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出艙“名場面”背后的航天力量

發(fā)布時間:2022-09-08 09:53:00來源: 人民日報海外版

  近日,神舟十四號乘組完成首次出艙活動。從2008年神舟七號航天員翟志剛第一次實現(xiàn)太空出艙活動,到2021年神舟十二號乘組實現(xiàn)空間站階段的首次出艙,再到神舟十三號、神舟十四號乘組連續(xù)進行太空行走……迄今為止,中國已成功實施6次航天員出艙活動。每次出艙都有新看點和新驚喜,為中國航天留下了諸多“名場面”。

  中國航天員出艙活動經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展與變化?新技術(shù)的應(yīng)用如何讓太空行走更安全、更舒適?

  從19分鐘到6小時

  時間更久任務(wù)更重

  2008年9月27日,神舟七號航天員翟志剛在劉伯明、景海鵬的密切配合下,完成了中國人的首次太空行走。耗時19分35秒的出艙活動中,翟志剛?cè)』亓孙w船艙外搭載的固體潤滑材料以及太陽能電池基板試樣。

  首次成功實施空間出艙活動,讓中國成為世界上第三個獨立掌握空間出艙關(guān)鍵技術(shù)的國家。這一關(guān)鍵技術(shù)的突破,也為空間站建造奠定了堅實的基礎(chǔ)。

  時隔13年后,2021年7月4日,神舟十二號航天員劉伯明、湯洪波成功出艙。約7個小時的出艙活動中,艙內(nèi)艙外航天員協(xié)同配合,完成了艙外活動相關(guān)設(shè)備組裝、全景相機抬升等任務(wù);2021年11月8日,經(jīng)過約6.5小時的出艙活動,神舟十三號航天員安全返回天和核心艙,翟志剛再次上演“太空漫步”,王亞平邁出了中國女性艙外太空行走的第一步;日前,神舟十四號航天員陳冬、劉洋在約6小時的出艙活動中共同完成了問天實驗艙擴展泵組安裝、問天實驗艙全景相機抬升、艙外自主應(yīng)急返回驗證等任務(wù)……

  航天員出艙活動是中國空間站任務(wù)的重中之重,空間站艙外建造以及艙外設(shè)備安裝、維護、維修、更換和試驗樣品回收等,都需要出艙活動。出艙人數(shù)更多、出艙時間更長、出艙任務(wù)更重……與神舟七號相比,空間站階段的航天員出艙時間由半小時提升到6小時以上,艙外作業(yè)任務(wù)量加大、難度提升,連續(xù)的出艙活動,展現(xiàn)了中國航天事業(yè)的奮進步伐。

  從節(jié)點艙到氣閘艙

  出艙行走更從容

  神舟十二號、神舟十三號乘組出艙時,均通過天和核心艙前方的節(jié)點艙出艙。此次神舟十四號乘組出艙,則首次通過問天實驗艙氣閘艙“出門”。與節(jié)點艙相比,氣閘艙的艙門口徑從85厘米增加到了1米。航天員在身著艙外航天服的情況下,能夠更從容地攜帶設(shè)備出艙工作。

  看似簡單的尺寸增大,其實是一項“剛”與“柔”的平衡。此次出艙的艙門作為航天器機構(gòu)中的復(fù)雜產(chǎn)品,涵蓋密封、傳動、鎖緊、導(dǎo)向、潤滑、人機工效等學(xué)科。艙門設(shè)計團隊將這些復(fù)雜的功能落實到產(chǎn)品的操作細節(jié)中。例如,為了保障問天實驗艙“大門”的安全使用,艙門配套了量身定制的艙門保護罩,并將艙門檢漏儀作為密封的檢測手段,將艙門壓點開關(guān)作為狀態(tài)輔助判斷。

  問天實驗艙氣閘艙的研制,離不開神舟七號的開拓先行——為了突破出艙技術(shù),科研人員重新為神舟七號飛船軌道艙增加了氣閘艙功能,并在太空成功應(yīng)用,為空間站氣閘艙研制奠定了基礎(chǔ)。如今,航天員出艙前,只需使用艙門門體上配套的操作手柄旋轉(zhuǎn)解鎖,使用助力機構(gòu)消除殘壓,拉動艙門把手即可完成打開艙門的動作。

  未來,問天實驗艙氣閘艙將成為航天員出艙的主要“通道”。而一旦氣閘艙在出艙過程中出現(xiàn)問題,航天員仍可通過作為備份的節(jié)點艙回到艙內(nèi),保證出艙活動安全可靠。

