太空行走，到底有多难？

　　2021年7月4日11时02分，航天员刘伯明、汤洪波身着中国自主研制新一代＂飞天＂舱外航天服，先后从天和核心舱的节点舱成功出舱。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密切协同，圆满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， 标志着我国空间站阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功。
　　2021年8月20日14时33分，神舟十二号航天员乘组经过约6小时的出舱活动，，圆满完成此次出舱活动期间全部既定任务，航天员聂海胜、航天员刘伯明已安全返回天和核心舱，比原计划提前了约1小时，空间站阶段第二次航天员出舱活动取得圆满成功。此次出舱活动，天地间大力协同、舱内外密切配合，先后完成了舱外扩展泵组安装、全景相机D抬升、舱外设施组装等任务，全过程顺利圆满，进一步检验了我国新一代舱外航天服的功能性能，检验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。
　　在此之前，中国只完成过一次太空出舱活动，那就是2008年神舟七号翟志刚太空行走 。而这次天宫空间站航天员出舱的技术难度，与当年比起来，简直无法相提并论。
　　刘伯明登上机械臂
　　那么，何谓太空行走？为啥说太空行走难？ 太空行走曾出现过哪些险情？ 舱外航天服如何 保障宇航员太空行走的安全？太空行走的工作流程如何？ 本文主要围绕这五点展开。
　　太空行走
　　俄国的齐奥尔科夫斯基最先从科学意义上提出了出舱活动设想，他在《太空旅行》一书中讲到，要实现出舱活动须给航天员提供舱外航天服、气闸舱和安全绳索。
　　太空行走并不是在宇宙空间中散步，一是空旷的太空无路可走；二是航天员处于失重状态，也没法用脚行走，他们移动身体是靠手、机械臂或载人机动装置。为了方便航天员舱外活动，舱外专门装了一些扶手，航天员可以像攀岩一样移动身体。
　　太空行走是一种不用脚的＂行走＂，严格地讲应该叫太空出舱活动。航天员若在地外星球，例如在月球表面活动，则是名副其实的太空行走。
　　太空行走有多种分类方式，按太空活动是否列入计划和时间的紧迫性分为三种。一种是计划内出舱活动；另一种是计划外出舱活动；第三种是应急出舱活动。其中应急出舱活动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。
　　如果按出舱活动的目的和任务，太空行走分为四种。一种是验证类出舱活动；另一种是组装类出舱活动；第三种是维修类出舱活动；第四种是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年航天员翟志刚进行的我国第一次太空行走属于验证类出舱活动，而这次神舟十二号航天员进行的太空行走属于组装类出舱活动或有效载荷类出舱活动。
　　为啥说太空行走难？
　　太空行走技术难点有三个：  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，就有可能危急航天员生命安全。
　　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，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。靠手把扶住周围的某些物体。 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。  在航天器里外都安装了一些扶手，航天员用可手握住一个一个扶手来回移动身体。
　　由于航天器以近 8千米/秒 的速度漂浮在轨道上，导致 太空行走 是航天活动中最危险的任务之一，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。为了保证航天员太空行走的安全可靠，必须克服 舱外环境十分恶劣。
　　首先，在 真空环境 里，航天员如果失去有效防护，15秒内就会因缺氧而丧失意识，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＂，皮肤、组织和器官也会向外膨胀。
　　其次， 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，如果超过安全限值，会导致航天员患放射病，甚至危及生命。
　　阳质子事件对出舱的航天员威胁极大
　　艾伦辐射带
　　第三， 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、镁等无机盐排泄增加，发生骨质疏松和肌肉萎缩。
　　第四， 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摄氏度，阻隔时下降到零下100摄氏度。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。
　　太空行走曾出现过哪些险情？
