太空行走：漫步星海间 举手摘星辰

文/ 杨诗瑞

▲ 出舱活动

7月4日14 时57 分，经过约7小时的出舱活动，神舟十二号航天员乘组完成出舱活动期间全部既定任务，航天员刘伯明、汤洪波安全返回天和核心舱，我国空间站阶段航天员首次太空行走取得圆满成功。

太空行走与载人天地往返、交会对接一起，被称为载人航天三大基本技术之一，对发展载人航天事业有着独特而重要的作用，尤其是在组建空间站、进行太空维护维修和太空救援等任务中作用巨大。

下面就让我们一起走近“太空行走”。

载人航天关键技术

太空行走指的是航天员的出舱活动。出舱活动是航天员脱离载人航天器或建在其他天体上的基地，依靠自身携带的生命保障系统，在太空中或其他天体表面工作和活动，然后再返回载人航天器或基地的一系列过程的总称。这里的载人航天器包括飞船、航天飞机、空间站和登月舱等。

空间站在太空中长期运行，为人类提供了重要的科研、实验场所。但是空间站规模庞大、结构复杂，无法用火箭直接发射到太空，只能将各个部件、设备逐一发射，然后在太空中组建起来，这就需要航天员进行舱外作业。刘伯明、汤洪波的出舱活动，完成了相关设备组装、全景相机抬升等任务，就属于这一类活动。

航天器在轨维修是出舱活动的重要任务。卫星、飞船和空间站的研制、发射需要投入大量资金，进入轨道后开始面临种种安全风险，如设备故障、仪器失效等，有时候一块几厘米的空间碎片就可能击毁价值数千万的航天器。而很多时候只需更换少量部件，就能让航天器起死回生，继续工作。

在美国航天飞机时代，航天员每次飞行任务中都有维修维护任务。1990年，价值15 亿美元的哈勃望远镜升空后，因故障导致性能下降，航天员经过7 次出舱，近50 个小时的在轨维修，成功让它以更长寿命和良好精度继续工作。国际空间站从1998年启动建设，设计寿命10～15年，在航天员们的努力维护下，一直平稳运行到今天。

载人航天风险很高，当载人航天器在太空出现严重故障时，就需要航天员脱离故障航天器，以太空行走的方式进入另外的载具，或者以这种方式对其他航天员进行太空救援。未来人类登上月球，太空行走的任务也将大大扩充，甚至成为常态工作，来推动月球基地建设、资源探测开采、科学考察等重要任务。

太空环境闯四关

太空行走是航天活动中最危险的任务之一。航天员离开航天器的保护，只身进入茫茫太空，以每秒近8 千米的速度漂浮在轨道上，同时面临着真空、强辐射、失重和骤冷骤热交替等严酷太空环境的考验。

▲ 中国航天员出舱

▲ 航天员在太空行走，移动身体

真空环境里，航天员如果失去有效防护，15 秒内就会因缺氧丧失意识，30 秒内死亡。由于没有大气压力，人体血液和体液会像煮开的水一样“沸腾”，同时皮肤、组织和器官向外膨胀。

太空没有地球大气和磁场的屏障，航天员将直接面对各种宇宙辐射，包括太阳耀斑爆发期间喷射出来的太阳射线，银河系高能粒子，以及紫外线、红外线、射频辐射等非电离辐射。这些辐射会对人体造成不同程度的伤害，超过安全限值，会导致航天员患放射病，甚至危及生命。

在太空失重环境中，航天员会发生前庭功能障碍，产生晕眩、恶心、呕吐等“航天运动病”。长期失重会造成人体内钙、磷、镁等无机盐的排泄增加，发生骨质疏松和肌肉萎缩。

太空中没有空气，对流消失，温度变化非常剧烈，空间站90 分钟绕地球一圈，一半时间受太阳照射，一半时间受地球阻隔，照射时温度超过100℃，阻隔时下降到-100℃。这种骤冷骤热交替的极端环境下，航天员持续几个小时的太空行走，是对身体和心理的极大考验。

航天员太空行走需要直面太空环境4 道关卡，舱外航天服就是迎接考验的终极保障。

舱外航天服由服装、头盔、手套和航天靴等组成，其中最复杂的是服装，从内到外有6 层。最里层是衬里和尿收集装置，其次是散热的液冷通风层；三、四层分别是保持航天服内压力的加压气密层和限制加压气密层向外膨胀的限制层；第五层是隔热层，应对舱外极端温差变化，最外层是保护层，由多种纤维复合织物制成，具有良好的柔软性，耐穿透、耐磨损、耐高温、耐燃烧、耐腐蚀、防辐射，并有其他装具接口。

