美俄艙外航天服出艙活動故障分析

丁凌艷，張萬欣

(中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

1 引言

出艙活動(Extravehicular Activity，EVA)是指航天員離開載人航天器進入太空，在軌道上安裝大型設備、進行科學實驗、檢查和維修航天器等工作。航天員在月球和其他行星天體上離開載人航天器完成各種任務的過程也屬于出艙活動。1965年3月18日蘇聯(lián)航天員阿列克謝˙列昂諾夫在上升2號飛船飛行期間實現(xiàn)了12 min的太空行走，成為歷史上首位實現(xiàn)太空行走的航天員。美國阿波羅計劃共進行了6次載人登月，先后有12名航天員踏上月面，進行各類探測，充分展示了人類探索宇宙的巨大能力。2008年9月27日航天員翟志剛著飛天艙外航天服完成了中國首次出艙活動。隨著中國載人航天事業(yè)不斷推進，出艙活動必將越來越頻繁。

為實現(xiàn)出艙活動，需要諸多的技術保障，其中艙外航天服是最為關鍵的一項。早期出艙活動為臍帶式，航天員雖身穿航天服，但所需要的氧氣、壓力、冷卻工質、電源和通信等都通過臍帶由載人航天器提供。受臍帶長度限制，航天員只能在航天器附近活動。后來研制了裝在航天服背后的便攜式環(huán)控生保系統(tǒng)，艙外航天服及便攜式環(huán)控與生保系統(tǒng)是一個微型載人航天器，保證內(nèi)部有適合的壓力、通風供氧和溫濕度調節(jié)，使航天員在服裝內(nèi)能正常生存，并能進行太空作業(yè)。1984年美國研制了保障航天員在太空穩(wěn)定和自由移動的個體設備——載人機動裝置，航天員實現(xiàn)了在太空中自由飛行。載人機動裝置屬于出艙個體裝備的一部分，本文且將其納入艙外航天服定義范疇。

截止至2021年6月20日，人類總共進行了443次出艙活動，其中21%的出艙活動經(jīng)歷了重大事件和/或近似事故，其中涉及艙外航天服的有110起。本文對歷史上美俄出艙活動(包括登月活動)中涉及艙外航天服的故障問題進行梳理統(tǒng)計，并對故障原因展開分析，提出了避免發(fā)生同類故障的措施，為后續(xù)艙外航天服研制提供啟示。

2 故障原因及對策分析

本文中所提及的故障事件滿足以下一個或多個標準:①導致人員傷亡或在不同條件可能導致人員傷亡(例如乘員意外脫離)；②導致人員受傷或暫時喪失工作能力，或以其他方式損害人員執(zhí)行關鍵任務(如自救)的能力(如眼睛受到防霧劑刺激)；③可能對航天服造成嚴重或災難性損害(如防護服損壞、設備拋擲碰撞或意外釋放)；④EVA任務指揮為了保護乘員而提前中止或終止；⑤基于專家意見的獨特重要性(如前兆事件和與隨后更重要事件相關的小事件或問題)。

根據(jù)美俄歷次出艙活動遇到的故障情況，艙外航天服故障發(fā)生原因可以分為艙外服主要功能故障、載人機動裝置問題、誤操作和其他四大類，美俄歷次出艙活動故障類型分布如圖1所示。

圖1 美俄出艙活動艙外航天服故障類型統(tǒng)計Fig.1 Statistics of fault types in Russian and American EVA spacesuits

1)主要功能故障包括壓力防護故障、熱控故障、通風凈化故障、人因類故障、通信故障5種，其中熱控故障29起，人因類故障24起，通風凈化故障16起，壓力防護故障16起，通信故障4起；

