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太空行走大观(下)
    日期:2011年04月02日    字体:【】【】【
  太空行走的服装
  太空环境对于人的生存是非常恶劣的,因此,航天员进行出舱活动时必须穿舱外航天服。它相当于一个微型载人航天器,能把航天员的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工作环境,同时提供氧气、正常气压、排放二氧化碳、维持舒适的温度和抵御宇宙辐射等维持生命所需的各种条件。与舱内航天服相比,舱外航天服的活动性能和耐太空环境性能更优异,且除有舱内航天服的所有各层外,一般还有液冷服、隔热服和最外层的防护服。
  舱外航天服由服装、头盔、手套和航天靴等组成,其中结构最复杂的是服装,它由多层组成。最里层是液冷服的衬里;衬里外是由尼龙弹性纤维和穿在上面的许多输送冷却液的塑料细管制成的液冷服;液冷服外是加压气密层;然后是限制加压气密层向外膨胀的限制层;最外面的防护层除要有防高热、防磨损和保护内部各层的功能外,还要有防太阳辐射的功能和连接其它装具的接口,如与航天员舱外活动时的“脐带”连接、与身背携带式生保环境装备和太空机动飞行机构的连接等。
  舱外航天服的头盔由头盔壳、面窗结构和颈圈等组件构成。目前在载人航天中使用的头盔有软式与硬式两种,其中硬式头盔又分为固定式和转动式,可作为舱外航天服的组件。航天员在出舱前,头盔面窗的内部要喷上防雾剂。航天员的手套与服装通过腕圈接连,要符合穿戴者的手型,能快速穿脱戴。航天员的靴子由压力靴和舱外热防护套靴组成。
  现代舱外航天服在背部直接装有便携式生命保障系统。由于太空行走时间一般较长,所以舱外航天服内装有用饮水袋,它由进水阀、饮水阀和饮水管组成,其中饮水管通到航天员嘴巴的右下角,航天员只要用嘴一吸阀门,水就流进嘴中。在饮水管的旁边还有一个放置食物棒的长孔,航天员需要进食时,只要一伸嘴即可吃到美味可口的棒状食品。由于手伸不到脸部,舱外航天服中还有搔痒工具。舱外航天服内有“尿不湿”和专门设计的便器,因此在太空行走期间可以小便,但一般不大便。
  俄罗斯目前使用的是奥兰-M(也叫海鹰-M)航天服,它是在奥兰-DMA航天服的基础上改进而来的。奥兰-DMA服装由硬的胸甲和软的织物构成。其中胸甲由1毫米厚的铝合金制成,软的织物从外向里包括用耐热的防护层、隔热层、限制层(限制下面的气囊在加压时向外膨胀)、主加压气囊层、氧气输送管道、液冷服等。其头盔采用铝合金材料,面窗上一层亲水涂料,以防雾气模糊视力,它与服装的胸甲连在一起。生保系统提供的氧气从头盔顶部进来,通过鼻子和口腔区域。其每只手套上有一个气囊,航天靴是用多层织物和皮革制成。该航天服胸前装有生保系统的各种控制器。便携式生命保障系统装在服装的背部。
  奥兰-M比奥兰-DMA在服装的活动性上有很大提高,不仅对服装的胸甲和手套做了很大的改进,还提高了手臂、躯干和髋关节的活动性,扩大了航天服人体测量特性的调节范围,增加了航天服活动的可靠性和自主工作的持续时间。
  美国目前使用的是航天飞机舱外航天服,它包括主生命保障系统、生理测量系统、气闸舱内用的冷气脐带、电池、服装上身、服装下身、上肢、手套、头盔、液冷通风服、尿收集袋、头盔上的遮阳板、饮水袋、通信设备等,由14层组成,价值1200万美元。
  与俄罗斯舱外航天服相比,美国舱外航天服似乎只是颜色和质量不同,但实际上性能差异很大。例如,俄罗斯航天服的工作压力为39.989千帕,美国航天服的工作压力为29.647千帕,因此美国航天员能够完成的任务种类比较多,可以很容易地拾起1枚硬币;俄罗斯航天服设计简单,非常耐用,并可在太空中维修和更换零部件,而美国的则要运回地面修理;
