我國空間站首批3宇航員(航天員)聶海勝、劉伯明、湯洪波分工配合圓滿完成了首次出艙的全部既定任務(wù),其中劉伯明、湯洪波都出色地完成了艙外作業(yè)所涉及的為機械臂安裝上臂支架、抬升艙外全景攝像機A的位置以及應(yīng)急返回驗證等任務(wù),而指令長聶海勝則在艙內(nèi)操控機械臂,并不時地提醒在艙外執(zhí)行任務(wù)的航天員注意安全。
航天員出艙
在此次航天員出艙過程中,作為吃瓜群眾的我們都會發(fā)現(xiàn)兩大亮點,一個是地面控制室“曙光”崗位反復(fù)提醒的機械臂已運動至某某位置,另一個則是航天員出艙所穿著的我國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服。
空間站任務(wù)中的“大力士”
說到空間站上的機械臂,筆者此前有講到過,它整體采用了“肩部3關(guān)節(jié)+肘部1關(guān)節(jié)+腕部3關(guān)節(jié)”的配置方案,一共有7個關(guān)節(jié),能夠像人的手臂一樣靈活運動,其直徑約0.4米、展開長度可達10.2米,最大可承載25噸的重量。
機械臂的作業(yè)效率是相當(dāng)高的,這在航天員出艙任務(wù)方面就有很好的證明,例如湯洪波要借助外艙壁上安裝的扶手“爬行”一段距離到作業(yè)點進行相關(guān)輔助工作,并且還要完成一次自主應(yīng)急返回,8米的距離從起點到終點用了將近40分鐘,而接到應(yīng)急返回指令后最快也要15分左右才能從環(huán)形扶手處返回氣閘艙,但要是站在機械臂這個太空“座駕”上返回也就幾秒鐘的時間。
航天科技集團五院供圖:安裝有機械臂的空間站核心艙
當(dāng)然,機械臂除了托舉航天員到指定位置,有效支持航天員出艙活動外,還承擔(dān)著艙段轉(zhuǎn)位、艙外貨物搬運、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護等在軌任務(wù)。
“飛天”艙外航天服如何為航天員的安全保駕護航?
此次出艙的劉伯明、湯洪波所穿著的艙外航天服也同樣引起了很多人的關(guān)注,實際上早在天舟二號發(fā)射之時就有相關(guān)報道,這是我國自主研發(fā)的新一代“飛天”艙外航天服,航天員僅需5分鐘就能將它穿在身上,那么艙外航天服是如何護佑航天員的呢?
左圖為新一代“飛天”艙外航天服,右圖為艙內(nèi)航天服
其實,在航天員出艙過程中是有嚴(yán)格步驟的,除了要穿好艙外航天服,還需要通過氣閘艙作為一個過渡,當(dāng)艙內(nèi)的氣壓由常壓逐漸減到真空環(huán)境后,航天員就可以直接出艙了。如果航天員直接從核心艙出艙的話,既會造成艙內(nèi)空氣瞬間流失,而且還會影響嚴(yán)重影響艙內(nèi)留守航天員的安全,這種操作是極其危險的。
并且航天員出艙不同于艙內(nèi)或地面活動,太空環(huán)境極其惡劣并充滿各種危險,而航天員出艙的安全性主要取決于艙外航天服的可靠性,主要包括3個大的方面:
其一、太空中是真空超低壓環(huán)境,空氣含量極低人不僅無法呼吸,而且沒有了大氣壓人體內(nèi)的水分和血液就會因瞬間沸騰(高原上水不到100度沸騰就是因為大氣壓低于低海拔地區(qū))而死亡;同時太空真空環(huán)境下溫度變化也是非常的極端,太陽直射到的地方溫度可達130度左右,而太陽直射不到的地方溫度又會迅速下降到零下160度左右,溫差將近300度,這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了人體所能承受的極限;
其二、航天員暴露在太空中會遭遇到輻射帶,來自太陽的強紫外線輻射、宇宙射線以及X輻射等會嚴(yán)重危及航天員的健康甚至生命;
其三,太空里的太空碎片、微流星、高能粒子無處不在,它們以每秒數(shù)千公里的速度(十倍于音速)運動,一旦擊中就是“洞穿”級別。
正是由于艙外充滿各種危險,因此航天員必須穿上特殊材質(zhì)和工藝制作的航天服出艙。
我國是世界上擁有完全獨立自主制作艙外航天服技術(shù)的國家之一,并且此前美國和前蘇聯(lián)(主體由俄羅斯繼承)完成了航天服的設(shè)計與制作,但年代比較久遠(yuǎn),例如美國現(xiàn)有存放在國際空間站的4套艙外航天服,還是上世紀(jì)80年代設(shè)計、90年代初為航天飛機制造的“艙外移動單元(EMU)”,即便是按照現(xiàn)在的可比價計算,單件造價高達1.5億美元,加上生命支持系統(tǒng)總價要超過10億元人民幣,但至今已有將近30年了。
