12月21日21時(shí)35分,經(jīng)過約7.5小時(shí)的出艙活動(dòng),神舟十七號航天員乘組在空間站機(jī)械臂和地面科研人員的配合支持下,完成了天和核心艙太陽翼修復(fù)試驗(yàn)等既定任務(wù),航天員湯洪波、唐勝杰安全返回問天實(shí)驗(yàn)艙,出艙活動(dòng)取得圓滿成功。航天員湯洪波時(shí)隔兩年再度漫步太空,航天員唐勝杰成為我國執(zhí)行出艙任務(wù)年齡最小的航天員。
航天員唐洪波、唐勝杰執(zhí)行出艙任務(wù)
太空行走與載人天地往返、交會對接一起,被稱為載人航天三大基本技術(shù)之一,對發(fā)展載人航天事業(yè)有著獨(dú)特而重要的作用,尤其是在組建空間站、進(jìn)行太空維護(hù)維修和太空救援等任務(wù)中作用巨大。
下面就讓我們一起走近“太空行走”。
太空行走是什么?就是去太空“逛逛”嗎?
太空行走指的是航天員的出艙活動(dòng)。出艙活動(dòng)是航天員脫離載人航天器或建在其他天體上的基地,依靠自身攜帶的生命保障系統(tǒng),在太空中或其他天體表面工作和活動(dòng),然后再返回載人航天器或基地的一系列過程的總稱。這里的載人航天器包括飛船、航天飛機(jī)、空間站和登月艙等。
空間站在太空中長期運(yùn)行,為人類提供了重要的科研、實(shí)驗(yàn)場所。但是空間站規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無法用火箭直接發(fā)射到太空,只能將各個(gè)部件、設(shè)備逐一發(fā)射,然后在太空中組建起來,這就需要航天員進(jìn)行艙外作業(yè)。劉伯明、湯洪波的出艙活動(dòng),完成了相關(guān)設(shè)備組裝、全景相機(jī)抬升等任務(wù),就屬于這一類活動(dòng)。
航天器在軌維修是出艙活動(dòng)的重要任務(wù)。衛(wèi)星、飛船和空間站的研制、發(fā)射需要投入大量資金,進(jìn)入軌道后開始面臨種種安全風(fēng)險(xiǎn),如設(shè)備故障、儀器失效等,有時(shí)候一塊幾厘米的空間碎片就可能擊毀價(jià)值數(shù)千萬的航天器。而很多時(shí)候只需更換少量部件,就能讓航天器起死回生,繼續(xù)工作。
中國航天員出艙
在美國航天飛機(jī)時(shí)代,航天員每次飛行任務(wù)中都有維修維護(hù)任務(wù)。1990年,價(jià)值15億美元的哈勃望遠(yuǎn)鏡升空后,因故障導(dǎo)致性能下降,航天員經(jīng)過7次出艙,近50個(gè)小時(shí)的在軌維修,成功讓它以更長壽命和良好精度繼續(xù)工作。國際空間站從1998年啟動(dòng)建設(shè),設(shè)計(jì)壽命10~15年,在航天員們的努力維護(hù)下,一直平穩(wěn)運(yùn)行到今天。
