江 燕 2008年09月03日 16:50
編者按：我國已正式宣佈，將於今年下半年發射神舟七號載人飛船，進行首次航太員出艙活動。本刊將從此期開始開闢“期盼‘神七’巡天”專題報道，陸續刊登有關介紹航太員出艙活動的文章，以饗讀者。
出艙活動，俗稱“太空行走”，是指航太員離開載人航太器座艙，到開放的太空中活動，從更廣的意義上說，也包括在其他天體表面上的活動。
人在太空中處於失重狀態下是無法行走的，只能是飄來飄去；在其他天體上也只有在具有固態表面，如月球、火星等類地行星上才能行走。
1965年3月，蘇聯航太員列昂諾夫完成了人類航太史上首次出艙活動，在開放的太空中停留了12分鐘。次年6月，美國航太員懷特走出座艙，在外面呆了20分鐘，實現了美國航太員首次艙外活動。當時兩國航太員出艙活動的目的主要是為了在太空競賽中爭取“第一”。不過，出艙活動的實現標誌著人類的載人航太邁上了一個新臺階。
機械臂將航太員關入指定位置
航太員為什麼要出艙？
太空是一個對人體有致命傷害的環境。人們開展出艙活動的根本目的，不是為了太空競賽，也不是為了在太空漫步，觀賞風光，而是有許多特殊的任務，不得不靠航太員到艙外去執行。這些任務包括：
① 將從地面分散運到軌道上的艙段、構件拼接、組裝，建造空間站等大型航太器；
② 檢測、維修或更換空間站等航太器安裝在外部暴露在太空中的儀器、設備和部件，例如太陽電池翼板、通信天線、雷達天線、望遠鏡等遙感儀器的鏡頭、探頭，探測太陽紫外輻射、粒子輻射、微流星和空間碎片等實驗裝置；
③ 檢查、維修或回收在軌道上發生故障的航太器。
美國目前使用的艙外航太服 航太員對“天空實驗室”的太陽帆板進行維修
出艙活動的歷史功績
航太員出艙活動曾經為航太活動的順利開展及航太技術的持續發展，建立過不朽的功勳。
1973年，美國發射了它的唯一的空間站——“天空實驗室”。入軌後，發現它的一對太陽電池翼一個在上升時被高速氣流沖掉了，另一個被微流星防護罩碎片纏住，伸展不開，無法發電；同時，由於喪失了兼作防熱用的微流星防護罩，“天空實驗室”內的溫度高達50℃。首批航太員到達空間站後，第一樁任務就是到艙外去將防護罩碎片切斷，打開太陽電池翼，並把一頂從地面帶來的傘狀遮陽篷，鋪設在“實驗室”外朝太陽的一側，從而使“實驗室”開始供電，室內溫度降到20℃左右的常溫，挽救了瀕臨報廢的“天空實驗室”。
1993年到2002年，美國航太員4次在太空修理1990年上天的哈勃空間望遠鏡，更換有故障的設備、部件，安裝先進的新設備，不僅糾正了哈勃空間望遠鏡在地面製造時隱藏的低級錯誤，而且提高了觀測能力，延長了工作壽命。修復哈勃望遠鏡是迄今為止航太員艙外活動最突出的成果。
蘇聯/俄羅斯自1969年以來，聯盟號飛船和7個禮炮號空間站上的航太員進行過數十次出艙活動，特別是和平號多艙組合式空間站，由於依靠航太員不斷到艙外進行檢查、維修、更換陳舊或故障設備，安裝新的實驗件，使它在太空的工作壽命從原計劃的5年延長到15年。
航太員維修哈勃空間望遠鏡
出艙活動必需的保障條件
