神舟十二號『太空出差三人組』出艙記

策劃人語：

無論是過去還是現在，人類從未停止對星辰大海的探索。探索太空是一個漫長的過程，作為人類的“太空家園”，空間站對于開展多領域空間科學實驗和技術試驗、空間應用乃至探索宇宙都意義非凡。

2021年6月17日9時22分，搭載神舟十二號載人飛船的長征二號F遙十二運載火箭在酒泉衛星發射中心發射升空，順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空。之后航天員先后進入天和核心艙，標志著中國人首次成功進入自己的空間站！

2021年9月17日13時34分，神舟十二號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，三名航天員狀態良好，順利返回。我國空間站首次載人飛行任務取得圓滿成功。

神舟十二號載人飛行任務是我國組織實施的第七次載人航天飛行，也是中國空間站關鍵技術驗證和建造階段的第一次載人航天飛行。在距離地表400千米處打造的“太空家園”，“太空出差三人組”開展了為期三個月的工作與生活，共進行了兩次出艙活動，開展了一系列空間科學實驗和技術試驗，為后續空間站建造運營奠定了更加堅實的基礎，刷新了中國航天員單次飛行任務太空駐留時間的紀錄。

航天員的兩次出艙活動都開展了哪些工作、配備了哪些“炫酷神器”？航天員出艙需要看太空天氣預報嗎？讓我們再次回顧這趟讓人心潮澎湃的太空探索之旅吧。

——秦銀銀 方郁芝

兩次出艙做什么

第一次出艙

出艙時間：7月4日8時11分

出艙人員：劉伯明 湯洪波

出艙任務：為機械臂安裝上臂支架等，并借助機械臂進行移動、抬升艙外全景攝像機、完成應急返回驗證

總用時：7小時

圖1 7月4日，航天員劉伯明身著新一代“飛天”艙外航天服出艙（圖/新華社 金立旺 攝）

出艙活動又被稱作太空行走，是指航天員離開載人航天器乘員艙進入太空的活動。太空環境惡劣，航天員面臨失重、低氣壓和氣溫不穩定以及強輻射等諸多挑戰。隨著天和核心艙節點艙出艙艙門的開啟，航天員劉伯明、湯洪波身著由我國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服先后出艙，開展中國空間站航天員首次出艙活動。

三名航天員在此次出艙活動中分工明確。在出艙的兩名航天員中，其中一人需為機械臂安裝上臂支架，包括腳限位器、工具臺等，隨后借助機械臂進行移動。另一名航天員借助艙壁上安裝的扶手，爬行到作業點進行輔助工作。航天員在開展艙外任務時，一旦出現緊急情況必須快速返回氣閘艙內，用艙載的應急供氧來保證生命安全。所以，出艙航天員需要開展應急返回驗證。

抬升艙外全景攝像機也是此次出艙活動的另一項重要工作。全景攝像機在發射時安裝的位置較低，視場角有限。航天員需通過擴展攝像機的視角來改善全景攝像機的視野。

出艙過程中，艙內、艙外航天員通過話音溝通，由艙內航天員通過仿真軟件以及判斷他看到的圖像來進行操控。另外，由艙外航天員自主操作機械臂，在安全性上也有更好的保障。艙外航天員在運動過程中一旦發現有碰撞的風險，可直接按下急停裝置，機械臂就會停止工作。

