氣閘艙：從“兼職”到“專用”的變遷

文/張雪松 航艙

9月1日，中國航天員陳冬、劉洋首次從問天實驗艙氣閘艙進行出艙活動，圓滿完成艙外任務(wù)?？臻g出艙活動，又稱“太空行走”。過去，中國航天員曾使用節(jié)點艙和飛船軌道艙改裝的臨時氣閘艙進行太空行走，收獲了不少經(jīng)驗。而這次任務(wù)使用的專用氣閘艙對比其他方案，出艙位置和條件都有所不同，別具優(yōu)勢。展望未來，相信航天員出艙還會有更完善和高效的新方案。

▲ 陳冬、劉洋出艙合影

新位置出艙門道多

9月1日15時48分，中國航天員們關(guān)閉了問天艙段間艙門。隨后陳冬、劉洋穿戴好艙外航天服，進行出艙前各項準備工作。

18時26分，陳冬成功開啟問天實驗艙氣閘艙出艙艙門。開門第一眼，映入他眼簾的就是蔚藍的地球。這能給航天員明確的方位感，地球反照的作用也使得光照更加柔和，便于工作。而陳冬的講話還是中國航天員們的“保留節(jié)目”——“大家好！我已出艙，感覺良好！”劉洋緊隨其后。至19時09分，陳冬、劉洋都已成功出艙。

蔡旭哲則坐鎮(zhèn)天和核心艙內(nèi)，密切配合支持同事工作。通過智能顯示設(shè)備和機械臂操作臺的聯(lián)動，他在艙內(nèi)動動手指，就能實現(xiàn)機械臂多模式操作。同時，力反饋技術(shù)也首次被引入機械臂在軌操作，航天員能體驗到按鍵的“觸感”反饋。

截至20時，2名出艙航天員完成了安裝腳限位器和艙外工作臺等工作，這些設(shè)施將為航天員更安全地遨游太空、細致開展工作提供支持。

接下來，首次在問天實驗艙小機械臂的支持下，陳冬、劉洋進行了問天實驗艙擴展泵組安裝、問天實驗艙全景相機抬升等作業(yè)，并成功開展艙外自主轉(zhuǎn)移應(yīng)急返回能力驗證。在后來公開的視頻和圖片中，全景相機拍攝效果顯著提升。

▲ 陳冬拉開問天實驗艙氣閘艙出艙艙門

為抬升“太空相機”，劉洋在艙外使用了酷似手電鉆的電動螺絲刀，這件工具暗藏玄機。在失重狀態(tài)下，航天員僅能靠扶手和腳限位器調(diào)整姿態(tài)，尤其是穿著厚重的艙外航天服，只能單手操作工具，為此，科研人員對每個工具抓握、按壓、旋擰操作進行了反復(fù)研究，而艙外的復(fù)雜環(huán)境對電動工具的電機、電路、熱控、機構(gòu)等組件也是嚴苛的考驗。經(jīng)過數(shù)次升級設(shè)計，航天員在半出艙狀態(tài)下就能完成工具取放，操作更加便捷、安全。據(jù)悉，最近3年，有關(guān)科研團隊自主研制了空間站天和核心艙、問天實驗艙36類、238件艙外維修工具。

本次出艙期間，2名航天員身系10余米長的安全繩。這根繩子不簡單，伸縮過程要實現(xiàn)恒力輸出，不能干擾到航天員運動，還必須經(jīng)受住近200攝氏度的大溫差、空間輻照、空間粒子等惡劣環(huán)境的考驗。相比之下，當年翟志剛從神舟七號飛船出艙時使用的安全繩有效長度僅1米多，且長度固定，不能隨意伸縮?？梢哉f，新型安全繩是為中國空間站建設(shè)、運行“量身打造”。

9月2日0時33分，經(jīng)過約6小時的出艙活動，3名航天員密切協(xié)同，完成此次全部既定任務(wù)，陳冬、劉洋安全返回了問天實驗艙，出艙活動取得圓滿成功。

早在8月13日，官方預(yù)告了神舟十四號飛船乘組的首次出艙活動，很多航天愛好者等得“望眼欲穿”。那么航天員們在高輻射環(huán)境下出艙，如何選好時機呢？據(jù)了解，問天實驗艙配備的能量粒子探測器是國際首臺粒子種類最多、能譜范圍最全最廣的探測器，能為航天員出艙時間窗口選擇提供準確的一手數(shù)據(jù)。同時，準確定量的粒子探測還能用于空間站在軌安全管理，為新材料和生命實驗提供關(guān)鍵參數(shù)，以及探索重大前沿科學(xué)問題。

▲ 陳冬、劉洋先后出艙

▲ 劉洋出艙瞬間

▲ 陳冬出艙“巡天”

▲ 翟志剛從神舟七號飛船出艙

“急就章”改裝起點高

說起空間出艙，就不能不提中國人的首次太空行走。

2008年，神舟七號飛船航天員進行了中國人首次空間出艙活動，翟志剛那句“我已出艙，感覺良好”給大家留下了深刻印象。

當時，神舟七號飛船的氣閘艙是充分利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，將軌道艙改進設(shè)計而成，既是創(chuàng)舉，又是中國航天科研人員為掌握出艙技術(shù)而采取的臨時性舉措，此后神舟飛船再也沒用過這種方法。

大家不要小看這個“急就章”改裝的臨時氣閘艙。它幫我國突破了氣閘艙的關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為第三個獨立掌握太空出艙技術(shù)的國家，可以說技術(shù)起點相當高。

