太空漫步铸辉煌—纪念人类首次太空行走50周年

太空漫步铸辉煌
—纪念人类首次太空行走50周年

1 不是行走的“行走”

不少人以为太空行走是一种在宇宙空间进行很浪漫的散步，其实不然，因为航天员在载人航天器舱外活动，一是太空无路可走；二是航天员处于失重状态，飘来飘去也没法行走。他们移动身体是靠手、机械臂或机动装置，而不是通过脚。为了方便航天员的行动，设计人员在航天器的里外都安装了一些扶手，航天员可用手握住一个一个扶手来回移动身体，很像攀岩。所以，太空行走是一种俗称，是一种不用脚的“行走”，严格地讲应该叫太空出舱活动（EVA）。当然，航天员如果是在地外星球，如月球表面活动，则是一种名副其实的太空行走。

中国航天员翟志刚在舱外挥舞国旗

美国太空行走第一人怀特进行“脐带”式太空行走

链 接

采用“脐带”式进行出舱活动的优点是简单、低廉，早期的出舱活动都采用这种方式。但它存在明显的缺陷，比如，“脐带”不能过长，航天员只能在离母载人航天器几米范围内活动，因为如果过长，在航天员出舱距离较远时“脐带”容易被缠绕，甚至使航天员“窒息”而死，所以对航天员在舱外的活动范围限制较大，苏联在列昂诺夫出舱以后，美国从“阿波罗”飞行开始，航天员在太空行走时都不再使用“脐带”式，而采用“自主”式。航天员采用“自主”式太空行走时，使用一种外形像一个大背包的便携式生命保障系统，如果航天员使用载人机动装置，目前最远可到达离母载人航天器100m远处活动了。

太空行走技术现已发展了三个阶段，即起步探索阶段（1965-1968，通过上升-2、“双子星座”飞船出舱）、改进强化阶段（1969-1972，通过“联盟”、“阿波罗”飞船出舱）、发展完善阶段（1973-现在，通过空间站、航天飞机出舱）。

太空行走有多种分类方式。目前常用的主要有下述4种：

1）按出舱活动的场所不同可分2种。第1种是航天员到载人航天器舱外的宇宙真空中行走；第2种是在月球、火星、小行星等地外星球表面行走。

2）按出舱活动是否列入计划和时间的紧迫性可分为3种。第1种是计划内出舱活动；第2种是计划外出舱活动；第3种是应急出舱活动。其中计划外出舱活动是根据实际情况临时增加的，而应急出舱活动是为了保障载人航天器顺利返回地球或是航天员的生命安全。

3）按出舱活动的目的和任务可分为4种。第1种是验证类出舱活动，即用于检验出舱活动系统的可行性和可靠性，苏联、美国、中国的首次出舱活动都属于此类；第2种是组装类出舱活动，即在轨组装空间站或建造月球基地等；第3种是维修类出舱活动；第4种是有效载荷类出舱活动，即回收、修理和释放卫星或在月面安装实验装置、采集月岩标本等。

4）按出舱活动时航天员的生命保障系统是否依赖母器可分为2种。第1种是“脐带”式，即航天员出舱时像刚出生的婴儿一样，通过一根类似“脐带”的绳索与载人航天器相连接。这条“脐带”有2个作用：一是提供生命保障功能，航天员在舱外所需要的氧气、压力、冷却工质、电源和通信等都通过“脐带”由母载人航天器提供的；二是起保险作用，防止航天员漂离载人航天器太远而回不来。第2种是“自主”式，即航天员出舱活动时不系“脐带”，而是使用外形像一个大背包的便携式生命保障系统，即航天员在出舱活动时除了身穿舱外航天服外，还要背上这种提供氧气、温度、湿度等的大背包。

通过太空行走维修“哈勃”空间望远镜

美国航天员奥尔德林在月面展开地震仪

2 用途多多是法宝

太空行走是一项很重要的载人航天技术，主要有五大用途：一是在太空组装、扩建大型空间站；二是在太空维修、维护航天器；三是较方便地完成回收、维护与释放卫星以及科研等一些任务；四是能进行紧急太空救援；五是建立月球基地和载人登火星等。不过，由于该技术十分复杂，所以目前只有俄罗斯、美国和中国完全独立的掌握了它，其中中国航天员翟志刚于2008年9月27日从神舟-7载人飞船出舱，成为世界上第3个完全独立实现太空行走的国家，产生了较大反响。

