太空漫步

太空漫步(The space walk)又称为出舱活动(Extra Vehicular Activity,EVA),是载人航天的一项关键技术,是指航天员脱离母载人航天器或建立在其他天体上的基地,依靠自身携带的生命保障系统,在太空中或其他天体表面上进行工作和活动,然后返回母载人航天器的一系列过程的总称。

出舱活动包含航天员出舱、舱外活动作业和返回等动作程序,运用了航天员在太空中的运动与控制、舱外航天服、气闸舱等关键技术。是实现航天员对航天器进行维修和维护、搭建大型空间站、完成某些特定试验 (如抓取和释放卫星),以及实施太空救援的必备手段,也是未来实现人类对地外天体资源开发和利用的必不可少的技术途径。

太空漫步

自1965年3月18日苏联宇航员阿里克谢·列昂诺夫进行第一次太空漫步以来,俄罗斯、美国和中国的宇航员们先后多次登上太空,完成了月球漫步、借助机动装置「自由」漫步、设备维修、空间站组装、空间站设备安装、跨舱线缆安装等载人航天任务。

太空中或其他星球表面的环境与地球上有很大不同:没有人类赖以生存的气压和气体,处于真空或低压状态,氧气缺乏;高低温变化剧烈;强烈的太阳辐射、粒子辐射;随时可能遭遇微流星或空间碎片的撞击等。若不进行防护,人会因体内液体沸腾和缺氧而死;因不能耐受极端的高温或低温而死。若防护不到位,则可能影响人的健康,出现太空减压病等。此外在舱外失重环境下人体运动和作业规律完全不同于地面,也有别于舱内,航天员在出舱活动时无法依航天器舱的防护,舱外作业过程中遇到的问题又远比在舱内作业中遇到的问题复杂。因此必须采用一些基本技术来保证出舱活动时航天员的安全和健康,并使航天员维持其一定的作业能力。

太空漫步

这些基本技术包括航天员着舱外航天服在太空中的运动与控制技术、外航天服装备技术闸技术活动口选择与出舱活动程序设计技术及航天员出舱活动训练技术等,它们相互补充和协调,共同实现出舱活动航天员防护和维持航天员作业能力两大基本目标。

航天员在出舱活动过程中所处的是微重力环境。航天员相关技术就是掌握人体在微重力环境下的运动特性,以及利用这种微重力下的人体运动特性对航天员的运动加以控制。从太空微重力环境的形成开始,由基本的运动定律建立起人体动力学方程,进而获得人体运动特性模型和对航天员的运动控制。

除了在方法和原理上的研究还包括舱外机动装置的研制。比如美、俄先后研制了系绳装置、机械臂、牧羊钩装置、手持式机动装置、喷气鞋装置、航天员机动装置、载人机动装置和国际空间站上的舱外活动救生辅助装置。

舱外航天服又称出活动装置,有防护空间环境对人体的危害,为航天员提供所有的生命活动保障条件和作业活动功能。用于航天员在开阔的宇宙空间中工作,保证航天员生命安全与功效。是航天员出舱活动时必须穿用的个人综合防护作业设备。舱外航天服装备由舱外航天服、舱外航天服生命保障系统、舱外航天服监测与通信系统和航天员个人装具等组成。舱外航天服技术包括服装的结构、舱载和自主生命保障系统工作原理及服装使用特性等方面的内容。

按照航天服的压力制度,可分为低压航天服和高压航天服两种。低压力制度压力控制在25~40 kPa 范内,采用纯氧气体,航天员出舱前需要吸氧排氮,减少减压病的发生危险率。高压航天服,如美国研制的高压AX-5型和软硬结合式MARK-3型舱外压力服,压力为 57.2 kPa。

按照航天服的压力服结构,可将航天服分为软式、软硬结合式、硬式三种。苏联/俄罗斯上升号、联盟号飞船以及美国穿梭机计划以前的舱外航天服都是软式航天服,除头可拆卸外,其他部分是一个整体。与软式压力服相比半硬式航天服不仅保证了航天员的有效操作,提高了舱外活动效率,增加了可靠性,而且减少了患减压病的危险。美国研制的硬式 AX-5型压力服由铝合金和不锈钢制成,软硬结合式MARK-3型力服,硬体部分用合金和不锈钢材料,软体部分采用聚氨涂层的纺织材料。硬式压力服装使用简便、工作寿命长,但结构尺寸、容积和质量较大,穿着工作时需要施加较大的力,容易导致航天员快速疲劳。

