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太空行走(Walkinginspace),又稱為出艙活動。狹義的太空行走即指航天員離開載人航天器乘員艙,隻身進入太空的出艙活動。廣義而言,航天員在月球和行星等其他天體上完成各種任務的過程也可以稱為太空行走。太空行走是載人航天的一項關鍵技術,是載人航天工程在軌道上安裝大型設備、進行科學實驗、施放衛星、檢查和維修航天器的重要手段。要實現太空行走這一目標,需要諸多的特殊技術保障。1962年6月3日,愛德華·懷特成美國進行太空行走的第一人。

1 太空行走 -歷史

太空行走列昂諾夫首次太空行走

自從載人航天以來,宇航員已實現了近百次太空行走。但在1984年以前的60多次太空行走中,宇航員不僅必須穿上特製的宇宙服,而且還要使用安全帶和供給氧、電的「臍帶」與航天器連接在一起,以防在太空中飄走。

為了維護「和平號」空間站,前蘇聯(俄羅斯)及其他國家的航天員共進行了81次太空行走。「和平號」的壽命由設計時的5年提升至15年,依靠太空行走進行的太空維修功不可沒。

2007年12月,國際空間站的航天員完成第100次太空行走。截至當時,共有73名航天員參與過與國際空間站有關的太空行走,他們的艙外活動總時間已超過624小時(26天)。在他們的努力下,國際空間站從最初的一個艙段「生長」為一個龐然大物。

前蘇聯
太空行走美國太空行走第一人:懷特

1965年3月18日,蘇聯發射載有別列亞耶夫、阿里克謝・列昂諾夫的「上升」2號飛船。飛行中,阿里克謝・列昂諾夫進行了世界航天史上第一次太空行走,他在離飛船5米處活動了12分鐘,他離開「上升」2號飛船密封艙,系著安全帶實現了到茫茫太空中行走。從而成功實現了人類第一次在太空的出艙活動。

1984年7月17日,蘇聯發射「聯盟」T12號飛船升空。船上載有扎尼拜科夫、沃爾克和女航天員薩維茨卡婭,與「禮炮」7號空間站-「聯盟」T10號飛船聯合體對接。她於1984年7月25日從禮炮7號空間站上進行了太空行走,她與另一名男航天員一起出艙,25日,薩維茨卡婭和扎尼拜科夫一起進行了3小時35分鐘的艙外活動。薩維茨卡婭成為世界上第一位在太空行走的女性。

美國

1965年6月3日,美國發射載有航天員麥克迪維特上尉和懷特上尉的「雙子星座」4號飛船,繞地球飛行62圈。懷特到艙外行走21分鐘,用噴氣裝置使自己在太空中機動飛行。這是美國第一次太空行走。

太空行走翟志剛進行了中國第一次出艙活動

第一個在月面上行走的人是美國的阿波羅航天員阿姆斯特朗,他於1969年7月20日乘坐阿波羅11號飛船在月面上著陸,第一個走出登月艙登上月球。他在月面上停留了2小時31分鐘,與阿姆斯特朗一起的另一名航天員奧爾德林也跟隨其後登上月球,在月球上也待了2小時31分鐘。2007年11月3日,美國航天員帕拉金斯基完成歷時7個多小時的太空行走,成功修補了一塊太陽能電池板。由於電池板依然帶電,而且破損點距離工作艙足有半個足球場遠,帕拉金斯基要「走」上近一個小時,英國《泰晤士報》曾評論說這次任務是美國航天史上最危險的太空行走。

中國

2008年9月27日,神舟七號載人航天器的航天員翟志剛進行了中國第一次出艙活動,在太空中揮舞五星紅旗。

2 太空行走 -行走方式

太空行走太空行走

航天員在艙外行走有兩種方式:一種是用早期研製的臍帶式的生命保障系統與乘員艙連接,航天員身穿航天服,航天員所需要的氧氣、壓力、冷卻工質、電源和通訊等都是通過臍帶由「母」載人航天器提供的。由於臍帶不能過長,所以航天員只能在「母」航天器附近活動,如果航天器走遠了則容易使臍帶纏繞,像嬰兒那樣「窒息」而死。

另一種是後期發明的裝在航天服背後的攜帶型環控生保系統。航天員出艙后與「母」航天器分離,由於身穿艙外用的航天服,背著攜帶型環控生保裝置,以及太空機動裝置,航天員可到離「母」 載人航天器100米遠處活動。

實際上,艙外航天服及攜帶型環控與生保系統是一個微型載人航天器,它保證人的周圍有適合的壓力,有通風供氧,有溫濕度調節,使航天員在服裝內正常生存,並能進行太空作業。有人稱載人機動裝置是太空「摩托艇」,因為它裝有推進系統,並能「自由」機動飛行。例如,美國太空梭第10次飛行時,航天員使用的機動裝置有24個氮推力器,利用推力器工作,航天員可以進行6個自由度的飛行。載人機動裝置外形像一個背包,航天員通過手控器控制其高壓氮氣從安裝在不同部位的推力器噴出,就能改變飛行的速度、方向和姿態,成為名副其實的人體地球衛星。

