中國航天員在空間站艙外太空行走實景

10月30日，隨著神舟十九號乘組進駐中國空間站，三名航天員的太空生活也正式開始。按照計劃，在6個月的太空出差過程中，他們將進行空間站空間碎片防護裝置安裝、艙外載荷和艙外設備安裝與回收等任務，而這些任務的完成都依賴于太空行走。

太空行走是載人航天關鍵技術之一，也是空間站任務中挑戰(zhàn)最高的任務之一。隨著空間站的建成，中國航天員執(zhí)行出艙任務已逐步走向常態(tài)化。

太空行走對于航天任務有什么重要意義？在地面如何進行太空行走訓練？下面就將為大家進行詳細的解答。

航天員為何要出艙

簡單地說，太空行走主要有六大用途：

一是在太空組裝、擴建空間站；二是在太空維修、維護航天器；三是回收、維護與釋放衛(wèi)星；四是完成一些科研任務；五是進行緊急太空救援；六是載人登月和載人登火星等。所以，太空行走很重要。

美國曾通過航天員太空行走修復了剛一發(fā)射上天就出現重大故障的“天空實驗室”空間站，使它“起死回生”。蘇俄航天員則多次利用空間出艙活動修理了和平號空間站，使它轉危為安。

當前在軌運行的“國際空間站”更是由航天員通過多次太空行走才完成了在軌組裝的。美國還通過太空行走5次在軌維修了“哈勃空間望遠鏡”等衛(wèi)星，使1990年升空的它延年益壽至今還在工作。美國“阿波羅”登月航天員在月面行走時完成了多項科學實驗。

美國航天飛機航天員出艙站在機械臂上維修“哈勃空間望遠鏡”

隨著太空行走技術的發(fā)展，太空行走的方式也越來越多。按出艙活動的目的和任務一般可分為四種：驗證類出艙活動、組裝類出艙活動、維修類出艙活動，以及有效載荷類出艙活動，即回收、修理和釋放衛(wèi)星或在月面安裝實驗裝置、采集月巖標本等。

2008年，我國航天員翟志剛進行了我國第一次太空行走，屬于驗證類出艙活動，而現在，我國空間站航天員進行的太空行走屬于組裝類出艙活動、維修類出艙活動。

由于我國空間站航天員太空行走時間很長，而且要完成復雜的艙外安裝任務，包括進行人和機械臂的協同配合，用機械臂把航天員轉運到艙外作業(yè)點附近工作，所以難度比較大。

另外，每次會有兩人一起出艙完成任務，這樣不僅能完成較多的空間艙外工作，他們也互為備份，保證太空行走的安全。

太空行走必經之路

進行太空行走首先要使用的一個重要設備是氣閘艙。氣閘艙是航天員出艙活動的門戶，用于密封艙與宇宙真空之間的隔離。它都有哪些用途呢？

首先，氣閘艙可以防止航天員打開艙門進入宇宙空間時載人航天器內的氣體大量流失。載人航天器的氣閘艙是空間站內的一個小隔間，一般有2個艙門。其中與空間站大艙連接的叫做內艙門，可通向太空的叫做外艙門。

出艙時，航天員先打開內艙門進入氣閘艙；接著，航天員關閉內艙門，穿上艙外航天服，進行預先吸氧；然后，把氣閘艙逐步減壓到真空狀態(tài)，這時就可打開外艙門進入宇宙空間了。

航天員返回氣閘艙時按相反的順序操作，即航天員返回氣閘艙后，先關閉外艙門，然后逐步恢復氣閘艙的壓力，當氣閘艙內的壓力與座艙內的壓力相等時，就可以打開內艙門了。

氣閘艙還可以在航天員出艙前對大氣壓力進行調節(jié)，預防航天員在進行太空行走時患上減壓病，影響太空行走任務的完成。因為目前所有載人航天器內都是1個大氣壓，而航天員出艙活動穿的艙外航天服內的壓力較低。

我國艙外航天服采用1/3個大氣壓體制，如果艙外航天服為1個大氣壓，由于壓力太大使航天員無法活動。

但是穿1/3個大氣壓的艙外航天服直接出艙會患減壓病。這是因為航天員出艙后，因艙外沒有壓力，人體組織內的氣體會因外界壓力低而往外逸出。

氧氣是人體需要的，逸到哪里都可以。但氮氣逸出人體組織外就會使人體產生皮膚發(fā)癢、關節(jié)與肌肉疼痛、咳嗽和胸悶等癥狀。這種從高壓（1個大氣壓）變成低壓（1/3個大氣壓）所引發(fā)的病就是減壓病。

