這些高科技 支撐太空行走的每一步

文／付毅飛

9月1日，我國(guó)神舟十四號(hào)航天員陳冬、劉洋順利出艙。航天員出艙活動(dòng)又被稱(chēng)為太空行走，是載人航天的關(guān)鍵技術(shù)之一。別看艙內(nèi)外只是一門(mén)之隔，“出門(mén)”的背后，卻有著相關(guān)技術(shù)、工藝以及科學(xué)訓(xùn)練手段等的重重保障。

出艙地點(diǎn)：氣閘艙是主要出艙通道

游覽過(guò)三峽大壩的小伙伴，一定對(duì)三峽船閘印象深刻。這座規(guī)模龐大的通航建筑物，如同水上的階梯，能夠幫助輪船穿越上下游水位落差相當(dāng)于40層樓高的大壩。

與船閘的原理類(lèi)似，要往返于正常大氣壓的空間站與真空環(huán)境的太空，需要有一個(gè)“中間地帶”，而氣閘艙就是航天員出艙、返回的“中間地帶”。

我國(guó)空間站共設(shè)計(jì)有3個(gè)氣閘艙。2021年7月4日，隨著航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，神舟十二號(hào)航天員乘組圓滿(mǎn)完成中國(guó)空間站階段首次出艙任務(wù)。此后，神舟十二號(hào)、神舟十三號(hào)航天員乘組又圓滿(mǎn)完成了3次出艙任務(wù)。

中國(guó)空間站的前4次出艙活動(dòng)都是在天和核心艙開(kāi)展的，其出艙口為“節(jié)點(diǎn)艙”。節(jié)點(diǎn)艙兼具航天器對(duì)接與停泊，以及航天員出艙等多項(xiàng)功能，但并不是中國(guó)空間站的主份人員氣閘艙。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙才是航天員的主要出艙通道。

如此設(shè)計(jì)是因?yàn)?，?jié)點(diǎn)艙位于天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙，以及后續(xù)將發(fā)射的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的三艙交匯處。如果將這樣一個(gè)“交通樞紐”作為主份人員氣閘艙，當(dāng)開(kāi)展出艙任務(wù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)艙就會(huì)處于真空狀態(tài)，三艙之間的交通將被徹底阻斷，而且還將阻斷航天員進(jìn)入神舟飛船的生命通道。

因此，主份人員氣閘艙通常選擇在不干擾其他艙段、較為“偏遠(yuǎn)”的位置。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙位于該艙末端，開(kāi)展出艙任務(wù)時(shí)，中國(guó)空間站各艙段以及飛船之間的交通不會(huì)受到任何影響。

據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師張昊介紹，節(jié)點(diǎn)艙的活動(dòng)空間約為七八立方米，氣閘艙則能達(dá)到12—13立方米；節(jié)點(diǎn)艙內(nèi)設(shè)備、管路和電纜較多，氣閘艙則更加整潔，只配置了出艙相關(guān)設(shè)備，沒(méi)有其他管路、電纜的羈絆。

此外，節(jié)點(diǎn)艙艙門(mén)直徑約為85厘米，而氣閘艙艙門(mén)直徑達(dá)1米左右?！昂教靻T從這里進(jìn)出，更舒展、更從容，還能攜帶大個(gè)頭的設(shè)備出艙工作，出艙能力得到大大提升?！睆堦徽f(shuō)。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙配備了全套艙外航天服等出艙支持設(shè)備，出艙活動(dòng)任務(wù)期間可支持航天員的艙載供氧、制冷和出艙過(guò)閘等。平時(shí)，氣閘艙還能支持艙外航天服貯存、在軌檢測(cè)、航天員訓(xùn)練等。

未來(lái)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與中國(guó)空間站交會(huì)對(duì)接后，三艙皆有氣閘艙。除了天和核心艙的節(jié)點(diǎn)艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的主份人員專(zhuān)用氣閘艙，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙將成為貨物專(zhuān)用通道。