  俄制航天服属于“自穿”式的,即航天员一个人就可穿上航天服,关上门后开始加压,几分钟内就能完成;而美制航天服由软材料制成,航天员需要在别人帮助下才能穿得上,一般要用15分钟左右才能穿戴完毕;俄罗斯对所有与生命攸关的航天服系统都采用冗余设计,而美国航天服是按系统可靠性设计的。
  目前太空行走的女航天员很少,除上天的女航天员总数本来就少外,其主要原因是舱外航天服基本不分男女,只是男性航天员在服装内用男性尿收集袋;女性航天员则用女性尿收集袋,使得40%的女航天员因身材矮小而没有合适的航天服穿用。
  
  太空行走的程序
  穿不同的舱外航天服出舱程序也不同。穿俄罗斯航天飞机航天服出舱程序:航天员进入气闸舱进行准备;检查航天服和航天服控制台;穿航天服,检查通信和医监遥测参数;密封航天服后再进行检查;气闸舱初步泄压,进行吸氧排氮;气闸舱再次泄压,检查气闸舱;航天服由舱载供给转为自主供给;打开外舱门和航天服温度调节系统,执行出舱任务;完成出舱任务后返回气闸舱,关闭外舱门和航天服温度调节系统;气闸舱初步复压,航天服由自主供给转为舱载供给;气闸舱再次复压,航天员脱航天服。
  穿美国航天飞机航天服出舱程序:航天员进入气闸舱;把气闸舱压力从101.36千帕降低到70.33千帕;测试航天服;穿上航天服;再次测试航天服;戴上吸氧面罩,进行吸氧排氮;关闭气闸舱的内舱门,停止吸氧,戴好头盔,准备减压;气闸舱减压,对航天服进行最后测试,气闸舱压力减到零,打开通往太空的外舱门;航天员出舱,完成舱外任务;结束太空行走,航天员返回气闸舱;气闸舱复压后,打开内舱门;脱下出舱活动航天服;保养航天服,更换生保系统中的电池和氢氧化锂盒,给供水系统重新加水;把出舱活动航天服存放在气闸舱内指定的位置。
  俄美出舱程序的相同之处是都采用分阶段泄压和进行吸氧排氮,但由于航天服的压力体制不同,所以航天员吸氧排氮的方式和时间也不同。俄罗斯航天员预吸氧的时间是30~50分钟。美国有2种:如在70千帕气闸舱停留24小时,预吸氧的时间是40分钟;如在101千帕气闸舱开始准备出舱,预吸氧的时间是4小时。
  需要注意的是,在载人航天器上天后的72小时之内一般不安排航天员太空行走。这是为了让航天员适应太空微重力环境,同时也是为了避开航天运动病的高发期。据统计,有将近一半的航天员在太空飞行的头3天容易患航天运动病,由于这种病的主要症状是恶心和呕吐,因而对完成太空行走很不利。
  
  太空行走的工具
  目前,航天员在太空行走时还配有像动画片《铁臂阿童木》一样采用机动装置,即所谓太空摩托艇或太空摩托车,以扩大航天员的活动范围。
  机动装置是航天员出舱时的交通工具,通过喷嘴喷出无污染的高压气体——氮,来推动航天员的身体朝一定方向移动,氮气使用完后可从母航天器上再补充。该装置有2套相同的系统用以备份来保障安全。最早使用的机动装置是美国“双子星座”飞船航天员使用的“手提式机动装置”,它有3个喷管,其中2个喷管对着后方,一个喷管对着前方。
  1984年2月7日,美国航天员麦坎德利斯不系安全带,驾驶价值3000万美元的“载人机动装置”,以10厘米/秒速度进入太空,成为航天史上第一批“人体地球卫星”。“载人机动装置”重达111千克,外形像一背包,所以又叫喷气背包。装置内有2套互为备份的氮气箱和供气系统(箱内装有5.9千克的高压氮气),以防止发生故障危及航天员安全。
  不过,“载人机动装置”太昂贵了,而且太笨重。为此,美国又研制新一代机动装置——“舱外活动救生辅助装置”,现已用于国际空间站的组装、维修和救援。其体积比“载人机动装置”小,价值700万美元,装有24个喷气装置,可作6个自由度的机动控制,工作时间为13分钟。它们喷气时能产生15厘米/秒的移动速度,最大移动速度为3米/秒。该装置安放在出舱活动航天服的背包下方,航天员可通过绑在航天服前面的开关控制喷气,实现各个方向的移动。该装置也有自动姿态控制功能,将航天员的身体自动保持在一定的位置。