3 太空行走 -目的

競賽

當1965年3月蘇聯航天員阿里克謝・列昂諾夫第一次由「上升」2號飛船飛出艙外時,其目的有兩個:一是在載人航天活動中進行一次技術性的突破,二是使蘇聯在航天技術方面走到了美國前邊,在全世界產生重大影響。美國也不甘示弱,同年6月,美國人懷特在乘雙子星座4號飛船飛行時也飛出艙外。從此,出艙活動的技術就為兩家所共有,在這時人們才談到太空行走的實用意義。

實用

從多次出艙和登月過程中的月面活動看來,太空行走的作用和意義是巨大的。例如,修復載人航天器或其它航天器上的受損部件。美國人曾通過太空行走修復了「天空實驗室」、「太陽峰年衛星」和「哈勃」空間望遠鏡。組建空間站。蘇聯航天員則通過太空行走修復過禮炮號空間站和組裝、維修和平號空間站。當前正在建造的國際空間站,更是需要航天員進行多次出艙活動,才能在軌組裝建成。登月活動更是體現了航天員在太空行走和太空作業的巨大作用,為人類進入外層空間和其它星球打下了良好的基礎。

4 太空行走 -基礎訓練

阿波羅航天員進行地質訓練
阿波羅航天員進行地質訓練

在太空邁開步子並非易事。微重力的環境讓身體變得難以控制,空間知覺也會發生紊亂。所以在太空行走之前要進行大量模擬真實場景的訓練。如果未做好準備就貿然登空,航天員會出現嚴重的空間運動病。

1、穩定身體或將其固定於特定位置或角度;

2、訓練利用繩索給身體定向;

3、訓練將身體移向特定的目標與方向;

4、運動並掌握節省體力消耗的技巧;

5、防止身體失控的各種技巧。

5 太空行走 -模擬太空環境

落塔
太空行走失重飛機內訓練穿脫宇航服

當電梯纜繩突然斷裂時,轎廂內的人會有失重的感覺。這是當年愛因斯坦曾思考過的加速度與重力等效的問題。NASA的Lewis研究中心就有這樣的失重電梯。一部是位於地下132米深的電梯井,一部是高24米的電梯塔。分別可以產生5.18秒和2.2秒的微重力狀態。2003年2月,中國第一座百米落塔在中國科學院力學所建成。但這類裝置對人體衝擊很大且形成失重的時間太短,已很少作為航天員訓練設施。

失重飛機

用飛機作拋物線飛行可產生30秒左右的失重。做拋物線飛行的飛機先以45度角急速爬升,經過一段平飛后,再以45度角下降。機艙內的人員可以在平飛階段體驗到30秒鐘的失重。失重飛機通常是由噴氣式運輸機改裝而成,艙內寬敞,能容納多人和設備進行訓練。在失重飛機內的訓練分為兩類:一類是感受和體驗失重環境;另一類是太空行走訓練——航天員演練太空行走時的各種操作和技能。

中性浮力水槽

由於失重飛機產生的失重時間太短,不能滿足長時間訓練需要。所以宇航員在訓練時,更多採用在大型水池中進行的水下模擬訓練方法。中性浮力水槽其實是一個容積很大的水池,因為浮力與重力抵消,身著艙外宇航服的受訓者能產生類似失重的感覺。水中訓練不受天氣和時間的影響,可以長時間進行複雜的艙外操作演練。國際空間站的航天員可以動輒進行長達7小時的太空行走,與大量利用水槽訓練是分不開的。

1g重力模擬
太空行走在中性浮力水槽中訓練

在外星球表面的太空行走訓練往往在正常重力下的地面上進行。在「阿波羅」登月計劃中,為了讓航天員掌握月面地質考察技巧,地質考察訓練專門選在地球上的荒涼地區進行。為了讓航天員體會1/6重力下行走的感覺,把他們吊在繩索上前進,繩索的拉力抵消了5/6的體重。

虛擬現實

用計算機生成模擬環境,實現受訓者與該環境進行直接交互的效果。這種技術能產生較強的臨場感,花費不大,幾乎沒有安全隱患,但無法產生生理上的失重感。

以上技術都曾被用於太空行走的訓練中。近年來失重飛機和中性浮力水槽的使用率獨佔鰲頭,虛擬現實與它們的結合將是未來的發展方向。但是所有這些模擬都比不上真實環境的考驗。航天員在踏上月球后,經過多番嘗試才發現1/6重力下的最佳步態是像兔子一樣雙足齊蹦。為了有備無患,航天員在進入太空前必須進行大量的模擬訓練。

