揭秘中國新型“飛天”艙外服
龐之浩
今年6月17日，我國成功發(fā)射了神舟十二號載人飛船，把3名航天員送到空間站“天和”核心艙內(nèi)工作、生活3個月。在此期間，他們的一個重要任務(wù)就是進(jìn)行兩次較長時間的太空行走，在艙外安裝有關(guān)設(shè)備，并將進(jìn)行首次人和機(jī)械臂的協(xié)同配合，用機(jī)械臂把航天員載到艙外作業(yè)點(diǎn)附近工作，可能會有兩人共同到作業(yè)點(diǎn)完成任務(wù)。
今天，我們約請全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩和讀者聊聊關(guān)于太空行走特別是中國“飛天”艙外航天服的一些事。
神舟十二號乘組在中性浮力水槽中訓(xùn)練。
1 航天員太空行走“不用腳”
在《太空旅行》一書中，俄國的齊奧爾科夫斯基最先從科學(xué)意義上提出了出艙活動設(shè)想，并認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)出艙活動須給航天員提供艙外航天服、氣閘艙和安全繩索。
不少人以為太空行走是在宇宙空間中散步，其實(shí)不然，因?yàn)樵谳d人航天器艙外活動，一是空曠的太空無路可走；二是航天員處于失重狀態(tài)，也沒法用腳行走，他們移動身體是靠手、機(jī)械臂或載人機(jī)動裝置。為了方便航天員艙外活動，艙外專門裝了一些扶手，航天員可以像攀巖一樣移動身體。所以這就要求出艙航天員上肢力量比較大，體力要很好。
因此，太空行走是一種不用腳的“行走”，嚴(yán)格地講應(yīng)該叫太空出艙活動。航天員若在地外星球，例如在月球表面活動，則是名副其實(shí)的太空行走。
太空行走有多種分類方式，例如按太空活動是否列入計劃和時間的緊迫性分為三種。一種是計劃內(nèi)出艙活動；另一種是計劃外出艙活動；第三種是應(yīng)急出艙活動。其中應(yīng)急出艙活動是為了保障載人航天器順利返回地球或是航天員的生命安全。
如果按出艙活動的目的和任務(wù)，太空行走分為四種。一種是驗(yàn)證類出艙活動；第二種是組裝類出艙活動；第三種是維修類出艙活動；第四種是有效載荷類出艙活動，即回收、修理和釋放衛(wèi)星或在月面安裝實(shí)驗(yàn)裝置、采集月巖標(biāo)本等。2008年航天員翟志剛進(jìn)行的我國第一次太空行走屬于驗(yàn)證類出艙活動，而這次神舟十二號航天員進(jìn)行的太空行走屬于組裝類出艙活動或有效載荷類出艙活動。
2 氣閘艙是航天員出艙必經(jīng)門戶
航天員出艙前必須通過載人航天器上裝的一個小艙室——?dú)忾l艙才行，否則會帶來一系列問題。比如，不僅會使整個艙內(nèi)的所有氣體迅速泄光，造成氣體大量浪費(fèi)，而且航天員也會由于壓差大的原因而得減壓病。
氣閘艙一般有2個艙門(也叫閘門)，一個是與載人大艙連接的內(nèi)艙門，另一個是可通向宇宙空間的外艙門。航天員出艙時先打開內(nèi)艙門進(jìn)入氣閘艙，然后關(guān)閉內(nèi)艙門，把氣閘艙逐步減壓到真空狀態(tài)，然后打開外艙門進(jìn)入宇宙空間，航天員返回氣閘艙時按相反的順序操作。
我國“天和”核心艙的節(jié)點(diǎn)艙兼有氣閘艙的功能，供今年出艙的航天員使用，其上方有一個出艙口。天舟二號貨運(yùn)飛船為核心艙運(yùn)去了兩套艙外航天服，然后由神舟十二號航天員取出來放到節(jié)點(diǎn)艙內(nèi)組裝。等到2022年發(fā)射了“問天”實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ后，由于該艙配有主份氣閘艙，所以那時航天員就改為從主份氣閘艙出艙了。
在氣閘艙內(nèi)航天員不僅要穿出艙用的艙外航天服，還要進(jìn)行吸氧排氮。這是因?yàn)檩d人航天器與地面一樣為1個大氣壓，但是為了出艙行動方便，艙外航天服內(nèi)的壓力只有0.3-0.4個大氣壓，所以航天員即使穿著艙外航天服也不能直接出艙，否則仍會得減壓病。如果航天員通過氣閘艙進(jìn)行高低壓環(huán)境的過渡，再加上進(jìn)行吸氧排氮，就可以預(yù)防減壓病的發(fā)生。
因此，神舟十二號航天員湯洪波表示，整個出艙程序非常復(fù)雜，專業(yè)知識、操作技能都很繁雜，信息量巨大。航天員在出艙前要準(zhǔn)備很多天，出艙當(dāng)天也要準(zhǔn)備好幾個小時才能打開艙門執(zhí)行出艙任務(wù)。