據(jù)公開資料顯示，神舟七號飛船氣閘艙直接利用了原有軌道艙的基本結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)化重新設(shè)計，增加了氣閘艙功能。而氣閘艙有兩個核心功能：一是密封能力；二是泄壓/復(fù)壓功能。密封是軌道艙固有能力，而為支持航天員出艙活動，這個艙段專門安裝了管道閥門組成的泄壓裝置和5個高壓氣瓶支持的復(fù)壓裝置，滿足2次泄壓/復(fù)壓的用氣需求，還提供了艙外航天服貯存、運輸、供給以及出艙活動、攝像、照明等一系列功能。

不過，神舟七號飛船軌道艙改作氣閘艙只是權(quán)宜之計，細節(jié)難免會有紕漏，這從翟志剛出艙時遇到艙門打不開的尷尬就能看出。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當時軌道艙內(nèi)存放著不少生活和工作物資，氣閘艙泄壓后，這些物資、設(shè)備還在向外排氣，導(dǎo)致泄壓進度不如預(yù)期，艙門被翟志剛拉開一些后，又被艙內(nèi)氣壓“頂”回去。

即使如此，神舟七號飛船的氣閘艙仍然比美蘇早期同類“高級”得多。人類第一次太空出艙活動是1965年蘇聯(lián)航天員列昂諾夫從上升2號飛船進行的，當時飛船攜帶了“伏爾加”柔性充氣型氣閘艙，只能支持1名航天員出艙。

至于美國航天員最初的太空出艙，就更是“急就章”——雙子星飛船只比“穿在身上”的水星飛船大一些，當時把整個返回艙泄壓排空，毫無任務(wù)冗余，沒出意外，只能說美國人運氣太好了。

▲ 神舟十三號飛船乘組從天和核心艙節(jié)點艙出艙

“兼職”“專用”都很強

隨著中國空間站建造工作漸入佳境，航天員從天和核心艙出艙執(zhí)行了多次任務(wù)。在此過程中，天和核心艙使用節(jié)點艙兼作氣閘艙，吸取了神舟七號飛船改裝氣閘艙的經(jīng)驗，設(shè)計更為完善。

根據(jù)公開發(fā)布的視頻和圖片，天和核心艙節(jié)點艙出艙口的艙門鎖設(shè)置在旁側(cè)，還增加了助力手柄，使得艙門能夠很順利地打開。

另外，這個“兼職”氣閘艙在中國載人航天史上首次使用了氣體復(fù)用技術(shù)，使中國繼美國之后第二個掌握了這項技術(shù)。借助艙間抽氣泵等設(shè)備，天和核心艙可以實現(xiàn)節(jié)點艙氣體的部分回收復(fù)用，顯著降低了出艙活動對氧氣的消耗，對于節(jié)約資源和運力、提高航天員長期在軌能力、支持多次出艙活動都具有很大意義。

相比之下，載人航天老牌強國俄羅斯獨立運行過“禮炮”系列與和平號空間站，還參與了國際空間站大量艙段建設(shè)工作，但氣閘艙一直使用直接泄壓排氣裝置，氣體直接排放到真空，可能帶來氣體污染，或是干擾航天器姿態(tài)，多次出艙活動所排放的空氣也是相當可觀的消耗。

可以說，中國空間站在這方面具備后發(fā)優(yōu)勢，技高一籌。

天和核心艙的“兼職”氣閘艙同樣是過渡性設(shè)施，中國空間站航天員今后將主要使用問天實驗艙的專用氣閘艙出艙工作。作為專門設(shè)計、獨立使用的氣閘艙，其長度和直徑都超過神舟飛船軌道艙，內(nèi)部容積更大，也使用了氣體復(fù)用技術(shù)。由這次航天員出艙活動視頻可知，在出艙準備階段，航天員會將氣閘艙空氣抽送到相鄰的密封艙，盡量減少對空氣資源的消耗。

▲ 中國空間站全景相機經(jīng)調(diào)整后直面地球

此前，神舟十二號、神舟十三號飛船乘組都是通過直徑85厘米的空間站天和核心艙節(jié)點艙“出門”。這次，問天實驗艙氣閘艙的容積空間增大了50%，艙門更寬敞，直徑達1米，航天員穿上厚厚的艙外航天服，轉(zhuǎn)身活動也不會受限，攜帶設(shè)備更從容。

這扇門是復(fù)雜的航天產(chǎn)品，涵蓋了密封、傳動、鎖緊、人機工效等學(xué)科。航天員的操作力度不變，只需用配套手柄旋轉(zhuǎn)解鎖，使用助力機構(gòu)消除殘壓，拉動艙門把手即可打開。平時艙門處于關(guān)閉狀態(tài)時，配套的檢漏儀等設(shè)備，能全方位保障安全。

當然，有人可能擔心：這個出艙口位于氣閘艙正下方，航天員相當于倒立出艙，會不會有危險？其實，近地軌道上重力微乎其微，航天員即便是“拿大頂”出艙也不會有多大麻煩。

中國空間站會在太空中遨游很多年，未來中國航天員會不會使用更先進的氣閘艙？目前有一種兩室式混合充氣氣閘艙的新概念。具體來說，就是使用充氣式艙段充當乘員氣閘艙，既減少了氣閘艙的體積和質(zhì)量，又能保持雙室氣閘艙的固有優(yōu)勢，還能更便利高效地重復(fù)使用氣體，降低氣體消耗。此外，新設(shè)計的抗撞擊能力更強，可以在微流星體和軌道碎片等威脅下更好地保護內(nèi)部的航天員?？傊?，氣閘艙必然繼續(xù)進步，讓我們拭目以待吧。

▲ 換角度再看問天實驗艙氣閘艙