  保障生命安全和支持艙外活動的艙外航天服,也在歷次出艙活動中不斷升級。神舟七號任務(wù)時,科研人員在短期內(nèi)研制出中國第一件艙外航天服。13年后的神舟十二號出艙任務(wù)時,新一代艙外航天服已有了很多改進,改變了結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高了服裝使用壽命及人服能力,具有使用時間更長、安全可靠性更高、機動靈活性更好、測試維修性更強等特點。通過空間站階段的太空行走,充分驗證了新一代艙外航天服的性能。

  從1米到10米

  “一繩之力”讓航天員走得更遠

  在太空行走過程中,安全繩是連接出艙航天員與空間站的“生命線”——空間站的可伸縮安全系繩機構(gòu),為航天員順利出艙活動助“一繩之力”。

  神舟七號任務(wù)時,翟志剛所使用的安全系繩為固定長度,其有效長度僅有1米多,活動范圍有限。而在空間站建設(shè)任務(wù)中,航天員要完成空間站設(shè)備安裝、檢修等出艙任務(wù),出艙范圍更大、操作難度更高、安全要求更嚴格,需研發(fā)一種長度更長且可伸縮的安全系繩機構(gòu)——既要保證航天員與空間站艙體間超過10米的安全連接,又不會對航天服產(chǎn)生勾掛或干涉航天員的運動,還要經(jīng)受住太空中近200攝氏度的大溫差、空間輻照、空間粒子等惡劣環(huán)境的考驗。

  為此,中國航天科技集團五院529廠研制團隊憑借豐富的空間機構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計能力,針對長距離以及空間環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計需求,創(chuàng)新設(shè)計方案,實現(xiàn)了鋼絲繩的恒力收放,無需電機提供回轉(zhuǎn)力矩,避免了電纜的引入,保證了航天員攜帶的便捷性和機動性。

  同時,為減小纏繞過程中的阻力、避免空間輻照環(huán)境對鋼絲繩產(chǎn)生影響以及防止鋼絲繩對航天服產(chǎn)生勾掛,設(shè)計人員選用耐空間輻照的特殊包覆材料對鋼絲繩進行保護,確保機構(gòu)的使用安全。為滿足長壽命使用的要求,還采用了輔助排繩滑輪組引導(dǎo)鋼絲繩排繩的設(shè)計方案,并通過大量試驗驗證,確保10余米長鋼絲繩在機構(gòu)的狹小空間里上萬次、重復(fù)性的有序纏繞。

  從大臂到組合臂

  機械臂分工合作更給力

  與神舟七號任務(wù)相比,空間站階段出艙活動的一大特點是航天員與艙外機械臂的配合。空間站機械臂承擔將航天員及相關(guān)設(shè)備工具運送至作業(yè)點,并支持航天員完成后續(xù)操作任務(wù)的職責。

  在神舟十二號和神舟十三號任務(wù)的4次出艙活動中,航天員通過與核心艙的大機械臂配合,完成了一系列艙外任務(wù)。而在神舟十四號首次出艙任務(wù)中,問天實驗艙上搭載的小機械臂首次亮相,將航天員準確、穩(wěn)定轉(zhuǎn)運至作業(yè)點。

  機械臂是中國空間站的明星部件之一。作為中國航天事業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域,機械臂融合了機、電、熱、控制、光學(xué)等多項技術(shù)。小機械臂的主要功能和大機械臂類似,它能真實模擬人手臂的靈活轉(zhuǎn)動,通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在任何角度和部位抓取物體,也能夠在問天實驗艙表面進行爬行。

  與大機械臂相比,小機械臂有不少新特點。形態(tài)上更加精巧,重量和長度均約為大臂的一半,負載能力約為大臂的1/8,運動和操控靈活;操作上更加精準,小臂的末端定位精度更高,位置精度、姿態(tài)精度優(yōu)于大臂,能夠完成精度要求更高的精細操作。大小兩個機械臂分工各有側(cè)重,又相互配合,可滿足空間站任務(wù)的需求。

  按照規(guī)劃,在后續(xù)任務(wù)中,問天實驗艙機械臂將在太空中與核心艙機械臂完成“大小臂在軌組合”的亮眼操作。屆時,小臂可被大臂抓取形成組合機械臂,可達范圍將拓展至14.5米,活動范圍覆蓋空間站3個艙段。如后續(xù)需要在艙外安裝設(shè)備,可以通過貨運飛船上行至夢天實驗艙的貨物氣閘艙,通過組合臂的抓取和轉(zhuǎn)移,完成在艙外載荷平臺上的安裝。此外,大小機械臂還可協(xié)同開展艙外操作任務(wù),完成互巡互檢的自身維護工作,有效提高機械臂系統(tǒng)的可靠性。(劉 峣)

(責編:李雨潼)

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