出艙裝備：艙外航天服可媲美小型飛行器

推開(kāi)艙門(mén)進(jìn)入太空，艙外航天服便成為航天員賴(lài)以生存的生命保障。

據(jù)中國(guó)航天員中心航天服工程研究室主任、載人航天工程航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張萬(wàn)欣介紹，艙外航天服能為航天員提供安全有效的環(huán)境防護(hù)、密閉空間的環(huán)境控制和生命保障，相當(dāng)于一個(gè)小型飛行器。但與一般飛行器不同的是，航天員在穿著艙外航天服時(shí)，還要能完成艙外活動(dòng)任務(wù)，這是艙外航天服最具特色的重要功能之一。

如果艙外航天服出現(xiàn)問(wèn)題，將直接威脅到航天員的生命安全。2013年，意大利宇航員盧卡·帕米塔諾在艙外作業(yè)時(shí)，航天服冷卻水浸入呼吸系統(tǒng)，導(dǎo)致大量水灌入頭盔，一時(shí)間他如同頭戴一個(gè)魚(yú)缸，整個(gè)臉幾乎都泡在水里，聽(tīng)不見(jiàn)也看不見(jiàn)，好在他后來(lái)憑記憶安全返回了空間站。

正因艙外航天服的精密、復(fù)雜，且直接關(guān)系到航天員的安危，其研制技術(shù)工藝難度極高，造價(jià)與等重黃金相當(dāng)。目前全世界只有美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)具備艙外航天服的研制能力。

2008年9月27日，神舟七號(hào)航天員翟志剛、劉伯明完成了中國(guó)航天員首次太空行走，這也是我國(guó)第一代“飛天”艙外航天服的太空首秀。

相比神舟七號(hào)任務(wù)，中國(guó)空間站任務(wù)中，航天員要進(jìn)行時(shí)間更長(zhǎng)，也更復(fù)雜的艙外操作，對(duì)艙外航天服的性能要求更高，因而新一代“飛天”艙外航天服得到了大量改進(jìn)與升級(jí)。張萬(wàn)欣表示，新一代艙外航天服具有使用時(shí)間更長(zhǎng)、安全可靠性更高、機(jī)動(dòng)靈活性更好、測(cè)試維修性更強(qiáng)等特點(diǎn)。

新一代“飛天”艙外航天服高約2米，在地面重約120公斤，全套裝配下來(lái)需要近4個(gè)月時(shí)間。

艙外航天服對(duì)于真空、輻射和高低溫的超強(qiáng)防護(hù)作用，主要源自航天服的多層設(shè)計(jì)。航天服的最里層是襯里和尿收集裝置；襯里外是用于散熱的液冷通風(fēng)層，將水作為冷卻液來(lái)冷卻航天員身體散發(fā)的熱量；液冷通風(fēng)層外是用于產(chǎn)生一定壓力的加壓氣密層；再外一層則是限制加壓氣密層向外膨脹的限制層；限制層外是對(duì)付艙外大溫差變化的隔熱層；最外面則是保護(hù)層，由多種纖維復(fù)合而成。

艙外航天服的軟結(jié)構(gòu)包括上下肢和手套，從里到外是舒適層、備氣密層、主氣密層、限制層和熱防護(hù)層等，既能抵抗太空風(fēng)險(xiǎn)，又能保障穿著舒適、行動(dòng)靈活。以手套為例，航天服的手套必須手工縫制，盡量一次到位，尺寸公差不能超過(guò)1毫米。

艙外航天服軀干部分為金屬結(jié)構(gòu)，像一副鎧甲，背后掛有保障生命的通風(fēng)供氧裝置。金屬結(jié)構(gòu)上有上千個(gè)米粒大小的螺絲孔，搭配不同規(guī)格的螺絲，裝配前需要仔細(xì)擦拭，留一粒浮塵都有可能釀成大禍。按照平整度要求，哪怕有0.1毫米的細(xì)微毛刺，都要精細(xì)打磨。

按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，“飛天”艙外航天服要保證在軌工作使用3年、保證航天員15次出艙活動(dòng)。根據(jù)計(jì)算，其能保證8小時(shí)以上的出艙活動(dòng)。

張萬(wàn)欣介紹，對(duì)于未來(lái)的艙外航天服，我國(guó)的設(shè)計(jì)思路是模塊化、輕量化、多用途一體化設(shè)計(jì)。例如在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境一體化防護(hù)、功能模塊化的互換性、外部接口的兼容性等基礎(chǔ)上，最大程度地減少艙外航天服的自身重量，提高其靈活性與機(jī)動(dòng)性，以充分適應(yīng)不同探測(cè)任務(wù)下，各種人機(jī)配套模式的適用需求。

