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太空行走大观(上)
    日期:2011年04月01日    字体:【】【】【

  太空行走准确地说应该叫做“出舱活动”,是人类进行太空探险、开发宇宙资源必备的重要技术之一。


  
  美国太空行走第一人怀特


  太空行走的概念
  在《太空旅行》一书中,俄国的齐奥尔科夫斯基率先从科学意义上提出了出舱活动设想,并认为要实现出舱活动须给航天员提供航天服、气闸舱和安全带。
  有些人以为太空行走是航天员在太空散步,其实太空行走是一种不是行走的“行走”,因为一是太空无路可走;二是航天员在太空处于失重状态,飘来飘去也没法用腿行走。他们在宇宙真空中移动身体主要是靠手、机械臂或机动装置。为了方便航天员的行动,航天器的内外都装有一些扶手,航天员用可手握住一个一个扶手来回移动身体。所以,“太空行走”只是一种俗称,严格地讲应该叫“出舱活动”。
  出舱活动比较科学的定义是:航天员脱离母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,在太空中或其它天体表面上进行工作和活动,然后返回母载人航天器或建在其他天体上的基地的一系列过程。到母载人航天器外的出舱活动一般称之为太空行走,到月球、火星或小行星表面进行的出舱活动也称之为外星漫步。
  
  太空行走的分类
  太空行走主要有四种分类:
  1、按航天员太空行走的场所不同可分为航天员到载人航天器舱外的太空中行走和在月球表面、火星表面、小行星表面行走。
  2、按太空行走是否被列入计划和时间的紧迫性可分为计划内太空行走、计划外太空行走和应急太空行走。其中计划外太空行走是为了保证有效载荷的顺利操作或者是为了提高完成航天任务的效率,而应急太空行走也是一种计划外太空行走,它是为了保障载人航天器顺利返回地球或是航天员的生命安全。
  3、按太空行走的目的和任务可分为验证类太空行走、组装类太空、维修类太空行走和有效载荷类太空行走(回收、维修或释放卫星,安装实验装置采集月岩标本等)。
  4、按在太空行走时航天员的生命保障系统是否依赖母航天器可分为“脐带”式太空行走和“自主”式太空行走。
  采用“脐带”式太空行走时,航天员在出舱过程中像刚出生的婴儿一样,通过一根类似“脐带”的绳索与母航天器相连接。这条“脐带”的作用一是提供生命保障功能,即航天员在舱外所需要的氧气、压力、冷却工质、电源和通信等都是通过“脐带”由“母”载人航天器提供;二是起保险作用,防止航天员漂离载人航天器太远而回不来。其优点是比较简单,早期的太空行走都采用这种方式。但它存在明显的缺陷,即“脐带”不能过长,航天员只能在离“母”航天器几米范围内活动,如果走远了则“脐带”容易缠绕,使航天员像婴儿那样“窒息”而死。由于“脐带”式太空行走对航天员在舱外的活动范围限制较大,在苏联太空行走第一人列昂诺夫出舱以后,美国从“阿波罗”计划开始不再使用“脐带”式太空行走,而采用“自主”式,即航天员在太空行走时使用一种外形像一个大背包的便携式生命保障系统。如果再配有机动装置,航天员最远可到离载人航天器100米远处活动。为了保障安全,采用“自主”式太空行走特别是活动距离较远时,航天员多两人一组,为的是相互关照,相互救助。
  
  太空行走的用途
  太空行走是载人航天的三大基本技术之一。所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、太空行走技术和空间对接技术。只有掌握它们,人类才能自由出入太空,更有效地开发宇宙资源。
  太空行走技术主要有五大用途:一是在太空组装、扩建大型航天器;二是在太空维修、维护、升级各类航天器;三是较方便地完成回收与释放卫星以及科研等任务;四是能进行紧急太空救援;五是建立月球基地和载人登火星等。
  美国曾通过太空行走修复了刚一上天就出现重大故障的“天空实验室”,使这一价值连城的庞然大物起死回生,避免了高额损失。后来美国专家认为,“天空实验室”最重要的贡献是证明了人在空间的重要作用,特别是人具有完成本来没有安排的空间维修任务的能力。
  苏俄航天员则利用太空行走修理过礼炮号系列空间站,尤其是多次组装、维修了和平号空间站,使它寿命达到15年之久。当前正在建造的国际空间站,也只能通过航天员多次出舱活动才能完成在轨组装。
  通过太空行走,还可以完成发射或回收卫星等服务性工作。美国已多次在轨回收、维修和释放了“太阳峰年卫星”和哈勃空间望远镜等卫星,2008年10月将第5次在轨维修和升级哈勃空间望远镜。
  国外航天员利用太空行走也完成了多项科学实验,最典型的例子就是“阿波罗”登月航天员在月面行走时所完成的科学实验。今后,在建造月球基地或载人登火星的过程中,更是离不开太空行走了。
  
