2月10日,航天员费俊龙和张陆,在舱内航天员邓清明的密切配合下,结束了长达7个小时的出舱活动,顺利返回“问天”实验舱。
神舟15号出舱活动截图
肯定有航天爱好者好奇:经常从媒体看到航天员出舱的新闻,他们出去都干什么?事实上,作为载人航天领域内的核心技术之一,出舱活动的种类很多,大概分为如下三大类。
种类一:验证出舱技术
一次成功的出舱活动,需要的支撑技术非常多,从航天器、航天员、航天服这些太空部分,到测控通信、飞行控制、任务管理这些地面部分,缺一不可。而且出舱活动适用“桶底理论”:只要有一个漏洞,就会所有的水都流掉,成为彻头彻尾的失败。正因如此,人类航天时代开启近70年来,依然仅有苏联/俄罗斯、美国和中国独立掌握了这个复杂的技术门类。
中国航天员水槽训练场景(图源:我们的太空)
这个技术发展过程也是不断“理论论证-模拟实验-技术验证”迭代而来的。例如,在理论和仿真模拟之外,世界各大航天员中心都有巨大的水槽,里面放置各种航天器模型,航天员穿上航天服后,通过控制浮力与重力平衡,模拟在太空中失重的效果,反复练习出舱活动,尽可能暴露问题。但是水槽练习局限性也很大,不可能模拟太空中的真空、失重、强辐射场景。必须要到太空真刀真枪去全面检验,每一个新技术的提出都是如此循环迭代。
早期的出舱活动,需要把航天服通过一个“脐带”连接到载人飞船上,获得补给。后来,广泛使用便携式航天服,航天员出舱之后就变身为一个小型的独立“航天器”。载人机动装置的出现,更是“科幻级”地吸引眼球,航天员坐在装置内可通过控制小型发动机,在航天器附近自由飞行。
载人机动装置(图源:NASA)
上述每一次技术迭代,都需要验证。例如我国早在2008年的神舟7号任务,就由航天员翟志刚和刘伯明验证了出舱活动的可行性,这也意味着我国载人航天进入了能出舱活动的时代,一直迭代发展至今。
不仅整体方案需要验证,各项具体技术也需要检验。航天员出舱必备保障是舱外航天服,可以把它直接看做微型的“航天器”,我国的“飞天”舱外航天服历经多年积累,但也需在太空中实际测试它的应用情况;出舱必经之路是负责舱内和舱外(真空)过渡的气闸舱,每一个载人航天器(神舟飞船、天宫1/2飞行器、“天和”核心舱、“问天”实验舱)都需要配备(或兼用),它的在轨表现事关整个任务成败;出舱活动需要频繁使用机械臂辅助,它的太空表现能力需要检验;活动期间,舱内外协同、天地通信测控保障、地面流程控制、紧急情况撤离等,这些场景都是在地面无法模拟的,必须通过真实的出舱活动来测试。
正如真刀真枪地军事演习才能暴露问题、总结经验,相当一部分出舱活动目的就是为了验证出舱相关的技术体系。
翟志刚那句经典的:“我已出舱,感觉良好”,就是该种类出舱活动最想达到的效果。
种类二:载人航天器安装与维修
载人航天器的设计与制造难度远远超过无人航天器,对于大型的空间站舱段级别航天器,更是如此。例如,天宫空间站的核心舱“天和”和两个实验舱“问天”、“梦天”实在太大了,它们长度约18米,直径4.2米,创造了人类航天单舱段的尺寸纪录。但这还不是全貌:这个尺寸已经逼近长征五号B这个“矮胖子”的整流罩所允许的极限,其他的全景相机、舱外扩展泵组和外置仪器等,根本没法完整安装展开后发射,必须在进入太空后继续组装。
航天爱好者们不妨回忆一下,此前的新闻中反复提到的出舱内容大都会有“抬升全景相机”、“安装舱外拓展泵组”等关键词,且一般发生在重要的舱段升空和组装后。本次的天宫空间站建成后首次出舱,重要任务也是安装舱外拓展泵组。它是航天器内外热控循环系统的动力心脏,与舱内的心脏一起,才能保证整个舱段的正常运转。全景相机,则用于监测航天器的整体外部情况。还有一些外部仪器设备,只有所有的外置部分都完整了航天器才算达到了设计要求。
天宫空间站全貌艺术效果图
此外,任何一个航天器不可能完全不出现问题,对于空间站级别的大型模块化多舱段载人航天器更是如此,尤其是它需要长时间稳定飞行。例如,国际空间站已经做到了约500吨、飞行了25年,天宫空间站也有近100吨、飞行时间10年起步。期间,出现的各种问题,都必须及时修理,尤其是外部出了问题,几乎只能依靠航天员出舱活动去维修。
如果用大白话来解释这种出舱活动就是:毛坯房(舱段)盖好了,装修小工(航天员)开始装修,让房子(空间站)更宜居。出了问题,还要请小工来,缝缝补补,这房子住起来才舒服。
种类三:科学研究与应用
载人航天发展的根本目标是利用太空这个独一无二的空间,拓展人类的科学边界。空间站建成后,就会变成一个长期有人驻留的太空实验室,允许航天员开展各项科学研究,这才是航天强国大力投入载人航天的最核心动力。
国际空间站和天宫空间站上,搭载了各种实验柜,开展各种网友们“看不懂的名词”实验。但是有些研究,是必须在舱外进行的,例如与天文观测、真空暴露、舱外辐射等相关的科研。有些科学仪器设备,无法通过机械臂系统完全操作,就必须依靠航天员出舱活动去安装、回收、替换,成为事关科研成败的关键。我国自第三批航天员招募起,开始培养“载荷专家”类角色,他们的主要业务就将集中于科研。
天和核心舱与天舟二号货运飞船组合体
各类载人航天器本身也是“空天母舰”,微型的“航天器(航天员)”从这里出发,也能服务于载人航天器之外的目标。例如航天飞机时代多次出现过回收失效卫星返回地球的场景。大名鼎鼎的“哈勃”太空望远镜,它在发射后出现了一系列技术问题,导致根本没法正常工作,通过后来的连续5次航天飞机出舱活动,才将它完全修好维护、几乎替换掉了各大科学仪器,才让这个传奇的望远镜重获新生,一直工作至今,重塑了人类天文学。我国即将发射的大型巡天望远镜,未来将进入与天宫空间站共轨的飞行状态,一大原因就是未来航天员可以通过出舱活动,对它进行维修更新,保障它的长期工作状态。
此外,载人登陆月球,包括未来预期的载人登陆火星,也可以看作非常复杂的出舱活动。我国的第五部航天白皮书中已经明确了“全面建成并运营中国空间站、实施探月工程四期、深化载人登月方案论证”等重要目标,在可预见的将来,也会有中国航天员踏上月球,完成一次从嫦娥到现实的出舱活动。