載人航天風(fēng)險(xiǎn)很高,當(dāng)載人航天器在太空出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí),就需要航天員脫離故障航天器,以太空行走的方式進(jìn)入另外的載具,或者以這種方式對其他航天員進(jìn)行太空救援。未來人類登上月球,太空行走的任務(wù)也將大大擴(kuò)充,甚至成為常態(tài)工作,來推動(dòng)月球基地建設(shè)、資源探測開采、科學(xué)考察等重要任務(wù)。
想去太空?要先闖這四關(guān)
太空行走是航天活動(dòng)中最危險(xiǎn)的任務(wù)之一。航天員離開航天器的保護(hù),只身進(jìn)入茫茫太空,以每秒近8千米的速度漂浮在軌道上,同時(shí)面臨著真空、強(qiáng)輻射、失重和驟冷驟熱交替等嚴(yán)酷太空環(huán)境的考驗(yàn)。
航天員在太空行走,移動(dòng)身體
真空環(huán)境里,航天員如果失去有效防護(hù),15秒內(nèi)就會因缺氧喪失意識,30秒內(nèi)死亡。由于沒有大氣壓力,人體血液和體液會像煮開的水一樣“沸騰”,同時(shí)皮膚、組織和器官向外膨脹。
太空沒有地球大氣和磁場的屏障,航天員將直接面對各種宇宙輻射,包括太陽耀斑爆發(fā)期間噴射出來的太陽射線,銀河系高能粒子,以及紫外線、紅外線、射頻輻射等非電離輻射。這些輻射會對人體造成不同程度的傷害,超過安全限值,會導(dǎo)致航天員患放射病,甚至危及生命。
在太空失重環(huán)境中,航天員會發(fā)生前庭功能障礙,產(chǎn)生暈眩、惡心、嘔吐等“航天運(yùn)動(dòng)病”。長期失重會造成人體內(nèi)鈣、磷、鎂等無機(jī)鹽的排泄增加,發(fā)生骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮。
太空中沒有空氣,對流消失,溫度變化非常劇烈,空間站90分鐘繞地球一圈,一半時(shí)間受太陽照射,一半時(shí)間受地球阻隔,照射時(shí)溫度超過100℃,阻隔時(shí)下降到-100℃。這種驟冷驟熱交替的極端環(huán)境下,航天員持續(xù)幾個(gè)小時(shí)的太空行走,是對身體和心理的極大考驗(yàn)。
航天員太空行走需要直面太空環(huán)境4道關(guān)卡,艙外航天服就是迎接考驗(yàn)的終極保障。
艙外航天服由服裝、頭盔、手套和航天靴等組成,其中最復(fù)雜的是服裝,從內(nèi)到外有6層。最里層是襯里和尿收集裝置,其次是散熱的液冷通風(fēng)層;三、四層分別是保持航天服內(nèi)壓力的加壓氣密層和限制加壓氣密層向外膨脹的限制層;第五層是隔熱層,應(yīng)對艙外極端溫差變化,最外層是保護(hù)層,由多種纖維復(fù)合織物制成,具有良好的柔軟性,耐穿透、耐磨損、耐高溫、耐燃燒、耐腐蝕、防輻射,并有其他裝具接口。
航天員穿戴艙外航天服
除此之外,艙外航天服提供獨(dú)立的背包式生命保障系統(tǒng)、氣液電保障系統(tǒng)、測控和通信裝置,可以說是一個(gè)最微型的宇宙飛船。
我國“飛天”艙外航天服,重100多千克,采用全數(shù)字電控系統(tǒng),可支持航天員長時(shí)間艙外活動(dòng)和多次重復(fù)使用,具有很高的整體效能,更加可靠舒適,為航天員太空行走提供最可靠的保障。
太空行走前,航天員要做哪些準(zhǔn)備工作?
