“神舟七號”：中國空間站的“渡船”

□葉詮之

“神舟七號”：中國空間站的“渡船”

□葉詮之

2008年9月25日21時09分，“神七”飛船在全世界目光的關注下，在酒泉衛星發射中心點火升空，把翟志剛、劉伯明、景海鵬三名航天員送上太空。27日，翟志剛身著我國研制的“飛天”艙外航天服，在身著俄羅斯“海鷹”艙外航天服的劉伯明的輔助下，在距地343千米的軌道上，在飛船每秒7千米速度的運動中，克服真空殺手、宇宙射線等阻礙，進行了19分35秒的出艙活動。這是航天員翟志剛的一小步，卻是中國人和平利用太空的一大步。

28日17時37分，在太空飛行2天20小時27分35秒后，三位航天員平安健康返回。“神七”飛天的成功，表明“神七”飛船實現航天員在艙內自由活動的突破，表明中國飛船的艙內環境技術已經有質的飛躍，更表明我國從此成為繼俄美之后世界上第三個獨立掌握空間出艙技術的國家，邁出了太空交會對接、建立空間站關鍵性的一步。

那么，“神七”飛天為中國空間站建設打造“渡船”的過程中取得了哪些突破呢？

將“飛船”穿在身上

“神七”航天員出艙活動，艙外航天服是一項關鍵技術。艙外航天服為航天員提供三方面的保障：一是輻射、真空、微流塵等環境的防護；二是生命保障，也就是要保持一個適合航天員生存的氣體和溫度濕度環境；三是良好的功效保障，保證航天員穿著艙外航天服能開展維修器材等太空作業。可以說，艙外航天服就是一個“穿在身上的飛船”。

我國的艙外航天服取名為“飛天”，身長最高能達到2米，軀干像盔甲，四肢像面包，背上還有一只1.3米高的大背包，重量120千克……很像一件加厚、特大號的羽絨服。服裝通體純白，從上到下依次由頭盔、上肢、軀干、下肢、壓力手套和航天靴等組成。其中結構最復雜的是軀干部分，由特殊防靜電處理過的棉布織成的舒適層、橡膠質地的備份氣密層、復合關節結構組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過熱反射來實現隔熱的隔熱層、最外面的外防護層組成。艙外航天服的四肢裝有調節帶，通過調節上臂、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，相當于一只設備齊全的“迷你飛船”，可保證航天服內航天員4小時的出艙活動，并可重復使用5次。

實際上艙外航天服是由兩部分組成的“套裝”。第一部分是航天員“穿”艙外服之前要準備的“4件內衣”，也就是在首先穿上貼身內衣以后，要穿一件能夠測量心跳、體溫的生理背心，接下來是防靜電的連體內衣，最后一層是給人體散熱的液冷通風服，然后戴上通訊裝備。液冷通風服是由尼龍彈性纖維和穿在上面的許多輸送冷卻液的塑料網狀的細管制成，主要是吸收航天員散發出的熱量。

第二部分就是一套完整的艙外服。它的最里層是加壓氣密層，要供給航天員呼吸的氧氣，因為氧氣無法從外部空間來，所以這一層也是供氧氣層。氧氣層外面要有限制層，因為不能讓0.29個大氣壓的氧氣膨脹，否則衣服膨脹起來，航天員活動就不方便，所以要有一個一定厚度的限制層。外層是防護材料，具備防輻射、防紫外線、抗驟冷、驟熱，抗流星、空間碎片撞擊等功能，一共十幾層，還有連接其它裝具的接口。例如，與航天員艙外活動時的臍帶連接，與身背攜帶式生保環境裝備、載人機動裝置連接等。“穿”這套艙外服時，航天員需要先把雙腿伸進航天服的下肢，將臀部放在航天服的背包沿上，然后關閉背包門，把自己裹在龐大的航天服中。

中國制造的艙外航天服不但能適應太空行走，還非常的舒適。對于中國航天來說也是一大突破，因為此前中國的航天服有從俄羅斯進口的“海鷹”號，但這種航天服比較笨重，無論在艙內活動還是艙外都非常不方便。現在中國自主研制的“飛天”航天服技術“堪比美國”。

