這些高科技 支撐太空行走的每一步

文／付毅飛

9月1日，我國神舟十四號航天員陳冬、劉洋順利出艙。航天員出艙活動又被稱為太空行走，是載人航天的關鍵技術之一。別看艙內外只是一門之隔，“出門”的背后，卻有著相關技術、工藝以及科學訓練手段等的重重保障。

出艙地點：氣閘艙是主要出艙通道

游覽過三峽大壩的小伙伴，一定對三峽船閘印象深刻。這座規模龐大的通航建筑物，如同水上的階梯，能夠幫助輪船穿越上下游水位落差相當于40層樓高的大壩。

與船閘的原理類似，要往返于正常大氣壓的空間站與真空環境的太空，需要有一個“中間地帶”，而氣閘艙就是航天員出艙、返回的“中間地帶”。

我國空間站共設計有3個氣閘艙。2021年7月4日，隨著航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，神舟十二號航天員乘組圓滿完成中國空間站階段首次出艙任務。此后，神舟十二號、神舟十三號航天員乘組又圓滿完成了3次出艙任務。

中國空間站的前4次出艙活動都是在天和核心艙開展的，其出艙口為“節點艙”。節點艙兼具航天器對接與停泊，以及航天員出艙等多項功能，但并不是中國空間站的主份人員氣閘艙。問天實驗艙的氣閘艙才是航天員的主要出艙通道。

如此設計是因為，節點艙位于天和核心艙、問天實驗艙，以及后續將發射的夢天實驗艙的三艙交匯處。如果將這樣一個“交通樞紐”作為主份人員氣閘艙，當開展出艙任務時，節點艙就會處于真空狀態，三艙之間的交通將被徹底阻斷，而且還將阻斷航天員進入神舟飛船的生命通道。

因此，主份人員氣閘艙通常選擇在不干擾其他艙段、較為“偏遠”的位置。問天實驗艙氣閘艙位于該艙末端，開展出艙任務時，中國空間站各艙段以及飛船之間的交通不會受到任何影響。

據中國航天科技集團五院空間站系統總體主任設計師張昊介紹，節點艙的活動空間約為七八立方米，氣閘艙則能達到12—13立方米；節點艙內設備、管路和電纜較多，氣閘艙則更加整潔，只配置了出艙相關設備，沒有其他管路、電纜的羈絆。

此外，節點艙艙門直徑約為85厘米，而氣閘艙艙門直徑達1米左右。“航天員從這里進出，更舒展、更從容，還能攜帶大個頭的設備出艙工作，出艙能力得到大大提升。”張昊說。

問天實驗艙氣閘艙配備了全套艙外航天服等出艙支持設備，出艙活動任務期間可支持航天員的艙載供氧、制冷和出艙過閘等。平時，氣閘艙還能支持艙外航天服貯存、在軌檢測、航天員訓練等。

未來夢天實驗艙與中國空間站交會對接后，三艙皆有氣閘艙。除了天和核心艙的節點艙、問天實驗艙的主份人員專用氣閘艙，夢天實驗艙的氣閘艙將成為貨物專用通道。

出艙裝備：艙外航天服可媲美小型飛行器

推開艙門進入太空，艙外航天服便成為航天員賴以生存的生命保障。

據中國航天員中心航天服工程研究室主任、載人航天工程航天員系統副總設計師張萬欣介紹，艙外航天服能為航天員提供安全有效的環境防護、密閉空間的環境控制和生命保障，相當于一個小型飛行器。但與一般飛行器不同的是，航天員在穿著艙外航天服時，還要能完成艙外活動任務，這是艙外航天服最具特色的重要功能之一。

如果艙外航天服出現問題，將直接威脅到航天員的生命安全。2013年，意大利宇航員盧卡·帕米塔諾在艙外作業時，航天服冷卻水浸入呼吸系統，導致大量水灌入頭盔，一時間他如同頭戴一個魚缸，整個臉幾乎都泡在水里，聽不見也看不見，好在他后來憑記憶安全返回了空間站。

正因艙外航天服的精密、復雜，且直接關系到航天員的安危，其研制技術工藝難度極高，造價與等重黃金相當。目前全世界只有美國、俄羅斯和中國具備艙外航天服的研制能力。

2008年9月27日，神舟七號航天員翟志剛、劉伯明完成了中國航天員首次太空行走，這也是我國第一代“飛天”艙外航天服的太空首秀。

相比神舟七號任務，中國空間站任務中，航天員要進行時間更長，也更復雜的艙外操作，對艙外航天服的性能要求更高，因而新一代“飛天”艙外航天服得到了大量改進與升級。張萬欣表示，新一代艙外航天服具有使用時間更長、安全可靠性更高、機動靈活性更好、測試維修性更強等特點。