太空行走之前,出艙準(zhǔn)備工作程序也非常復(fù)雜,航天員需要操作上百個(gè)設(shè)備,對專業(yè)知識、操作技能都提出很高要求。航天員要清楚任何一個(gè)設(shè)備的形狀、位置、操作方法、操作要領(lǐng)和關(guān)聯(lián)動(dòng)作,出艙前要準(zhǔn)備很多天,出艙當(dāng)天要提前準(zhǔn)備數(shù)個(gè)小時(shí)。
出艙活動(dòng)時(shí),兩位航天員首先穿著艙外服,進(jìn)行艙外服的系統(tǒng)檢查和艙外服艙載對接系統(tǒng)檢查,“鉆”進(jìn)服裝,對服裝進(jìn)行尺寸調(diào)整、氣密性檢查和全性能測試,確保一切正常。“穿衣”的過程中,兩名航天員互相配合,一人操作,另一人讀操作手冊確認(rèn),確保所有步驟萬無一失。
出艙前準(zhǔn)備
第二步是開展在軌訓(xùn)練。穿上艙外服后,航天員要進(jìn)行移動(dòng)和各種模擬操作,以體驗(yàn)失重狀態(tài)下移動(dòng)和操作的特點(diǎn)。雖然在地面上有中性浮力水槽提供失重訓(xùn)練,但與真正的太空環(huán)境還有較大差距。同時(shí),航天員要找好開艙門的位置和手腳的著力點(diǎn)。在軌訓(xùn)練過程中,航天員要把整個(gè)在軌準(zhǔn)備和艙外活動(dòng)預(yù)演一遍,以進(jìn)一步熟悉出艙程序,但運(yùn)動(dòng)量不能太大,以防患上空間運(yùn)動(dòng)病。這些工作結(jié)束后,航天員將進(jìn)行一段時(shí)間的休息。
最后是過閘程序和開門。航天員通過氣閘艙進(jìn)出空間站,它有兩個(gè)艙門,一個(gè)是與載人大艙連接的內(nèi)艙門,另一個(gè)是通向宇宙空間的外艙門。航天員進(jìn)入氣閘艙后,關(guān)閉內(nèi)艙門,給艙外服加壓,同時(shí)進(jìn)行吸氧排氮,避免減壓病。氣閘艙慢慢泄壓,泄至3千帕?xí)r,艙外服與飛船的氣液組合連接器斷開,服裝轉(zhuǎn)入完全自主供氧和冷卻。
當(dāng)氣壓降至1千帕左右,就可以打開外艙門。開門時(shí)先解鎖,等到艙內(nèi)外壓力平衡,再把門完全打開。出艙之前,航天員還要給艙門罩上一個(gè)保護(hù)罩,避免進(jìn)出艙發(fā)生剮蹭。這個(gè)過程中,航天員始終要用一只手固定身體,只靠單手完成所有動(dòng)作。
經(jīng)歷幾個(gè)小時(shí)的準(zhǔn)備,航天員成功開啟外艙門,正式開展艙外活動(dòng)。
為什么太空行走不是自由自在地遨游太空?
航天員出艙進(jìn)行太空行走,會嚴(yán)格被物理規(guī)律所支配,這是極端危險(xiǎn)的工作,稍不注意就會被空間站彈飛到太空中,需要遵循一整套的行動(dòng)和技術(shù)規(guī)范。
根據(jù)國內(nèi)外專家計(jì)算和國際空間站的經(jīng)驗(yàn),航天員出艙后將與空間站保持?jǐn)?shù)個(gè)不同的相對運(yùn)動(dòng)軌跡(和離艙點(diǎn)相關(guān)),航天員的運(yùn)動(dòng)軌道通常是呈橢圓形。航天員離艙時(shí)所用力度、角度,都將影響他在“太空飛行”時(shí)的軌道,力度角度稍有偏差,就會掉入太空中,所以航天員必須擁有豐富的物理知識以及經(jīng)過千百次的訓(xùn)練,才能進(jìn)行太空行走。
艙外活動(dòng)時(shí),航天員要扎牢安全繩索。由于處于失重狀態(tài),無法用腳行走,航天員移動(dòng)身體就要靠手、機(jī)械臂或載人機(jī)動(dòng)裝置。為了方便航天員移動(dòng),空間站艙外專門安裝扶手,航天員可以像攀巖一樣移動(dòng)身體,這要求臂力和體力都很好。
通常,兩位航天員出艙時(shí),一位通過傳統(tǒng)方式,依靠空間站艙外扶手運(yùn)動(dòng),另外一位通過機(jī)械臂輔助運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),地面測控中心各分系統(tǒng)密切配合,通過天鏈系列衛(wèi)星,建立通信連接,為地面實(shí)時(shí)觀測航天員出艙狀態(tài)、航天員與地面之間對話溝通提供了高速話音圖像中繼服務(wù)。
為了確保航天員太空行走安全,出艙活動(dòng)也要選擇最佳時(shí)間,這就是出艙窗口。時(shí)間選擇要考慮人的安全和設(shè)備安全,盡可能安排在陽照區(qū)??臻g站在近地軌道運(yùn)行時(shí),多次穿越南大西洋異常區(qū),這一區(qū)域的異常輻射對電子設(shè)備、儀器有影響,對人體也有較大危害,因此出艙活動(dòng)安排必須避開該區(qū)域。
為了在太空“走兩步”,航天員做了哪些訓(xùn)練?