艙外航天服實際上就是一種微型載人航天器,或者說是“穿在身上的小型飛船”,它既能滿足航天員在艙外暴露在超真空、極高溫差、強輻射、高能粒子碎片“洞穿”等環(huán)境下對于生命保障的需求,也就是起到了航天服生命支持系統(tǒng)和生命保障系統(tǒng)的作用,同時又能滿足航天員出艙活動對于手腳等部位基本靈活性的需求。
我國此次空間站執(zhí)行出艙任務(wù)的艙外航天服,一共有6層組成,從內(nèi)到外包括由特殊防靜電處理過的舒適層、合成橡膠質(zhì)地的備份氣密層、主氣密層、滌綸面料的限制層、隔熱層以及外防護層,單件重量達130公斤,高2米左右,并且全套“服裝”還設(shè)計有調(diào)節(jié)帶,四肢的長短可以自由調(diào)節(jié),關(guān)節(jié)部位還加裝了可以靈活轉(zhuǎn)動的軸承,能夠滿足160cm-180cm不同身高航天員的穿著需求,而且穿脫僅需5分鐘左右,看上去雖然臃腫,但實際上很靈活,相當(dāng)于“靈活的大胖子”機動靈活性更好,重而不笨。
新一代航天飛靴子展示
除此之外,相比13年前神舟七號飛行任務(wù)中翟志剛出艙時穿著的第一代“飛天”艙外航天服,我國的新一代“飛天”艙外服科技含量比以前更高、關(guān)節(jié)部位更加靈活自如、支持出艙時間也更久、測試維修性更強的特點。不僅航天服上配備了攝像機,全程記錄了航天員的相關(guān)操作,而且出艙作業(yè)時間也有原來的最多4個小時提高到了現(xiàn)在的8個小時,航天員能夠在艙外長時間一次性完成相關(guān)任務(wù),從而減少了多次進倉出艙等操作,降低航天員體力消耗,提高了艙外作業(yè)效率。
而且更重要的一點就是,新一代“飛天”艙外航天服已完全實現(xiàn)自主供氧以及溫度、濕度、壓力、液冷服等控制,航天員與艙體之間不再有電臍帶連接,這既減輕了航天員艙外活動的負(fù)擔(dān),而且沒有“電臍帶”的“束縛”操作起來更靈活、艙外活動范圍也更廣,只要有扶手的地方都能到達。
新一代艙外航天服,方形的“背包”是生命支持系統(tǒng)
總之,艙外航天服的的設(shè)計與制造,基本上都是圍繞著安全性、舒適性以及靈活性等方面展開的,由于艙外太空環(huán)境極其惡劣,加上在微重力下航天員“行走全靠手”,就像太空蜘蛛俠一樣“爬行”,且任何一項操作都是一手將自己固定、一手作業(yè),即便是擰螺絲也是這樣的操作,所以只有提高航天服的安全性能和機動靈活性能,才能保障航天員的安全并減少體力消耗,確保各項任務(wù)按照既定的目標(biāo)推行。
當(dāng)然,作為我國新一代“小型載人航天器”,“飛天”艙外航天服的造價也是相對不菲的。據(jù)了解,我國空間站配備的兩套艙外航天服單件費用高達3000萬人民幣(約465萬美元),而我國航天員的服裝還包括艙內(nèi)航天服、艙內(nèi)常服兩種,也是由新型材料和工藝制作而成的,從而滿足飛船發(fā)射、返回、交會對接、艙內(nèi)正常活動等不同狀態(tài)下航天員服裝穿著的需求。
不過,雖然艙外航天服造價如此高昂,但按照“慣例”一般不會被帶回地球,因為返回艙的有效載荷、容積等是通過精心設(shè)計的,實在是沒有足夠的空間擺放這樣的“大件”物品,而航天員返回時只需穿艙內(nèi)航天服即可,當(dāng)階段性任務(wù)完成后這兩套航天服還將繼續(xù)留在天和核心艙內(nèi),供后續(xù)神舟十三號等入住的航天員使用,等到“物盡其用”時再隨著其它軌道艙墜入大氣層焚毀,神舟七號任務(wù)中的艙外航天服就是在所有任務(wù)圓滿完成后隨著軌道艙墜入大氣層焚毀的,這就是為什么艙外航天服不能帶回地球的原因。
有很多人可能很難理解,為什么不帶一件回地球以便作進一步的研究和改進呢?其實這個問題科研人員早就想到了,地面不僅有相關(guān)的整套設(shè)計方案,還有“同款”備份,所以各位就不用操心了。
總結(jié)
目前,我國的空間站正處在建設(shè)沖刺階段,隨著各項既定任務(wù)的順利實施,到2022年前后我國將完成空間站的全部建造任務(wù),屆時空間站將有兩個專門的實驗艙承載科學(xué)實驗設(shè)施,開展規(guī)模更大、更加豐富的科學(xué)實驗。
因此未來航天員出艙除了要完成相關(guān)設(shè)備的安裝、調(diào)試及維護等工作外,還將進行一系列太空科學(xué)實驗,所以我國第三批入選的航天員中就有不少科學(xué)家,他們將擔(dān)負(fù)著執(zhí)行空間站運營的任務(wù)。
空間站失重環(huán)境,行走全靠“游”
如今,隨著我國載人航天工程全面轉(zhuǎn)入空間站在軌建造任務(wù)階段,不少國家看中了空間站實驗平臺的作用,想借用我國空間站進行科學(xué)實驗,目前已有包括日本、印度、德國、巴西、俄羅斯等17個國家的9個太空項目入選。
最后,讓我們共同預(yù)祝我國空間站建設(shè)各項任務(wù)順利開展!