2)載人機動裝置作為艙外航天服功能的擴展，是一種實現(xiàn)個體太空自由行走的裝備，歷次記錄的故障有10起；

3)其他故障11起，主要是由產(chǎn)品局部設計、生產(chǎn)缺陷導致的故障。

圖2展示了美俄艙外航天服被記錄故障的時間分布，呈現(xiàn)以下特點:①從時間分布上看，早期艙外航天服在出艙活動中故障比率較高，20世紀90年代之前故障比率在40%以上。隨著技術不斷成熟，2010年以來故障比率降至約14%。②艙外航天服故障次數(shù)隨出艙活動次數(shù)的增加而上升顯著，在1990～2000年達到頂峰，隨后呈下降趨勢。這也驗證了技術發(fā)展的一般規(guī)律，大量的實際應用有助于暴露產(chǎn)品問題，進而提升產(chǎn)品可靠性。

圖2 艙外航天服故障次數(shù)隨時間變化曲線Fig.2 Variation of EVA spacesuit failures with time

2.1 主要功能故障

2.1.1 壓力防護故障

艙外航天服壓力防護層曾發(fā)生的故障詳見表1，包括以下3種情況:

表1 艙外航天服壓力防護歷史故障Table 1 Recorded pressure protection system failures of EVA spacesuits

1)發(fā)生在手套部位的12起，占比約為75%，大部分是由于操作導致手套損壞。手套磨損、被刺穿是出艙活動中經(jīng)常發(fā)生的問題。尤其是美國艙外手套，為了保證更好的工效性能，其熱防護層較薄，因此損壞頻率較高。手套氣密層損壞會引起服裝泄漏失壓，進而影響航天員安全。除提高艙外作業(yè)界面安全性之外，解決該類問題的措施包括:①在服裝失壓時提供應急供氧能力，保證航天員安全返回；②將手套設計為在軌可更換單元(Orbital Replaceable Unit，ORU)，方便在軌更換，并提供在軌檢測工具。

2)由于艙外航天服膨脹導致艙門通過困難的情況在美、俄前期出艙活動中均有發(fā)生。1965年蘇聯(lián)航天員阿列克謝˙列昂諾夫首次出艙返回時遇到該故障，冒險部分釋放服內(nèi)氣體，降低服內(nèi)壓力后才得以重新進入氣閘艙。在美國EMU艙外服的靴子上還出現(xiàn)過壓力限制層制造缺陷，該缺陷導致靴子鼓脹，不得不使用備份靴子解決問題。因此在艙外航天服研制中應重視服裝加壓后的限制層形態(tài)控制。

3)主氣密層損壞2起。為便于活動，國際上美俄的半硬式艙外航天服四肢均采用非金屬材料作為氣密層。相比金屬氣密層，非金屬氣密層在強度上相對較弱。鑒于壓力防護功能保障對出艙航天員生命的重要性，四肢在主氣密層基礎上一般設計有備氣密層。1979年禮炮6號出艙活動中曾發(fā)生了艙外航天服主氣密層穿孔的事故。在該起故障中，主氣密層損壞后，在備氣密層保護下航天員得以安全返回。由此可見，設置備氣密層是非常重要的安全設計措施。

2.1.2 熱控故障

艙外航天服的熱控系統(tǒng)為航天員提供被動熱防護和主動溫度控制，保障航天員在太空極端溫度條件下的熱舒適性。

被動熱防護主要依靠真空隔熱屏蔽服實現(xiàn)，其材料為纖維織物和鋁膜，容易在出艙活動過程中被銳邊劃破(表2中序號3、25、26事件)。出艙時應避免接觸尖銳物品，并控制艙外設備的棱角銳邊。

表2 艙外航天服熱控系統(tǒng)歷史故障Table 2 Recorded thermal control system failures of EVA spacesuits

主動溫控系統(tǒng)包括熱交換器、水泵、液冷服、給水系統(tǒng)。美俄艙外服均通過消耗水工質散熱，且都從通風系統(tǒng)中收集水(含有航天服和人體污染物)，以維持可以接受的濕度水平。在此過程中主要使用2種水回路:液冷回路和給水回路。液冷回路是一個密封的水回路，水工質流經(jīng)液冷服，帶走人體熱量后進入熱交換器(即水升華器)，經(jīng)水升華器冷卻后又流回液冷服；給水回路水工質供向水升華器，升華氣化后消耗至真空中，同時帶走自通風回路和液冷回路(穿著者的熱負荷)的熱量。從歷史數(shù)據(jù)看，主動溫控系統(tǒng)是故障率最高的功能模塊之一，發(fā)生過的主要問題包括以下5類:

