舱外服能支撑7小时的舱外活动吗?揭秘首次出舱活动背后故事

“神舟十二号,我是曙光!”曙光象征着光明和希望
对我国载人航天事业来说,“曙光”曾是星星之火,国家启动第一次载人航天计划,名为“曙光一号”工程,最后由于经济基础薄弱,被迫下马。直到1992年,载人航天工程再次启动,中国航天员科研训练中心终于迎来了载人航天事业的“曙光”。
对于在轨航天员来说,“曙光”意味着距离太空400公里高度下航天员系统岗位人员的全力支持。
不仅如此,在空间站阶段首次出舱活动中,“曙光”指引着他们行走太空的每一步。
7月4日14时57分,经过约7小时的出舱活动,神舟十二号航天员乘组密切协同,聂海胜作为我国空间站首个操控机械臂的航天员,顺利配合出舱活动完成作业点微调工作,舱外航天员刘伯明、汤洪波圆满完成出舱活动期间全部既定任务,安全返回天和核心舱,我国空间站阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功。
在出舱活动直播镜头里,“曙光”指挥全程给在轨航天员发布口令,在他身边,有一排穿着蓝色试验服的岗位人员,不断地相互交流,他们均属于出舱活动支持小组。为了这次出舱活动的顺利实施,付出了诸多心血。
“新型组织指挥模式非常高效!”
针对空间站阶段出舱活动任务复杂难度大的特性,2021年3月4日,载人航天办公室决定成立汇集航天员系统、空间站系统和测控系统的相关责任总师和岗位支持人员组成的出舱活动联合专班。专班由航天员系统牵头,航天员系统总设计师黄伟芬任专班组长。由20余人组成的专班在黄伟芬组长的带领下,完成了神舟十二号任务航天员出舱活动实施总体方案、出舱活动故障预案、正常情况下协同程序、应急处置协同程序和最低出舱条件放下准则等相关顶层设计方案,作为实施出舱活动依据。
专班成员进行了40余次的充分讨论、推演和集成办公,在此过程中,配合愈加默契。他们和乘组航天员在虚拟现实模拟器、出舱活动程序训练模拟器、模拟失重训练水槽进行了10余次的演练,乘组航天员在轨期间也演练了数次。
专班确定了出舱任务实施的新工作模式,成立出舱活动支持小组,成员由专班成员抽调组成,在出舱活动实施中给航天员提供支持,并提出决策意见。黄伟芬任小组组长,航天员系统一名教员担任出舱活动专项指挥,代号“曙光”,沿用的是航天员系统调度的代号。此外,空间站系统调度代号“天和”,测控系统调度代号“北京”。
当航天员准备执行出舱任务时,从核心舱进入节点舱并关上两舱之间的双向承压舱门开始,直到出舱活动任务完成返回核心舱并关上两舱之间的双向承压舱门结束,这段过程由“曙光”指挥全程实施。
在新型组织指挥模式下,此次出舱任务呈现出跨系统、跨部门、舱内外配合,天地协同,在轨航天员“01”聂海胜、“02”刘伯明、“03”汤洪波和地面“曙光”“天和”“北京”六方联动的特点。
“如果后续时间不够,做不完的话能不能取消部分工作?”任务进行过程中,有领导关切地问。
“您放心,我们一定能完成所有既定任务!航天员不说放弃,我们就绝不放弃!”出舱活动支持小组组长黄伟芬言语间充满自信。“正是由于前期我们出舱活动专班一起开展了大量的工作,彼此之间才能配合默契,沟通有效,节约了时间。” 
任务结束后,乘组航天员也对此次新型指挥模式给了大大的赞。刘伯明开玩笑地说:“本以为出舱过程中遇到问题,你们会层层请示上级并开会呢。没想到你们几个人两分钟内就给出意见。这个模式非常高效!”