在早期的航天员出舱活动中,采用脐带式的环境控制与生命保障技术。航天员出舱活动期间,利用载人航天器中的生命保障系统,通过脐带为身着航天服的出舱活动航天员进行供氧、去除二氧化碳和排除热量等。采用脐带式的环境控制与生命保障技术时,航天员的活动范围受到脐带的限制变得非常有限。从美国阿波罗登月和苏联礼炮号空间站开始,采用了背包式出舱活动生命保障系统。采用背包式生命保障系统时,航天员利用随身携带小型高压气瓶供氧,采用装有氢氧化锂和活性炭的小型吸收罐吸收二氧化碳和微量污染物,航天员代谢的热量通过水蒸发器或水升华器排除,呼吸和出汗产生的湿气通过冷凝热交换器冷凝,然后再由水分离器分离。

气闸舱是保障出舱活动安全和有效的一个重要节。航天员出舱活动前,在气闸舱内进行从航天器座舱的标准大气环境到纯氧大气、较低压力的航天服环境的过渡,而且气闸舱也是航天员从空间返回航天器座舱的过渡舱,因此,又名过渡舱。航天器座舱内大气压力为正常大气压力,在穿上较低压力的航天服之前,必须在气闸舱内吸氧排氮,否则溶解在体内的氮气就会形成气泡而发生减压病。气闸舱的设计、尺寸和内部设备应当能使航天员有效地进行出舱和进舱时所有必要的操作,能以最短的时间和尽可能小的负荷出舱和进舱。出舱活动用的所有必要装备都存放在气闸舱内。气用舱内还装有必要的命保障设备,使得在出舱前的航天服检测、吸氧排氮和其他准备工作期间不消耗自持式生命保障系统内的消耗品。气闸舱内的操作应有备用方式,以防主要操作方式失灵。气闸舱还可以用作对发生减压病的航天员进行紧急救治的高压舱。

出舱活动的窗口是指航天员在执行航天飞行任务过程中实施出舱活动的时间范围,出舱活动窗口的确定依赖于整个出舱活动系统的设计。一般情况下,选择航天员出舱窗口主要应考虑以下因素:预计的飞行时间;预计的出舱人数、次数和出舱任务;出舱活动窗口尽可能安排在阳照区;出舱活动窗口应保障地面的测控覆蓋;出舱活动窗口应考虑到航天员入轨后的生理适应情况,尽可能避开空间运动病的高发期;应考虑空间辐射环境对人体的影响,尽量避开太阳活动的活跃期和南大西洋辐射异常区域;为预防减压病所采取的吸氧排氮策略等。

出舱活动程序设计是航天员顺利出舱、完成舱外任务并顺利返回载人航天器的基本保证。为了确保航天员的安全,出舱活动程序设计需要明确以下条件:本次出舱将要完成的任务以及完成任务所需的保障条件;出舱人数及舱内配合的人数,「国际空间站」通常是两人执行出舱任务,一人在舱内协助;使用何种出舱过渡舱;测控覆蓋时间;出舱用服的工作压力制度;采用何种吸氧排氨策略;出舱过渡舱使用的泄复压方案;预计航天服准备时间;预计在轨训练时间;出舱用航天服故障预案;出舱应急程序;各系统对航天员的操作要求等。

出舱活动有不同的种类,每种任务的情况也不尽相同。不同种类出舱活动任务都需要提前考虑各种相关因素,并编排出科学、合理的出舱活动任务计划和实施细则,并将这些情况落实到航天任务指挥、各协同部门以及航天员的飞行手册中。经过几十年的发展,出舱活动任务的组织和策划已经日臻完普,在出舱活动窗口设计和程序设计上已经形成了一整套完整的体系。以国际空间站航天员飞行手册为例,在手册中已经将航天员着何种出舱航天服、何时、在何地、做何种工作进行了详细的编排。根据手册航天员可以在地面上进行大量的专门训练。在太空中,航天员可以根据这些完整、严密的编排完成预定的任务。

太空漫步

航天员在舱外执行任务的效率和安全,其先决条件是在飞行前应对每一位需要太空漫步的航天员进行适当的舱外活动训练,使他们熟悉出舱活动的生命保障系统和所穿航天服,熟悉舱外操作的环境条件,以及在开放空间的高真空和微重力条件下操作和活动的特点。训练项目包括出舱活动基础理论训练、出舱活动专业技能训练、出舱程序训练和出舱任务训练等,每个训练项目又包含了许多科目。航天员出舱活动训练还需要出舱程序训练模拟器、中性浮力水槽、低舱、失重飞机等大型地面训练设施和设备。如何科学地进行训练,提高训练效率,保证训练效果和训练安全是航天员出舱活动训练技术所要解决的问题。

出舱活动具有高危险性、高复杂性,因此出舱活动任务次数、任务内容每次出舱活动的时间等都需提前进行详细的编排,做好出舱活动的整体策划工作,编排好出舱活动的窗口和出舱活动的程序,对后续成功的出舱活动而言是至关重要的。