圖 4 空間站全景攝像機拍攝的空間機械臂

通過首次出艙活動，航天員出艙能力、應急能力都得到了有效驗證，特別是在艙外進行長時間工作，人與裝備的結合為后續航天員對空間站進行維護提供了寶貴經驗。

第二次出艙

出艙時間：8月20日8時38分

出艙人員：聶海勝 劉伯明

出艙任務：安裝艙外的熱控擴展泵組、再次抬升艙外全景攝像機、組裝艙外的工具箱

總用時：5小時55分鐘

圖2 8月20日在北京航天飛行控制中心大屏拍攝的神舟十二號乘組航天員湯洪波在核心艙內的工作場景（新華社 田定宇 攝）

首先，航天員利用機械臂，從空間站頂端的出艙口轉移到空間站尾部的資源艙，然后在此處安裝兩個熱泵。之后，航天員乘坐機械臂返回到出艙口，在出艙口附近對全景攝像機進行再次抬升。最后，航天員到出艙口的隔壁，安裝腳限位器和助力手柄。這個助力手柄可以協助航天員在艙外就能直接開啟艙門，為后續的試驗任務做準備。

航天員手持熱泵，乘坐機械臂緩慢地從節點艙向后移動到核心艙后端的資源艙，另一位航天員爬行至操作工位，輔助完成擴展泵組的安裝。此次安裝的熱控擴展泵組中含有兩臺熱控流體回路循環泵，是天和核心艙熱控系統的重要設備，對航天員生活以及空間站設備正常運轉非常重要。

此次出艙活動進一步檢驗了我國新一代艙外航天服的性能，檢驗了航天員與機械臂協同工作的能力及出艙活動相關支持設備的可靠性與安全性。有了首次出艙的經驗，本次出艙活動較原計劃提前了1小時完成既定任務。

“炫酷神器 ”助力出艙活動

微型航天器+Wi-Fi：盡可能舒適靈活

航天員出艙活動身著的艙外航天服其實是一種微型載人航天器，它既能滿足航天員生命保障需求，又能實現艙外移動。此次用來執行出艙任務的艙外航天服高約2米，航天服頭盔上配有攝像機，可全程記錄航天員艙外操作過程。新一代艙外航天服實現了供氧和溫度、壓力控制，減輕了航天員艙外活動的負擔，使其活動范圍更廣、更靈活。

圖3 新一代『飛天』艙外航天服 （圖 中國航天報微博）

此外，航天員在進駐核心艙的第二天就建立起艙上Wi-Fi環境，便于天地通信和數據傳輸。以空間站為中心，半徑40米范圍內都可實現共享網絡。因此，艙外航天員的視頻畫面、話音通話、生理參數等數據都可以實時傳輸到艙內和地面，減少了繁瑣的有線設備，航天員行動更靈活。

空間機械臂：太空行走專有“坐騎”

空間站天和核心艙長16.6米，艙內空間達50立方米。在艙外，航天員處于失重狀態，再加上艙外航天服的加壓，活動起來十分不便。為此，科研人員研制了專用“坐騎”——空間機械臂，讓航天員省去攀爬動作，節省體力。

空間機械臂展開長約10.5米，有一個“大腦”——中央控制器、兩只“腳（手）”——末端執行器，還有7個關節和7個自由度。在核心艙表面，有很多凹進去的小圓圈，這是目標適配器，也是機械臂落“腳”的地方。行走時，機械臂一只“腳”踩在目標適配器上，另一只“腳”向前移動，踩上另一個目標適配器后，前一只“腳”再移動。

兩個末端執行器互為“手腳”，腕部和“手腳”位置都有攝像機，在爬行過程中可對艙外的散熱裝置、對接機構、太陽翻板進行拍照，對艙表狀態進行巡檢、監視。將腳限位器裝至機械臂上方，艙外航天員可通過踮腳、左右腳用力實現前后、左右傾斜，站在上方借助機械臂到達指定位置。

除了監視艙表狀態、幫助艙外航天員移動外，空間機械臂還可以捕獲靠近的航天器、搬運艙外貨物、組裝和維修艙外設備，是目前我國智能程度最高的空間智能制造系統。

圖5 空間站全景攝像機拍攝的地球畫面

太空“眼睛”：艙外活動實時可見

距地面400千米處，神舟十二號飛船、空間站天和核心艙和天舟二號貨運飛船在茫茫太空中飛行，攝像機成為地面工作人員唯一的“眼睛”。300攝氏度左右的溫差、真空失重、強輻射環境使太空生存充滿危機，24小時不間斷監視將在必要時刻為航天員贏得一線生機。因此，太空“眼睛”顯得尤為重要。

