美俄的首次舱外活动
发布人:admin  发布时间:2016-12-13 14:58:28
       航天员为什么要进行太空行走?不同历史时期的目标是不一样的。当1965年3月苏联航天员列昂诺夫第一次由上升2号飞船飞出舱外时,目标任务有两个:一是在载人航天活动中进行一次技术性的突破,二是使苏联在航天技术方面走到了美国前边,在全世界产生重大影响。美国也不甘示弱,同年6月,美国人怀特在乘“双子星”-4号飞船飞行时飞出舱外。从此,出舱活动技术就为两国共有。 
        太空行走的作用和意义是巨大的。例如,修复载人航天器或其它航天器上的受损部件。美国人曾通过太空行走修复了“天空实验室”、“太阳峰年卫星”和“哈勃”空间望远镜。 苏联航天员则通过太空行走,修复过“礼炮号”空间站和组装、维修“和平号”空间站。此外,航天员在有效载荷舱外壳的外部安装其他设备,有时还需要进行应急出舱活动,也就是临时进行的太空行走。这些出舱活动包括回收天线和交会对接雷达,丢弃空间实验设备和实验台,降低惯性气浮倾斜装置,清理掉展开的对接接口等。目前,十六个国家正在联合建造的国际空间站则需要航天员进行百余次的出舱活动,才能在轨组装建成。而登月活动体现了航天员在太空行走和太空作业的巨大作用,为人类进入外层空间和其它星球打下了良好的基础。迄今为止,世界航天员已进行了297次太空行走。
        俄罗斯
        一、最初的设想
        回首人类半个世纪的航天征程,人们不能忘记自己的亲密朋友曾经留下的足迹和付出的牺牲,它们就是一批为人安全进入太空“打前站”的太空“狗侠”,是它们首先被选作试验品踏上了生死未卜的太空之路。在实现出舱活动的过程中,科学家依然设想将一只穿着航天服的狗放到可减压的东方号船舱里,然后把这只狗暴露在真空中。这样,在人类尝试进行出舱活动之前,可以从动物出舱活动中获得有价值的经验,以及适宜的材料和系统。这相当于狗又先于人类成为出舱活动的“航天员”。(尽管这并没有成为事实)
        狗设想为出舱活动的航天员的任务虽然后来被取消了,但是东方号进行出舱活动的想法却一直被保留着。在决定航天员如何走出增压舱并安全返回时,问题出现了。东方号为了保温而把整个航天器都封闭了,因此如何设置出舱口和增压系统成为设计上的主要难点。东方号上的逃逸系统是由弹射座椅构成的,它的舱门不是靠铰链转动的,而是在弹射系统启动时被掀走。为了更好的实现出舱的计划,不得不对东方号进行必要的改造。改造后的航天器被称为上升号。当俄罗斯得知美国将在1965年2月发射的双子星座4号航天器上,让航天员打开舱门,从座位上站起来时,这一消息激起了俄罗斯航天研究人员的斗志和决心,他们为了赶在美国前面实现出舱活动,于是在克里林姆宫的压力下,1964年4月13日,政府决议批准了改造后的航天器也就是上升号的出舱活动计划定在1964年11月,比美国要早三个月。
        就像对克里姆林宫许诺的一样,俄罗斯航天专家科罗廖夫最初计划在11月完成上升号的飞行任务,作为向“十月革命”献礼。但在1964年10月,上升号在执行第一次任务期间,俄罗斯发生了政治变革,赫鲁晓夫政府被推翻。最后期限的压力没有了,上升2号和出舱活动试验改在了1965年上半年,但还是会在美国双子座号进行出舱活动之前进行。俄罗斯仍然不放弃成为第一个太空行走国家的决心!