  俄罗斯也有机动装置,其中名叫YMK的机动装置的速度可每秒钟30米。与奥兰-M航天服配套使用的俄罗斯“航天员救援装置”在特性上和工作方案上与美国“舱外活动救生辅助装置”相似,但它们在构造、气动液压管路、航天服的固定方式及控制等方面仍然有很大的差别。它有喷嘴16个,速度3.6米/秒。“航天员救援装置”与航天服固定于4点,可通过0.8米直径的舱门到达国际空间站的事故区,还可以在出舱过程中发生危险时可以把该装置从航天服上卸下(靠另一乘员的帮助)。该救援装置是靠奥兰-M航天服上的蓄电池供电,并通过航天服上的控制钮上的开关对它进行操作,而装置上的控制钮用来将装置锁定在工作位置。
  
  太空行走的训练
  太空行走技术的训练分技能训练和任务训练两种。前者是让航天员学习怎样穿脱舱外活动航天服、熟练掌握出舱程序和在太空行走是如何控制自己的身体和运动;后者是学习如何完成出舱活动任务。
  俄罗斯和美国的出舱活动训练主要有失重飞机训练、在水槽中进行模拟失重训练、在各种模拟器上进行出舱活动的技术训练和应用虚拟现实手段进行训练,其最重要的就是在水槽中的训练,因为这种方法最接近实际。
  俄罗斯巨型水槽为圆形,直径23米,深12米,能装下和平号空间站核心舱的模型或国际空间站上俄罗斯的服务舱模型。在这里训练时,航天员都穿一种水下训练用的“奥兰”航天服。为了保障胸、肩、手臂及腿部壳体的中性浮力,它安装有配重物。每次训练课至少有7名潜水员负责安全保护。
  美国供航天员出舱活动训练用的水槽主要有2个,即“中性浮力实验室”和“失重环境训练设备”。“中性浮力实验室”长61米,宽31米,深12米,可容纳国际空间站的1个舱的模型和航天飞机货舱模型,是美国航天飞机航天员和国际空间站航天员的主要训练设备,通过它航天员能熟悉在失重状态下身体如何运动和双手如何操作。“失重环境训练设备”用于评定航天员出舱活动装备、航天员身体限制系统、发展出舱活动程序和提高航天员的出舱活动能力。
  在水槽训练中,俄罗斯训练用的舱外活动航天服外形跟真的航天服一样,只是背包内没有生命保障系统,航天员呼吸和服装内通风都是通过一根“脐带”式通气管进行;美国训练用的舱外活动航天服背包上有生命保障系统,所以航天员行动自由。
  用失重飞机作抛物线飞行可产生30秒左右的失重,每次飞2~3小时可作抛物线飞行40多次。通过它训练虽然失重时间短,但可以真切感受和体验失重环境,也能训练航天员太空行走时的各种操作和技能。美国失重训练用的飞机是一种经改装的KC-135喷气式运输机,俄罗斯失重训练用的飞机先后是经改装的图-104和伊尔-76。
  俄罗斯和美国在航天员训练上有明显不同。例如,俄罗斯的训练强调全面掌握太空行走技术,以便能应付在太空行走中可能遇到的各种意外情况。而美国的训练强调要突出重点,在太空用什么,在地面学什么。凡在太空要做的操作,在地面要进行10~60次的练习。由于美国人在太空停留的时间比较短,所以每次出舱活动都安排的很周密。太空行走时,地面人员还能对航天员不断地进行指导和帮助。
  
  太空行走的危险
  太空行走是风险很大的一项航天活动,其中太空环境的因素、气闸舱的因素、舱外航天服的因素、机动装置的因素、人为失误的因素等,都会对太空行走的安全性有不同程度的影响,有时是几种因素在一次飞行中先后出现,甚至同时出现,因而很危险,可能使航天员有去无回,成为人体卫星。至今,已有300多人进行了太空行走,其中出现过不少事故,但还没有发生过人员死亡。