在航天員出艙活動中，除了艙外航天服自帶的攝像機之外，空間站天和核心艙也配備了多種攝像機，確保航天員無論何時、身處何處都能被“看”到。在出艙過程中，就有3種攝像機充當地面工作人員的太空“眼睛”——節點艙高清攝像機、艙外定向攝像機和安裝在小柱段的全景攝像機。

這三類攝像機均具備1080p或以上分辨率的高清監視功能。節點艙高清攝像機可以看到航天員從艙內到艙外的行走過程。被稱為“四只眼”的全景攝像機水平方向有4個鏡頭，可以水平360度、垂直100度全景成像，并實時拼接輸出視頻畫面，可以觀察到航天員剛出艙時的狀態。

有一種唯美叫“陪你看日出日落”，在太空中，航天員一天可以目睹16次這種唯美畫面。但對全景攝像機來說，這未必是件好事，因為太陽很可能頻繁進入全景攝像機的視場，使畫面過度曝光。于是，航天科學家設計了一種自動曝光算法，以適應不同場景的光線變化。

核心艙共配有4臺全景攝像機，機械臂轉移航天員的過程，地面可通過全景攝像機實時監測。此外，艙外照明設施、攀爬扶手分布也都經過了精心設計。可以說，你能想到的、想不到的，科研人員都想到了，畢竟這場太空行走不僅僅是三名航天員的戰場，更是成千上萬名航天科研工作者的戰場。

出艙需要“察言觀色”嗎

圖6 科學家繪制出的銀河系結構圖。（新華社鄭興武和馬克·里德供圖）

正如科幻小說《三體》中所言，宇宙就像一座黑暗森林。航天員和飛船身處這漆黑一片的森林時很可能會遇到一些危險的“不速之客”，其中就包括空間天氣。空間天氣包括哪些？飛船在太空中會受到哪些空間天氣影響？航天員出艙需要看“空間天氣預報”嗎？

太陽打個“噴嚏”，地球就“感冒”

有報告稱，40%的航天器故障與空間天氣有關。與地球上的天氣一樣，空間天氣也有“風”“雨”等現象。不同的是，空間天氣中的“風”是高速運動的等離子體流，空間天氣中的“雨”是由磁層沉降的帶電粒子組成。太陽正是所有空間天氣現象的“始作俑者”。

太陽的外層大氣從太陽表面噴出，形成充盈整個太陽系的太陽風，地球就浸泡其間，只不過有地球磁場作為天然屏障，我們才得以生存。太陽不僅會“刮”太陽風，偶爾還會爆發太陽風暴。一次太陽風暴釋放的能量相當于10 萬至100 萬次強火山爆發，或上百億枚百噸級氫彈的爆炸效果。

總之，太陽活動會導致太陽風和地球空間環境產生各種變化，從刺眼的耀斑到讓信鴿迷路的磁暴，從“暴脾氣”的高能帶電粒子流到威力驚人的“太陽海嘯”——日冕物質拋射，都是航天器可能會碰到的危險因子。

如何與“黑暗之手”抗衡

艙外與艙內的環境截然不同。出艙后，航天員進入一片未知的危險之地。國際航空聯合會將100 千米的高度定義為大氣層和太空的界線，并將其稱為卡門線，卡門線之外的部分稱為太空。太空是一個接近真空的環境，沒有物質分子的運動，熱量很難傳導，空間溫度極低。通過對宇宙微波背景輻射進行測量，科學家計算出太空的平均溫度為-270℃左右。

