在太空漫步航天员要经历怎样的考验?航天科工二院研究员揭秘

8月20日,神舟十二号三名航天员再次执行出舱任务,聂海胜、刘伯明出舱作业,主要安装舱外的热控扩展泵组、抬升舱外全景摄像机以及组装舱外工具箱,汤洪波留在舱内执行指挥与协作任务。
推开太空的“门”,眼前是怎样的风景?想在太空漫步,航天员要经历怎样的考验?相比于神舟七号中国首次太空行走,空间站阶段的有何异同?对此,记者专访了国际宇航联空间运输委员会副主席、中国航天科工集团二院研究员杨宇光。
问: 航天员为何要进行出舱活动?在舱外,航天员都可以做些什么?
杨宇光:
载人航天有三大基本技术,分别是天地往返技术、交会对接技术和舱外活动技术(也叫“太空行走”)。既然是基本技术,就表明它非常重要。回顾载人航天发展历程,舱外活动始于1965年,前苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫进行了人类第一次舱外活动,当时发展这项技术主要是为登月。从50年代后期开始,美国和前苏联展开激烈的太空竞赛,目标是将人类送上月球,那就必须解决出舱活动技术,航天员才能走到月球表面开展活动。
实现载人登月后,出舱技术陆续应用在空间站建设和其他航天活动中。空间站建造方面,在美国“天空实验室一号”、前苏联的“礼炮号”和“和平号”空间站以及正在运行的国际空间站的组装建造过程中,航天员出舱活动都功不可没,甚至还能力挽狂澜。比如,美国“天空实验室一号”入轨后发生严重故障,多亏后来发射阿波罗飞船,三位宇航员出舱维修,才使它恢复了正常工作。
除了航天器维修维护,出舱的意义还在于开展科学研究,包括采集科研样本、安放科研设备等。总的来说,无论是载人登月、在月球表面开展科学考察,还是在空间站进行设备测试、维修和科研活动,出舱技术都不可或缺。
问:为了顺利完成出舱任务,航天员必须做“多面手”。他们都要做哪些准备,掌握哪些技能?
杨宇光:
早期航天活动,几乎所有航天员都从空军飞行员中挑选,一方面是因为他们身体素质好,另一方面,驾驶飞机操作极其复杂,他们在复杂操作、紧急情况处理方面很有经验。
舱外活动对航天员主要提出两方面要求。第一,航天员要具备航天器维修维护和开展科学实验的科学素养,知识储备和操作能力都要有;第二,舱外环境特殊,失重或者微重力条件严重限制人的行动,如果没经过适应性训练就很难在太空进行操作。
从航天历史上看,1965年,前苏联宇航员列昂诺夫完成人类首次太空行走后,美国宇航员爱德华·怀特也进行了太空行走,但完成情况都不理想,没有达到预期目标。到了1966年,双子星座12号任务中,美国宇航员巴兹·奥尔德林进行了美国双子星座计划的最后一次太空行走,非常成功,持续了两个多小时。
为什么这次太空行走如此成功?一个重要原因在于奥尔德林是潜水的爱好者。大家知道,人在水中的漂浮状态和失重状态非常相似。潜水经验帮助奥尔德林驾轻就熟地完成太空行走。也正因如此,“中性浮力水槽”成为开展航天员训练的“标配”。
这种环境对人的体力消耗极大。每一次水槽训练后,航天员们都是浑身大汗,中午吃饭累得连筷子都拿不起来。但也只有经过这样的训练,他们才能“举重若轻”地完成出舱任务。
问:我们看到,航天员在舱内和舱外穿的航天服不一样。舱外航天服是不是也有讲究?
杨宇光:
太空行走是高风险行为,舱外航天服必须提供全方位保护。它相当于一个缩微的独立航天器。我们看到,神舟十二号航天员准备出舱时,并非一开始就穿上我们乳白色的舱外航天服,而是先穿上一个蓝色的、带有很多管子的衣服,我们称之为“通风液冷服”,它将水作为冷却液来冷却身体散发的热量。由于舱外航天服需要屏蔽舱外空间辐射、高低温真空环境等恶劣条件,因此它的密闭性强,但散热性不佳。人在舱外活动的时候活动量极大,由此产生的热量必须及时带走,光靠通风是不够的,还需要用导热性更强的液体。这只是一个方面,航天服非常复杂,航天员也要进行相关训练,绝不是简单的“穿衣服”而已。
问:神舟十二号出舱任务时间,明显比神舟七号的时候长了很多。空间站阶段的航天员出舱任务和神舟七号相比,有何不同?这是否意味着我国舱外活动技术有了大幅提高?