　　2015年12月21日，国际空间站的宇航员们为了执行修复任务，进行了一次太空行走。虽然每一步都按计划进行，但宇航员们离开空间站点的安全舱还是非常危险的，错一步也可酿成大祸。那么到底有哪些险情会出现呢？
　　1.在太空中溺亡
　　2013年意大利宇航员 卢卡•帕尔米塔诺（Luca Parmitano） 进行太空行走时，发现头盔开始进水，航服上的换气系统出现了裂缝，而水在零重力条件下不能流动，导致头盔里的水遮蔽了眼睛和耳朵，阻碍鼻孔呼吸。在可能溺亡的危险情况下，他不得不中断太空行走。卢卡•帕尔米塔诺一回到舱中，其他宇航员便冲过来脱下了他注满水的头盔，但他并不是第一个因宇航服的问题而遇到危险的宇航员。
　　2001年，加拿大宇航员 克里斯•哈德菲尔德（Chris Hadfield） 的左眼突然刺痛并流出泪水。泪水形成了一大滴液体，遮住了他的右眼，但他手里还拿着电钻。地面导航人员担心可能是宇航服中泄露有毒气体，建议哈德菲尔德释放出宇航服里的氧气来清除污染物质，这一举动完全违背了他的生存本能。但还是依照指令释放了氧气，这一方法奏效了。最终哈德菲尔德的泪水冲刷掉了眼中的刺激物，得以重见光明。然后便停止释放珍贵的氧气，继续完成太空行走。之后检测出这一刺激物是 宇航员护目镜上的防雾化剂 。
　　2. 在太空中飘走
　　1984年，美国宇航员布鲁斯•麦克坎德雷斯利用喷气背包飘到了离航天器397米远
　　到目前为止还没有宇航员漂离到太空中，不过哈德菲尔德将此视为最深的恐惧，这比航天器发射时和返回地面时燃烧爆炸更危险。
　　任何进行太空行走的宇航员都必须在身上绑着连接空间站的26米长的可伸缩钢绳。一般来说，宇航员会结对进行太空行走，在气闸室（气闸室：分隔空间站和太空的舱室）中时必须彼此用绳子绑在一起。第一人出舱的人要先把自己的缆绳固定在舱外再把同伴的绳索也固定好。然后第二个宇航员便可脱离气闸室和第一个宇航员一起踏入外太空之中。
　　1973年，皮特•康拉德（Pete Conrad）和乔•科尔文（Joe Kerwin）太空行走时喷气背包还没研发出来。在美首架空间站Skylab （天空实验室）外修理方向错误的太阳帆板时，帆板突然充能完毕将他们甩开。幸运的是栓绳紧紧地将他们绑在一起。如果后来相关记录是精确的话，在危难中也保持着自己的幽默感，因为两位宇航员在回到空间站舱内后大笑了一场。
　　3.血液沸腾
　　宇航服能够保护宇航员不受近乎真空的太空环境的伤害，宇航服稍有一点裂口或者漏洞都足以致命。人类血肉在真空环境中会膨胀至其正常尺寸的两倍。
　　约瑟夫•基廷格（Joseph Kittinger）在打开降落伞之前的降落时速达到了每小时614英里
　　美国空军飞行员约瑟夫•基廷格于1960年进行高海拔跳伞的时候发现了这一点。他从距离地球19英里（约30600米）的高度往下跳，期间右手手套脱落，迅速降压，他的手急剧膨胀了起来。不过他还是勇敢地跳了下去，创下多项世界纪录。回到地面后他的手恢复到正常大小。
　　在宇航服受损的情况下我们最担心的就是氧气的缺失。如果宇航服快速减压，那么宇航员将会在15秒后死亡，15秒正是身体消耗完所有氧气的时间。
　　在太空中，若没有密封的宇航服保持正常压力，人的体液会在体内气体膨胀时沸腾起来。即便缺氧不会让你殒命，血液的沸腾也会让你迅速暴毙。
　　宇航服的主体部分有 多层物质保护宇航员不受微流星体撞击伤害 。岩石颗粒的重量虽不足一克但它们的飞行速度相对于空间站可达到22500英里/时（也就是36200千米/时）。目前没有宇航服能够保护进行太空行走的宇航员们免受大型物体撞击的伤害。NASA在地球轨道上追踪到五十多万片人造太空垃圾，其中两万片垃圾的体积至少和一个橙子差不多大小。
　　4.精疲力竭
　　美国宇航员斯科特•凯利（Scott Kelly）和谢尔•林德格伦（Kjell Lindgren）进行太空行走时，在给机械手臂上油、装配锚索、给测量光线强度的机器装上隔热层等任务上花费了7个多小时的时间。
　　太空行走耗时如此之长的原因之一在于虽然160公斤重的宇航服在太空中没什么重量，但它还是一套大而笨重的装备，穿着它的宇航员们难以进行正常的工作。
　　由于没有重力让宇航员固定在原地，宇航员们无法就这样简单地站在原地工作。有时他们在太空中拧扳手，结果他们的身体却向相反的方向转动。所以他们工作的时候必须耗费更多力气来保持自己原来的姿势。
　　5.未知数太多
　　阿列克谢•列昂诺夫
　　阿列克谢•列昂诺夫（Alexey Leonov） 是第一个进行太空行走的人。自1965年前苏联航天员阿列克谢•列昂诺夫进行第一次太空行走以来，太空行走技术已得到一定的发展。当年列昂诺夫只在日出号太空船舱外待了12分钟，但却差点殒命。前苏联的工程师没有考虑到列昂诺夫的宇航服在零压力的情况下会膨胀的问题，导致他回舱的时候差点进不去。他只得释放阀门来减少宇航服的部分压力，这样他才能钻进舱里。
　　美国第一个进行太空行走的宇航员 埃德•怀特（Ed White） 当时很可能没有意识到列昂诺夫是死里逃生。怀特在离开舱门的时候真切地觉察到了异样，有个弹簧出了错，导致舱门难以开关。当他想要进到舱门里面时，他似乎无法安全进入。
