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航天员的太空出舱行走技术

来源:中央气象台发布时间: 2020-09-15 12:15

像日本动画片中的铁臂阿童木那样自由地在茫茫宇宙纵横驰骋、遨游太空想必是很多人童年的梦想,随着太空科技的不断进步,人类已经实现这个梦想。

为什么要进行太空行走?

相比于空间机械臂,航天员通过空间出舱活动可以完成更多更复杂的空间作业,如组装修理航天器,释放、捕捉、回收小型航天器,开展科学研究,实施紧急救援行动等。1973年5月到6月间,美国航天员通过三次出仓行走剪断了缠住空天实验室太阳能帆板的金属条,空天实验室的太阳能帆板能够顺利展开,才使得价值25亿美元的空天实验室计划得以实施。1984年4月,苏俄航天员通过太空行走修复了礼炮号空间站,并组装和维修了和平号空间站。国际空间站更是需要航天员多次出仓才能在轨组装完成,载人登月更是太空行走技术的高级应用。这些难度高,极其复杂的太空任务是空间机械臂无法完成的,只能通过航天员出仓手动完成。由此可见,太空行走技术在太空作业中具有巨大的作用,为人类进入外层空间和其他星球打下良好的基础。

航天员的太空出舱行走技术

航天员在修理航天器

太空行走的危险性

太空中环境异常恶劣,不仅缺氧,高真空以及极端的高低温和可怕的宇宙辐射。日益增多的太空垃圾以及宇宙尘埃,距离地表三百公里处的轨道速率为每秒7.7公里,这个速度是一颗子弹的十倍的飞行速度,所以即使只有子弹质量百分之一大小的微粒(比如漆料的碎片或者一粒细沙)的危害性就相当于一颗子弹。另外,任务执行前难以模拟实际的太空环境,而太空漫步因其危险性而被避免作为例行性任务。因此,当发现问题或偶尔执行操作任务时,舱外活动通常晚于计划规划的时间。虽然自压力下选出具备高度稳定性的航天员,然而他们仍旧是人,舱外活动时产生的高度危险终究造成航天员情绪上的压力。所有这些因素都会危及航天员的生命安全,使得太空行走变得异常艰难。

太空行走技术的发展

在太空行走技术发展的早期,航天员系有与乘员舱连接的安全带,就像孕妇生小孩时的脐带一样。安全带有两个作用,一是提供生命保障功能,航天员身穿航天服,航天员所需要的氧气、压力、冷却工质、电源、通讯等都是通过脐带由“母”航天器提供的;二是起到保险绳的作用,通过安全带将航天员与航天器连接在一起,防止航天员在太空作业的时候飘走。这种方式的缺点也是非常明显的,由于安全带的长度有限,所以航天员只能在航天器附近活动,如果走远了则会非常容易事安全带发生缠绕,后果就是航天员会像婴儿那样由于失去生命保障“窒息”而死。

航天员的太空出舱行走技术

航天员系着安全带在进行太空行走

为了解决这个问题,人们后来用发明了安装在舱外航天服背后的便携式环控生命保障系统,即载人机动装置。航天员出舱后与“母”航天器分离,身穿舱外航天服,搭载载人机动装置,可以达到离“母”航天器100米远的地方进行太空作业。实际上,舱外航天服及便携式环控与生保系统是一个微型载人航天器,它保证人的周围有适合的压力,有通风供氧,有温湿度调节,使航天员在服装内正常生存,并能进行太空作业。有人称载人机动装置是太空“摩托艇”,因为它装有推进系统,并能“自由”机动飞行。例如,美国航天飞机第10次飞行时,航天员使用的机动装置有24个氮推力器,利用推力器工作,航天员可以进行6个自由度的飞行。载人机动装置外形像一个背包,航天员通过手控器控制其高压氮气从安装在不同部位的推力器喷出,就能改变飞行的速度、方向和姿态,成为名副其实的人体地球卫星。

航天员的太空出舱行走技术

航天员乘坐载人机动装置在太空漫步

太空行走的过程

进行太空行走的第一步是吸氧排氮,目的是防止减压病的发生。我们生活在地球表面上,人体在一个大气压下不仅生活正常,而且与外界的气体交换也正常。但是,外太空没有大气压,舱内外气压差别极大,航天员出舱后人体组织内的气体会因为外界压力低而向外逸出。溶解在脂肪组织的氮气游离出来却不能通过血液循环带到肺部排除而形成气泡,可能造成气栓堵塞血管,引发严重的疾病。

航天员进入装备气闸舱,气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置。完成吸氧排氮之后,接下来就是换上舱外航天服。接着航天员出舱时先走出内闸门,然后关闭内闸门,把气闸舱内的空气抽入座舱内。当气闸舱内和外太空压力相等时就可以打开外闸门进入太空了。航天员返回气闸舱时按照相反的顺序操作,颇像船过水闸。

太空行走的里程碑