太空出艙的幕后故事

邱晨輝

天上做的每一個(gè)動(dòng)作，都有地上的模擬訓(xùn)練

出艙活動(dòng)，又被稱作“太空行走”，是指航天員或宇航員離開(kāi)載人航天器乘員艙，進(jìn)入太空的活動(dòng)。由于太空環(huán)境惡劣，航天員要面臨失重、低氣壓和氣溫不穩(wěn)定以及強(qiáng)輻射等諸多挑戰(zhàn)。

2008年9月27日，神舟七號(hào)航天員翟志剛完成出艙太空行走，成功返回軌道艙，標(biāo)志著我國(guó)歷史上第一次太空行走成功完成，更標(biāo)志著中國(guó)成為繼美蘇之后，第三個(gè)獨(dú)立掌握空間出艙技術(shù)的國(guó)家。

從2021年開(kāi)始，我國(guó)將有更多的航天員漫步太空。7月4日，劉伯明和湯洪波的出艙活動(dòng)就是一個(gè)開(kāi)始。

與神舟七號(hào)突破出艙技術(shù)相比，此次空間站任務(wù)，航天員出艙時(shí)間將由半小時(shí)提升到6小時(shí)以上：空間站艙外建造、艙外設(shè)備安裝、維護(hù)、維修、更換和試驗(yàn)樣品回收等，都需要出艙活動(dòng)。

2006年，中國(guó)航天員中心的航天員教員趙陽(yáng)參與完成了神舟七號(hào)任務(wù)出艙活動(dòng)訓(xùn)練。從2017年開(kāi)始，他承擔(dān)起航天員空間站出艙活動(dòng)模擬訓(xùn)練的任務(wù)。

趙陽(yáng)說(shuō)，天上做的每一個(gè)動(dòng)作，地上的模擬訓(xùn)練就必須反復(fù)練，直到形成身體的肌肉記憶。在航天員出征前，趙陽(yáng)經(jīng)常和他們一起泡在水槽里，每天要按照出艙活動(dòng)6小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展作業(yè)技能訓(xùn)練。

為了全面模擬太空的種種特殊環(huán)境因素，光模擬訓(xùn)練就分解為出艙活動(dòng)模擬器、水槽、低壓艙等多個(gè)訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)。這些現(xiàn)場(chǎng)中，航天員將處于懸吊、低壓和水下等特殊環(huán)境，不確定因素多，危險(xiǎn)系數(shù)大。因此，航天員顧慮的，教員必須先想到；航天員做到的，教員必須先做到。

“要為中國(guó)航天探尋艙外活動(dòng)訓(xùn)練的道路，并形成模擬失重環(huán)境艙外活動(dòng)及作業(yè)訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)，難度之大，可想而知?！壁w陽(yáng)說(shuō)。因?yàn)?，無(wú)論多努力，地上無(wú)法完全模擬天上的實(shí)際情況。這一點(diǎn)，他十分清楚。

出艙期間需要應(yīng)急返回怎么辦

航天員在出艙活動(dòng)期間，需要應(yīng)急返回怎么辦？在7月4日的出艙活動(dòng)中，就有一場(chǎng)應(yīng)急返回演練，主角是湯洪波。

在這項(xiàng)工作中，湯洪波需要徒手爬到空間站天和核心艙最遠(yuǎn)處。接到撤離指令后，他第一時(shí)間折回，以最快速度返回艙口，并直接進(jìn)入節(jié)點(diǎn)艙。

艙外活動(dòng)非?？简?yàn)航天員的臂力，人在失重環(huán)境下很難控制自己，輕輕移動(dòng)就出去了，可要想停下來(lái)就得花很大力氣。事實(shí)上，這種應(yīng)急返回場(chǎng)景，航天員在地面時(shí)就曾多次在水中演練，為的就是在必要時(shí)刻為自己贏得一線生機(jī)。

趙陽(yáng)說(shuō)，訓(xùn)練就要將各種可能的情況都訓(xùn)練到?！盀榱舜_保訓(xùn)練設(shè)計(jì)能夠滿足要求，立足最極端的情況——航天員在空間站最遠(yuǎn)端的工作點(diǎn)，而機(jī)械臂萬(wàn)一出現(xiàn)故障，不能轉(zhuǎn)運(yùn)航天員返回，航天員只能自主應(yīng)急返回。”

回艙的路拐來(lái)拐去，并不順暢。直線路徑約10多米的距離，航天員必須依靠安全系繩，借助艙壁上的固定扶手，繞開(kāi)太陽(yáng)翼支座等多個(gè)大障礙物，在多次調(diào)整身體姿態(tài)后才能安全、快速地返回。

在水深10米、直徑23米的巨大水槽中，空間站水下訓(xùn)練模型如同一個(gè)龐然大物，靜靜臥在水底，這就是模擬出艙訓(xùn)練的主要現(xiàn)場(chǎng)。