  在太空特殊环境下,人的生理和心理都会发生变化,如容易得空间运动病,会对太空行走产生较大影响。1969年3月,阿波罗9号在飞行的第2天,航天员施韦卡特吃完早餐后突然呕吐,当时他正准备穿舱外航天服,以便进行出舱活动。一小时后他又吐了一次。于是,地面控制中心专家召开了紧急会议。考虑到出舱活动的安全,特别是如果航天员在舱外穿着航天服和戴着头盔时再呕吐,呕吐物将留在头盔内没法处理,航天员还可能将它吸入肺中,造成严重后果。因此原计划2个小时后的出舱活动不仅被推迟,而且时间也大大缩短。
  气闸舱的设计、操作和质量对太空行走也很重要,尤其是其舱门的好坏直接关系到航天员的生命安全。1990年7月17日,两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时就打开舱门。舱门打开时气体涌出来,损坏了门的铰链,从而使他们在结束出舱活动后关舱门时遇到困难。他们决定采用应急程序,通过量子2号的应急气闸舱关闭了内舱门。直到1991年1月第3批航天员上去时,带上了合适的维修工具,才最后将舱门修好。1996年11月,航天飞机在执行STS-80时气闸舱的舱门也出现问题,由于舱门闩启动器被一颗松动的螺钉卡住,气闸舱门不能打开,航天员出不了舱。
  对于太空行走来说,最常见的问题大都与舱外航天服有关,它是太空行走的薄弱环节,其中有的是因设计上有缺陷造成的,有的是质量不好出现故障引起的。1991年7月21日,一名航天员在太空行走中由于航天服的热交换器故障,致使头盔面罩雾化,航天员视力受损,看不清周围环境,不得不由另一名航天员引导,才返回气闸舱。1992年2月20日,一名航天员在太空行走时,只能在气闸舱的舱门的附近活动,原因是航天服在和平号上存放的时间过长,其热交换器堵塞。后来他用一根管子将服装连接在空间站的冷却系统上,靠空间站的冷却系统进行热交换。由于管子长度的限制,所以他无法到远一些的地方去完成任务。2003~2004年国际空间站第8和第9长期考察组在太空行走时,都曾因温控系统失灵或氧气瓶气压急剧下降等故障而紧急提前返回舱内。
  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26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,并手急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。1985年4月,执行航天飞机STS-51D任务的一名航天员,在太空行走中出现人为失误,他不小心走过航天飞机的机翼,差一点儿不能返回座舱。
  航天员的死亡率有多高?据一有心人统计,航天员的事故死亡率是伐木工人的60倍。有人说,登山运动员是世界上最危险的工作,其事故死亡率是4.3%,但航天员的事故死亡率大约是登山运动员1倍。
  在哥伦比亚号发生事故后的一段时间内,国际空间站上只有两名航天员。按照美国的惯例,空间站不能成为“空巢”,可是美国又要求太空行走必须“双人同行”,因此国际空间站航天员一直没有太空行走的机会。俄罗斯航天局不同意美国的做法,理由是俄罗斯航天员在和平号空间站上时经常“倾巢出动”,并没有遇到任何危险。在俄罗斯航天局的再三要求下,美国最后才决定让站上的两名航天员进行太空行走。
  不过,2004年2月26日,国际空间站上的两名航天员在首次“倾巢出动”进行太空行走时就出现了问题。由于一件舱外航天服生命保障系统升华器上的一根管子扭曲,使升华器失灵,服装内温度升高,并产生大量水蒸汽,形成小水滴,在头盔面穿上形成一层雾汽。为了确保航天员的安全,俄罗斯地面飞行控制中心决定终止了这次太空行走,让他们提前两小时返回成为“空巢”的国际空间站。
  另外,太空垃圾、微流星体、太阳活动高峰等也会影响太空行走。 (司马杭仁)
     来源:新浪科技
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