美国人曾通过太空行走修复了刚一发射上天就出现重大故障的“天空实验室”空间站，使这一价值连城的庞然大物起死回生，避免了高额损失。苏俄航天员则利用出舱活动修理过礼炮号系列空间站，尤其是多次组装、维修了和平号空间站，使它的寿命达到15年之久。当前在轨运行的“国际空间站”更是由航天员通过多次太空行走才完成在轨组装的。另外，通过出舱活动，美国已多次在轨回收、维修和释放了“太阳峰年卫星”和“哈勃”空间望远镜等卫星。

国外航天员利用太空行走还完成了多项科学实验，最典型的例子就是“阿波罗”登月航天员在月面行走时所完成的科学实验。今后，在建造月球基地或载人登小行星和火星的过程中，也要依靠航天员通过太空行走来完成。

经过多年的发展，航天员在太空行走领域创造了多个世界纪录。例如：

1965年3月18日，苏联航天员列昂诺夫成为世界太空行走第一人；1984年7月25日，苏联女航天员萨维茨卡娅成为世界上第一名在太空行走的女航天员。1965年6月3日，怀特成为美国太空行走第一人；1984年10月8日，莎丽文成为美国太空行走第一女。

至今，太空行走次数最多的是苏联/俄罗斯航天员索洛维耶夫，他一共出舱活动16次，累计时间达77h41min。这是由于索洛维耶夫的太空行走技术高超，所以在和平号空间站“晚年”百病缠身期间,一出现故障就派他出舱进行维修。

单次太空行走时间最长的是美国航天员赫尔姆斯和沃斯，他们于2001年3月11日在太空行走了8h56min，调整了“国际空间站”团结号节点舱上的1个对接舱的位置。

单次太空行走距离最远的是美国航天员麦坎德利斯，他于1984年2月走到离母航天器100m远的地方，而且是人类史上第一次完全自由的太空行走，称得上是1颗人体卫星。

太空行走次数最多的女航天员是美国女航天员威廉斯。她出舱4次，并于2007年4月16日在空间站内的跑步机上跑完了42.16km的马拉松赛程，用时4h24min。她也是目前在太空一次连续逗留时间最长的女航天员，达195天。

美国航天员麦坎德利斯利用载人机动装置飞到离母航天器100m远的地方

吊装“国际空间站”探索号联合气闸舱

3 出舱必经之门户

由于太空的高真空、高洁净、强辐射等环境对人体来说它是一个的致命环境，人一旦暴露在太空中将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险。所以，人要离开航天器进入开放的太空，必须使用复杂的出舱活动系统硬件和软件来克服空间环境的影响。出舱活动系统的硬件主要包括气闸舱、舱外航天服及其生命保障系统、固定航天员身体的设备以及安全带、载人机动装置、出舱活动用的特制工具等；出舱活动系统的软件主要包括航天员出舱活动程序、预吸氧要求以及气闸舱和服装内压力变化的要求等。

进行太空行走首先要通过气闸舱这个出舱的门户才行，因为不通过它而直接打开舱门出去会带来一系列问题。比如，不仅会使舱内的所有气体迅速泄光，造成气体大量浪费，而且航天员也会由于压差大的原因而得减压病。因此，航天员出舱前必须通过载人航天器上装的一个小舱室—气闸舱。气闸舱一般有2个舱门（也叫闸门），一个是与载人的舱连接叫内舱门（也叫内闸门），另一个是可通向宇宙空间的外舱门（也叫外闸门）。航天员出舱时先打开内舱门进入气闸舱，然后关闭内舱门，把气闸舱逐步减压到真空状态，然后打开外舱门进入宇宙空间，航天员返回气闸舱时按相反的顺序操作。这样就可以解决气体大量浪费、减压病等问题。

因为体积等原因，目前只有空间站和航天飞机设有专用气闸舱，而载人飞船大都采用直接泄压和复压的方式（除苏联上升-2装有简易气闸舱外），例如，把三舱式飞船的轨道舱兼作气闸舱使用。这是由于飞船较小，并采用分舱式设计，所以泄压时不会浪费太多的氧气，而且难于安装气闸舱，因此可以不用专门的气闸舱。但空间站和航天飞机舱内的空间很大，如果没有气闸舱，在航天员进行太空行走时会造成极大的气体浪费。另外，航天员在空间站和航天飞机上一般要进行多次太空行走，因此在空间站和航天飞机外进行太空行走，必须要有气闸舱。

