新闻资讯 · 2022年 9月 1日

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科技日报记者 付毅飞

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9月1日,我国神舟十四号航天员陈冬、刘洋顺利出舱。航天员出舱活动又被称为太空行走,是载人航天的关键技术之一。别看舱内外只是一门之隔,“出门”的背后,却有着相关技术、工艺以及科学训练手段等的重重保障。

出舱地点:

气闸舱是主要出舱通道

游览过三峡大坝的小伙伴,一定对三峡船闸印象深刻。这座规模庞大的通航建筑物,如同水上的阶梯,能够帮助轮船穿越上下游水位落差相当于40层楼高的大坝。

与船闸的原理类似,要往返于正常大气压的空间站与真空环境的太空,需要有一个“中间地带”,而气闸舱就是航天员出舱、返回的“中间地带”。

我国空间站共设计有3个气闸舱。2021年7月4日,随着航天员刘伯明、汤洪波安全返回天和核心舱,神舟十二号航天员乘组圆满完成中国空间站阶段首次出舱任务。此后,神舟十二号、神舟十三号航天员乘组又圆满完成了3次出舱任务。

中国空间站的前4次出舱活动都是在天和核心舱开展的,其出舱口为“节点舱”。节点舱兼具航天器对接与停泊,以及航天员出舱等多项功能,但并不是中国空间站的主份人员气闸舱。问天实验舱的气闸舱才是航天员的主要出舱通道。

如此设计是因为,节点舱位于天和核心舱、问天实验舱,以及后续将发射的梦天实验舱的三舱交汇处。如果将这样一个“交通枢纽”作为主份人员气闸舱,当开展出舱任务时,节点舱就会处于真空状态,三舱之间的交通将被彻底阻断,而且还将阻断航天员进入神舟飞船的生命通道。

因此,主份人员气闸舱通常选择在不干扰其他舱段、较为“偏远”的位置。问天实验舱气闸舱位于该舱末端,开展出舱任务时,中国空间站各舱段以及飞船之间的交通不会受到任何影响。

据中国航天科技集团五院空间站系统总体主任设计师张昊介绍,节点舱的活动空间约为七八立方米,气闸舱则能达到12—13立方米;节点舱内设备、管路和电缆较多,气闸舱则更加整洁,只配置了出舱相关设备,没有其他管路、电缆的羁绊。

此外,节点舱舱门直径约为85厘米,而气闸舱舱门直径达1米左右。“航天员从这里进出,更舒展、更从容,还能携带大个头的设备出舱工作,出舱能力得到大大提升。”张昊说。

问天实验舱气闸舱配备了全套舱外航天服等出舱支持设备,出舱活动任务期间可支持航天员的舱载供氧、制冷和出舱过闸等。平时,气闸舱还能支持舱外航天服贮存、在轨检测、航天员训练等。

未来梦天实验舱与中国空间站交会对接后,三舱皆有气闸舱。除了天和核心舱的节点舱、问天实验舱的主份人员专用气闸舱,梦天实验舱的气闸舱将成为货物专用通道。

出舱装备:

舱外航天服可媲美小型飞行器

推开舱门进入太空,舱外航天服便成为航天员赖以生存的生命保障。

据中国航天员中心航天服工程研究室主任、载人航天工程航天员系统副总设计师张万欣介绍,舱外航天服能为航天员提供安全有效的环境防护、密闭空间的环境控制和生命保障,相当于一个小型飞行器。但与一般飞行器不同的是,航天员在穿着舱外航天服时,还要能完成舱外活动任务,这是舱外航天服最具特色的重要功能之一。

如果舱外航天服出现问题,将直接威胁到航天员的生命安全。2013年,意大利宇航员卢卡·帕米塔诺在舱外作业时,航天服冷却水浸入呼吸系统,导致大量水灌入头盔,一时间他如同头戴一个鱼缸,整个脸几乎都泡在水里,听不见也看不见,好在他后来凭记忆安全返回了空间站。

正因舱外航天服的精密、复杂,且直接关系到航天员的安危,其研制技术工艺难度极高,造价与等重黄金相当。目前全世界只有美国、俄罗斯和中国具备舱外航天服的研制能力。

2008年9月27日,神舟七号航天员翟志刚、刘伯明完成了中国航天员首次太空行走,这也是我国第一代“飞天”舱外航天服的太空首秀。

相比神舟七号任务,中国空间站任务中,航天员要进行时间更长,也更复杂的舱外操作,对舱外航天服的性能要求更高,因而新一代“飞天”舱外航天服得到了大量改进与升级。张万欣表示,新一代舱外航天服具有使用时间更长、安全可靠性更高、机动灵活性更好、测试维修性更强等特点。

