气闸舱：从“兼职”到“专用”的变迁

文/张雪松 航舱

9月1日，中国航天员陈冬、刘洋首次从问天实验舱气闸舱进行出舱活动，圆满完成舱外任务。空间出舱活动，又称“太空行走”。过去，中国航天员曾使用节点舱和飞船轨道舱改装的临时气闸舱进行太空行走，收获了不少经验。而这次任务使用的专用气闸舱对比其他方案，出舱位置和条件都有所不同，别具优势。展望未来，相信航天员出舱还会有更完善和高效的新方案。

▲ 陈冬、刘洋出舱合影

新位置出舱门道多

9月1日15时48分，中国航天员们关闭了问天舱段间舱门。随后陈冬、刘洋穿戴好舱外航天服，进行出舱前各项准备工作。

18时26分，陈冬成功开启问天实验舱气闸舱出舱舱门。开门第一眼，映入他眼帘的就是蔚蓝的地球。这能给航天员明确的方位感，地球反照的作用也使得光照更加柔和，便于工作。而陈冬的讲话还是中国航天员们的“保留节目”——“大家好！我已出舱，感觉良好！”刘洋紧随其后。至19时09分，陈冬、刘洋都已成功出舱。

蔡旭哲则坐镇天和核心舱内，密切配合支持同事工作。通过智能显示设备和机械臂操作台的联动，他在舱内动动手指，就能实现机械臂多模式操作。同时，力反馈技术也首次被引入机械臂在轨操作，航天员能体验到按键的“触感”反馈。

截至20时，2名出舱航天员完成了安装脚限位器和舱外工作台等工作，这些设施将为航天员更安全地遨游太空、细致开展工作提供支持。

接下来，首次在问天实验舱小机械臂的支持下，陈冬、刘洋进行了问天实验舱扩展泵组安装、问天实验舱全景相机抬升等作业，并成功开展舱外自主转移应急返回能力验证。在后来公开的视频和图片中，全景相机拍摄效果显著提升。

▲ 陈冬拉开问天实验舱气闸舱出舱舱门

为抬升“太空相机”，刘洋在舱外使用了酷似手电钻的电动螺丝刀，这件工具暗藏玄机。在失重状态下，航天员仅能靠扶手和脚限位器调整姿态，尤其是穿着厚重的舱外航天服，只能单手操作工具，为此，科研人员对每个工具抓握、按压、旋拧操作进行了反复研究，而舱外的复杂环境对电动工具的电机、电路、热控、机构等组件也是严苛的考验。经过数次升级设计，航天员在半出舱状态下就能完成工具取放，操作更加便捷、安全。据悉，最近3年，有关科研团队自主研制了空间站天和核心舱、问天实验舱36类、238件舱外维修工具。

本次出舱期间，2名航天员身系10余米长的安全绳。这根绳子不简单，伸缩过程要实现恒力输出，不能干扰到航天员运动，还必须经受住近200摄氏度的大温差、空间辐照、空间粒子等恶劣环境的考验。相比之下，当年翟志刚从神舟七号飞船出舱时使用的安全绳有效长度仅1米多，且长度固定，不能随意伸缩。可以说，新型安全绳是为中国空间站建设、运行“量身打造”。

9月2日0时33分，经过约6小时的出舱活动，3名航天员密切协同，完成此次全部既定任务，陈冬、刘洋安全返回了问天实验舱，出舱活动取得圆满成功。

早在8月13日，官方预告了神舟十四号飞船乘组的首次出舱活动，很多航天爱好者等得“望眼欲穿”。那么航天员们在高辐射环境下出舱，如何选好时机呢？据了解，问天实验舱配备的能量粒子探测器是国际首台粒子种类最多、能谱范围最全最广的探测器，能为航天员出舱时间窗口选择提供准确的一手数据。同时，准确定量的粒子探测还能用于空间站在轨安全管理，为新材料和生命实验提供关键参数，以及探索重大前沿科学问题。

▲ 陈冬、刘洋先后出舱

▲ 刘洋出舱瞬间

▲ 陈冬出舱“巡天”

▲ 翟志刚从神舟七号飞船出舱

“急就章”改装起点高

说起空间出舱，就不能不提中国人的首次太空行走。

2008年，神舟七号飞船航天员进行了中国人首次空间出舱活动，翟志刚那句“我已出舱，感觉良好”给大家留下了深刻印象。

当时，神舟七号飞船的气闸舱是充分利用现有技术基础，将轨道舱改进设计而成，既是创举，又是中国航天科研人员为掌握出舱技术而采取的临时性举措，此后神舟飞船再也没用过这种方法。