  太空行走的纪录
  航天员在太空行走已创造了多个世界纪录。例如:
  1965年,苏联航天员列昂诺夫成为太空行走第一人;1984年7月25日,苏联女航天员萨维茨卡娅成为世界太空行走第一位女性;1965年6月3日,怀特成为美国太空行走第一人;1984年10月8日,莎丽文成为美国太空行走第一位女性。
  至今,出舱行走次数最多的航天员是俄罗斯的索洛维耶夫,他出舱16次(也有报道是17次),累计在太空行走77小时41分钟(或80多小时)。这是由于索洛维耶夫技术高超,且当年百病缠身的和平号空间站老出故障,从而成就了他出舱活动次数最多的世界纪录。索洛维约夫不仅在太空行走的次数和太空停留时间上是“世界冠军”,而且在4个月内完成14次太空行走,即在一定时期内完成太空行走的频率上也是“世界冠军”。
  单次在太空行走时间最长的是美国航天员赫尔姆斯和沃斯,他俩于2001年3月11日在太空行走8小时56分,调整了空间站团结号节点舱上1个对接舱的位置。单次在太空行走距离最远的是美国航天员麦坎德利斯,他于1984年2月太空行走距离达100米,而且是人类史上第一次自由的太空行走。
  在太空行走的第一位华裔航天员是焦立中,他于1996年1月15日搭乘奋进号航天飞机在太空中作了长达6小时的太空行走,并在2004年成为国际空间站第一位华裔航天员站长。在太空行走距离最远的华裔航天员是卢杰,为安装电缆和吊杆,他和俄罗斯航天员巴伦琴科于2000年9月11日结伴在太空行走了30.58米,历时6小时14分钟。
  