運載火箭新性能驚人

由于“神七”將會搭載3名航天員、重達120多千克的艙外航天服以及航天員7天太空生活所需物品，故與“神六”相比，“神七”載荷有所增加，這對運載火箭的推力提出了更高要求。為此，發射“神七”飛船的長征二號F火箭作了36項技術改進，進一步提高了可靠性和安全性。特別是針對火箭上升振動進行了較大改進，提高了乘坐的舒適性。一項是在火箭助推器內安裝了“變能蓄壓器”，目的是進一步降低火箭上升過程中的振動，令航天員乘坐起來更舒適。另一項是把二級尾艙增壓系統的導管材料由鋁合金換成了不銹鋼，進一步提高火箭的可靠性。此外，還在火箭關鍵部位安裝遙測圖像測量裝置，實時監視和記錄火箭主要飛行動作。

長征二號F運載火箭是按照載人航天工程技術指標重新研制的。火箭由四個液體助推器、芯一級火箭、芯二級火箭、整流罩和逃逸塔組成，總高度約58.3米，總重約480噸，可將8噸重的有效載荷送入近地軌道。

長征二號F運載火箭的故障檢測處理系統和逃逸系統是為確保航天員的安全而增加的。火箭共設計了310種故障報警裝置，在航天員進艙前和進艙后至飛船入軌前，監測運載火箭狀態，當發生相應的故障報警時，“神七”航天員都有一套安全逃生的法寶。比如，在登船階段如果出現險情，航天員仍在塔架上尚未進艙，他們可就近跳進塔架上的“逃逸布袋”進行逃生。這“布袋”是用一種彈力很強的特殊帆布制成的逃逸滑道。航天員可以像乘軟滑梯一樣從數十米高的發射塔上層一直滑到地下室的安全地區。“神三”、“神四”飛船發射前進行訓練時，14名航天員從發射塔到地下室，最慢只用了5秒鐘時間。

由此可見，長征二號F型火箭可靠性指標已高達0.97，航天員安全性指標達到0.997，是目前國內可靠性、安全性指標最高的運載火箭。它曾成功地將7艘“神舟”飛船送入太空預定軌道，發射成功率達到100%，其可靠穩定的飛行性能得到了檢驗。

釋放神奇的小伴星

“神七”載人飛船通往太空的道路并不寂寞，和它相伴升空的是一顆在上海“孕育”出生的微小衛星。“神七”發射升空后，在341千米高度的繞地軌道上飛行第31圈時放飛了飛船攜帶的這顆小衛星，也就是“伴星”。“伴星”上的立體相機對飛船進行照相和視頻觀測，恰如“神七”的“隨行記者”。

伴飛小衛星像個方盒子，體重不到40千克，體積是450毫米×430毫米×450毫米，在地面控制和航天員的操作之下由彈簧機構推出進入軌道。但麻雀雖小，五臟俱全，伴星作為一個小衛星，有六大功能：光學成像，大容量壓縮存儲，機動變軌，自主導航，多模式指向，測控數傳。所以，伴星釋放以后，本身能夠實現極其精確的變軌和自動控制。

小衛星上攜帶有安裝了兩個鏡頭的相機——寬視場和窄視場，一個看得寬一些，一個看得窄一些，可以在短距離內拍攝到非常清晰的照片。每張照片像素大約有700k，相當于普通的數碼相機的清晰度。小衛星有大容量的存儲功能，傳輸速度也很快，每秒鐘能傳輸幾百萬兆比特，所以小衛星拍攝的飛船照片都會快速地傳到地球。

其實，伴飛小衛星是“神七”載人航天應用方面的一項新技術試驗——伴隨飛行的試驗。小衛星近距離環繞、伴飛，不僅本身已經是很具價值的試驗，而且做到由地面和飛船上控制它后，為兩艘無人的航天器相互接近、環繞、對接甚至捕獲積累經驗，也為下一步我國的兩個飛行器對接所需的變軌、觀察等動作做飛行試驗。這在西方國家最近才開始試驗，而我國在“神七”飛天任務中就開始運用這項技術了，的確是很了不起。

此外，開展伴隨衛星的試驗，也為發展空間應用技術和為主航天器提供服務開拓一個新途徑。比如說空間站或者空間實驗室，可以延伸大的飛行器的功能；再比如，觀測外表檢查可能的損傷，來對大飛行器或空間站進行服務。