新一代“飛天”艙外航天服高約2米，在地面重約120公斤，全套裝配下來需要近4個月時間。

艙外航天服對于真空、輻射和高低溫的超強防護作用，主要源自航天服的多層設計。航天服的最里層是襯里和尿收集裝置；襯里外是用于散熱的液冷通風層，將水作為冷卻液來冷卻航天員身體散發的熱量；液冷通風層外是用于產生一定壓力的加壓氣密層；再外一層則是限制加壓氣密層向外膨脹的限制層；限制層外是對付艙外大溫差變化的隔熱層；最外面則是保護層，由多種纖維復合而成。

艙外航天服的軟結構包括上下肢和手套，從里到外是舒適層、備氣密層、主氣密層、限制層和熱防護層等，既能抵抗太空風險，又能保障穿著舒適、行動靈活。以手套為例，航天服的手套必須手工縫制，盡量一次到位，尺寸公差不能超過1毫米。

艙外航天服軀干部分為金屬結構，像一副鎧甲，背后掛有保障生命的通風供氧裝置。金屬結構上有上千個米粒大小的螺絲孔，搭配不同規格的螺絲，裝配前需要仔細擦拭，留一粒浮塵都有可能釀成大禍。按照平整度要求，哪怕有0.1毫米的細微毛刺，都要精細打磨。

按照設計標準，“飛天”艙外航天服要保證在軌工作使用3年、保證航天員15次出艙活動。根據計算，其能保證8小時以上的出艙活動。

張萬欣介紹，對于未來的艙外航天服，我國的設計思路是模塊化、輕量化、多用途一體化設計。例如在實現復雜環境一體化防護、功能模塊化的互換性、外部接口的兼容性等基礎上，最大程度地減少艙外航天服的自身重量，提高其靈活性與機動性，以充分適應不同探測任務下，各種人機配套模式的適用需求。

出艙準備：航天員要經歷“魔鬼訓練”

2019年12月，航天員劉洋與陳冬、蔡旭哲一起，入選了神舟十四號乘組。

劉洋是我國首位進入太空的女航天員，但出艙任務對她來說尚未“解鎖”。為此，她選擇在訓練場上迎接新的挑戰。在參加第一次水下驗證試驗后，劉洋整個人都虛脫了，連拳頭都握不住。晃動的水波經過凸面頭盔面窗產生的視覺放大效應，讓她感覺既眩暈又惡心。

記者從中國載人航天工程辦公室了解到，每位航天員在進入太空執行出艙任務前，都要在地面經歷“魔鬼訓練”，在天上做的每一個動作，都要在地面反復模擬。

出艙活動技術訓練包括出艙活動基礎理論、專業理論、操作技能、出艙程序以及出艙任務等類別，每一類由不同的訓練科目組成。除了理論學習外，還需用到多種裝備進行模擬訓練。

例如，模擬失重水槽可以給航天員提供模擬失重的訓練環境，這對于出艙活動，特別是艙外行走、出艙裝配和維修等艙外作業，是最為有效的訓練手段。龐大的水槽，可以容納1比1的空間站或飛船模型。訓練時，潛水員可以通過調整航天員水槽訓練服上的配重鉛塊數量或位置來進行配平，以便調整航天員的姿態，模擬失重環境下的操作情形。通過此項訓練，可以使航天員體驗和熟練掌握失重狀態下身體的運動與姿態控制，以及出艙活動操作的特點、方法、技巧等，包括開關艙門、出艙進艙、艙外行走、艙外作業等。

艙外航天服試驗艙則能模擬空間真空環境，是航天員出艙活動訓練的重要設備。在這里，航天員主要進行低壓條件下的正常出艙程序訓練和故障訓練。此項訓練一方面可以考察和訓練航天員對近似真空環境的適應能力和工作能力，使其能夠突破心理障礙，在心理上做好執行出艙任務的準備；另一方面也可以讓航天員提前感受真實低壓情況下的運動負荷和服裝溫度調控情況等。

此外，航天員還要借助出艙程序訓練模擬器、虛擬現實訓練器等設備，進行艙外航天服和氣閘艙設備操作訓練、正常出艙程序訓練、故障處置程序訓練、出艙全流程演練等。

除了各類針對性的專項訓練，航天員還需進一步進行身體力量訓練，尤其是上肢力量訓練和核心力量訓練，以滿足艙外作業中攀爬、安裝設備等動作的力量要求。據科學測算，中國航天員的上肢力量數據不亞于皮劃艇、體操等專業運動員。