太空行走全揭秘！曾有航天员临出舱发现忘系安全带？

kimkk

10月30日，随着神舟十九号乘组进驻中国空间站，三名航天员的太空生活也正式开始。按照计划，在6个月的太空出差过程中，他们将进行空间站空间碎片防护装置安装、舱外载荷和舱外设备安装与回收等任务，而这些任务的完成都依赖于太空行走。
太空行走是载人航天关键技术之一，也是空间站任务中挑战最高的任务之一。随着空间站的建成，中国航天员执行出舱任务已逐步走向常态化。
太空行走对于航天任务有什么重要意义？在地面如何进行太空行走训练？下面就将为大家进行详细的解答。
航天员为何要出舱
简单地说，太空行走主要有六大用途：
一是在太空组装、扩建空间站；二是在太空维修、维护航天器；三是回收、维护与释放卫星；四是完成一些科研任务；五是进行紧急太空救援；六是载人登月和载人登火星等。所以，太空行走很重要。
美国曾通过航天员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，使它“起死回生”。苏俄航天员则多次利用空间出舱活动修理了和平号空间站，使它转危为安。
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了在轨组装的。美国还通过太空行走5次在轨维修了“哈勃空间望远镜”等卫星，使1990年升空的它延年益寿至今还在工作。美国“阿波罗”登月航天员在月面行走时完成了多项科学实验。

随着太空行走技术的发展，太空行走的方式也越来越多。按出舱活动的目的和任务一般可分为四种：验证类出舱活动、组装类出舱活动、维修类出舱活动，以及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。
2008年，我国航天员翟志刚进行了我国第一次太空行走，属于验证类出舱活动，而现在，我国空间站航天员进行的太空行走属于组装类出舱活动、维修类出舱活动。
由于我国空间站航天员太空行走时间很长，而且要完成复杂的舱外安装任务，包括进行人和机械臂的协同配合，用机械臂把航天员转运到舱外作业点附近工作，所以难度比较大。
另外，每次会有两人一起出舱完成任务，这样不仅能完成较多的空间舱外工作，他们也互为备份，保证太空行走的安全。
太空行走必经之路
进行太空行走首先要使用的一个重要设备是气闸舱。气闸舱是航天员出舱活动的门户，用于密封舱与宇宙真空之间的隔离。它都有哪些用途呢？
首先，气闸舱可以防止航天员打开舱门进入宇宙空间时载人航天器内的气体大量流失。载人航天器的气闸舱是空间站内的一个小隔间，一般有2个舱门。其中与空间站大舱连接的叫做内舱门，可通向太空的叫做外舱门。
出舱时，航天员先打开内舱门进入气闸舱；接着，航天员关闭内舱门，穿上舱外航天服，进行预先吸氧；然后，把气闸舱逐步减压到真空状态，这时就可打开外舱门进入宇宙空间了。
航天员返回气闸舱时按相反的顺序操作，即航天员返回气闸舱后，先关闭外舱门，然后逐步恢复气闸舱的压力，当气闸舱内的压力与座舱内的压力相等时，就可以打开内舱门了。
气闸舱还可以在航天员出舱前对大气压力进行调节，预防航天员在进行太空行走时患上减压病，影响太空行走任务的完成。因为目前所有载人航天器内都是1个大气压，而航天员出舱活动穿的舱外航天服内的压力较低。
我国舱外航天服采用1/3个大气压体制，如果舱外航天服为1个大气压，由于压力太大使航天员无法活动。
但是穿1/3个大气压的舱外航天服直接出舱会患减压病。这是因为航天员出舱后，因舱外没有压力，人体组织内的气体会因外界压力低而往外逸出。
氧气是人体需要的，逸到哪里都可以。但氮气逸出人体组织外就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。这种从高压（1个大气压）变成低压（1/3个大气压）所引发的病就是减压病。
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”。
航天员在气闸舱内，通过高低压环境之间的逐步过渡，以及采取吸氧排氮措施，则能预防减压病。所以，气闸舱内一般还装有吸氧排氮设备。

气闸舱的另一作用则是泄压和复压，使航天员可以方便地打开舱门进入宇宙空间，以及在航天员回到舱内后恢复气闸舱内的压力。
我国空间站的“问天”实验舱装有主份气闸舱，目前航天员都是从那里出舱。
必须穿舱外航天服
由于人一旦暴露在太空中将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤等危险，因此航天员出舱时必须穿舱外航天服，使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环境。
可以说，舱外航天服就是一种微型载人航天器。
有的舱外服装配有饮水袋和食物，供长时间太空行走的航天员饮食。由于穿了舱外服后手伸不到脸部，所以有的舱外服中还有搔痒工具。舱外服内有“尿不湿”，在太空行走期间可以小便，但一般不能大便，因此空间出舱前一般吃低产气、低纤维、高能量密度的食品。
2008年，翟志刚进行了我国首次太空行走。他穿着的是我国第一代“飞天”舱外航天服。这套航天服重120公斤，配有生命保障系统背包。舱外航天服从内到外分6层：舒适层、备份气密层、主气密层、限制层、隔热层、外防护层，具备防辐射、温度调节和压力调节等功能。
目前，我国空间站航天员出舱使用的是第二代“飞天”舱外航天服，重达130公斤。它可支持更长时间的舱外活动，从第一代的4小时增加到8小时；重复使用次数也由第一代的5次提高到15次；关节部位改用小型化气密轴承，大大提高了关节灵活性，减少了航天员舱外活动时的体能消耗；手套由第一代的可握直径为25毫米物体提升为可握直径为5毫米物体。
经过大量改进与升级，第二代“飞天”舱外航天服的整体效能、可靠性、舒适性有了进一步提高，航天服的操作动作和信息识别更加迅速、准确，科技感更强，同时具有中国的审美识别性。