“出舱活动一开始,时间就比预计得晚”
“曙光”指挥王焰磊清晰果断的口令响彻整个太空,在轨航天员与他配合默契,出舱任务圆满完成。他也随之成为“网红”。他说任务结束后,一开手机,发现有200多个来自同学朋友亲人的微信祝贺,他们都以他为荣。
王焰磊是该中心航天员选拔训练室主任,也是该中心最年轻的“80后”室主任。 有人称赞他说:“这么年轻就当主任,载人航天事业发展有活力!”他从事教员工作16年,并担任过“神舟七号”任务出舱活动训练主教员,有着丰富的经验和临危不乱的处置能力。
在出舱前几天,王焰磊和航天员系统总体岗一起,与空间站系统和测控系统的岗位人员根据任务当天的测控弧段,对整个任务流程进行反复复核,明确每条指令发送的时间点、重要事件的时间点以及逻辑顺序。
可没想到,出舱活动一开始,他就遇到当头一棒。由于太空复杂因素,航天员出舱前准备的时间比预计的要延长半小时左右,出舱活动时间因此也要往后顺延,意味着之前拟定好的时间节点和事件全被打乱了,所有测控弧段要做的事都得重新评估和调整,这对指挥的节奏把握能力提出了严峻考验。
现场有人着急地说:“不然催航天员动作加快点?” “不行,没有充分的准备,必然会给后续工作带来安全隐患,也会给航天员造成心理压力。”王焰磊坚决否定了这一要求。“我太熟悉航天员对哪些操作程序需要花费多长时间,能做到什么程度,我们会据此进行相应调整。”
果不其然,在后续进程中,航天员在出舱过闸段,把耽误的时间又抢回20分钟左右,一系列动作十分流畅,这归功于在地面上进行的多次出舱活动程序训练。为了模拟太空失重环境,该训练模拟器使用一套可以往三个维度移动以及自转的悬吊设备,将身穿舱外服的航天员悬吊起来进行空间站出舱活动舱外服和节点舱的单机操作训练、出舱流程及故障模式出舱流程训练等。
王焰磊的眼神紧随在轨航天员的一举一动,在关键时刻给予温馨提示。“03”航天员汤洪波在进行应急返回演练过程中,为了防止磕碰风险,王焰磊从各路视频图像中综合观察,及时告知。“‘03’注意身体姿态向下控制,避免头部磕碰。”“‘03’注意保护面窗,泛光灯距头部太近。”……伴随着他的一路叮嘱,汤洪波以最快速度攀爬回舱口,并进入节点舱。
当“02”航天员刘伯明将舱外操作台从机械臂拆除时,遭遇了“拦路虎”。
由于在太空,物体的质心偏高,一米多长的操作台摇摆不定,加上航天员没有着力点,操作起来非常费力。王焰磊先后试着让汤洪波固定刘伯明或让汤洪波替代刘伯明操作都没成功。
这时,刘伯明灵机一动,跟指挥王焰磊说:“曙光,按出舱流程操作试试?”旁人可能听不懂该术语,王焰磊心领神会。原来刘伯明指的是按之前操作台出舱时的安装流程将其逐段分解拆除再进行组装,而非原计划整段拆除和安装,这样就降低了质心,稳定性会好些。
王焰磊迅速跟出舱支持小组的空间站岗位人员确认技术状态,同步分析此时舱外的安全绳够不够用,随即请示组长黄伟芬,在组长决策可以按此实施后及时发出指令:“神舟十二号,将操作台进行拆解,使用两条安全带分别固定,在确保安全的情况下进行操作。”口令下达完毕后,空间站正好飞出测控区。11分钟后再次进入测控区时,刘伯明已经将操作台拆除并安装到节点舱门口的舱外工具箱上。
在他们的完美配合下,出舱活动的既定工作悉数完成,直到航天员安全进入核心舱,王焰磊一直悬着的心才算真正放下来。一天下来,王焰磊顾不上吃饭,连水都不敢喝一口。其间,只在某次出测控区时间较长时,出去透了口气。“我们需要关注的点太多,航天员的每项操作、任务进程、可能出现的异常以及影响,还要根据测控弧段及时调整流程,压力还是挺大的。”王焰磊介绍说。
任务结束后,刘伯明总结到:“指挥很到位,口令清晰、明确,关注点很细致,对我们的支持、提示和决策都很及时正确!”
“舱外服能支撑7小时的舱外活动吗?”
神舟十二号乘组还对该中心航天服工程室主任、航天员系统副总设计师张万欣表示了感谢:“两套舱外服特别棒,性能特别出色。感谢你们!”
执行出舱活动前,舱外服支持岗对在轨舱外服和其舱载设备均进行了24小时测试,确保供氧、供电、供水、通信等功能正常。尤其服装气密性检查是重点项目,直接影响到任务的成败甚至航天员的生命安全。
为了确保航天员操作快捷无误,舱外服支持岗提前一天把所有物资和设备所处的位置、象限、产品编号等写成任务清单,上传给航天员。
原计划6小时的出舱活动延迟了一个小时,当出舱活动进行到5小时后,大家开始担心,服装还能不能保证7小时?