        二、前期准备
        太空行走是一项高科技工程,为了保证航天员能安全顺利地完成太空行走,必须给航天员提供一整套安全可靠的出舱活动系统。该安全可靠系统包括硬件和软件两大分系统,硬件分系统中由舱外航天服、气闸舱、背包式生命保障系统等组成。软件分系统有航天员出舱活动的组织与程序、气闸舱和服装内压力变化、预吸氧要求等系统组成。
改造上升号航天器
        俄罗斯的“上升号”载人飞船是以“东方号”飞船为基础改造而成的,其形状和尺寸大体上与“东方号”相似,长约5m,直径2.4m,重约5.5t,舱内自由空间1.6m3。和“东方号”载人飞船比,其主要变化有:
        ((((1)为了能容纳3名航天员,去掉了弹射座椅,换上了3个带有减震器的座椅,但即使这样3个人穿航天服也挤不进去,为此把航天服改成了普通的飞行服。
        ((((2)去掉弹射座椅后,着陆方式改为座舱整体着陆,主伞由两具面积为574m2的伞组成。座舱增加了着陆缓冲器,当飞船距地面1m时,由触杆式触地开关控制缓冲火箭点火,实现软着陆。
        ((((3)为了实现出舱活动,增加了一个可伸缩气闸舱。气闸舱收缩后高度为0.7m,伸长后高度为2.5m,内经1m。有两个闸门,一个和飞船相连,一个与外界相通,出舱活动完成后,将它抛掉。
        ((((4)将生命保障系统的10天储备减为3天。“上升号”一共只发射了2艘。
        实际上,要实现太空行走远不止改造航天器那么简单。对于一名航天员来说,离开飞船或地面遥控监测器的监控,而单独进行出舱活动,存在诸多的安全问题。
        太空的高真空、高洁净、强辐射等环境对人体来说它是一个的致命环境,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,人要离开航天器进入开放的太空,必须使用复杂的出舱活动系统硬件,它包括气闸舱、装有便携式生命保障系统的舱外航天服和载人机动装置,其中任何一个出现故障都会有危险。
精心设计舱外航天服
        舱外航天服是太空行走时的生命保障系统。它的外壳能防止宇宙线、微流星体和太空垃圾的伤害。为了防止真空伤害,它有充气密封层,维持人体所需要的气压。当然,它不可能达到地面上和密封座舱中那样的气压,因为那样将对密封提出更高的要求,并增加重量。由于舱外活动航天服中的气压较低,穿着它进行太空行走以前,要吸纯氧把溶解在身体中的氮排出来,以免气压降低后氮气释放出来,堵塞血管、形成气胸、危害生命。这俗称减压病。
        舱外活动航天服背部有生命背包,它能隔热保暖,维持身体所需要的温度,防止高低温伤害。它还有供氧、供水和可进食的能力,控制二氧化碳浓度和处理大小便以及各种有害气体的能力,保持一定温度的能力等。为了便于行走和作业操作,它的关节部位可以灵活地弯曲和转动。
        为俄罗斯第一次进入太空而设计的第一款航天服取名为金鹰。它是由在高空飞行的航空飞行员和东方号上的第一名航天员所穿的SK-1完全压力服,以及20世纪50年代后期星星公司所开发的实验用S-10完全压力服发展而来的。
        由SK-1发展而来的特征包括,贴身层为一层束身层,臂部和手套连为一体;腿的保护层和内部通风系统是从S-10发展而来的。航天服被设计为4层,最内层的束身层是由尼龙纤维构成的,具有很强的拉伸性。裹在束身层外面是原始囊和备份囊,其特征是一层橡胶内部有一条尼龙线,它和内部的通风系统连在一起。由于航天器外部需要进行温度控制,又增加了一个新的特殊构造层,即最外层为多层复合结构,能够隔绝真空中多变的温度。
        航天服还增加了单独的压力手套和长靴,此外,还有不旋转的金属头盔,头盔上装有可转动的面窗以及过滤装置,这是在GSH-8飞行员压力头盔的基础上发展而来的。
伏尔加气闸舱的设计
        俄罗斯为了顺利完成第一次出舱活动,决定建造一个名为伏尔加的气闸舱系统,以使航天员在不给主机舱减压的情况下,离开航天器进行出舱活动。从整体上看,伏尔加气闸舱是由坚硬的环状部件构成的,里面是一个向内打开的舱门。气闸舱的外壳主要有40个沿结构长度方向排列的软质橡胶制成的可充气圆柱体构成,内部是一个气囊,外表面是一个软质拉伸度很高的纤维。在气闸舱的底部是一个装配环,将气闸舱固定在航天器进出口上,开口向内。装配环内是展开装置,由4只球形罐体构成气压操作系统、控制板、备份系统及胶带。整个装置被叠放在一起,紧贴在准备发射的航天器的侧壁上,上面有特制的覆盖装置。在脱离顶级火箭、进入轨道后不久,航天员才能完全展开气闸舱。