出艙準(zhǔn)備：航天員要經(jīng)歷“魔鬼訓(xùn)練”

2019年12月，航天員劉洋與陳冬、蔡旭哲一起，入選了神舟十四號(hào)乘組。

劉洋是我國(guó)首位進(jìn)入太空的女航天員，但出艙任務(wù)對(duì)她來(lái)說(shuō)尚未“解鎖”。為此，她選擇在訓(xùn)練場(chǎng)上迎接新的挑戰(zhàn)。在參加第一次水下驗(yàn)證試驗(yàn)后，劉洋整個(gè)人都虛脫了，連拳頭都握不住?；蝿?dòng)的水波經(jīng)過(guò)凸面頭盔面窗產(chǎn)生的視覺(jué)放大效應(yīng)，讓她感覺(jué)既眩暈又惡心。

記者從中國(guó)載人航天工程辦公室了解到，每位航天員在進(jìn)入太空?qǐng)?zhí)行出艙任務(wù)前，都要在地面經(jīng)歷“魔鬼訓(xùn)練”，在天上做的每一個(gè)動(dòng)作，都要在地面反復(fù)模擬。

出艙活動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練包括出艙活動(dòng)基礎(chǔ)理論、專(zhuān)業(yè)理論、操作技能、出艙程序以及出艙任務(wù)等類(lèi)別，每一類(lèi)由不同的訓(xùn)練科目組成。除了理論學(xué)習(xí)外，還需用到多種裝備進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

例如，模擬失重水槽可以給航天員提供模擬失重的訓(xùn)練環(huán)境，這對(duì)于出艙活動(dòng)，特別是艙外行走、出艙裝配和維修等艙外作業(yè)，是最為有效的訓(xùn)練手段。龐大的水槽，可以容納1比1的空間站或飛船模型。訓(xùn)練時(shí)，潛水員可以通過(guò)調(diào)整航天員水槽訓(xùn)練服上的配重鉛塊數(shù)量或位置來(lái)進(jìn)行配平，以便調(diào)整航天員的姿態(tài)，模擬失重環(huán)境下的操作情形。通過(guò)此項(xiàng)訓(xùn)練，可以使航天員體驗(yàn)和熟練掌握失重狀態(tài)下身體的運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)控制，以及出艙活動(dòng)操作的特點(diǎn)、方法、技巧等，包括開(kāi)關(guān)艙門(mén)、出艙進(jìn)艙、艙外行走、艙外作業(yè)等。

艙外航天服試驗(yàn)艙則能模擬空間真空環(huán)境，是航天員出艙活動(dòng)訓(xùn)練的重要設(shè)備。在這里，航天員主要進(jìn)行低壓條件下的正常出艙程序訓(xùn)練和故障訓(xùn)練。此項(xiàng)訓(xùn)練一方面可以考察和訓(xùn)練航天員對(duì)近似真空環(huán)境的適應(yīng)能力和工作能力，使其能夠突破心理障礙，在心理上做好執(zhí)行出艙任務(wù)的準(zhǔn)備；另一方面也可以讓航天員提前感受真實(shí)低壓情況下的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和服裝溫度調(diào)控情況等。

此外，航天員還要借助出艙程序訓(xùn)練模擬器、虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練器等設(shè)備，進(jìn)行艙外航天服和氣閘艙設(shè)備操作訓(xùn)練、正常出艙程序訓(xùn)練、故障處置程序訓(xùn)練、出艙全流程演練等。

除了各類(lèi)針對(duì)性的專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練，航天員還需進(jìn)一步進(jìn)行身體力量訓(xùn)練，尤其是上肢力量訓(xùn)練和核心力量訓(xùn)練，以滿(mǎn)足艙外作業(yè)中攀爬、安裝設(shè)備等動(dòng)作的力量要求。據(jù)科學(xué)測(cè)算，中國(guó)航天員的上肢力量數(shù)據(jù)不亞于皮劃艇、體操等專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員。