除此之外，舱外航天服提供独立的背包式生命保障系统、气液电保障系统、测控和通信装置，可以说是一个最微型的宇宙飞船。

此次我国“飞天”舱外航天服，重100 多千克，采用全数字电控系统，可支持航天员长时间舱外活动和多次重复使用，具有很高的整体效能，更加可靠舒适，为航天员太空行走提供最可靠的保障。

太空行走准备工作

太空行走之前，出舱准备工作程序也非常复杂，航天员需要操作上百个设备，对专业知识、操作技能都提出很高要求。航天员要清楚任何一个设备的形状、位置、操作方法、操作要领和关联动作，出舱前要准备很多天，出舱当天要提前准备数个小时。

此次出舱活动，两位航天员在凌晨三四点钟开始工作。首先穿着舱外服，要进行舱外服的系统检查和舱外服舱载对接系统检查，“钻”进服装，对服装进行尺寸调整、气密性检查和全性能测试，确保一切正常。“穿衣”的过程中，两名航天员互相配合，一人操作，另一人读操作手册确认，确保所有步骤万无一失。

第二步是开展在轨训练。穿上舱外服后，航天员要进行移动和各种模拟操作，以体验失重状态下移动和操作的特点。虽然在地面上有中性浮力水槽提供失重训练，但与真正的太空环境还有较大差距。同时，航天员要找好开舱门的位置和手脚的着力点。在轨训练过程中，航天员要把整个在轨准备和舱外活动预演一遍，以进一步熟悉出舱程序，但运动量不能太大，以防患上空间运动病。这些工作结束后，航天员将进行一段时间的休息。

▲ 航天员穿戴舱外航天服

▲ 出舱前准备

最后是过闸程序和开门。航天员通过气闸舱进出空间站，它有两个舱门，一个是与载人大舱连接的内舱门，另一个是通向宇宙空间的外舱门。航天员进入气闸舱后，关闭内舱门，给舱外服加压，同时进行吸氧排氮，避免减压病。气闸舱慢慢泄压，泄至3千帕时，舱外服与飞船的气液组合连接器断开，服装转入完全自主供氧和冷却。

当气压降至1 千帕左右，就可以打开外舱门。开门时先解锁，等到舱内外压力平衡，再把门完全打开。出舱之前，航天员还要给舱门罩上一个保护罩，避免进出舱发生剐蹭。这个过程中，航天员始终要用一只手固定身体，只靠单手完成所有动作。

经历几个小时的准备，7月4日8时11 分，航天员刘伯明成功开启天和核心舱节点舱外舱门，正式开展舱外活动。

天地配合太空行走

航天员出舱进行太空行走，会严格被物理规律所支配，这是极端危险的工作，稍不注意就会被空间站弹飞到太空中，需要遵循一整套的行动和技术规范。

根据国内外专家计算和国际空间站的经验，航天员出舱后将与空间站保持数个不同的相对运动轨迹（和离舱点相关），航天员的运动轨道通常是呈椭圆形。航天员离舱时所用力度、角度，都将影响他在“太空飞行”时的轨道，力度角度稍有偏差，就会掉入太空中，所以航天员必须拥有丰富的物理知识以及经过千百次的训练，才能进行太空行走。

▲ 航天员进行水下训练

舱外活动时，航天员要扎牢安全绳索。由于处于失重状态，无法用脚行走，航天员移动身体就要靠手、机械臂或载人机动装置。为了方便航天员移动，空间站舱外专门安装扶手，航天员可以像攀岩一样移动身体，这要求臂力和体力都很好。

此次两位航天员出舱活动约7 个小时，一位通过传统方式，依靠空间站舱外扶手运动，另外一位通过机械臂辅助运动。与此同时，地面测控中心各分系统密切配合，通过天链系列卫星，建立通信连接，为地面实时观测航天员出舱状态、航天员与地面之间对话沟通提供了高速话音图像中继服务。

在天地协同、舱内外密切配合下，两位航天员完成了在机械臂上安装脚限位器和舱外工作台等工作，相互配合开展空间站舱外有关设备组装等作业，协同完成空间站舱外全景相机抬升操作，并验证了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性，第一次出舱活动取得圆满成功。

为了确保航天员太空行走安全，出舱活动也要选择最佳时间，这就是出舱窗口。时间选择要考虑人的安全和设备安全，尽可能安排在阳照区。空间站在近地轨道运行时，多次穿越南大西洋异常区，这一区域的异常辐射对电子设备、仪器有影响，对人体也有较大危害，因此出舱活动安排必须避开该区域。

此次出舱活动原定7月3日进行，气象专家研判当天会有大雨、雷暴天气，可能影响地面站与空间站的通信连接，最终出舱活动推迟一天，确保航天员太空行走期间的通信覆盖。

全方位训练确保任务完成

为圆满完成空间站组建任务，我国航天员在5年前开始出舱活动和出舱维修相关训练。其中既有基础理论训练、体质训练、心理训练、专业技术训练等常规训练项目，也有出舱程序训练、失重训练、低压舱训练及出舱任务训练等挑战生理极限的高难度训练项目。