對此，必須采取措施，其方法就是在出艙前通過吸純氧來置換出身體內的氮，使存留在身體內的氮減少到不會影響航天員身體健康的程度，這個過程就叫“吸氧排氮”。

航天員在氣閘艙內，通過高低壓環(huán)境之間的逐步過渡，以及采取吸氧排氮措施，則能預防減壓病。所以，氣閘艙內一般還裝有吸氧排氮設備。

問天艙的氣閘艙

問天艙的氣閘艙內部

氣閘艙的另一作用則是泄壓和復壓，使航天員可以方便地打開艙門進入宇宙空間，以及在航天員回到艙內后恢復氣閘艙內的壓力。

我國空間站的“問天”實驗艙裝有主份氣閘艙，目前航天員都是從那里出艙。

必須穿艙外航天服

由于人一旦暴露在太空中將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷等危險，因此航天員出艙時必須穿艙外航天服，使身體與太空惡劣環(huán)境隔離開來，并向航天員提供一個相當于地面的環(huán)境。

可以說，艙外航天服就是一種微型載人航天器。

有的艙外服裝配有飲水袋和食物，供長時間太空行走的航天員飲食。由于穿了艙外服后手伸不到臉部，所以有的艙外服中還有搔癢工具。艙外服內有“尿不濕”，在太空行走期間可以小便，但一般不能大便，因此空間出艙前一般吃低產氣、低纖維、高能量密度的食品。

2008年，翟志剛進行了我國首次太空行走。他穿著的是我國第一代“飛天”艙外航天服。這套航天服重120公斤，配有生命保障系統(tǒng)背包。艙外航天服從內到外分6層：舒適層、備份氣密層、主氣密層、限制層、隔熱層、外防護層，具備防輻射、溫度調節(jié)和壓力調節(jié)等功能。

目前，我國空間站航天員出艙使用的是第二代“飛天”艙外航天服，重達130公斤。它可支持更長時間的艙外活動，從第一代的4小時增加到8小時；重復使用次數也由第一代的5次提高到15次；關節(jié)部位改用小型化氣密軸承，大大提高了關節(jié)靈活性，減少了航天員艙外活動時的體能消耗；手套由第一代的可握直徑為25毫米物體提升為可握直徑為5毫米物體。

經過大量改進與升級，第二代“飛天”艙外航天服的整體效能、可靠性、舒適性有了進一步提高，航天服的操作動作和信息識別更加迅速、準確，科技感更強，同時具有中國的審美識別性。

中國登月服

在今年 9 月，我國首次公開了中國登月服外觀。它能夠對月球表面的真空、高低溫、月塵、輻射等復雜環(huán)境進行綜合防護，其綜合防護面料可有效防護月面熱環(huán)境及月塵影響；配備了全景式防眩光面窗，可提升視覺工效；頭部兩側配置長短焦距攝像機，能實現遠近景視頻攝錄。

胸前有多功能集成控制臺，讓操作更便捷高效；采用了整體輕量化，適應月面活動需求，并且在低重力環(huán)境下關節(jié)配置經過優(yōu)化，活動能力增強，可蹲可彎腰。

與“飛天”艙外航天服相比，正在征集名稱的登月服外觀的整體性更加凸顯，外部設備元器件呈現小型化、集成化，使其更像一件 “衣服”。

怎樣訓練太空行走

太空行走技術非常復雜，為此，航天員進入太空前必須進行大量的地面訓練。其中最重要的訓練是在水槽中進行。因為這種方法可以給航天員提供模擬失重的訓練環(huán)境，是最為有效的訓練手段。

我國航天員中心的中性浮力水槽呈圓形，直徑23米，深10米，亞洲最大。在水槽訓練時，需通過調整航天員水槽訓練服上的配重鉛塊，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。

中國航天員中心的中性浮力水槽

水槽內有個1:1的核心艙模型。通過中性浮力水槽訓練，可使航天員體驗和熟練掌握模擬失重狀態(tài)下身體的運動與姿態(tài)控制，以及出艙活動操作的特點、方法、技巧和技能，包括開關艙門、出艙和進艙、艙外行走、艙外作業(yè)，安裝新的設備、修理和更換部件等。

航天員在水槽訓練的主要項目有開關艙門、艙外行走、艙外作業(yè)等單項操作技能訓練，以及正常出艙程序訓練以及艙外救援訓練。艙外活動的一個操作動作，一般要在水槽里練幾十次。

神舟十九號航天員進行水下訓練

在太空失重環(huán)境中，航天員要靠手把扶住周圍的某些物體，用手“走”，因此需要航天員的上肢肌力和耐力較大，這就要求航天員在飛行前要加強上肢力量的鍛煉。

為此，我國空間站乘組加強了體能訓練、上肢力量訓練和核心力量訓練。航天員在水槽里訓練時，要穿200多公斤的水槽訓練服在水下訓練幾個小時，很累，航天員最初訓練結束后連筷子都拿不住了。