身穿液冷服的中國航天員準(zhǔn)備進(jìn)入低壓艙進(jìn)行訓(xùn)練。
3 艙外航天服是太空行走關(guān)鍵保障
由于太空環(huán)境很惡劣，因此航天員出艙時必須穿艙外航天服，以便把航天員的身體與太空惡劣環(huán)境隔離開來，并向航天員提供一個相當(dāng)于地面的環(huán)境。
艙外航天服相當(dāng)于微型載人航天器，技術(shù)很復(fù)雜，是一個國家載人航天實(shí)力的重要體現(xiàn)。它由服裝、頭盔、手套和航天靴等組成，其中最復(fù)雜的是服裝，由多層組成。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；液冷通風(fēng)層外是用于產(chǎn)生一定壓力的加壓氣密層；然后是限制加壓氣密層向外膨脹的限制層；限制層外是對付艙外大溫差變化的隔熱層；最外面是保護(hù)層，它由多種纖維復(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，還有防輻射的功能和連接其他裝具的接口。
艙外航天服的頭盔由頭盔殼、面窗結(jié)構(gòu)和頸圈等組件構(gòu)成，其中頭盔殼的所用材料具有強(qiáng)度大、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。在出艙前，頭盔面窗的內(nèi)部要噴上防霧劑。手套與服裝通過腕圈連接，靴子由壓力靴和艙外熱防護(hù)套靴組成。
艙外航天服在背部裝有提供氧氣等維持生命所需各種條件的便攜式生命保障系統(tǒng)。如果太空行走時間較長，艙外航天服內(nèi)要裝有飲水袋。在飲水管的旁邊還有一個放置食物棒的長孔，航天員只要一伸嘴即可吃到美味可口的棒狀食品。
4 “飛天”艙外服行動更靈活
我國太空行走第一人翟志剛2008年穿的“飛天”艙外航天服質(zhì)量為120千克，高2米，配有1.30米高的生命保障系統(tǒng)背包，可支持至少4小時的艙外活動，能重復(fù)使用5次以上，價值3000多萬元人民幣。
它從內(nèi)到外分6層：舒適層、備份氣密層、主氣密層、限制層、隔熱層、外防護(hù)層，具備防輻射、溫度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)等功能，還有完備的生命保障系統(tǒng)。服裝的四肢裝有調(diào)節(jié)帶，通過調(diào)節(jié)上臂、小臂和下肢的長度，身高1.60-1.80米的人都能穿上這套衣服。最外層防護(hù)材料可耐受±100℃左右的溫差變化。
殼體為鋁合金薄壁硬體結(jié)構(gòu)，厚度1.5毫米，抗壓能力超過120千帕，經(jīng)得起地面運(yùn)輸、火箭發(fā)射時的震動，還能連接服裝各個部位，承受整套服裝120千克質(zhì)量。
“飛天”艙外服采用整體擬人形態(tài)半硬式密封結(jié)構(gòu)(軀干是硬式結(jié)構(gòu)，四肢是軟式結(jié)構(gòu))，及后背鉸鏈門式穿脫機(jī)構(gòu)；采用閉式循環(huán)非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)，由高壓氧瓶供氧，使用40千帕純氧壓力制度，主要采用水升華器技術(shù)實(shí)現(xiàn)主動熱防護(hù)；遙測與控制系統(tǒng)把艙外航天服的工程參數(shù)、航天員的生理參數(shù)和話音信號，利用“臍帶”方式有線下傳或遙測設(shè)備無線下傳；可由“臍帶”模式艙載供電，也能由服裝電池自主供電。
其指尖部分只有1層氣密層，以保持觸覺，手指其余部位內(nèi)有2層真空屏蔽隔熱層。手套的手背處裝有可以翻折的熱防護(hù)蓋片，它不僅能提高手指的熱防護(hù)能力，還能保證手指的關(guān)節(jié)活動性。在手套的握物部位設(shè)置有防滑的凸粒狀橡膠。
重而不笨、行動靈活是“飛天”艙外航天服一大特點(diǎn)。它巧妙地利用了仿生結(jié)構(gòu)，使關(guān)節(jié)活動更自如。其上下肢的所有關(guān)節(jié)處使用了氣密軸承，使航天員的手腳可隨意活動，又能嚴(yán)格保證氣密性。其背包是艙外航天服穿脫口的密封門，在背包內(nèi)安裝了艙外航天服生保設(shè)備，背包殼體下端裝有備用氧瓶等。背包關(guān)閉通過拉緊鋼索和操作關(guān)閉手柄完成。
5 升級版“飛天”艙外服將首秀