同为支持小组成员的张万欣淡然一笑:“没问题。”
因为他们有备而来。为了实时监测舱外服消耗品余量,岗位人员开发了一个消耗品预测分析软件,通过监测现有数据来预测后续工作时长。防止万一软件出现故障,他们还同步进行手动测算。经预测后发现,此时在执行出舱任务的两套服装均能保证8小时以上时长,而事实也验证了这一结论。
出舱活动当天,在地面航天员支持厅,一套崭新的乳白色舱外服成为全场的焦点之一。他们同步准备了电产品桌面联试现场、舱外服和舱载设备整体伴飞现场,防止任务中服装出现问题,及时进行天地同步排故。
舱外服岗位人员田长盛说:“新一代‘飞天’舱外服从立项到现在,走过了8年时间。经过了无数次测试和优化改进,这次任务中完美亮相并圆满完成任务,让我们研制团队深感兴奋和欣慰。在出舱活动整个过程中,我们也一点都不紧张,因为我们对自己的服装非常有信心。”
出舱活动手册是航天员操作宝典 
如果把出舱活动比作一部微电影的话,航天员系统总体岗相当于此次出舱活动的总编剧,担任整个出舱活动任务的总体设计和出舱活动手册的编制。
出舱活动操作手册是航天员在整个出舱过程中需要严格遵守的行动指南。一共有8册800来页,总体室主任设计师王在编写了其中的5册,700页左右。王在笑称“编写这些手册快要了半条命。”由于时间紧,任务重,产品状态定得晚,他要跟各系统协调,核实状态,反复修改,牵一发则动全身,改到他都快崩溃了。这一年,他没日没夜地泡在办公室里,实在太困了就坐椅子上睡几个小时,两三天不回家是常态,最长一次连续五天没离开过办公室,头发都熬白了好多根。
王在和出舱有着深厚的渊源。他曾参与编写神舟七号任务的出舱活动手册,作为志愿者以身试险参加了第一代“飞天”舱外服低压试验,作为试验指挥参加了新一代“飞天”舱外服低压试验。他对出舱流程再熟悉不过了。
出舱当天,总体岗人员也在一直全程关注,记录航天员在轨工作完成情况和反馈信息,便于后续优化调整协同工作模式。王在说:“任务成功,欢欣鼓舞,倍感自豪!”
环控生保助力出舱安全 
舱外服是航天员太空漫步的护身铠甲,但航天员从舱内的正常大气压环境走向舱外真空环境,需穿过节点舱进行过渡,将节点舱分三步逐步泄压到真空状态,才能打开舱门出舱。同理,返回节点舱后分三步逐步复压到常压状态,航天员才可以脱掉舱外服。
节点舱内泄复压、出舱前后在舱内为航天服提供氧气供应、服装制冷等多项支持工作主要由环控生保出舱保障子系统完成。最难的工作是压力和氧浓度调控,由于在节点舱泄压阶段,舱外服要用氧气进行大流量冲洗,舱内氧浓度就会增加。
但是既要防止氧浓度过高带来火灾风险,又要防止氧浓度过低影响航天员呼吸,氧浓度必须控制在0.4kPa内进行精密调控。但是舱容较小,压力变化大,要控制在一个这么小的范围内,难度很大。
为此,岗位人员反复做实验,计算各种工况下的压力、氧浓度数值,制定曲线表研究规律并精确进行预调控。为完成好空间站首次出舱保障任务,环控生保技术组全员一轮轮推演程序、一遍遍故障模拟及对策验证,不放过任何疑点,利用地面组合体试验平台就进行了4次全流程验证。“通过预控,出舱当天氧分压完全按照设计预期,沿着规划路线直奔靶心,正中十环。”该中心航天环控生保室主任卞强说。
当三名航天员在核心舱胜利会师,标志空间站首次出舱任务圆满成功后。还来不及沉浸在胜利的喜悦里,该中心相关岗位人员便召开出舱活动问题复盘分析会。成绩面前找不足,盯住问题隐患,丝毫不遮不掩,分析出数十个需要改进的地方,分工负责、拉条挂账,定好时间期限,确定标准进度,一切又恢复到了紧张的参试状态。

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