6 太空行走 -主要任務

太空維修
太空行走維修哈勃太空望遠鏡

例如維修「哈勃」太空望遠鏡和空間站等航天器,延長其使用壽命。

太空裝配

大型航天器往往分多次發射入軌,在軌道上由進行太空行走的航天員完成拼積木似的組裝。

釋放與回收衛星

在軌道上發射衛星可以提高效率、節約成本。這通常由太空梭來完成。

進行科學實驗

執行阿波羅登月任務的航天員就曾在月球表面進行大量科學實驗。

太空救援

無論是航天器出現故障還是航天員生病、受傷,都需要把人員從一個航天器轉移到另一個能夠儘快返回地球的航天器。太空行走此時便能發揮航天員自救與互救的作用。

7 太空行走 -步驟

從事太空行走需高度專註地進行操作
從事太空行走需高度專註地進行操作

太空中充滿致命的輻射和微流星,卻缺乏人類賴以生存的空氣。太空行走絕非一蹴而就那麼簡單。它的過程與潛水員從潛艇進入水中類似,只是外部壓力的變化更為劇烈。

檢查及穿著艙外航天服

吸氧排氮

為了防止減壓病,宇航員在出艙活動之前要進行吸氧排氮。出於保證關節靈活,不至於在真空中過度膨脹的考慮,艙外宇航服內的壓力小於一個大氣壓。宇航員在進入艙外航天服時,需要把體內多餘的氮氣排出,以氧氣代替。

氣閘艙減壓和出艙

如果是兩名宇航員太空行走,在減壓過程中要有一名宇航員專門負責處理應急情況,另一名宇航員負責照看宇航服與氣閘艙相連的「臍帶」。

在艙外完成任務

這是太空行走的重頭戲,所有有價值的工作都在這個階段完成。

返回航天器

完成太空行走以後需更換宇航服內的氫氧化鋰罐(用來吸收二氧化碳)和電池。舊罐、舊電池與新罐、新電池要分類標記,以免下次出艙時裝錯。歷史上曾發生誤用舊裝備造成太空行走的宇航員被迫提前返回的事故。但總體來說,有了縝密訓練和高科技宇航服的庇護,太空行走已經越來越安全了。

8 太空行走 -風險

被空間碎片撞毀的和平號空間站太陽能電池,航天員曾多次修理
被空間碎片撞毀的和平號空間站太陽能電池,航天員曾多次修理

太空行走比較危險,有5個因素,一個是太空的環境因素,第二個是氣閘艙的因素,第三個艙外航天服因素,第四個機動裝置的因素,第五個人為的因素。

太空環境因素

太空處於真空狀態,沒有大氣層的保護,溫度變化很大,太陽照射時溫度可高於100℃,無陽光時溫度可低於-200℃,同時存在各種能傷害人體的輻射。為保障航天員在出艙活動中能安全、健康和有效地完成任務,需要有出艙航天服、航天員在艙外乘坐的機動裝置、完成任務所需的工具、固定航天員身體的設備及安全帶等裝備。

艙外航天服是出艙活動中最重要的裝備,相當於一個微型航天器。它將航天員的身體與太空的惡劣環境隔開,並向航天員提供大氣壓力和氧氣等維持生命所需的各種條件。

由於宇宙飛船、空間站、太空梭這些載人航天器密閉艙內的人造氣壓、空氣組成基本與地面相同,因此人體內吸有一定量的氮氣,而航天服內的氣壓較低,僅為大氣壓的27.5%,航天員如果猛然出艙,遇到低氣壓后血液供應不上,溶解在脂肪組織中的氮氣遊離出來卻不能通過血液帶到肺部排出而形成氣泡,可能造成氣栓堵塞血管,引發嚴重疾病。所以航天員出艙前需要吸取純氧將體內氮氣排出,以排除隱患。

在太空行走的航天員由於沒有參照物,無法分清物體的遠近大小,並判斷其速度快慢,如無保險措施,很容易丟失在茫茫太空中而成為人體衛星。所以太空行走需要採取保險措施――用安全帶將航天員與航天器連接起來,防止航天員在太空中走失。

氣閘艙因素

1993年12月,太空梭STS-61上的艙門出現關閉障礙,影響航天員的太空行走。

1996年11月,太空梭STS-80上氣閘艙的艙門也出現問題,由於艙門閂啟動器被一顆鬆動的螺釘卡住,氣閘艙門不能打開,航天員出不了艙。

艙外航天服因素

1982年11月,在太空梭STS-5飛行中,一名航天員由於出艙航天服故障,太空行走被取消。

1984年4月,太空梭STS-41C上的航天員遇到「尿污染問題」。這次太空行走的主要任務是維修衛星,但由於載人機動裝置停靠位置不當,未能固定住需要維修的衛星,維修任務失敗。

機動裝置因素

國際空間站的第53次太空行走由於出現設備問題提前結束。此次出艙活動是國際空間站第九長期考察團的第一次出艙,開始時間是格林尼治時間2004年6月24日21:56(北京時間6月25日凌晨5:56),結束時間是22:10(北京時間6月25日凌晨6:10),整個出艙過程僅耗時14分鐘22秒。故障原因是航天員麥克・芬克的主氧氣瓶泄壓速度過快。這是時間最短的國際空間站太空行走。

人為因素

1985年4月,太空梭STS-51D上的一名航天員,在太空行走中出現人為失誤,他不小心走過太空梭的機翼,差一點兒不能返回座艙。

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