另外，男女航天員的訓練標準是一致的，所以女航天員最初也面臨巨大挑戰(zhàn)，但經過訓練后都沒有問題了。

太空行走難點在哪？

太空行走技術難點有三：一是太空無路可走；二是航天員在失重狀態(tài)也沒法用腿行走，主要是靠手；三是艙外環(huán)境十分惡劣，必須使用復雜而可靠的出艙活動系統(tǒng)來克服空間環(huán)境的影響，如果出艙活動系統(tǒng)中某個重要部件出現故障，就有可能危及航天員的生命安全。

另外，在太空中行走時人體運動和作業(yè)規(guī)律完全不同于地面，也有別于艙內，所以要掌握在太空中的運動與控制技術，最重要的是讓航天員在失重狀態(tài)下將身體保持在一定的位置，這需要靠手把持住周圍的扶手。

因此，航天員手、手腕和手臂的肌力和耐力十分重要，這就要求航天員在飛行前要加強手、手腕和手臂肌力的鍛煉。

中國航天員站在小機械臂上進行出艙活動

太空行走時，航天員大部分時間是從一個工作位置移動到另一個工作位置，因此在太空行走中如何有效地進行身體移動是一項非常重要的技術。

在太空失重環(huán)境中移動身體，關鍵的是要慢、要小心謹慎、要不慌不忙，同時要控制好自己的身體，不要接觸到任何飛行中的物體，不要快速移動，否則會產生不必要的旋轉……

太空行走與在模擬失重水槽中的訓練還不完全相同。在水槽中訓練時，由于水的阻力較大，所以航天員做動作時比較緩慢。

但是在太空行走中沒有阻力，使航天員做動作靈活性增強而容易失控。比如，你擰一個螺絲，如用勁太大可能跟著旋轉。

所以在艙外移動身體和操作時要慢一些。在太空中控制和移動身體跟在地球上還是不一樣的，需要航天員去體驗，真正的情況只有在太空實際操作中才能體會。

太空行走中的危險

至今，雖然在太空行走中沒有出現過人員傷亡，但還是遇到了許多危險。其中最危險的一次，就是1965年太空行走第一人列昂諾夫出艙后，因艙外服的限制層發(fā)生故障，艙外服鼓了起來，差點沒能返回艙內。

在太空特殊環(huán)境下，航天員容易得空間運動病，曾對太空行走影響較大。1969年3月，阿波羅9號航天員施韋卡特在升空第2天準備出艙時突然嘔吐，這表明他患了空間運動病。為此，他推遲了出艙時間，因為如果在太空行走過程中嘔吐，嘔吐物會飄在頭盔內無法處理，并可能被航天員吸入肺中造成嚴重后果。為了減少空間運動病的影響，現在航天員一般是在上天后的第三天才太空行走。

氣閘艙艙門的好壞直接關系到航天員的生命安全。1990年7月17日，2名俄羅斯航天員經過量子號氣閘艙走出和平號空間站，他們在氣閘艙還未完全減壓到0時就打開了艙門。結果在艙門打開時艙內氣體涌了出來，損壞了門的鉸鏈，最后他們只能通過應急氣閘艙關閉了內艙門。

最常見的問題大都與艙外航天服故障有關。例如，2013年7月16日，意大利航天員帕爾米塔諾在太空行走時由于突遇頭盔漏水故障而差點兒被水淹死，后來他使用安全繩才把自己“拉”回了“國際空間站”氣閘艙內艙門。

最令人頭疼的是人為失誤對太空行走所造成的影響。1977年12月20日，聯盟二十六號航天員格里奇科在氣閘艙內輔助羅曼連科進行太空行走。當羅曼連科把頭伸出艙門外，身體即將離開空間站時，格里奇科發(fā)現他沒有系安全帶，并手疾眼快地一把拽住了他。實際上羅曼連科還是系了安全帶，只不過后來松開了。

結語

隨著人類對太空探索的不斷深入，太空行走不僅成為了連接地球與太空的重要橋梁，更是實現太空站建設、維護、科研及未來深空探索任務的關鍵一環(huán)。

神舟十九號乘組以及未來更多航天員的太空行走活動，不僅是對人類勇氣與智慧的展現，更是科技進步與人類智慧的集中體現。展望未來，隨著載人登月、火星探測等深空任務的規(guī)劃與實施，中國航天員太空行走的步伐也將邁得更遠。

作者：龐之浩

全國空間探測首席科學傳播專家

責編：董小嫻

審核：劉鯤 李培元

來源：蝌蚪五線譜

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