杨宇光:
神舟七号时,中国航天员首次完成太空行走,相当于解决了有无问题。以气闸舱为例,航天员从舱内的正常大气压环境走向舱外真空环境,需穿过气闸舱进行过渡,气闸舱逐步泄压到真空状态后才能打开舱门出舱。神舟七号飞船由轨道舱、返回舱和推进舱三舱组成,它将轨道舱作为气闸舱使用。神舟飞船返回舱加上轨道舱的内部容积只有约7立方米,后来我也听刘伯明做过报告,他们进行各种操作,手几乎只能沿着航天服的缝隙移动,可见空间多么狭小。
他们当时也遇到了一些问题,比如出舱时舱门打开困难,还有传感器故障导致虚报火警。航天活动的复杂性和高风险性由此可见一斑,所以说,在相当有限的的条件下,翟志刚成功出舱挥舞五星红旗,并把舱外的一个样本取回舱内,无疑是中国航天的重要里程碑。
相较之下,神舟十二号的气闸舱(天和核心舱的节点舱)更宽敞、出舱舱门开启更顺畅,同时还肩负着更多关键技术验证工作。比如机械臂操作、紧急情况返回、科学仪器安装等等,操作比之前复杂得多。应当说,从整个飞行任务的意义来看,神舟十二号出舱任务对于关键技术验证和掌握意义更大,也为后续的空间站建设和科学实验活动奠定了良好基础。
问:您刚才也提到了机械臂,它被称作目前同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统。它能发挥哪些作用,在舱外活动中扮演什么角色?国际空间站是否也有机械臂,它是不是空间站必备的工具?
杨宇光:
机械臂最初由加拿大制造,当时也称“加拿大臂”,最早发展于美国的航天飞机。上世纪80年代初,美国航天飞机首航试飞后,很快就用机械臂进行释放卫星、抓捕失效卫星等空间操作;在美国哈勃空间望远镜的维修、国际空间站的建造、维护、科研中,机械臂也都发挥了重要作用。可以说,只要开展空间站等高复杂度的航天活动,机械臂就是“必选项”。
天和核心舱上配置了一个机械臂,最多能承载25吨的重量,是空间站任务中的“大力士”,我们称之为“大臂”。将来,问天和梦天实验舱上还会有“小臂”。大臂长约10米,小臂长5米,两个机械臂就像两只手一样配合操作,组合起来还能形成一个15米长的机械臂,操作范围更广,能做更多科研活动。
中国空间站任务分为关键技术验证、组装建造和运营三个阶段,目前正处于关键技术验证阶段。我们要验证机械臂的许多技术。天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱的重量都在20吨以上,这意味着机械臂也必须具备相应的移动能力。
送航天员到舱外特定位置进行操作也是个复杂的过程,我们的机械臂和人的手臂一样,由7个关节组成,具有7个自由度的活动能力。这7个关节如何进行路径规划、选择一条便捷又安全的路线,也需要做特殊的设计和考虑。
我们还注意到,刘伯明在第一次出舱时还验证了紧急情况应急返回技术。空间操作风险高,比如航天员站在机械臂上出现了误操作,机械臂不停向前运动,那是非常危险的,所以必须具备航天员在任何时候都能紧急返回节点舱的能力。
机械臂这样一个精密而复杂的设备,在太空恶劣的环境里,必须考虑极高温极低温、空间辐射、微流星、空间碎片等影响。真空环境里还有干摩擦(也称“冷焊”)现象,两个金属表面如果长时间贴在一起,就会粘在一起就分不开了,这也是要攻克的技术难题。
问:航天员出舱活动是否存在风险?为了尽可能避免风险,我们都做了哪些保障?
杨宇光:
从整个人类的载人航天的发展历史来看,出舱活动的确风险极高,人类第一次出舱就遇到因压差问题航天服膨胀、宇航员难以返回舱内的严重问题。
在航天员保护方面,舱外航天服是“护身铠甲”。美国“双子星座”计划也进行过多次出舱活动,前面几次都不是非常成功,尤其是当时航天服的散热设计不太合理,没有我们刚才提到的通风液冷服,美国航天员赛尔南出舱活动时,由于服内热量散不出,温度特别高,他几乎都要晕过去了。
在太空真空条件下,太阳辐射到一平方米大小的能量是1300多瓦,航天服必须把这个巨大的能量反射掉。现在空间碎片情况越来越严重,各种微小空间碎片的轨迹是非常难预报的,它要是穿透了航天服,就会造成航天服失压,威胁航天员生命。此外,它的压力保持、供氧、除二氧化碳和有害气体、湿度和温度调节,还包括供电等也都很复杂,易出现问题,所以这方面要进行非常多细致的技术攻关和充分的地面实验。
在紧急情况下,航天员要具备快速(半个小时以内)返回气闸舱的能力,这也是刚才提到的验证机械臂相关技术。
总而言之,我们在做任务设计和航天服设计的时候,必须考虑各种非正常突发情况,充分保障我们航天员的生命安全。但是,哪怕我们采取了很多安全措施,出舱活动风险也不可能完全等于0。也正因如此,能够进行太空行走的航天员,应当说也是航天员中的佼佼者。

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