太空是一個沒有氧氣、沒有大氣壓力、極端低溫、有強烈的電磁輻射和粒子輻射、致人於死命的環境。航太員到開放的太空中活動是一樁既複雜又危險的事情，是一項高難度的綜合性技術。為了保證航太員安全、高效地完成出艙活動的各項任務，必須具備先進的技術措施和完善的保障條件，主要有：供出艙活動穿的航太服——艙外航太服；與航太服配套的揹包式環境控制與生命保險系統，簡稱“揹包式環控生保系統”；在飛船、穿梭機、空間站等載人航太器中增設氣閘艙；載人機動裝置；出艙活動的航太員接受地面模擬訓練。
艙外航太服
出艙活動的航太員必須從頭到腳把自己“全副捂裝”起來，與太空隔絕。艙外航太服不僅包括衣褲（服裝），而且包括頭盔、手套和靴子。
服裝由多層組成。最裏面貼身的一層是液冷服，外形像一件衣褲聯在一起的工裝，用有彈性的細管編織成網狀，細管內有冷卻水迴圈流動，用於帶走身體發出的多餘熱量；第二層是加壓服，有3層：內層用有通風管的尼龍製成，中層與外層之間充氣，外層用涂氯丁橡膠的尼龍製成，以維持服裝內的氣體壓力；第三層是限制服，其作用是限制加壓服向外膨脹；第四層是防熱服，也有多層：最裏層是涂鋁的聚酯薄膜，中間幾層用卡普倫和薄紗羅製成，最外層是服裝的外套，也是由涂鋁薄膜製成，除防熱外，還起著防磨損、防燃燒、防微流星和空間碎片的作用。
服裝內還有廢物收集器，供緊急情況下，航太員排大小便用。
頭盔由頭盔殼、面窗和頸圈組成。頭盔殼用高強度聚碳酸酯製成，四壁有襯墊、襯墊上鑲有細管，並有減震、隔熱、消聲、通風和供氧的功能；面窗除有開闊的視野外，還有過濾紫外線的作用，以保護眼睛；頸圈是頭盔與服裝的連接件，有良好的氣密性和連接強度。
手套和靴子通過有全密性的腕圈與服裝連接。手套按航太員手的大小定做。手指部分有波紋結構，便於操作。靴子有加壓靴和外套靴兩層：加壓靴是服裝加壓服的延伸，中間用腕圈連接；外套靴則用於防熱和防磨損。
禮炮7號空間站
揹包式環控生保系統或“臍帶”
揹包式環控生保系統由供氧裝置、空氣再生系統、溫度控制系統、監測系統和無線電通信系統等組成，其功能是，向航太服內輸送供氧氣和冷卻水，維持航太服內的壓力和溫度，實施通風、散熱，以及為航太員提供與載人航太器或地面之間的通信。揹包式環控生保系統由身著航太服的航太員背在身上。
艙外航太服與揹包式環控生保系統，實際上構成一個微型載人航太器，為航太員提供一個合適的壓力、供氧、溫度、通風的環境，並提供電力和通信能力，保證航太員能脫離航太器，在開放的太空中生存與執行任務。
早年或初期出艙活動，一般還沒有準備好揹包式環控生保系統，或者為了減輕航太員的負擔起見，用一根由多條管道組成的“臍帶”，從母航太器中伸出，連接到航太服上。由母航太器的環控與生保系統通過“臍帶”中的管道向航太服輸送氧氣、壓力、冷卻水和電力，完成通風、散熱，清除廢氣及提供通信。這根“臍帶”是名副其實的出艙活動航太員的生命線。
氣閘艙
凡有執行出艙活動任務的載人航太器，無論是飛船、穿梭機還是空間站內，必須設置氣閘艙。氣閘艙是一種特設的專用小艙室，可供兩名航太員同時在裏面穿、脫航太服。氣閘艙的主要特點是有內、外兩扇閘門，內閘門與座艙相通，外閘門與太空相通。航太員欲出艙，先在外閘門關閉情況下打開內閘門，航太員進入氣閘艙，穿好航太服後，關閉內閘門，以防止座艙中的空氣外泄，然後打開外閘門，走入太空或其他天體表面。
