁專門建立一個(gè)小的房間做氣閘艙。什么叫氣閘艙呢？實(shí)際上是在“神七”的軌道艙中設(shè)計(jì)的一個(gè)“夾層”，是一個(gè)小的單獨(dú)封閉的房間，分別有兩道門：一道門是對(duì)著外層空間開啟的，另外一道門是和軌道艙連通的。在太空的真空狀態(tài)下，航天員要出艙首先要把軌道艙里的壓力泄除，就是出艙前先要“減壓”，這樣內(nèi)外壓力平衡，艙門才能打開，航天員才能出得去。也就是說(shuō)，航天員出艙之前，他先把內(nèi)艙門打開，進(jìn)入了氣閘艙以后穿上充滿氧氣的航天服。穿上航天服時(shí)，內(nèi)門就要關(guān)閉，航天員在艙內(nèi)先有一個(gè)適應(yīng)的過(guò)程，排氮吸氧，適應(yīng)整個(gè)身體循環(huán)系統(tǒng)。等到要出艙時(shí)就打開外門，一打開外門以后，整個(gè)氣閘艙和外界通了，就是真空環(huán)境了。從太空返回進(jìn)入航天器時(shí)也是這樣，先打開外門進(jìn)來(lái)，然后把外門關(guān)閉，要“升壓”，恢復(fù)到原來(lái)艙里的氧氣濃度和壓力標(biāo)準(zhǔn)，然后把航天服脫掉以后，再打開內(nèi)門，再進(jìn)入，其原理類似潛水員進(jìn)出正在深海中的潛艇。如果沒(méi)有這個(gè)氣閘艙作為過(guò)渡艙，一打開門，座艙的氣體全部泄漏，里面也變成真空狀態(tài)了，如果航天員不穿航天服的話，就會(huì)窒息。

所以，航天員要離開航天器進(jìn)入開放的太空，必須使用復(fù)雜的出艙活動(dòng)系統(tǒng)硬件，它包括氣閘艙、裝有便攜式生命保障系統(tǒng)的艙外航天服和載人機(jī)動(dòng)裝置，其中任何一個(gè)出現(xiàn)故障都會(huì)有危險(xiǎn)。因而，我國(guó)“神七”飛船氣閘艙的成功設(shè)計(jì)，為我國(guó)載人航天工程邁出了可喜的一步。