大家不要小看这个“急就章”改装的临时气闸舱。它帮我国突破了气闸舱的关键技术，使我国成为第三个独立掌握太空出舱技术的国家，可以说技术起点相当高。

据公开资料显示，神舟七号飞船气闸舱直接利用了原有轨道舱的基本结构，通过系统化重新设计，增加了气闸舱功能。而气闸舱有两个核心功能：一是密封能力；二是泄压/复压功能。密封是轨道舱固有能力，而为支持航天员出舱活动，这个舱段专门安装了管道阀门组成的泄压装置和5个高压气瓶支持的复压装置，满足2次泄压/复压的用气需求，还提供了舱外航天服贮存、运输、供给以及出舱活动、摄像、照明等一系列功能。

不过，神舟七号飞船轨道舱改作气闸舱只是权宜之计，细节难免会有纰漏，这从翟志刚出舱时遇到舱门打不开的尴尬就能看出。经分析发现，当时轨道舱内存放着不少生活和工作物资，气闸舱泄压后，这些物资、设备还在向外排气，导致泄压进度不如预期，舱门被翟志刚拉开一些后，又被舱内气压“顶”回去。

即使如此，神舟七号飞船的气闸舱仍然比美苏早期同类“高级”得多。人类第一次太空出舱活动是1965年苏联航天员列昂诺夫从上升2号飞船进行的，当时飞船携带了“伏尔加”柔性充气型气闸舱，只能支持1名航天员出舱。

至于美国航天员最初的太空出舱，就更是“急就章”——双子星飞船只比“穿在身上”的水星飞船大一些，当时把整个返回舱泄压排空，毫无任务冗余，没出意外，只能说美国人运气太好了。

▲ 神舟十三号飞船乘组从天和核心舱节点舱出舱

“兼职”“专用”都很强

随着中国空间站建造工作渐入佳境，航天员从天和核心舱出舱执行了多次任务。在此过程中，天和核心舱使用节点舱兼作气闸舱，吸取了神舟七号飞船改装气闸舱的经验，设计更为完善。

根据公开发布的视频和图片，天和核心舱节点舱出舱口的舱门锁设置在旁侧，还增加了助力手柄，使得舱门能够很顺利地打开。

另外，这个“兼职”气闸舱在中国载人航天史上首次使用了气体复用技术，使中国继美国之后第二个掌握了这项技术。借助舱间抽气泵等设备，天和核心舱可以实现节点舱气体的部分回收复用，显著降低了出舱活动对氧气的消耗，对于节约资源和运力、提高航天员长期在轨能力、支持多次出舱活动都具有很大意义。

相比之下，载人航天老牌强国俄罗斯独立运行过“礼炮”系列与和平号空间站，还参与了国际空间站大量舱段建设工作，但气闸舱一直使用直接泄压排气装置，气体直接排放到真空，可能带来气体污染，或是干扰航天器姿态，多次出舱活动所排放的空气也是相当可观的消耗。

可以说，中国空间站在这方面具备后发优势，技高一筹。

天和核心舱的“兼职”气闸舱同样是过渡性设施，中国空间站航天员今后将主要使用问天实验舱的专用气闸舱出舱工作。作为专门设计、独立使用的气闸舱，其长度和直径都超过神舟飞船轨道舱，内部容积更大，也使用了气体复用技术。由这次航天员出舱活动视频可知，在出舱准备阶段，航天员会将气闸舱空气抽送到相邻的密封舱，尽量减少对空气资源的消耗。

▲ 中国空间站全景相机经调整后直面地球

此前，神舟十二号、神舟十三号飞船乘组都是通过直径85厘米的空间站天和核心舱节点舱“出门”。这次，问天实验舱气闸舱的容积空间增大了50%，舱门更宽敞，直径达1米，航天员穿上厚厚的舱外航天服，转身活动也不会受限，携带设备更从容。

这扇门是复杂的航天产品，涵盖了密封、传动、锁紧、人机工效等学科。航天员的操作力度不变，只需用配套手柄旋转解锁，使用助力机构消除残压，拉动舱门把手即可打开。平时舱门处于关闭状态时，配套的检漏仪等设备，能全方位保障安全。

当然，有人可能担心：这个出舱口位于气闸舱正下方，航天员相当于倒立出舱，会不会有危险？其实，近地轨道上重力微乎其微，航天员即便是“拿大顶”出舱也不会有多大麻烦。

中国空间站会在太空中遨游很多年，未来中国航天员会不会使用更先进的气闸舱？目前有一种两室式混合充气气闸舱的新概念。具体来说，就是使用充气式舱段充当乘员气闸舱，既减少了气闸舱的体积和质量，又能保持双室气闸舱的固有优势，还能更便利高效地重复使用气体，降低气体消耗。此外，新设计的抗撞击能力更强，可以在微流星体和轨道碎片等威胁下更好地保护内部的航天员。总之，气闸舱必然继续进步，让我们拭目以待吧。

▲ 换角度再看问天实验舱气闸舱