文/張雪松 航艙

9月1日，中國航天員陳冬、劉洋首次從問天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙進(jìn)行出艙活動，圓滿完成艙外任務(wù)。空間出艙活動，又稱“太空行走”。過去，中國航天員曾使用節(jié)點(diǎn)艙和飛船軌道艙改裝的臨時(shí)氣閘艙進(jìn)行太空行走，收獲了不少經(jīng)驗(yàn)。而這次任務(wù)使用的專用氣閘艙對比其他方案，出艙位置和條件都有所不同，別具優(yōu)勢。展望未來，相信航天員出艙還會有更完善和高效的新方案。

▲ 陳冬、劉洋出艙合影

新位置出艙門道多

9月1日15時(shí)48分，中國航天員們關(guān)閉了問天艙段間艙門。隨后陳冬、劉洋穿戴好艙外航天服，進(jìn)行出艙前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

18時(shí)26分，陳冬成功開啟問天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙出艙艙門。開門第一眼，映入他眼簾的就是蔚藍(lán)的地球。這能給航天員明確的方位感，地球反照的作用也使得光照更加柔和，便于工作。而陳冬的講話還是中國航天員們的“保留節(jié)目”——“大家好！我已出艙，感覺良好！”劉洋緊隨其后。至19時(shí)09分，陳冬、劉洋都已成功出艙。

蔡旭哲則坐鎮(zhèn)天和核心艙內(nèi)，密切配合支持同事工作。通過智能顯示設(shè)備和機(jī)械臂操作臺的聯(lián)動，他在艙內(nèi)動動手指，就能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂多模式操作。同時(shí)，力反饋技術(shù)也首次被引入機(jī)械臂在軌操作，航天員能體驗(yàn)到按鍵的“觸感”反饋。

截至20時(shí)，2名出艙航天員完成了安裝腳限位器和艙外工作臺等工作，這些設(shè)施將為航天員更安全地遨游太空、細(xì)致開展工作提供支持。

接下來，首次在問天實(shí)驗(yàn)艙小機(jī)械臂的支持下，陳冬、劉洋進(jìn)行了問天實(shí)驗(yàn)艙擴(kuò)展泵組安裝、問天實(shí)驗(yàn)艙全景相機(jī)抬升等作業(yè)，并成功開展艙外自主轉(zhuǎn)移應(yīng)急返回能力驗(yàn)證。在后來公開的視頻和圖片中，全景相機(jī)拍攝效果顯著提升。

▲ 陳冬拉開問天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙出艙艙門

為抬升“太空相機(jī)”，劉洋在艙外使用了酷似手電鉆的電動螺絲刀，這件工具暗藏玄機(jī)。在失重狀態(tài)下，航天員僅能靠扶手和腳限位器調(diào)整姿態(tài)，尤其是穿著厚重的艙外航天服，只能單手操作工具，為此，科研人員對每個(gè)工具抓握、按壓、旋擰操作進(jìn)行了反復(fù)研究，而艙外的復(fù)雜環(huán)境對電動工具的電機(jī)、電路、熱控、機(jī)構(gòu)等組件也是嚴(yán)苛的考驗(yàn)。經(jīng)過數(shù)次升級設(shè)計(jì)，航天員在半出艙狀態(tài)下就能完成工具取放，操作更加便捷、安全。據(jù)悉，最近3年，有關(guān)科研團(tuán)隊(duì)自主研制了空間站天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙36類、238件艙外維修工具。

本次出艙期間，2名航天員身系10余米長的安全繩。這根繩子不簡單，伸縮過程要實(shí)現(xiàn)恒力輸出，不能干擾到航天員運(yùn)動，還必須經(jīng)受住近200攝氏度的大溫差、空間輻照、空間粒子等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。相比之下，當(dāng)年翟志剛從神舟七號飛船出艙時(shí)使用的安全繩有效長度僅1米多，且長度固定，不能隨意伸縮。可以說，新型安全繩是為中國空間站建設(shè)、運(yùn)行“量身打造”。