        此外,为了方便航天员在失重环境中行动,气闸舱需要安装各种扶手和脚限制器。一般的扶手安装在电子仪器和环控生保系统的操纵仪表板附近。特制的铝合金扶手安装在气闸舱舱门的两边,这种扶手被漆成黄色,呈椭圆形。在气闸舱的地板上安装有脚限制器。这种脚限制器可以旋转,每次旋转90度,最大可旋转360度,由脚限制器上的弹簧插销定位。在气闸舱内装有4盏泛光灯供照明用,航天员可通过舱内的开关进行调控。气闸舱内可以存放两套出舱活动航天服。在气闸舱的舱壁上安装有专供存放航天服的设备。此外气闸舱内还有维修保养航天服和为两名太空行走航天员服务的各种必要设备。航天服存放设备不仅可以将航天服固定在一定的位置,而且还能协助航天员穿脱和测试航天服。
        三、第一次出舱
        经过多年的准备和实验,俄罗斯终于带给全世界激动人心的一刻:1965年3月18日,航天员阿里克谢·列昂诺夫与另一位航天员别列亚耶夫在执行“上升”2号飞船飞行任务时,阿列克谢·列昂诺夫在距地球50万米的太空打开飞船舱门,只身进入茫茫宇宙。这是人类历史上的首次太空行走。
        1934年5月20日,阿利克谢·列昂洛夫出生于俄罗斯的利斯特维扬卡。1953年,在俄罗斯加里宁格勒完成学业,而后进入拉脱维亚的里加艺术学院。他想成为专业艺术家,但入校后不久便离开,加入乌克兰的Chuguyev空军学校。1957年从Chuguyev空军学校毕业,任俄罗斯空军跳伞指导员。他继续在夜校学习艺术。1960年3月5日,他被选为一个12人小组的首批航天员之一。1965年3月18日与航天员帕维尔·别列耶夫((((1925-1970)一起乘坐“上升2号”进行首次太空飞行,成为进行太空行走的第一人。
        列昂诺夫虽然成功地进行了世界上第一次太空行走,但确实是冒着生命危险换来的。飞船刚一起飞就遇到了麻烦,本来预定进入距地球30万米轨道,而实际高度却达到了50万米。出舱后不久,列昂诺夫离开航天器7米远,在脐带的另一端边扭边转。他的航天服鼓了起来,限制了他的行动,他感到弯曲胳膊和腿都很困难,以致无法按动绑在他腿部的相机快门。为了防止航天服膨胀变形,列昂诺夫特意在上面系上了许多带子。12分钟后,列昂诺夫准备结束出舱活动返回座舱。这时,汗水流进了他的双眼。他的航天服膨胀得很大,以至于他无法进入舱门。按飞行规则,航天员在采取自救措施前必须向地面指挥部请示报告。列昂诺夫知道,要让航天服体积变小就必须调低生命保障系统的气压,地面指挥部在同意这一建议前肯定要详细研究他此时的心电图和各项生命指标。虽然氧气还可持续30分钟,但是照明系统只能再工作5分钟。在黑暗状态下,航天员返回飞船将更加艰难。他认为他一直都在呼吸纯氧,不会得减压病。于是,列昂诺夫果断地调低了生命保障系统的气压。但是当他将头伸进气闸舱时又发生另一个问题。因为按规定程序,他应该先进脚后进头,然而列昂诺夫是头朝前进入飞船的,他这样做是为了确保手中的摄像机万无一失,但他不能在圆筒形的气闸舱中将身体转过来关闭身后的舱门。他反复弯曲自己的身体,想将身体转过来,但都无济于事。该舱断面直径只有120厘米,而膨胀的航天服直径达到190厘米。列昂诺夫拼命旋转着身体,此时他的心律达到每分钟190次,体内温度也急剧升高。因此,后来不得不冒着患减压病的风险,再次调低航天服内的压力。最后终于转过身来,将气闸舱的舱门关闭上,对气闸舱重新加压,并回到飞船座舱中。
        虽说从发现航天服膨胀到关闭舱门前后不过210秒,列昂诺夫所承受的心理和生理压力却是难以想像的:他的体重减少了5.4公斤,每一只靴子里积聚了3升汗水。
        开创人类历史的太空行走总算完成了,随后遇到的险情却更加惊心动魄。就在他们准备返航时,氧气压力急剧升高。为了防止发生爆炸,别利亚耶夫和列昂诺夫赶紧降低温度和湿度,但这些办法并未发挥作用。险情持续了整整7个小时,因为过于疲劳,两位航天员甚至一度进入梦乡。突然,类似爆炸的声音将他们惊醒,别利亚耶夫和列昂诺夫都以为最后时刻到来了。可周围的一切并未燃烧,相反氧气压力在慢慢下降,过了一会儿竟完全正常了。原来,当列昂诺夫在太空行走时,飞船一直处于静止状态,其朝向太阳和背对太阳两个侧面的温差达到300摄氏度,飞船因此发生了轻微变形。列昂诺夫返回飞船后,舱门留下了小小的缝隙。发现飞船内的空气向外泄露后,生命保障系统立即做出反应,氧气的压力随之不断升高。睡梦中,航天员无意间碰到了补充空气的开关,强大的气压启动了排气阀,舱门随之彻底关闭了。惊魂未定,别利亚耶夫和列昂诺夫发现飞船定位系统也出了故障。得到地面指挥部同意后,他们冒险采用手动方式着陆。