生死攸關的出艙行走

航天員出艙行走是“神七”飛船成功飛天的關鍵。太空行走的風險很高，從國際航天經驗上看，有五個因素關系著成敗：太空環境、氣閘艙、艙外航天服、機動裝置和人為因素。

最令人難忘的是世界上第一次太空行走的故事。那是1965年3月18日，“上升2號”飛船成功到達軌道后，前蘇聯航天員列昂諾夫準備出艙。他首先背上應急背包，并將臍帶式軟管與飛船相連，然后進入氣閘艙。另一名航天員別列亞耶夫關閉上氣閘艙的艙門，對氣閘艙進行減壓，列昂諾夫打開通向太空的艙門，然后就離開飛船。

開始時他感到很順利，但10分鐘以后就出現了意想不到的問題。他的航天服像氣球一樣膨脹，不僅使他不能在太空活動，而且膨脹力還使他的手和腳要從太空手套和太空鞋中被擠出來。這時列昂諾夫已經不能工作，由于手指不能彎曲，手也不能抓住氣閘艙上的扶手，因此太空行走12分鐘以后他準備返回飛船。列昂諾夫沒有征求地面控制中心的意見，擅自決定將航天服內氧氣的0.39個大氣壓力調低20%。因為他認為自己一直都在呼吸純氧，所以不會得減壓病。這樣，航天服就不再膨脹了。但是當他返回氣閘艙時，又出現了另一個問題。因為慌亂，他忘了先進腳后進頭的順序，而是顛倒了順序先進頭后進腳。

這一下麻煩了。氣閘艙的直徑是1米，而列昂諾夫穿著航天服的身高是1.9米，因此他不能在圓筒形的氣閘艙內將身體倒轉過來關閉身后的艙門。任憑他反復彎曲自己的身體，想將身體倒轉過來，但都無濟于事。他不得不冒著患減壓病甚至死亡的風險，再次調低航天服內的壓力，最后他終于轉過身來將氣閘艙的艙門關閉上，再對氣閘艙重新加壓，并回到飛船座艙中。這時他已大汗淋漓，航天服里面全是汗水。

列昂諾夫的太空行走險象環生，人類的首次太空行走并不順利，這跟在載人飛船上安裝技術不成熟的氣閘艙有一定關系。因此，1969年1月16日，“聯盟5號”航天員進行太空行走時，載人飛船上就沒有氣閘艙，航天員是在飛船座艙減壓后打開艙門直接出艙的。

再看“神七”飛船，它在軌道艙旁專門建立一個小的房間做氣閘艙。什么叫氣閘艙呢？實際上是在“神七”的軌道艙中設計的一個“夾層”，是一個小的單獨封閉的房間，分別有兩道門：一道門是對著外層空間開啟的，另外一道門是和軌道艙連通的。在太空的真空狀態下，航天員要出艙首先要把軌道艙里的壓力泄除，就是出艙前先要“減壓”，這樣內外壓力平衡，艙門才能打開，航天員才能出得去。也就是說，航天員出艙之前，他先把內艙門打開，進入了氣閘艙以后穿上充滿氧氣的航天服。穿上航天服時，內門就要關閉，航天員在艙內先有一個適應的過程，排氮吸氧，適應整個身體循環系統。等到要出艙時就打開外門，一打開外門以后，整個氣閘艙和外界通了，就是真空環境了。從太空返回進入航天器時也是這樣，先打開外門進來，然后把外門關閉，要“升壓”，恢復到原來艙里的氧氣濃度和壓力標準，然后把航天服脫掉以后，再打開內門，再進入，其原理類似潛水員進出正在深海中的潛艇。如果沒有這個氣閘艙作為過渡艙，一打開門，座艙的氣體全部泄漏，里面也變成真空狀態了，如果航天員不穿航天服的話，就會窒息。

所以，航天員要離開航天器進入開放的太空，必須使用復雜的出艙活動系統硬件，它包括氣閘艙、裝有便攜式生命保障系統的艙外航天服和載人機動裝置，其中任何一個出現故障都會有危險。因而，我國“神七”飛船氣閘艙的成功設計，為我國載人航天工程邁出了可喜的一步。