出舱程序训练是航天员出舱活动训练中最重要也是最全面的训练项目，是在航天员掌握理论知识和专业技术的基础上开展的，在专用设备——具备气闸舱的出舱程序模拟器中进行。航天员穿着训练用舱外航天服，模拟训练出舱过程及操作特点。

出舱程序训练项目很多，基本涵盖从出舱活动准备到出舱活动结束返回、整理完毕舱外服的全部工作程序，包括开关内外舱门、检查舱外服和气闸舱、大流量氧冲洗舱外服、吸氧排氮、进入航天服、气闸舱泄压和复压等训练项目。

航天员出舱活动主要进行维修、排除故障、组装空间站、航天器的布放和回收等任务，对失重状态下航天员的工作能力和操作的精确性要求很高。

这方面训练大部分是在模拟失重水槽里进行。模拟失重水槽由槽体、水处理系统、人体生理参数监测系统、高压气源系统以及救生与医疗救护设备等组成，水质要达到饮用水标准，水深10～15 米，有一个与实物大小相同的空间站气闸舱。

训练时，航天员穿着训练用舱外服进入水中，通过调整舱外服上的配重器和配浮器，使航天员在水中受到的浮力和重力相等，可以悬浮在水中。这时，航天员处于失重状态，与太空失重的感觉非常相似，再通过大量反复训练，熟练掌握失重状态下的运动规律，以及太空作业的方法技巧。

不过这种方式还不能完全还原失重环境，一方面人体的生理反应还是处于重力环境中，另一方面水下运动时受到水的阻力与失重状态差别较大，所以航天员进入太空后还要开展适应性训练。

真空、低压环境训练在专用试验设备低压舱里进行。低压舱可以模拟除失重以外的大部分太空环境，包括真空、低压，冷热及辐射环境，航天员能够以接近实战的状态进行训练，真实体验吸氧排氮、用氧气冲洗舱外服、气闸舱泄压复压等过程，并在较真实的环境中穿舱外服开展操作训练和故障处置训练，如航天服电源故障、通风故障、温控故障、航天服泄漏和舱外服通风、调温、仪表监视等。★

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太空行走之最

1965年3月18日，苏联航天员阿列克谢·阿尔希波维奇·列昂诺夫进行了人类历史上第一次太空行走。这次出舱仅持续16 分钟，由于限制层没有做好，航天服在真空环境下像皮球一样鼓起来，列昂诺夫差点没能挤进气闸舱狭小的舱口，返回飞船。此后50 多年，人类一共完成了近400 次出舱活动，留下诸多历史铭记的时刻。

历史上持续时间最久的一次舱外作业发生在2001年3月11日美国发现号航天飞机任务，航天员苏珊·赫尔姆斯和吉姆·沃斯舱外连续作业8小时59 分钟，开展国际空间站组装工作。

最短的出舱活动仅仅持续了14分钟，航天员麦克·芬克在舱外作业期间发现氧气瓶泄露，不得不与搭档提前结束，返回国际空间站。

最复杂的一次出舱发生在2007年，航天员斯科特·帕拉津斯基在机械臂的帮助下，历时7小时19 分，成功修补一块国际空间站太阳能电池板。由于电池板带电，而且破损点距离工作舱足有半个足球场远，帕拉津斯基“走”了近1 个小时才到达目标位置。

航天员布鲁斯·麦坎德利斯是第一位无系留绳索太空漫步者。当时，他使用喷气推进式背包，离开挑战者号航天飞机约100米后安全返回。亚历山大·塞雷布罗夫是第一位驾驶太空摩托的航天员。他骑着太空摩托绕和平号空间站飞行了40 分钟，回舱后又强烈要求再来一次，然而指控中心坚决拒绝了。

出舱活动非常危险。1990年7月17日，航天员阿纳托利·索洛维耶夫和亚历山大·巴兰丁返回和平号空间站时，过闸舱门损坏，无法关上，他们不得不使用量子-2号实验舱的备用舱返回和平号空间站。2013年7月16日，航天员鲁卡·帕尔米塔诺身穿航天服出舱两分钟后，突然发现头盔漏水，返回空间站时，头盔里已经积水2 升，帕尔米塔诺的耳朵和眼睛都进了水。之后，美国航天员数月没有出舱以调查事故原因，美国宇航局也对航天服做了改进。

出舱次数最多的人目前是俄罗斯航天员安纳多利·索罗维耶夫，从1988年至1997年，他一共出舱16 次。出舱活动次数最多的女航天员是苏莉塔·威廉姆斯，她出舱7次。

未来，随着人类载人航天能力不断进步，空间站、载人登月、载人登火、月球基地等活动持续开展，人类将创造更多太空行走的纪录！