“飛天”艙外服頭盔的視野比其他同類產(chǎn)品要大；頭盔上裝有攝像頭，可拍攝航天員出艙操作；兩側(cè)各有1個照明燈，可照亮服裝胸前部分，方便航天員在陰暗面操作；兩側(cè)有報警指示燈，在艙外服出現(xiàn)泄漏時閃動報警，同時還有語音報警。它的面窗有4層：其中里面兩層為充壓結(jié)構(gòu)，即兩層之間充高純氮?dú)夂头漓F劑，外面是防護(hù)面窗，最外層是鍍金的濾光面窗，對太陽光折射率低，防止太陽光線直接照射人眼。
軀干外殼裝有：電控臺、氣液控制臺、氣液組合插座、應(yīng)急供氧管、電臍帶。僅十幾平方厘米的電控臺里有照明、數(shù)碼管控、機(jī)械式壓力表等9個開關(guān)，漢語詞典大小的氣液控制臺里集成了20多種閥門。
出艙通信分為無線和有線兩種方式，它們互為備份，但以無線通信為主。有線通信通過連接航天員腰部左側(cè)的8米長“電臍帶”來實(shí)現(xiàn)，用于傳輸航天員生理參數(shù)，還可與地面直接通話。里面有很細(xì)的鋼纜，不僅能提供備份通信或者能源，也能起到一定的安全防護(hù)作用。但主要靠艙外服胸甲右下側(cè)伸出的兩根一長一短的橘黃色安全系繩及其掛鉤來保障安全。它們內(nèi)部有彈簧，最長可拉至3米，承受1噸的拉力，我國的設(shè)備可保證2-3倍的安全余量。
在電控系統(tǒng)上，“飛天”艙外服全部采用數(shù)字信號處理，顯示屏則采用最先進(jìn)的有機(jī)發(fā)光顯示器技術(shù)，使顯示器更大、更薄、更省電、更能耐受高低溫，顯示色彩更艷麗。
據(jù)悉，這次神舟十二號航天員將穿著進(jìn)行了大量改進(jìn)與升級的“飛天”艙外服，它已經(jīng)組裝完畢，高度在2米左右，重100多千克，可支持更長時間的艙外活動，重復(fù)使用次數(shù)更多，關(guān)節(jié)處更加靈活。艙外服的整體效能、可靠性、舒適性有了進(jìn)一步提高，艙外服的操作動作和信息識別更加迅速、準(zhǔn)確，科技感更強(qiáng)，同時具有中國的審美識別性。
神舟十二號航天員劉伯明表示：“我很期待站在機(jī)械臂末端那一刻，面向整個茫茫宇宙，隨著機(jī)械臂擺動，會有一種飛翔的感覺�！钡拇_，我們所有人都很期待那一刻。
延伸閱讀
掌握太空行走要在浮力水槽內(nèi)訓(xùn)練
中國航天員在中性浮力水槽中訓(xùn)練。
太空行走技術(shù)非常復(fù)雜，要掌握這項技術(shù)必須進(jìn)行大量的訓(xùn)練。它分技能訓(xùn)練和任務(wù)訓(xùn)練兩種。前者是讓航天員學(xué)習(xí)怎樣穿脫艙外活動航天服、熟練掌握出艙程序和在太空行走時控制自己的身體和運(yùn)動；后者是學(xué)習(xí)如何完成出艙活動任務(wù)。
除理論學(xué)習(xí)外，航天員主要在出艙程序訓(xùn)練模擬器、中性浮力水槽和低壓艙三個設(shè)備上，進(jìn)行艙外航天服和氣閘艙出艙活動相關(guān)設(shè)備的操作訓(xùn)練及出艙程序訓(xùn)練。最重要的就是在水槽中的訓(xùn)練，因?yàn)檫@種方法可以給航天員提供模擬失重的訓(xùn)練環(huán)境，所以是最為有效的訓(xùn)練手段。
我國航天員中心的中性浮力水槽呈圓形，直徑23米，深10米，為亞洲最大。在水槽訓(xùn)練時，需通過調(diào)整航天員水槽訓(xùn)練服上的配重鉛塊，使航天員既不浮上來，也不沉底，從而模擬失重環(huán)境的操作效應(yīng)，但與艙外實(shí)際操作還是有些區(qū)別。
水槽內(nèi)有個1∶1的核心艙模型。通過中性浮力水槽訓(xùn)練，可使航天員體驗(yàn)和熟練掌握模擬失重狀態(tài)下身體的運(yùn)動與姿態(tài)控制，以及出艙活動操作的特點(diǎn)、方法、技巧和技能。
由于太空行走主要是用手“走”，所以神舟十二號乘組加強(qiáng)了體能訓(xùn)練、上肢力量訓(xùn)練和核心力量訓(xùn)練，航天員在水槽里訓(xùn)練時，要穿200多千克的水槽訓(xùn)練服在水下訓(xùn)練幾個小時，航天員最初訓(xùn)練結(jié)束后連筷子都拿不住了。另外，男女航天員的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)是一致的，王亞平等兩名女航天員最初也面臨巨大挑戰(zhàn)，但經(jīng)過訓(xùn)練后都沒有問題了。所以今明兩年，我國太空行走第一位女航天員有可能問世。