要突破地面的條件限制，盡可能模擬外太空環(huán)境。趙陽(yáng)嚴(yán)格設(shè)計(jì)訓(xùn)練場(chǎng)景，分解到每個(gè)動(dòng)作，幫助航天員迅速、安全地找到返回的路。每次訓(xùn)練，他與航天員一起，將應(yīng)急返回的時(shí)間一分一秒地縮短。

前期，趙陽(yáng)穿著水下服一口氣在水下練了5小時(shí)58分。雖是模擬太空出艙，但由于并非處于失重環(huán)境，水的阻力很大，舉手投足十分費(fèi)勁，幾個(gè)小時(shí)下來(lái)，渾身酸痛。

事非親歷，不知其因。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)訓(xùn)練，趙陽(yáng)總結(jié)出了訓(xùn)練的重難點(diǎn)，找到了最佳操作角度。以機(jī)械臂狀態(tài)設(shè)置為例，他花了兩個(gè)半小時(shí)才找到了最佳坐標(biāo)值，正式訓(xùn)練時(shí)，按照坐標(biāo)值，兩分鐘就可以設(shè)置好。

航天員選拔與訓(xùn)練研究室副主任范繼榮說(shuō)：“別看他訓(xùn)練時(shí)主要在水下，其實(shí)他才是整場(chǎng)水下訓(xùn)練的幕后導(dǎo)演?！?/p>

航天員說(shuō)：“有他在，我們安心?！?h3> 47道工序打造太空面窗

“每一起事故的背后，都有9次輕微事故和300起未遂先兆，以及100起事故隱患。”“成功是差一點(diǎn)點(diǎn)失敗，失敗是差一點(diǎn)點(diǎn)成功?！薄百|(zhì)量第一，生命至上?！?/p>

這些標(biāo)語(yǔ)在中國(guó)航天員中心的訓(xùn)練大廳、試驗(yàn)廠房、實(shí)驗(yàn)室到處可見(jiàn)。載人航天，人命關(guān)天，而出艙活動(dòng)中，最關(guān)乎安全的，非艙外服莫屬。

有人說(shuō)，這120千克重的艙外服，就是航天員執(zhí)行出艙活動(dòng)的鎧甲。它像一個(gè)人形飛船，充上一定的壓力后，保護(hù)航天員的生命安全，抵御外太空的高低溫、真空、強(qiáng)輻射等環(huán)境因素。

艙外服上的頭盔面窗，則是航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)觀察外界的窗口。在出艙任務(wù)中，劉伯明通過(guò)面窗看到太空景象，感嘆道：“哇，這外面太漂亮了！”

“沒(méi)有看到滿天繁星嗎？”之后，聶海勝又忍不住問(wèn)。

頭盔面窗有多層，最里層名為雙層壓力面窗，它是整個(gè)頭盔的承壓密封結(jié)構(gòu)，呈曲面型，直接關(guān)系到航天員的生命安全。要做到絕對(duì)安全可靠，且不說(shuō)它的承壓材料要經(jīng)過(guò)多少輪的選擇、測(cè)試，光密封加縫合就耗時(shí)兩個(gè)月，一共完成47道工序，涉及的工藝規(guī)程文件摞起來(lái)約10厘米厚。

這些工序包括除塵、粘膠、縫合、密封等，聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但流程相當(dāng)復(fù)雜、嚴(yán)格、細(xì)致。就拿面窗除塵來(lái)說(shuō)，要先吹洗，再不間斷擦拭兩小時(shí)左右，直到肉眼看不到一絲灰塵。

中國(guó)航天員中心研裝部副部長(zhǎng)鄧小偉介紹，粘膠要分多輪逐步進(jìn)行，每次粘膠完，都要將其放到恒溫恒濕箱里進(jìn)行膠固化，再進(jìn)行氣密性測(cè)試以及低溫露點(diǎn)測(cè)試，可視區(qū)還要進(jìn)行充分的氮?dú)庵脫Q，防止夾層中殘留的水汽在低溫情況下起霧影響視線。

這一套嚴(yán)密的工序，是鄧小偉帶著車間工人花了近一年的時(shí)間研制摸索，做了10多套樣品后確定的工藝標(biāo)準(zhǔn)?？臻g站任務(wù)中新型艙外服、新型面窗，一切都在摸索中前進(jìn)。

一次，在對(duì)可視區(qū)夾層進(jìn)行氮?dú)獯党龝r(shí)，有兩粒膠的碎末進(jìn)入密封的面窗夾層。

這兩個(gè)碎末也就沙粒大小，吸附在面窗夾層下沿，理論上對(duì)視覺(jué)沒(méi)什么大的影響，卻成了技師的“眼中釘”“心頭刺”。他們嘗試了各種辦法，最終只能將碎末掃除到邊緣區(qū)域，就是無(wú)法吸出。

鄧小偉說(shuō)，為了做出完美的面窗，他們從生產(chǎn)流程入手，改變生產(chǎn)工序，采用先預(yù)埋空心針再進(jìn)行內(nèi)外層面窗粘合的方法，徹底解決了密封膠穿刺產(chǎn)生多余物的問(wèn)題。