按照工作项目顺序,通常可将航天员出舱活动在程序上分为 5 个阶段,分别为:出舱前准备阶段、出舱过闸阶段、舱外活动阶段、返回过闸阶段和出舱后恢复阶段。

(1)复习本次出舱活动作业任务的相关操作。

(2) 着服状态下,在气闸舱开展失重环境下的施力训练,熟悉失重环境下的移动和身体姿态调整控制方法。

(3)对舱外复杂作业工具开展实际使用训练,熟悉失重环境下的抓握和操控方法。

(4)开展出舱过闸与返回过闸程序的复习,进一步熟悉过闸中的出舱应急程序。

太空漫步

(1)舱外服、舱载对接系统的最终检查,设置为出舱前初始状态。

(2)关闭气闸舱内舱门并检漏。

(3)气密性初步检查。

(4)大流量冲洗舱外服,航天员吸氧排氮。

(5)气闸舱泄压。

(6)当舱压泄完成后,准备打开出舱舱门。

舱外活动阶段从航天员准备开舱门为起点,到航天员出舱完成舱外任务回到气闸舱并关闭气闸舱舱门为终点。

(1)将舱压复压指定压力。

(2)暂停复压,航天员断开舱外服的舱载连接,航天员打开舱外服背包门。

(3)航天员脱去舱外服。

(4)航天员打开内舱门。

(1)将出舱前搬出气闸舱的物品搬回气闸舱。

(2)控制机械臂到初始位置。

(3)关闭出舱期间使用的舱外照明灯、摄像机、通信机。

(4)舱外服清洁维护。

太空漫步

出舱是一项高风险活动。因为航天员面临严峻的空间环境,任何一点故障都可能导致出舱活动的失败,甚至威胁到航天员的身体健康和生命安全。我们就一起来盘点航天员出舱的五大难点。

太空漫步

在航天员出舱活动中,地面必须做到对事故隐患及时发现和迅速处理。在航天员完美亮相的背后,是无数地面工作者的时刻守护。他们通过与航天员通话和电视图像来及时了解航天员的操作过程,并为航天员提供必要的引导,从而实现天地间的协同工作。

「下一次出舱」的03号航天员叶光富在舱内配合支持两名出舱航天员开展舱外操作。他紧盯舱内屏幕密切关注舱外翟志刚、王亚平的一举一动,同时精准、从容地进行机械臂操作,确保将他们运送到正确的位置。身处太空的三人乘组是彼此最坚强的后盾,每一次的满分默契都是千万次精心演练的结果。

这更是一项需要千锤百炼的技能,机械臂就像盘旋在空间站之上的一条巨龙,航天员需要充分掌握「驾驭」它的本领,和它密切配合完成舱外的各项工作。作为舱外工作时极为重要的辅助工具,机械臂能在自身附近任意角度进行抓取和操作,并在空间站表面自如「爬行」。这也要求航天员具备极好的心理素质,在失重情况下实现「人臂合一」,让身上的五星红旗闪耀于苍穹之巅。

航天员在天上做的每一个动作都是技术与胆量的较量.想要顺利执行舱外各项动作,就要在地面经历一番「魔鬼式」训练。这是每位航天员进入太空进行出舱活动前的必经之路。通过虚拟现实训练器等多种设备开展训练,航天员可熟知舱外工作的各项原理并熟练掌握相关设备的操作技能从而确保出舱活动顺利实施。

太空漫步

离开空间站进入太空后,一件舱外航天服和一些出舱保障设备就是航天员短暂的「避风港」。面对200多摄氏度的温差和空间辐射等考验,航天员在克服舱外航天服重量开展活动的同时,舱外航天服也帮助航天员抵挡了恶劣条件的侵害,为他们在极端环境中执行任务提供满满的安全感。

总之,航天员出舱活动期间,天地间大力协同、舱内外密切配合,在多方全力支持下圆满完成各项既定任务,进一步检验了新一代舱外航天服的功能和性能,检验了航天员与机械警协同工作的能力,及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性。

太空漫步,即出舱活动根据不同的划分依据有多种分类方法,现主要介绍其中两种。

太空漫步

根据出舱目的不同,可分为 4 种:

根据航天员漫步时的生命保障系统是否依赖母航天器,可分为 2种:

太空漫步

采用「脐带「式进行出舱活动的优点是简单、低廉,早期的出舱活动都采用这种方式。缺点是过长的「脐带」在航天员出舱距离较远时容易发生缠绕,威胁航天员的生命安全,导致航天员只能在离母载人航天器几米范围内活动,对舱外的活动范围有较大限制。

目前大多数出舱活动都采用「自主「式。如果航天员再配有载人机动装置时,最远可到离母载人航天器约 100 m处活动。不过,为了保障安全,采用「自主「式进行出舱活动的航天员且出舱活动距离较远时多为 2 人一组,目的是相互关照保障安全,及时救助。苏联在出舱活动第 1 人列昂诺夫出舱以后,美国自「阿波罗「登月开始,航天员在出舱活动时不再使用「脐带”式。