  第一次太空行走
  在太空行走世界纪录的创造过程中,有不少感人的故事,其中最惊险、最刺激的是世界第一次太空行走。冷战时期,太空行走是美苏争夺“航天第一”的重要目标之一,谁能成为太空行走第一人,谁将在太空竞赛中增加筹码。结果苏联获胜,苏联航天员列昂诺夫成为太空行走第一人。出发之前,苏联航天总设计师科廖夫对列昂诺夫说:“这是人类历史上第一次步入太空,没有经验,没有资料,全靠你自己去掌握了。”
  1965年3月18日,上升2号飞船载着两名航天员从拜克努尔发射场升空,别列亚耶夫为指令长,列昂诺夫是驾驶员。他们乘飞船进入预定轨道后,开始为人类首次太空行走做准备。在别列亚耶夫的帮助下,列昂诺夫开始吸纯氧,吸了1个多小时后便漂进象一个手风琴似的充气式简易气闸舱。进入气闸舱后,列昂诺夫给自己的舱外航天服充压,并检查气闸舱的密封性,调整头盔。接着,他关上内闸门,并给气闸舱减压。最后,列昂诺夫打开外闸门进入茫茫太空,成为世界上第一个在太空漫步的人。事后他说,当我准备好出去时,轻轻地推了一下外闸门,于是就像一个软木塞一样呼的一下冲出舱口。
  出舱后,列昂诺夫在太空不仅浮游,还翻筋斗,并从舱外卸掉一个相机,移动了几件舱外物体。事实证明,太空并不那么可怕,人只要穿上航天服和生保系统背包,就能在舱外工作和存活。
  10分钟后,别列亚耶夫提醒列昂诺夫准备返回座舱,可此时出现了麻烦。起先,列昂诺夫报告说取回舱外相机有困难,每次把相机放进气闸舱时它都漂走。后来列昂诺夫硬把相机推进通道,并用脚踩住,这才将它放入。这时列昂诺夫已筋疲力竭,出汗量超出了他的航天服所能吸收的量。接着,又遇到了新问题,由于太空是真空的,无法从外部对航天服施压,而列昂诺夫穿的舱航天服的限制层在设计上有问题,使航天服鼓得汽球一样,因而无法返回气闸舱。此外,因戴头盔不能擦汗,汗水流到了眼睛上,汗气也使面罩模糊。此时,列昂诺夫除了能听到自己的心在咚咚地急促跳动外,什么也看不清,听不见。突然他灵机一动,给所穿的舱外航天服泄气降压。一次不行两次,两次不行三次,直到将压力降到了极危险的低限,即从0.4降至0.25个大气压。他终于穿着瘪下来的航天服活着爬进了舱门。列昂诺夫在太空行走了10分钟,但为了挤进舱门他又拼力花了14分钟。这时他已大汗淋漓,航天服里面全是汗水,体重减了5.4千克。
  然而,祸不单行,上升2号在返航时导航系统出现故障,使着陆点偏离预定地点1300千米,最后溅落在乌拉尔山脉终年积雪的一个偏僻山坡上,并落在两棵冷杉树中间,降落制动伞高高地缠绕在树枝上。几架搜索直升机很快找到了他俩,但因地势原因无法降落,只能投下食物和防寒衣服,然后飞走了。列昂诺夫和别列亚耶夫不得不在返回舱边上休息,一直呆到第2天。当地的伐木工人连夜在森林中抢修了一个直升机着陆坪,救援人员坐雪橇滑了20千米,最后终于找到了这两位快要冻僵的太空英雄,用雪橇和直升机把他们运回拜科努尔发射场。
  
  太空行走的门户
  太空对人体来说是一个的致命环境,人一旦暴露在太空中将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险。所以,人要进入开放的太空必须使用复杂的出舱活动系统,包括气闸舱或舱门、舱外航天服和生命保障系统、安全带和限制装备、载人机动装置以及出舱活动用的特制工具。
  进行太空行走首先要通过气闸舱。如果直接打开舱门就出舱,会出现多种问题,比如,由于舱门是向里开的(以便密封性好),而舱外是真空,所以舱门很难打开;即使把舱门打开,舱内的所有气体也会迅速泄光,航天员就会像炮弹一样“发射”到太空中。因此,航天员出舱前必须通过居于两个大气压力不同的空间之间的一个小舱室——气闸舱(或叫气压过渡舱)。气闸舱的目的是防止两个空间之间的气体交流,这样可以防止在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,并可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得减压病。
  由于体积等原因的限制,目前只有空间站和航天飞机设有专用气闸舱,而在载人飞船中除苏联上升2号装过简易气闸舱外,其它飞船都是直接泄压和复压,或把轨道舱兼作气闸舱使用。因为飞船较小,泄压时不会浪费太多的氧气。
  气闸舱一般能容纳两名穿舱外航天服的航天员,进出口直径在1米以上,以便穿着航天服的航天员进出。在气闸舱外和舱内,均有一些扶手和限制装置。其支持系统功能有:气闸舱泄压和复压、舱外活动设备再充电、液冷服的水冷却、舱外活动装置检查、穿舱外航天服和通信。舱外航天服检查用仪表和再充电接口装在气闸舱内壁上。气闸舱的内舱门向座舱内开启,外舱门向气闸舱内开启。气闸舱泄压通过排气口来实现,两个舱门上都有用于观察的小窗口。
  目前,载人航天器内压力为一个大气压,即101.4千帕,而航天员出舱穿的舱外航天服内的压力是30千帕~40千帕。如果航天员通过气闸舱进行高低压环境的过度,再加上进行“吸氧排氮”,就可以预防减压病的发生。那么,什么叫“吸氧排氮”呢?人体在舱内受到一个大气压时,人体中氧气只占21%左右,而氮气约占79%。当航天员进入宇宙真空时,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,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,这种病就是减压病。对此必须采取措施是,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”。 (司马杭仁)
  来源:新浪科技
  
  

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