一個(gè)面窗尚且如此精益求精，一套由100余個(gè)單機(jī)產(chǎn)品組成的艙外服，其復(fù)雜程度可見(jiàn)一斑。

奮戰(zhàn)6年研發(fā)太空跑步機(jī)

保障航天員在軌生命安全的艙外航天服和環(huán)控生保產(chǎn)品固然重要，保障航天員在軌健康的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保設(shè)備同樣重要。比如，在空間站任務(wù)中首次亮相的太空跑臺(tái)。

很多人還記得在神舟十一號(hào)飛行任務(wù)中，景海鵬和陳冬太空跑步的情形。當(dāng)時(shí)，他們做的就是跑臺(tái)束縛系統(tǒng)技術(shù)驗(yàn)證。景海鵬和陳冬穿上束縛裝置，在簡(jiǎn)易跑步裝置上試驗(yàn)了多次以后，終于輕松自如地跑起來(lái)。

跑臺(tái)設(shè)計(jì)人員說(shuō)，太空跑臺(tái)與人們所見(jiàn)的跑步機(jī)外觀類似，不同的是，由于太空的微重力環(huán)境，跑臺(tái)要有隔振設(shè)計(jì)、束縛帶和力負(fù)荷加載裝置等。

對(duì)于中國(guó)航天員中心健康保障工程室的跑臺(tái)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，橫亙?cè)谒麄兠媲暗摹皵r路虎”就是隔振設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)人員說(shuō)，由于跑步時(shí)，人體足底需要承受3～6倍自身體重的沖擊力，會(huì)對(duì)空間站產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。他們研究后發(fā)現(xiàn)，采用隔振設(shè)計(jì)，將沖擊力降到30千克以內(nèi)，既保持跑臺(tái)自身的相對(duì)穩(wěn)定性，又不影響空間站上其他設(shè)備的運(yùn)行。

沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)借鑒，太空跑臺(tái)設(shè)備研制整整用了6年，這其中隔振設(shè)計(jì)從理論研制到工程實(shí)現(xiàn)就跨時(shí)4年。

如何模擬太空失重環(huán)境得到精確的設(shè)備參數(shù)值？研制團(tuán)隊(duì)想方設(shè)法將跑臺(tái)懸吊起來(lái)，人躺在坐墊上，將腿部懸空束縛在跑臺(tái)上，躺著跑步，然后在跑臺(tái)各個(gè)方向測(cè)沖擊力。他們選取了不同性別、年齡、身高、速度的情況全面科學(xué)采集數(shù)據(jù)。反復(fù)測(cè)試，反復(fù)調(diào)整設(shè)備參數(shù)。

“當(dāng)時(shí)試驗(yàn)就在一個(gè)空蕩蕩的車間里進(jìn)行，正值冬天，車間沒(méi)有暖氣，門還敞開(kāi)著，大家在現(xiàn)場(chǎng)被凍得瑟瑟發(fā)抖?！痹O(shè)計(jì)人員說(shuō)。就這樣持續(xù)了一個(gè)月，終于獲得了正確的設(shè)備參數(shù)。

此時(shí)，他們又碰到下一個(gè)“攔路虎”：跑臺(tái)使用時(shí)產(chǎn)生輕微噪聲，不符合空間站噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

項(xiàng)目副總師劉偉波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)人員前往廠家。他們用噪聲計(jì)測(cè)，趴在跑臺(tái)各處用耳朵仔細(xì)分辨，最后定位到數(shù)十個(gè)具體噪聲源部件，經(jīng)過(guò)一遍遍調(diào)整，一次次拆裝，一場(chǎng)場(chǎng)測(cè)試后，噪聲下降到一定數(shù)值后，就不再下降了，但離標(biāo)準(zhǔn)還差一點(diǎn)點(diǎn)。

眼看著山窮水盡了，廠家人員說(shuō)：“跑臺(tái)使用時(shí)才產(chǎn)生噪聲，又不是全天候都有，而且就差一點(diǎn)，大不了戴個(gè)防噪聲耳罩，影響不大。”

劉偉波堅(jiān)決表示反對(duì)：“不行！”

他的理由很簡(jiǎn)單，一切上天的設(shè)備，都要考慮航天員的身心健康，必須給他們創(chuàng)造舒適的環(huán)境，要盡力減少噪聲源。

最終，他們采用愚公移山的笨方法，把1 000來(lái)個(gè)零配件逐一進(jìn)行審查、完善裝配工藝。在將所有的零配件工藝都優(yōu)化了一遍后，噪聲數(shù)值終于達(dá)標(biāo)。

2021年6月28日，空間站核心艙的攝像機(jī)拍到這樣的畫面：聶海勝在跑臺(tái)上邁著“太空步”，湯洪波則取過(guò)相機(jī)，為他拍下跑步的音像資料。