1965年3月18日,苏联发射载有别列亚耶夫、阿里克谢·列昂诺夫的「上升」2号飞船,进入太空后,阿里克谢·列昂诺夫离开「上升」2号飞船密封舱,系著安全带实现了到茫茫太空中行走。他在离飞船5米处活动了12分钟,是世界航天史上第一次太空行走。

苏联太空行走的计划实施得非常匆忙,因为美国同时也在进行这方面的研究,而且已经准备就绪。为了领先美国,在关键数据缺失的情况下,两位苏联航天员率先进入太空,完成了人类首次进入太空的壮举。

太空漫步

1965年6月3日,美国发射载有航天员麦克迪维特上尉和怀特上尉的「双子星座」4号飞船,绕地球飞行62圈。怀特到舱外行走21分钟,用喷气装置使自己在太空中机动飞行。

太空漫步

美国的阿波罗航天员阿姆斯特朗,他于1969年7月20日乘坐阿波罗11号飞船在月面上着陆,第一个走出登月舱登上月球。他在月面上停留了2小时31分钟,与阿姆斯特朗一起的另一名航天员奥尔德林也跟随其后登上月球,在月球上也待了2小时31分钟。

太空漫步

1984年2月7日,美国「挑战者」号穿梭机宇航员麦坎德列斯和斯图尔特不系安全索离开穿梭机实现在太空漫步,成为人类探索太空奥秘的第一批「人体地球卫星」。美国宇航局测试「载人机动装置」(Manned Maneuvering Unit)。通过载人机动装置,宇航员得以在空中自由地飞翔。

自从载人航天以来,宇航员已实现了近百次太空漫步。但在1984年以前的60多次太空漫步中,宇航员不仅必须穿上特制的宇宙服,而且还要使用安全带和供给氧、电的「脐带」与航天器连接在一起,以防在太空中飘走。

1984年7月17日,苏联发射「联盟」T12号飞船升空。船上载有扎尼拜科夫、沃尔克和女航天员萨维茨卡娅,与「礼炮」7号空间站-「联盟」T10号飞船联合体对接。萨维茨卡娅于1984年7月25日和扎尼拜科夫一起进行了3小时35分钟的舱外活动。萨维茨卡娅成为世界上第一位在太空漫步的女性。

首位太空漫步的美国女性:女性宇航员凯瑟琳-莎丽文。1984年10月,凯瑟琳-莎丽文将音乐磁带和随身听带入了太空。莎丽文还认为,太空电影《IMAX蓝色星球》中的音乐最能让她找回太空行走的感觉。

太空漫步

美国宇航员斯托里·马斯格雷夫于1993年完成了「哈勃」首次维修任务五次太空漫步中的三次。他将这种太空漫步形象地比喻为「太空芭蕾」。实际上,「哈勃」维修任务中的太空漫步最能体现太空动作的奇妙之处。

太空漫步

2007年11月3日,美国航天员帕拉金斯基完成历时7个多小时的太空漫步,成功修补了一块太阳能电池板。由于电池板依然带电,而且破损点距离工作舱足有半个足球场远,帕拉金斯基要「走」上近一个小时,英国《泰晤士报》曾评论说这次任务是美国航天史上最危险的太空漫步。

经历三年多的准备工作,肩负中国航天员首次出舱活动任务的神舟七号(神七)飞船,2008年9月25日晚9点10分由长征二号F遥七运载火箭点火发射,在酒泉卫星发射中心成功升空;27日下午4点40分,航天员翟志刚出舱漫游;晚上7点24分装置在神七飞船的伴飞卫星成功释放;28日傍晚5点37分,神七安全返回地面。

太空漫步

太空漫步

太空漫步

太空漫步

太空漫步

太空漫步

出舱活动是载人航天活动的三大基本技术之一。所谓三大基本技术,就是载人航天器发射并使航天员安全返回技术、出舱活动技术和空间对接技术。只有掌握它们,人类才能更加自由地出入太空,更有效地开发宇宙资源。对于国家来说,还能独立、平等地参加国际合作。

出舱活动扩大了航天员作业范围,在出舱活动中,航天员可以完成各种复杂的作业,丰富了人类航天任务的内容,是人类开发利用空间资源不可缺少的技术途径。我们可以从以下几个方面理解出舱活动的作用和意义。

太空漫步

太空漫步

总之,如果缺乏航天员出舱活动,人类探索太空和利用太空的步伐将大大受阻。由此可见,航天员出舱活动对于航天事业和载人航天工程的作用不可或缺、意义重大,具有可观的科技效益、经济效益和社会效益。