在气闸舱内航天员不仅要穿出舱用的舱外航天服，还要进行吸氧排氮，这是为什么呢？这是因为载人航天器与地面一样为1个大气压力，但是为了出舱行动方便，舱外航天服内的压力只有0.3～0.4个大气压，所以航天员即使穿着舱外航天服也不能直接出舱，否则仍会得减压病。但如果航天员通过气闸舱进行高低压环境的过度，再加上进行吸氧排氮，就可以预防减压病的发生。这是为什么呢？

生活在地球表面时，人体受到的大气层的压力为一个大气压，人在载人航天器内受到压力也是如此。这时，人体组织内的氧气只占21%左右，而氮气约占79%，而且这些气体因体外有1个大气压而不会外逸。但当航天员进入宇宙真空时，人体组织内的气体会因外界压力较低而往外逸出。氧气是人体需要的，但氮气逸出人体组织外会使人体产生皮肤发痒、关节与肌肉疼痛、咳嗽和胸闷等症状，这种病就是减压病。对此，必须采取措施，其方法就是在出舱前通过吸纯氧来置换出身体内的氮，使存留在身体内的氮减少到不会影响航天员身体健康的程度，这个过程就叫“吸氧排氮”。若舱外航天服的压力相对较大，吸氧排氮的时间就短，反之则长。

航天员在气闸舱内吸氧排氮

航天飞机气闸舱内的2套舱外航天服

4 价值连城的“天衣”

太空环境对于人的生存来讲是非常恶劣的，因此，航天员进行出舱活动时还必须穿舱外航天服。它相当于一个微型载人航天器，能把航天员的身体与太空恶劣环境隔离开来，并向航天员提供一个相当于地面的工作环境，包括提供氧气、正常气压、排放二氧化碳、维持舒适的温度和抵御宇宙辐射等维持生命所需的各种条件。

与舱内航天服相比，舱外航天服除有舱内航天服的所有各层外，还增加了一些层，比如：增加了液冷通风层，它是将舱内航天服的通风散热层管内的气体改为液体而成，这是因为舱外作业有时长达几个小时，身体产生的热量多，靠气体散热达不到散热要求，而液态冷却工质就可很好把热散掉；增加了真空隔热层，它用于保护航天员在舱外作业或在月球与其它星体表面活动时，不受舱外环境过热、过冷的侵袭，又可防止服装内部的热量散失；增加了最外面的防护层，它由多种纤维复合织物制成（包括使用防弹背心材料），具有良好的柔软性、耐穿透、耐磨损、耐高温、耐燃烧、耐腐蚀，且表面摩擦系数小，还有防辐射的功能和连接其它装具的接口，从而保护内部各层的功能，并与航天员舱外活动时的“脐带”或携带式生保系统、机动装置连接等。

舱外航天服由服装、头盔、手套和航天靴等组成，其中结构最复杂的是服装，由多层组成。最里层是衬里和尿收集装置；衬里外是用于散热的液冷通风层；液冷通风层外是用于产生一定压力的加压气密层；然后是限制加压气密层向外膨胀的限制层；限制层外是对付舱外大温差变化的隔热层；最外面是保护层。每层又含多层。

舱外航天服的头盔由头盔壳、面窗结构和颈圈等组件构成，其中的头盔壳所用材料具有强度大、抗冲击和足够的耐热性等优点。航天员在出舱前，头盔面窗的内部要喷上防雾剂。

手套与服装通过腕圈接连，要符合穿戴者手型，能快速穿脱戴。其靴子由压力靴和舱外热防护套靴组成。

现代舱外航天服在背部直接装有便携式生命保障系统。由于太空行走时间一般较长，所以舱外航天服内装有用饮水袋，它由进水阀、饮水阀和饮水管组成。在饮水管的旁边还有一个放置食物棒的长孔，航天员需要进食时，只要一伸嘴即可吃到美味可口的棒状食品。