9月2日0時(shí)33分，經(jīng)過約6小時(shí)的出艙活動，3名航天員密切協(xié)同，完成此次全部既定任務(wù)，陳冬、劉洋安全返回了問天實(shí)驗(yàn)艙，出艙活動取得圓滿成功。

早在8月13日，官方預(yù)告了神舟十四號飛船乘組的首次出艙活動，很多航天愛好者等得“望眼欲穿”。那么航天員們在高輻射環(huán)境下出艙，如何選好時(shí)機(jī)呢？據(jù)了解，問天實(shí)驗(yàn)艙配備的能量粒子探測器是國際首臺粒子種類最多、能譜范圍最全最廣的探測器，能為航天員出艙時(shí)間窗口選擇提供準(zhǔn)確的一手?jǐn)?shù)據(jù)。同時(shí)，準(zhǔn)確定量的粒子探測還能用于空間站在軌安全管理，為新材料和生命實(shí)驗(yàn)提供關(guān)鍵參數(shù)，以及探索重大前沿科學(xué)問題。

▲ 陳冬、劉洋先后出艙

▲ 劉洋出艙瞬間

▲ 陳冬出艙“巡天”

▲ 翟志剛從神舟七號飛船出艙

“急就章”改裝起點(diǎn)高

說起空間出艙，就不能不提中國人的首次太空行走。

2008年，神舟七號飛船航天員進(jìn)行了中國人首次空間出艙活動，翟志剛那句“我已出艙，感覺良好”給大家留下了深刻印象。

當(dāng)時(shí)，神舟七號飛船的氣閘艙是充分利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，將軌道艙改進(jìn)設(shè)計(jì)而成，既是創(chuàng)舉，又是中國航天科研人員為掌握出艙技術(shù)而采取的臨時(shí)性舉措，此后神舟飛船再也沒用過這種方法。

大家不要小看這個(gè)“急就章”改裝的臨時(shí)氣閘艙。它幫我國突破了氣閘艙的關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為第三個(gè)獨(dú)立掌握太空出艙技術(shù)的國家，可以說技術(shù)起點(diǎn)相當(dāng)高。

據(jù)公開資料顯示，神舟七號飛船氣閘艙直接利用了原有軌道艙的基本結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)化重新設(shè)計(jì)，增加了氣閘艙功能。而氣閘艙有兩個(gè)核心功能：一是密封能力；二是泄壓/復(fù)壓功能。密封是軌道艙固有能力，而為支持航天員出艙活動，這個(gè)艙段專門安裝了管道閥門組成的泄壓裝置和5個(gè)高壓氣瓶支持的復(fù)壓裝置，滿足2次泄壓/復(fù)壓的用氣需求，還提供了艙外航天服貯存、運(yùn)輸、供給以及出艙活動、攝像、照明等一系列功能。

不過，神舟七號飛船軌道艙改作氣閘艙只是權(quán)宜之計(jì)，細(xì)節(jié)難免會有紕漏，這從翟志剛出艙時(shí)遇到艙門打不開的尷尬就能看出。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)軌道艙內(nèi)存放著不少生活和工作物資，氣閘艙泄壓后，這些物資、設(shè)備還在向外排氣，導(dǎo)致泄壓進(jìn)度不如預(yù)期，艙門被翟志剛拉開一些后，又被艙內(nèi)氣壓“頂”回去。

即使如此，神舟七號飛船的氣閘艙仍然比美蘇早期同類“高級”得多。人類第一次太空出艙活動是1965年蘇聯(lián)航天員列昂諾夫從上升2號飛船進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)飛船攜帶了“伏爾加”柔性充氣型氣閘艙，只能支持1名航天員出艙。

至于美國航天員最初的太空出艙，就更是“急就章”——雙子星飛船只比“穿在身上”的水星飛船大一些，當(dāng)時(shí)把整個(gè)返回艙泄壓排空，毫無任務(wù)冗余，沒出意外，只能說美國人運(yùn)氣太好了。

▲ 神舟十三號飛船乘組從天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙出艙

“兼職”“專用”都很強(qiáng)