　　埃德•怀特在进行太空行走
　　哈德菲尔德说：＂宇航员们必须提前对各种问题进行设想。我们花费数年时间钻研于每个细节，确保每个环节不出错。所以当意外真的发生时你就不会被恐惧支配。＂
　　保障宇航员太空行走的安全保障--舱外航天服
　　宇航员太空行走需要直面太空环境的种种关卡，而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 还提供独立的 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 。
　　中国第一代＂飞天＂舱外航天服（2008年）
　　中国航天员出舱使用的＂飞天＂航天服，重达130公斤，这套衣服的价格也更是吓人，总价3000万， 相当于同等重量的黄金的价格 。除了要防护太空辐射和充放电效应，＂飞天＂必须拥有通讯设备，供电设备，以及保暖，氧气等航天员生命维持系统等等。而且这些系统必须绝对可靠，美国和俄国就发生过诸如航天服泄漏、供氧故障、航天服内着火、温度控制失效等一系列危机航天员生命的事故。
　　中国＂飞天＂出舱太空服
　　出舱太空服结构及其复杂
　　另外，对于出舱活动来说，航天服的重要性只占一部分。安全又成功的出舱活动也离不开其他各种软硬实力，就比如可靠的 气闸舱和机械臂 。
　　气闸舱 的是载人座舱和宇宙之间的一个过渡舱。气闸舱有两个气闸门，一个与座舱连接，称 内闸门 ；另一个是通向太空的 外闸门 。
　　气闸舱
　　航天员出舱，需要先从座舱进入气闸舱，然后关闭内闸门，并抽干气闸舱的空气，然后再打开外闸门进入太空。返回时流程相反，从太空进入气闸舱，并关闭外闸门，然后给气闸舱充气加压，当气闸舱的气压和座舱相同时，才可开启内闸门，进入座舱。
　　这样的设计确保了座舱和太空绝对的隔绝。但这也要求，气闸舱必须 绝对可靠 ，不能漏气，开关也必须到位。美国和俄罗斯（苏联）都发生过气闸舱方面的事故，闸门被卡住无法关严，或者在气压没有平衡时，闸门就被误开，舱内气体急速冲出，损坏了闸门等等。
　　关于 机械臂问题 ，咱们天宫空间站的先进爬行机械臂太牛了，不仅能像一般机械臂那样使用，还能在空间站上上下下爬来爬去，改变工作位置。
　　国黑科技，可以＂爬行＂的机械臂
　　太空行走的工作流程
　　在太空行走之前，航天员的出舱准备工作也非常复杂，需要操作上百个设备，对专业知识、操作技能都提出了很高的要求。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，而且出舱当天还要提前准备数个小时。
　　中国航天员在检查舱外航天服
　　首先，航天员 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＂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， 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相比还是有较大差距。
　　第三， 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。
　　第四， 过闸程序和开门 。航天员通过气闸舱进出空间站。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。
　　出舱前的准备
　　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，航天员才可以正式开展舱外活动。
　　第五，天地配合太空行走。 航天员出舱进行太空行走，会被物理规律所支配，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，他们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），而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，力度和角度稍有偏差，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。
　　中国航天员在进行舱外操作
　　舱外活动时，航天员 要扎牢安全绳索 。为了方便航天员移动，空间站舱外专门安装了扶手，航天员可以像攀岩一样移动身体，这就要求臂力和体力都很好。我国空间站阶段航天员在首次太空出舱行走时，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。
　　中国空间站阶段第二次出舱活动，两位航天员先后完成了 舱外扩展泵组安装、全景相机D抬升等任务， 全过程顺利圆满，进一步检验了我国新一代舱外航天服的功能性能，检验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。
　　我国空间站阶段航天员第二次出舱
　　另外，为了确保航天员太空行走安全，出舱活动要选择最佳时间即 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。