如果航天員離開艙外航天服的保護，沒有氧氣和外部氣壓，在15 秒甚至更短時間內就會昏迷，血液和體液會“沸騰”，組織和器官會膨脹，不僅會遭受極端溫差帶來的傷害，還可能受到宇宙射線、帶電粒子的攻擊，以及高速移動的微小塵埃、巖石或空間碎片帶來的撞擊。

空間環境的變化對飛行器的影響又有多大？影響低軌道飛行器運行安全的軌道空間環境主要是大氣環境、高能輻射環境等。當太陽輻射突然增強或發生地磁暴時，高層大氣密度迅速上升，導致低軌道上航天器的阻力增加，從而改變航天器的正常運行軌道，增大航天器定軌和軌道預測的誤差。

出艙要“看天氣”嗎

地球周圍有一個名為“范艾倫輻射帶”的空間區域，大致分成1500～5000千米和13 000～20 000 千米的高度范圍，在有空間天氣擾動時還會向上或向下擴張。這一區域有能量高、密度大的帶電粒子，對在其中飛行的飛行器和人類傷害很大。

為此，綜合考量發射成本、觀測需求，以及航天員的健康和飛行器、儀器設備的安全等因素，科學家一般把空間站飛行的高度設定在400千米附近。目前，仍在軌運行的國際空間站和我國正在建造的空間站均處于這一高度附近。

然而，在太陽活動爆發期，空間輻射增強，航天器及航天員都面臨嚴峻考驗。為了最大限度地減弱空間輻射，選擇合理的出艙時機尤為重要。這時，監測空間環境變化的天氣預報必不可少，它能對太陽輻射、太陽質子事件、地磁暴等空間環境要素進行監測、預報和影響分析，評估空間環境變化對空間站可能帶來的威脅，協助空間站系統和航天員及時規避未知的空間環境中的危險。

圖7 從空間站俯瞰太空中的地球（湯洪波/攝）

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神舟十二號榮耀歸來

圖8 9月17日，神舟十二號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸。航天員聶海勝（中）、劉伯明（右）、湯洪波（左）安全出艙（新華社 連振 攝）

9月17日，神舟十二號載人飛船搭載3名航天員榮耀歸來，著陸在甘肅酒泉東風著陸場，創下中國航天歷史上著陸位置最小計算誤差紀錄，航天員狀態良好，神舟十二號載人飛行任務取得圓滿成功！

怎樣打一個角度精準的“太空水漂”

此次神舟十二號載人飛船首次選擇在東風著陸場著陸。返回艙要以固定的再入角進入大氣，再入角太大會導致返回艙外部溫度過高，再入角太小又會直接飛出大氣層。

因此，飛船軌道設計團隊精心設計了返回軌道方案，加入了預測校正制導方法來幫助返回艙在再入過程中根據實時位置、氣動參數、瞄準點偏差等自主計算并維持再入軌跡，以適應落點的變化以及軌道變化范圍大的特點，保證返回的“軌道”絲毫不差。

怎樣的返回“姿勢”更舒適

返回艙為上窄下寬的設計，在推進艙和返回艙分離以后，返回艙會利用自身裝配的發動機進行姿態調整，變成大底朝前的飛行狀態。

（欄目編輯 方郁芝）

如此，返回艙在穿越大氣層時產生一定的升力，并對飛行軌跡進行控制，從而保證較高的落點準確度。為了緩解飛船減速過程中產生的沖擊，不僅返回艙要采用舒適的返回姿勢，航天員也要以幾乎與大底平行的角度在座椅中“平躺”。

怎樣讓返回艙著陸更穩

返回艙的著陸過程對保障航天員的生命至關重要，飛船研制團隊為此設計了一套“組合拳”。飛船返回艙的四臺反推發動機在距離地面一米左右時能在10毫秒內完成自動點火，反向發力進一步減緩降落速度，讓返回艙進行懸空急停。同時，返回艙底部的吸能外殼、減震材料和座椅緩沖機構組成減震系統，同時吸收地面的沖擊能量，確保航天員安全著陸。