1)過冷或過熱7起。前期美俄艙外航天服都遇到了冷卻能力不足的問題。通過合理規(guī)劃工作負荷、提高散熱器功率、增設液冷服，此類問題已經(jīng)得到成功解決。另一方面，在陰影面過冷的問題也經(jīng)常發(fā)生。EMU艙外服在80～90年代被多次反映難以接受的過冷。此后采取了減少液冷服包覆面積，增加手、腳部位保暖(如羊毛襪、在EMU艙外服手套內(nèi)增加了電加熱)等措施。

2)冷卻水泄漏5起。在美國天空試驗室4的第2、3、4次EVA中，EMU艙外服均出現(xiàn)了冷卻水泄漏導致壓力控制單元結冰的情況，航天員不得不關斷冷卻水流。還曾出現(xiàn)2起因液冷臍帶泄漏導致過閘時無法進行艙載換熱，服內(nèi)溫度過高的故障。預防此類故障的方法是加強出艙前液路系統(tǒng)的檢測維護，及時發(fā)現(xiàn)問題，從而避免在出艙活動時出現(xiàn)故障。

3)水泵故障1起。在1984年蘇聯(lián)Salyut 7 PE-3第6次EVA過程中，水泵故障不能運轉。當時采用2臺風機同時工作，并給與航天員休息時間、減少熱積累的方法繼續(xù)完成了出艙活動。另外根據(jù)美國EMU艙外服使用經(jīng)驗，液冷回路內(nèi)水處理不到位將導致微生物聚集，從而造成通水孔和過濾器堵塞，并可能會導致水泵轉子停止旋轉。但目前沒有一個嚴格確保EMU艙外服傳遞回路所有部分都進行充分碘處理的方法以防止微生物污染發(fā)展。鑒于水泵在溫控系統(tǒng)的關鍵地位，為避免由于水泵故障造成溫控系統(tǒng)罷工，艙外航天服應設計備份水泵；進一步可將水泵設置為在軌可更換單元，有利于延長艙外航天服在軌使用壽命。另外給液冷回路增加水過濾系統(tǒng)也是一種解決方案，該過濾系統(tǒng)應包括微生物過濾器、微粒過濾器和離子層等。

4)水升華器故障7起。水升華器是溫控系統(tǒng)的又一關鍵部件，水升華器無法制冷時會導致服內(nèi)溫度升高，進而引起面窗起霧，嚴重影響航天員出艙視覺，甚至不能自主返回。其主要故障模式是內(nèi)部管路污染堵塞導致散熱性能下降或喪失。EMU升華器由1個通風回路和液冷服水回路、1個濕氣收集器和2個可替換滲水不銹鋼多孔板組成。升華器最容易損壞的部件是滲水多孔板。在EMU艙外服計劃早期發(fā)現(xiàn)，來自閥門/支管的鋁氧化物、來自液冷回路管道的聚乙烯浸出物以及氯丁橡膠材質貯水囊浸出的表面活化劑可能會堵塞升華器滲水孔，從而嚴重降低排熱性能。當前EMU艙外服多孔滲透板幾乎作為消耗品使用，因為壽命只有177 h，而后需要強制替換或清洗。預防水升華器故障，應在離開真空環(huán)境前關閉水升華器供水，讓水升華器充分干燥，并在出艙活動返回后及時干燥供水回路，避免滋生微生物，堵塞孔道。

5)此外，液冷服斷接器和水溫傳感器因為壽命到期均出現(xiàn)過故障，詳見表2。

2.1.3 通風凈化故障

通風凈化系統(tǒng)負責帶動服內(nèi)氣體循環(huán)，凈化CO等有害氣體，降低服內(nèi)濕度。通風凈化系統(tǒng)曾發(fā)生的故障詳見表3，主要包括以下類型:

表3 艙外航天服通風凈化系統(tǒng)歷史故障Table 3 Recorded ventilation system failures of EVA spacesuits