由于手伸不到脸部，舱外航天服中还有搔痒工具。舱外航天服内有“尿不湿”和专门设计的便器，在太空行走期间可以小便，但一般不能大便。

至今，苏联、俄罗斯、美国、中国已先后研制并使用过多种舱外航天服，它们各有千秋，其中美国还研制并使用了舱外登月服。近年，俄罗斯开始使用智能化舱外航天服—海鹰-Mk：在出舱活动之前，该航天服电脑系统会提示航天员按顺序检查航天服穿戴是否正确；在进行出舱活动时，如果发生意外情况，海鹰-Mk的电脑系统会向航天员提示故障原因，指示航天员如何操作。美国在2014年公布了Z-2系列舱外航天服设计概念：它能抗击一定速度的空间碎片撞击，满足长时间太空行走的防辐射和调节温度的功能，可满足登陆火星的航天员需求。其最大的特点是背部的生命保障系统与头盔相连接，并采用了仿生技术，如果天体表面环境较为昏暗，就可以进行照明。

目前，美俄航天员在太空行走时，还配有像铁臂阿童木一样采用载人机动装置（MMU)，以扩大航天员的活动范围。该机动装置又叫太空摩托艇或太空自行车，是航天员出舱时的交通工具。它是通过喷嘴喷出无污染的高压气体—氮，来推动航天员的身体朝一定方向移动。目前常用的载人机动装置外形像一背包，所以又叫喷气背包。除了气箱和供气系统外，它装有24个喷气装置，可在上下左右前后6个方向的机动控制，喷气时能产生15cm/s的移动速度，最大移动速度为3m/s。

航天员通过载人机动装置在空中飞行，在其背包中有一个氮气喷射推进装置提供机动力，航天员用置于手臂支架前端的控制器进行喷气方向选择，从而对自身的移动进行控制

5 太空行走中的“常见病”

到目前为止，航天员在太空行走中虽然没有出现过人员伤亡的情况，但还是遇到了许多危险，其中最危险的一次就是世界首次太空行走。

1965年3月18日，苏联上升-2飞船载着别列亚耶夫和列昂诺夫上天。入轨后在别列亚耶夫的帮助下，列昂诺夫穿上舱外航天服并吸了1个多小时纯氧后便漂出。出舱后，列昂诺夫感觉自己像在太空“游泳”。他在太空不仅浮游，还翻筋斗，并从舱外卸掉1个相机，移动了几件舱外物体。10min后，列昂诺夫拟返回舱内，但此时出现了麻烦。一是列昂诺夫出的汗量超出了他的航天服所能吸收的量，汗水流到了眼睛上，汗气也使面罩模糊，而航天员因戴头盔不能擦汗；二是由于他穿的舱外航天服有0.4个大气压，而太空是真空的，无法从外部对航天服施压，所以舱外航天服出舱后像汽球一样鼓了起来多，卡在气闸舱舱门口。这时，列昂诺夫除了能听到自己的心在咚咚地急促跳动外，什么也看不清，听不见。突然他灵机一动，给舱外航天服放气降压。一次不行两次，两次不行三次，直到将压力降到了极危险的低限，即从0.4降至0.25个大气压，才终于穿着瘪下来的舱外航天服活着爬进了舱门。列昂诺夫在太空行走了10min，但为了挤进舱门他又拼力花了14min。

总的说来，太空环境、气闸舱、舱外航天服、人为失误等因素都会对太空行走的安全性有不同程度的影响。

在太空特殊环境下，航天员容易得空间运动病，曾对太空行走影响较大。1969年3月，阿波罗-9航天员施韦卡特在升空第2天准备穿舱外航天服进行太空行走时突然呕吐，这表明他患了空间运动病。为此，推迟了他出舱的时间，因为如果在太空行走过程中呕吐，呕吐物会飘在头盔内没法处理，并可能被航天员吸入肺中造成严重后果。

气闸舱的设计、操作和质量对太空行走是否能顺利完成很重要，尤其是其舱门的好坏直接关系到航天员的生命安全。1990年7月17日，2名俄罗斯航天员经过量子号气闸舱走出和平号空间站，他们在气闸舱还未完全减压到0时就打开了舱门。结果在舱门打开时舱内气体涌了出来，损坏了门的铰链，从而使他们在结束出舱活动后关舱门时遇到了困难，最后还是通过应急气闸舱关闭了内舱门。