隨著中國空間站建造工作漸入佳境，航天員從天和核心艙出艙執(zhí)行了多次任務(wù)。在此過程中，天和核心艙使用節(jié)點(diǎn)艙兼作氣閘艙，吸取了神舟七號飛船改裝氣閘艙的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)更為完善。

根據(jù)公開發(fā)布的視頻和圖片，天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙出艙口的艙門鎖設(shè)置在旁側(cè)，還增加了助力手柄，使得艙門能夠很順利地打開。

另外，這個(gè)“兼職”氣閘艙在中國載人航天史上首次使用了氣體復(fù)用技術(shù)，使中國繼美國之后第二個(gè)掌握了這項(xiàng)技術(shù)。借助艙間抽氣泵等設(shè)備，天和核心艙可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)艙氣體的部分回收復(fù)用，顯著降低了出艙活動對氧氣的消耗，對于節(jié)約資源和運(yùn)力、提高航天員長期在軌能力、支持多次出艙活動都具有很大意義。

相比之下，載人航天老牌強(qiáng)國俄羅斯獨(dú)立運(yùn)行過“禮炮”系列與和平號空間站，還參與了國際空間站大量艙段建設(shè)工作，但氣閘艙一直使用直接泄壓排氣裝置，氣體直接排放到真空，可能帶來氣體污染，或是干擾航天器姿態(tài)，多次出艙活動所排放的空氣也是相當(dāng)可觀的消耗。

可以說，中國空間站在這方面具備后發(fā)優(yōu)勢，技高一籌。

天和核心艙的“兼職”氣閘艙同樣是過渡性設(shè)施，中國空間站航天員今后將主要使用問天實(shí)驗(yàn)艙的專用氣閘艙出艙工作。作為專門設(shè)計(jì)、獨(dú)立使用的氣閘艙，其長度和直徑都超過神舟飛船軌道艙，內(nèi)部容積更大，也使用了氣體復(fù)用技術(shù)。由這次航天員出艙活動視頻可知，在出艙準(zhǔn)備階段，航天員會將氣閘艙空氣抽送到相鄰的密封艙，盡量減少對空氣資源的消耗。

▲ 中國空間站全景相機(jī)經(jīng)調(diào)整后直面地球

此前，神舟十二號、神舟十三號飛船乘組都是通過直徑85厘米的空間站天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙“出門”。這次，問天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙的容積空間增大了50%，艙門更寬敞，直徑達(dá)1米，航天員穿上厚厚的艙外航天服，轉(zhuǎn)身活動也不會受限，攜帶設(shè)備更從容。

這扇門是復(fù)雜的航天產(chǎn)品，涵蓋了密封、傳動、鎖緊、人機(jī)工效等學(xué)科。航天員的操作力度不變，只需用配套手柄旋轉(zhuǎn)解鎖，使用助力機(jī)構(gòu)消除殘壓，拉動艙門把手即可打開。平時(shí)艙門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，配套的檢漏儀等設(shè)備，能全方位保障安全。

當(dāng)然，有人可能擔(dān)心：這個(gè)出艙口位于氣閘艙正下方，航天員相當(dāng)于倒立出艙，會不會有危險(xiǎn)？其實(shí)，近地軌道上重力微乎其微，航天員即便是“拿大頂”出艙也不會有多大麻煩。

中國空間站會在太空中遨游很多年，未來中國航天員會不會使用更先進(jìn)的氣閘艙？目前有一種兩室式混合充氣氣閘艙的新概念。具體來說，就是使用充氣式艙段充當(dāng)乘員氣閘艙，既減少了氣閘艙的體積和質(zhì)量，又能保持雙室氣閘艙的固有優(yōu)勢，還能更便利高效地重復(fù)使用氣體，降低氣體消耗。此外，新設(shè)計(jì)的抗撞擊能力更強(qiáng)，可以在微流星體和軌道碎片等威脅下更好地保護(hù)內(nèi)部的航天員。總之，氣閘艙必然繼續(xù)進(jìn)步，讓我們拭目以待吧。

▲ 換角度再看問天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