為圓滿完成出艙任務(wù),航天員還要進(jìn)行出艙活動(dòng)和出艙維修相關(guān)訓(xùn)練。其中既有基礎(chǔ)理論訓(xùn)練、體質(zhì)訓(xùn)練、心理訓(xùn)練、專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練等常規(guī)訓(xùn)練項(xiàng)目,也有出艙程序訓(xùn)練、失重訓(xùn)練、低壓艙訓(xùn)練及出艙任務(wù)訓(xùn)練等挑戰(zhàn)生理極限的高難度訓(xùn)練項(xiàng)目。
出艙程序訓(xùn)練是航天員出艙活動(dòng)訓(xùn)練中最重要也是最全面的訓(xùn)練項(xiàng)目,是在航天員掌握理論知識和專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展的,在專用設(shè)備——具備氣閘艙的出艙程序模擬器中進(jìn)行。航天員穿著訓(xùn)練用艙外航天服,模擬訓(xùn)練出艙過程及操作特點(diǎn)。
出艙程序訓(xùn)練項(xiàng)目很多,基本涵蓋從出艙活動(dòng)準(zhǔn)備到出艙活動(dòng)結(jié)束返回、整理完畢艙外服的全部工作程序,包括開關(guān)內(nèi)外艙門、檢查艙外服和氣閘艙、大流量氧沖洗艙外服、吸氧排氮、進(jìn)入航天服、氣閘艙泄壓和復(fù)壓等訓(xùn)練項(xiàng)目。
航天員出艙活動(dòng)主要進(jìn)行維修、排除故障、組裝空間站、航天器的布放和回收等任務(wù),對失重狀態(tài)下航天員的工作能力和操作的精確性要求很高。
這方面訓(xùn)練大部分是在模擬失重水槽里進(jìn)行。模擬失重水槽由槽體、水處理系統(tǒng)、人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)以及救生與醫(yī)療救護(hù)設(shè)備等組成,水質(zhì)要達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn),水深10~15米,有一個(gè)與實(shí)物大小相同的空間站氣閘艙。
訓(xùn)練時(shí),航天員穿著訓(xùn)練用艙外服進(jìn)入水中,通過調(diào)整艙外服上的配重器和配浮器,使航天員在水中受到的浮力和重力相等,可以懸浮在水中。這時(shí),航天員處于失重狀態(tài),與太空失重的感覺非常相似,再通過大量反復(fù)訓(xùn)練,熟練掌握失重狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以及太空作業(yè)的方法技巧。
航天員進(jìn)行水下訓(xùn)練
不過這種方式還不能完全還原失重環(huán)境,一方面人體的生理反應(yīng)還是處于重力環(huán)境中,另一方面水下運(yùn)動(dòng)時(shí)受到水的阻力與失重狀態(tài)差別較大,所以航天員進(jìn)入太空后還要開展適應(yīng)性訓(xùn)練。
真空、低壓環(huán)境訓(xùn)練在專用試驗(yàn)設(shè)備低壓艙里進(jìn)行。低壓艙可以模擬除失重以外的大部分太空環(huán)境,包括真空、低壓,冷熱及輻射環(huán)境,航天員能夠以接近實(shí)戰(zhàn)的狀態(tài)進(jìn)行訓(xùn)練,真實(shí)體驗(yàn)吸氧排氮、用氧氣沖洗艙外服、氣閘艙泄壓復(fù)壓等過程,并在較真實(shí)的環(huán)境中穿艙外服開展操作訓(xùn)練和故障處置訓(xùn)練,如航天服電源故障、通風(fēng)故障、溫控故障、航天服泄漏和艙外服通風(fēng)、調(diào)溫、儀表監(jiān)視等。
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