新一代“飞天”舱外航天服高约2米,在地面重约120公斤,全套装配下来需要近4个月时间。

舱外航天服对于真空、辐射和高低温的超强防护作用,主要源自航天服的多层设计。航天服的最里层是衬里和尿收集装置;衬里外是用于散热的液冷通风层,将水作为冷却液来冷却航天员身体散发的热量;液冷通风层外是用于产生一定压力的加压气密层;再外一层则是限制加压气密层向外膨胀的限制层;限制层外是对付舱外大温差变化的隔热层;最外面则是保护层,由多种纤维复合而成。

舱外航天服的软结构包括上下肢和手套,从里到外是舒适层、备气密层、主气密层、限制层和热防护层等,既能抵抗太空风险,又能保障穿着舒适、行动灵活。以手套为例,航天服的手套必须手工缝制,尽量一次到位,尺寸公差不能超过1毫米。

舱外航天服躯干部分为金属结构,像一副铠甲,背后挂有保障生命的通风供氧装置。金属结构上有上千个米粒大小的螺丝孔,搭配不同规格的螺丝,装配前需要仔细擦拭,留一粒浮尘都有可能酿成大祸。按照平整度要求,哪怕有0.1毫米的细微毛刺,都要精细打磨。

按照设计标准,“飞天”舱外航天服要保证在轨工作使用3年、保证航天员15次出舱活动。根据计算,其能保证8小时以上的出舱活动。

张万欣介绍,对于未来的舱外航天服,我国的设计思路是模块化、轻量化、多用途一体化设计。例如在实现复杂环境一体化防护、功能模块化的互换性、外部接口的兼容性等基础上,最大程度地减少舱外航天服的自身重量,提高其灵活性与机动性,以充分适应不同探测任务下,各种人机配套模式的适用需求。

出舱准备:

航天员要经历“魔鬼训练”

2019年12月,航天员刘洋与陈冬、蔡旭哲一起,入选了神舟十四号乘组。

刘洋是我国首位进入太空的女航天员,但出舱任务对她来说尚未“解锁”。为此,她选择在训练场上迎接新的挑战。在参加第一次水下验证试验后,刘洋整个人都虚脱了,连拳头都握不住。晃动的水波经过凸面头盔面窗产生的视觉放大效应,让她感觉既眩晕又恶心。

记者从中国载人航天工程办公室了解到,每位航天员在进入太空执行出舱任务前,都要在地面经历“魔鬼训练”,在天上做的每一个动作,都要在地面反复模拟。

出舱活动技术训练包括出舱活动基础理论、专业理论、操作技能、出舱程序以及出舱任务等类别,每一类由不同的训练科目组成。除了理论学习外,还需用到多种装备进行模拟训练。

例如,模拟失重水槽可以给航天员提供模拟失重的训练环境,这对于出舱活动,特别是舱外行走、出舱装配和维修等舱外作业,是最为有效的训练手段。庞大的水槽,可以容纳1比1的空间站或飞船模型。训练时,潜水员可以通过调整航天员水槽训练服上的配重铅块数量或位置来进行配平,以便调整航天员的姿态,模拟失重环境下的操作情形。通过此项训练,可以使航天员体验和熟练掌握失重状态下身体的运动与姿态控制,以及出舱活动操作的特点、方法、技巧等,包括开关舱门、出舱进舱、舱外行走、舱外作业等。

舱外航天服试验舱则能模拟空间真空环境,是航天员出舱活动训练的重要设备。在这里,航天员主要进行低压条件下的正常出舱程序训练和故障训练。此项训练一方面可以考察和训练航天员对近似真空环境的适应能力和工作能力,使其能够突破心理障碍,在心理上做好执行出舱任务的准备;另一方面也可以让航天员提前感受真实低压情况下的运动负荷和服装温度调控情况等。

此外,航天员还要借助出舱程序训练模拟器、虚拟现实训练器等设备,进行舱外航天服和气闸舱设备操作训练、正常出舱程序训练、故障处置程序训练、出舱全流程演练等。

除了各类针对性的专项训练,航天员还需进一步进行身体力量训练,尤其是上肢力量训练和核心力量训练,以满足舱外作业中攀爬、安装设备等动作的力量要求。据科学测算,中国航天员的上肢力量数据不亚于皮划艇、体操等专业运动员。