在今年 9 月，我国首次公开了中国登月服外观。它能够对月球表面的真空、高低温、月尘、辐射等复杂环境进行综合防护，其综合防护面料可有效防护月面热环境及月尘影响；配备了全景式防眩光面窗，可提升视觉工效；头部两侧配置长短焦距摄像机，能实现远近景视频摄录。
胸前有多功能集成控制台，让操作更便捷高效；采用了整体轻量化，适应月面活动需求，并且在低重力环境下关节配置经过优化，活动能力增强，可蹲可弯腰。
与“飞天”舱外航天服相比，正在征集名称的登月服外观的整体性更加凸显，外部设备元器件呈现小型化、集成化，使其更像一件 “衣服”。
怎样训练太空行走
太空行走技术非常复杂，为此，航天员进入太空前必须进行大量的地面训练。其中最重要的训练是在水槽中进行。因为这种方法可以给航天员提供模拟失重的训练环境，是最为有效的训练手段。
我国航天员中心的中性浮力水槽呈圆形，直径23米，深10米，亚洲最大。在水槽训练时，需通过调整航天员水槽训练服上的配重铅块，使航天员既不浮上来，也不沉底，从而模拟失重环境的操作效应。

水槽内有个1:1的核心舱模型。通过中性浮力水槽训练，可使航天员体验和熟练掌握模拟失重状态下身体的运动与姿态控制，以及出舱活动操作的特点、方法、技巧和技能，包括开关舱门、出舱和进舱、舱外行走、舱外作业，安装新的设备、修理和更换部件等。
航天员在水槽训练的主要项目有开关舱门、舱外行走、舱外作业等单项操作技能训练，以及正常出舱程序训练以及舱外救援训练。舱外活动的一个操作动作，一般要在水槽里练几十次。

在太空失重环境中，航天员要靠手把扶住周围的某些物体，用手“走”，因此需要航天员的上肢肌力和耐力较大，这就要求航天员在飞行前要加强上肢力量的锻炼。
为此，我国空间站乘组加强了体能训练、上肢力量训练和核心力量训练。航天员在水槽里训练时，要穿200多公斤的水槽训练服在水下训练几个小时，很累，航天员最初训练结束后连筷子都拿不住了。
另外，男女航天员的训练标准是一致的，所以女航天员最初也面临巨大挑战，但经过训练后都没有问题了。
太空行走难点在哪？
太空行走技术难点有三：一是太空无路可走；二是航天员在失重状态也没法用腿行走，主要是靠手；三是舱外环境十分恶劣，必须使用复杂而可靠的出舱活动系统来克服空间环境的影响，如果出舱活动系统中某个重要部件出现故障，就有可能危及航天员的生命安全。
另外，在太空中行走时人体运动和作业规律完全不同于地面，也有别于舱内，所以要掌握在太空中的运动与控制技术，最重要的是让航天员在失重状态下将身体保持在一定的位置，这需要靠手把持住周围的扶手。
因此，航天员手、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。


太空行走时，航天员大部分时间是从一个工作位置移动到另一个工作位置，因此在太空行走中如何有效地进行身体移动是一项非常重要的技术。
在太空失重环境中移动身体，关键的是要慢、要小心谨慎、要不慌不忙，同时要控制好自己的身体，不要接触到任何飞行中的物体，不要快速移动，否则会产生不必要的旋转……
太空行走与在模拟失重水槽中的训练还不完全相同。在水槽中训练时，由于水的阻力较大，所以航天员做动作时比较缓慢。
但是在太空行走中没有阻力，使航天员做动作灵活性增强而容易失控。比如，你拧一个螺丝，如用劲太大可能跟着旋转。
所以在舱外移动身体和操作时要慢一些。在太空中控制和移动身体跟在地球上还是不一样的，需要航天员去体验，真正的情况只有在太空实际操作中才能体会。
太空行走中的危险
至今，虽然在太空行走中没有出现过人员伤亡，但还是遇到了许多危险。其中最危险的一次，就是1965年太空行走第一人列昂诺夫出舱后，因舱外服的限制层发生故障，舱外服鼓了起来，差点没能返回舱内。
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号航天员施韦卡特在升空第2天准备出舱时突然呕吐，这表明他患了空间运动病。为此，他推迟了出舱时间，因为如果在太空行走过程中呕吐，呕吐物会飘在头盔内无法处理，并可能被航天员吸入肺中造成严重后果。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三天才太空行走。
气闸舱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，最后他们只能通过应急气闸舱关闭了内舱门。
最常见的问题大都与舱外航天服故障有关。例如，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。
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，联盟二十六号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，并手疾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。
结语
随着人类对太空探索的不断深入，太空行走不仅成为了连接地球与太空的重要桥梁，更是实现太空站建设、维护、科研及未来深空探索任务的关键一环。
神舟十九号乘组以及未来更多航天员的太空行走活动，不仅是对人类勇气与智慧的展现，更是科技进步与人类智慧的集中体现。展望未来，随着载人登月、火星探测等深空任务的规划与实施，中国航天员太空行走的步伐也将迈得更远。
作者：庞之浩
全国空间探测首席科学传播专家
责编：董小娴
审核：刘鲲 李培元