航太員出艙之前必須在氣閘艙內完成吸氧排氮——吸入純氧，呼出氮氣的程式。因為座艙內航太員呼吸的是1個大氣壓的氮氧混合氣體，而航太服內提供的大氣是1/3大氣壓的純氧。當外界壓力降低時，人體血液中的氮氣會逸出鑽入人體其他器官，引發減壓病。所以在穿航太服之前，先吸入氧氣，排出氮氣，使身體適應航太服提供的低氣壓環境。
航太員準備進入大型水池中進行模擬訓練
載人機動裝置
這是一種像座椅式的推進裝置，帶有高壓氮氣和若干個噴氮氣的推力器，推力器安裝在“座椅”的不同位置和不同方向。航太員用手動控制不同位置的推力器，向不同方向噴氣，產生反作用力，可以改變自己在太空行走的方向、快慢以及身體的姿態。
早年或初期的艙外活動往往不具備這種載人機動裝置，靠航太員使用手持噴氣槍噴氣產生反作用力，在太空行走。如果只在母航太器周圍活動，航太員可以用手扶著航太器外表面上安裝的專用扶手或其他突起物行走，但必須係有“臍帶”，以免脫離航太器後，回不來，因為萬一噴氣槍氣體用完或者發生故障，不能噴氣，航太員可以靠臍帶把自己拉回母航太器。
臍帶的長度有限，一般在十幾米，不能太長，因為太長了容易發生扭曲、打結，甚至斷裂，出現危險，所以航太員使用“臍帶”，只能在母航太器附近活動；載人機動裝置能攜帶一定量的高壓氮氣，可以讓航太員到達離航太器百米遠的地方活動。
出艙活動地面模擬訓練
一套艙外航太服加上揹包式環控生保系統，重量在100千克~120千克。不過在太空中它們是沒有重量的，航太員穿著並不感覺重，但是卻是非常臃腫。服裝裏面充氣，四肢鼓鼓囊囊的，舉手投足很困難，動作笨拙；戴上手套的手指，感覺也很遲鈍；由於物體沒有重量，操作時用力大小也掌握不住。為了順利實現太空行走，特別是為了完成太空組裝、檢修、更換設備等操作，航太員必須在上天之前，經過專門訓練。
訓練的內容包括：如何穿脫艙外航太服；如何在失重條件下穩定自己的身體；如何利用“臍帶”來定向和“行走”；如何借助周圍物體施力和掌握用力技巧，以及安裝、拆卸、檢查、維修等專門操作訓練。
航太員通常在失重飛機和大型水池中進行失重和模擬失重訓練。失重飛機作拋物線飛行，每次可產生30秒到1分鐘的短暫失重。航太員每堂課2~3小時，進行多次拋物線飛行。
出艙活動航太員更多地是在大型水池中訓練。例如美國的被稱為“中性浮力實驗室”的水池，長61米，寬31米，深12米，可以容納國際空間站的整個艙段或穿梭機的貨艙。穿著艙外航太服的航太員與1：1的空間站艙段或其他航太器模型，在水池中練習運動和裝卸、檢修、更換部件等操作。
航太員進行艙外行走
中國航太員出艙的使命
我國載人航太工程的第二步是發射空間實驗室，開展短期有人照料、長期自主飛行的運營任務。空間實驗室是小型空間站，在軌運行壽命達5~10年之久，在漫長的歲月中，設備老化或出現故障等問題是免不了的，需要航太員出艙進行檢查、修理、更換。掌握出艙活動能力是實現載人航太工程第二步的先決條件。為了保證昂貴的空間實驗室長壽命、高可靠地在軌道上運行，同時也為第三步建造多艙組合式大型空間站創造條件，我國經過多年的艱苦努力，已完成艙外航太服研製、神舟飛船改裝、氣閘艙研製，以及航太員地面模擬出艙活動訓練等一系列工作，現已準備就緒，即將待命發射。