1)風機故障2起。和溫控系統(tǒng)中的水泵一樣，早期EVA美俄均發(fā)生過風機故障，因此現(xiàn)在的艙外航天服中均配有備份風機。進一步將風機設置為在軌可更換單元，有利于延長艙外航天服在軌使用壽命。

2)CO濃度異常4起。CO濃度主要由凈化裝置工作狀態(tài)決定。但是也應重視CO傳感器的工作狀態(tài)，CO傳感器故障時也可能導致CO指標異常。預防措施主要是在研制階段加強凈化裝置工作能力的測試驗證，并將CO傳感器設置為在軌可更換單元，方便出現(xiàn)故障后在軌維修。

3)冷凝水進入頭盔5起。美國EMU艙外服多次出現(xiàn)頭盔內(nèi)進水現(xiàn)象，并在2013年ISS-36第2次EVA中造成嚴重后果，影響航天員返回并幾乎威脅到航天員的生命。據(jù)調查，頭盔中的水來自于便攜式生命保障系統(tǒng)(Personal Life Support System，PLSS)的冷凝水(通風系統(tǒng)中的水汽經(jīng)過水升華器后冷凝成的水)，由于風扇-分離器-泵電機組件的分離器故障，不能完成原設計的冷凝水提取功能，導致了頭盔進水事故。俄羅斯海鷹系列艙外服采用了不同于美國EMU艙外服的通風系統(tǒng)水氣分離原理，沒有出現(xiàn)過該類型事故。中國艙外航天服通風系統(tǒng)設計原理與俄羅斯相近，與美國差別較大，出現(xiàn)冷凝水漏水故障的概率微小。為應急處置該類事故，美國后續(xù)在EMU艙外服頭盔中放置了一塊可以拆卸的海綿，用于吸收意外情況下頭盔中的游離水，防止航天員溺水。為防止其他意外情況的游離水(如飲水袋漏水、液冷斷接器漏水)，該防護措施值得借鑒。

4)風少錯誤報警1起。俄航天服出現(xiàn)過因服內(nèi)濕度過高導致傳感器異常，進而產(chǎn)生了通風不良的報警。預防該類問題的方法是對服內(nèi)傳感器經(jīng)歷的環(huán)境剖面進行深入分析，加強產(chǎn)品的環(huán)境試驗考核；另外出艙過程中，地面監(jiān)測人員應結合風機轉速、濕度等多參數(shù)聯(lián)合判讀是否誤警。

5)凈化裝置故障1起。早期美國艙外服發(fā)生過凈化裝置中的氫氧化鋰粉末被通風系統(tǒng)帶到眼部，引起眼睛不適的事故。預防該故障的主要措施有:①提高凈化裝置抗力學環(huán)境性能，避免在振動過程中藥盤散裂；②在出艙前加強對凈化裝置狀態(tài)的監(jiān)測，適時檢查通風系統(tǒng)濾網(wǎng)狀態(tài)。

2.1.4 人因類故障

出艙活動中出現(xiàn)的人因類故障詳見表4，主要包括以下3類:

1)壓力服適體性6起。艙外航天服在設計中應避免加壓后的服裝對人體的壓迫(特別是手套部位)，并在可能碰撞部位，如肘、肩、腰、頭部等進行防護設計。

2)視覺工效7起。面窗起霧是EVA過程中經(jīng)常遇到的問題之一，起霧后嚴重影響視覺，航天員無法正常工作，甚至找不到回艙的路徑。后期雖然通過防霧劑解決了面窗起霧問題，但是帶來了一個副作用是航天員眼睛受到防霧劑刺激。2011年STS-l34/ULF6的出艙任務快要結束時，航天員費斯特爾頭盔上的防霧溶劑掉入他的眼里，刺激產(chǎn)生的刺痛讓他淚流不止。在太空流淚的最大問題是由于失重，眼淚不會從眼睛里流出來。目前普遍使用的防霧劑是含有親水基團的低分子量分散劑，親水基團能吸附空氣中的水分子，在透明物體表面潤濕、擴散，形成水膜，從而避免結霧現(xiàn)象的發(fā)生。防霧劑與面窗表面之間通?？课锢砦浇Y合，防霧劑吸水后因粘合力弱容易從面窗表面流失。該案例啟示應高度關注防霧劑在吸水后的粘附性能，避免防霧劑吸水漂離或者研制對人體無刺激型防霧劑。