对于太空行走来说，最常见的问题大都与舱外航天服故障有关，它是太空行走的最薄弱环节。2003～2004年“国际空间站”第8和第9长期考察组在太空行走时都曾因温控系统失灵或氧气瓶气压急剧下降等故障而紧急提前返回舱内。2013年7月16日，意大利航天员帕尔米塔诺在太空行走时由于突遇头盔漏水故障而差点儿被水淹死，后来他使用安全绳才把自己“拉”回了“国际空间站”气闸舱内舱门。其同事帮他脱掉头盔后发现里面已积了1～1.5L的水。为此，美国主导的太空行走被叫停例了1年多进行整改，直到2014年10月7日才恢复。但在2015年2月25日的太空行走中又出现了轻度漏水问题。

列昂诺夫进行世界首次太空行走

2014年，美国航天员斯瓦森出舱行走

最令人头疼的是人为失误对太空行走所造成的影响。1977年12月20日，联盟-26航天员格里奇科在气闸舱内辅助罗曼连科进行太空行走。当罗曼连科把头伸出舱门外，身体即将离开空间站时，格里奇科发现他没有系安全带，并手急眼快地一把拽住了他。实际上罗曼连科还是系了安全带，只不过后来松开了。

中国航天员穿舱外航天服在模拟失重训练水槽中进行出舱活动任务训练

6 办法总比困难多

经过50年的发展，太空行走技术水平已经得到了很大的提高，也取得了许多预防“常见病”的经验。

为了减少空间运动病的影响，现在航天员一般是在上天后的第3天才进行首次太空行走，目的是让航天员适应太空微重力环境，同时也是为了避开空间运动病的高发期。

对于气闸舱来说，最重要的要保证其内外两扇舱门的气密性绝对可靠，它们是航天员的生命之门，如果漏气则十分危险为此，所以一般对气闸舱舱门要做几百次各种压力下的试验，安然无恙后才能发射上天。

为了保障安全，采用“自主”式进行出舱活动的航天员多为2人一组，为的是相互关照，保障安全，及时救助。

系好安全带也很重要,目前安全带能承受的最大拉力可达395kg。

另外，由于太空行走技术非常复杂，所以准备出舱的航天员上天前必须进行大量而科学的训练，凡要在太空进行的操作，一般需在地面练习60次左右。它又可分技能训练和任务训练两种。前者是让航天员学习怎样穿脱舱外活动航天服，熟练掌握出舱程序，在太空行走是如何控制自己的身体和运动；后者是学习如何完成出舱活动的具体任务。

太空行走训练主要通过失重飞机、模拟失重水槽、各种模拟器以及虚拟现实设备进行，其中最重要的就是在水槽中训练，因为这种方法最接近实际。在水槽中训练主要是利用水的浮力使身穿舱外航天服的航天员漂在水中，从而模拟太空失重环境。水槽中还有载人航天器模型，通过它航天员能熟悉在失重状态下身体如何完成出舱任务。

不过，实际的太空行走与在模拟失重水槽中进行的训练还不完全相同。在水槽中训练时，由于水的阻力比较大，所以航天员做动作时可以比较缓慢。但是在实际的太空行走中因为没有阻力，使航天员做动作灵活性增强而容易失控。比如，拧一个螺丝，如果用劲太大，航天员就可能跟着旋转。所以，在太空失重环境中移动身体要慢，要小心谨慎、不慌不忙控制好自己的身体，不要接触任何飞行中的物体，不要快速移动。这些需要航天员在实际太空行走中体验和掌握。

在太空失重环境中，航天员要靠手把扶住周围的某些物体。因此航天员的手、手腕和手臂的肌力和耐力十分重要，这就要求航天员在飞行前要加强手、手腕和手臂肌力的锻炼。

简言之，太空行走技术正方兴未艾，未来主要是突破在小行星和火星上的太空行走技术，研制出既安全可靠又轻便灵巧的新型舱外航天服。

天宇/文

2014年第四季度航天器发射统计

续 表

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50th Anniversary of Humankind’s First Spacewalking

今年3月18日是个值得纪念的日子，因为在50年前的这一天，苏联航天员列昂诺夫完成了人类第一次太空行走。此后，太空行走成为载人航天的三大基本技术之一并取得了飞速发展，为推动人类载人航天事业的发展做出了重要贡献。现在，太空行走已成为载人航天常态，比如，2015年2月21日、2月25日和3月1日，“国际空间站”上的2名美国航天员先后进行了3次太空行走，他们在舱外架设了一条超过200m长的电缆，为今年晚些时候送到空间站两个“国际对接适配器”做准备，最终用于在2017年“接待”美国商业载人飞船。