3)人員誤操作7起。盡管航天員在地面經(jīng)過了大量訓練，但在出艙活動中出現(xiàn)人員誤操作而導致故障的現(xiàn)象依然存在。表4中列出了歷史上出艙活動中由于航天員操作失誤而造成的故障，約占總故障事件的7%。始終存在出現(xiàn)誤操作的風險是載人航天的特點之一。這就要求艙外航天服具備較高的防誤操作能力，同時具備在被誤操作情況下保證航天員基本安全的能力。

表4 出艙活動艙外航天服工效問題Table 4 Ergonomic problems of EVA spacesuits

2.1.5 通信故障

在出艙活動過程中，通信出現(xiàn)過的問題包括天線問題(損壞和天線電連接器松動)和視覺溝通缺乏，詳見表5。

表5 艙外航天服通信歷史故障Table 5 Recorded communication failures of EVA spacesuits

1)天線。早期美國EMU艙外服使用的天線為非織物天線，容易在出艙過程中損壞。俄羅斯海鷹艙外航天服采用織物天線，與服裝本體共形，避免了凸起天線損壞的風險，但是撞擊導致電連接器松動的風險依然存在。預防該問題的措施是在天線電連接器外側加裝防護罩。

2)視覺溝通。早期出艙活動時僅能給航天員之間提供語音溝通信道，在需要配合完成大型復雜任務時，航天員之間視頻通信的需求就尤為迫切。隨著通信技術的發(fā)展，在新一代艙外航天服中實現(xiàn)航天員之間的視頻溝通指日可待。

2.2 出艙機動裝置

出艙機動裝置是為實現(xiàn)航天員在太空自由行走而研制的個體裝備。表6所示為出艙機動裝置從1984年首次使用至今的歷史故障，主要故障集中在環(huán)境適應性、機械組件啟動性能等方面。

表6 出艙機動裝置歷史故障Table 6 Recorded EMU failures

2.3 其他

其他出現(xiàn)過故障的產(chǎn)品還包括放電環(huán)、飲水袋、臍帶斷接器、尿收集裝置、安全系繩掛鉤等，詳見表7。在出艙產(chǎn)品研制過程中應重視相應的性能驗證及在軌使用操作驗證。

表7 艙外航天服其他故障Table 7 Other EVA spacesuit faults

其中有1起由于超過艙外航天服使用壽命引起的故障。1993年俄羅斯Mir，PE-14，EVA 4中使用的是Orlan-DM，編號為N14的艙外航天服，該服裝設計壽命為4年10次。但是截止當時該套服裝已經(jīng)由5位不同的航天員使用了13次，最終因供氧系統(tǒng)失效結束了使用。

此外還有2起因月塵引起的磨損和裝配困難事件，該類故障提示在登月服的設計中必須考慮防塵措施。國內(nèi)已經(jīng)開展了月塵防護方面的研究，主要有添加防護罩法以及靜電防護法。

值得注意的是，在軌操作時管路、線纜纏繞是不可忽視的問題，嚴重時可能導致任務執(zhí)行失敗。產(chǎn)品、程序設計中應充分考慮操作路徑，設置管路、線纜臨時固定點，避免該類問題產(chǎn)生。

3 故障嚴重性分析

載人航天是一項高風險的任務，出艙活動更是如此。所幸在歷次出艙活動中(本文統(tǒng)計截止到2021年6月)沒有出現(xiàn)航天員死亡的情況。其中由艙外航天服造成航天員損傷共有15起，造成出艙活動提前終止(或取消)共有13起，占比均為3%左右。

3.1 航天員損傷

由艙外航天服造成航天員損傷的15起故障中，航天員受傷的情況主要分為以下3種(圖3)。

圖3 艙外航天服故障造成航天員損傷的情況Fig.3 Types of astronaut injury caused by EVA spacesuit

1)眼部刺激。美國航天員在多達8次任務中遭受到了眼部刺激，其中5次由防霧劑引起，1次眼部受到刺激是由凈化裝置故障導致。眼部刺激事件發(fā)生比率占到了航天員損傷事件的57%，必須高度重視眼部的安全性。

2)肢體機械損傷。肢體機械損傷主要是指肢體與服裝接觸部位被壓迫、撞擊而疲勞或者破損。部分損傷并不是僅由艙外航天服引起，同時涉及到任務規(guī)劃問題和工具工效問題，但考慮到艙外航天服作為個體防護裝備應該保護著服者的健康安全，該部分情況也納入本文統(tǒng)計中。肢體機械損傷在20世紀80～90年代的美、俄出艙活動中發(fā)生過5起。通過不斷改進手套、上軀干形態(tài)，到如今的艙外航天服獲得了較為滿意的適體性。該類故障在2000年以后的出艙活動中已經(jīng)很少見諸報道。盡管如此，采用新的設計手段追求更好的適體性是艙外航天服研制不懈追求的目標。

3)熱燒傷。熱燒傷僅在1966年的Gemini 9出艙任務中發(fā)生過1次。熱防護層是艙外航天服為航天員提供被動熱防護的重要組件。1966年雙子星9號出艙活動中，航天員尤金˙賽爾南由于身體過度用力，其艙外航天服背部外層被劃破，受太陽光照射，他的背部被曬傷。光熱還損壞了服裝的生命保障系統(tǒng)。該事故警示不應忽視熱防護層，特別是軟結構熱防護層意外損壞的影響。艙外航天服熱防護層損壞時應及時返回，避免對航天員造成進一步損傷。另外還應考慮真空隔熱屏蔽服的在軌維修措施等。

3.2 出艙活動提前終止

由于艙外航天服故障造成出艙活動提前終止或取消的情況共13起，近期導致任務提前終止的主要故障類型是美國EMU艙外服的冷凝水進入頭盔，總結起來主要有6種故障類型分布(圖4):

圖4 艙外服導致出艙活動提前終止/取消的情況Fig.4 Early termination/cancellation cases of EVA caused by EVA spacesuits

1)壓力防護失效2起；

2)供氧問題3起，其中2起由誤操作供氧系統(tǒng)的閥門導致；

3)熱控問題2起；

4)風機故障1起；

5)CO濃度超標3起；

6)冷凝水進入頭盔2起。

除了最基本的壓力防護需求，艙外航天服內(nèi)的氣體成分、溫度以及游離水等多余物均可能影響到航天員生命安全。因此出艙過程中需要密切關注艙外航天服的各項指標，必要情況下及時調整任務規(guī)劃。

4 小結

作為出艙活動中的關鍵設備，艙外航天服在軌發(fā)生過的故障是寶貴的經(jīng)驗教訓。通過對美俄兩國艙外航天服歷史故障的梳理，按照故障原因分類并根據(jù)發(fā)生頻次由多至少排列依次是:熱控系統(tǒng)故障、人因類故障、壓力防護故障、通風凈化系統(tǒng)故障、出艙機動裝置故障、其他和通信故障。從艙外航天服歷史故障事件中可得到如下的啟示:

1)熱負荷、CO凈化效率、服內(nèi)環(huán)境等關鍵指標應全面覆蓋實際出艙活動任務的需求，盡量避免因能力設計不足而影響出艙活動任務的正常開展。

2)對于艙外手套、防護層、水泵、風機等出現(xiàn)過多次故障的產(chǎn)品，研制中應通過冗余設計、裕度設計提高其可靠性，并合理設計在軌維護檢查手段，將潛在的問題在出艙前準備階段及時暴露并解決。此外，將上述產(chǎn)品設計為在軌可更換部件，方便在軌維修，可節(jié)省總任務的成本。

3)在軌出艙活動準備及過程中，人員誤操作難以避免。由于艙外航天服的重要性，可能即使很小的誤操作都將給出艙活動安全性、工作時間等帶來較大影響。因此在艙外航天服產(chǎn)品設計、操作程序設計中應重視防誤設計，同時加強使用者的培訓，努力降低誤操作帶來的故障。