        在与美国的航天竞赛中,俄罗斯占得先机,抢先一步将航天员送上太空并完成了太空出舱,这次出舱为接下来美国的第一次出舱活动提供了借鉴,而利用的气闸舱出舱方法也被日后太空出舱活动沿用。
        美国篇
        竞争总是伴随着人类社会的发展脚步。国家之间的竞争亦如此。和在其他领域一样,俄罗斯和美国从来就没有放缓过竞争的步伐,太空中的最初竞争便从这两个国家开始。也许,这两个超级大国都坚定着这样一个信念:谁能有效控制太空,谁就能有效控制地球。
        一、计划的出台
        1961年4月12日,前苏联航天员尤里·加加林成为乘坐火箭离开地球表面、环地球飞行的第一人。随后,美国也不甘落后,在1962年2月20日航天员约翰·H·格林成为第一个环地球飞行一周的美国人。不仅如此,在前苏联进行出舱活动的同时,美国也紧锣密鼓地进行太空行走的规划。虽然,比前苏联更早提出太空行走的计划,最后完成第一次出舱活动的桂冠被前苏联摘夺,但这并没有影响美国出舱活动的计划。相反,美国在有前苏联出舱活动的前车之鉴后,进一步改进自己的航天设备,以求达到比列昂诺夫更佳的出舱状态。
        前苏联对正在制造中的东方号飞船进行改进,以完成一部分计划由上升号完成的任务的同时,美国人也在探索改进水星号的途径,使其能够容纳2名航天员,以拓宽任务范围,以及开拓空间交会和对接。这艘飞船起初被命名为水星Mark2号,但在1961年又被改称为双子星座号,并且广为人知。
        作为从“水星”到“阿波罗”计划(其任务是在1970年以前实现载人地球轨道飞行和环月球飞行,继而实施人类登陆月球和建造空间站的计划)之间的过渡,美国于1961年11月至1966年11月实施了“双子星座”计划。其主要任务是研究、发展载人登月的技术和训练航天员长时间飞行及舱外活动的能力。该计划历时5年,完成了10次环绕地球轨道载人飞行。
        二、前期准备
        双子星座号的研制
        “双子星座号”系列飞船是美国的第二代载人飞船,总共进行了12次飞行试验,其中2次无人飞行和10次载人飞行。“水星号”飞船计划始于1961年11月,结束于1966年11月,历时5年。
        “双子星座”计划主要是为“阿波罗”载人登月计划提供飞行经验、准备各种技术条件。  
        “双子星座号”飞船形状与“水星”号飞船相似,基本呈圆锥-钟形,全长5.7m,底部最大直径3m,重约3.0~3.9t。  
        返回舱:乘2名航天员,全长3.4m,最大直径2.3m,航天员活动空间2.55m3。总重量1982kg,其中包括2名航天员的体重144kg和座倚的重量426kg。舱内用纯氧,压力340MPa。 
        设备舱:长1.4m,最大直径3.05m,重1278kg,其中环控生保系统的重量为117kg。 
        飞船结构采用分舱段布局原则,把每个分系统的所有部件都放置在一个紧凑的舱体内,这样既便于检查和组装又便于出故障时更换;从第5艘到第12艘双子星座飞船都是用了燃料电池,这种电池结构较简单、紧凑,能耐冲击和振动,体积小、重量轻、比功率高;飞船还采用弹射座椅作为紧急救生手段,它不仅在发射阶段而且在着陆阶段可为航天员提供一种救生手段。
一切为了实现太空行走的目标
        “双子星座号”计划的一项主要内容是实现太空行走,NASA的设计人员考虑到如果为太空行走再设计一个过渡舱,势必会增加飞船的重量和大小,因此采用了一种简化的设计,不安装专门的出舱活动过渡舱,而直接将座舱作为过渡舱。“双子星座号”飞船的侧部各有一个矩形舱门,它具有极好的关闭密封性,可以在太空中打开和关闭。执行舱外任务时,航天员先使舱内氧气压力下降,采用航天服的供氧系统呼吸。当舱门打开时,任舱内氧气散失,出舱进行活动。当完成任务返回舱内时,关闭舱门后再重新放出氧气,使座舱增压。
        回收方式上,飞船在返回前在轨道上抛掉设备舱,然后发动机舱的4台反推制动火箭点燃,将飞船推入载入轨道,最后再抛掉发动机舱,座舱像水星飞船一样单独再入大气层,下降到低空时打开降落伞,航天员和座舱一道在海上溅落。
G4C航天服
        美国这次用于双子星座号出舱活动的航天服是G4C压力服,它是从G3C座舱航天服发展而来的。它由多层构成,最内层是直接接触皮肤的内衣层和舒适层,第2层时由气压囊和网状束体层,再外面是2层可吸收由微流星体引起的振动的高温尼龙,然后是7层铝制的聚酯薄膜和高绝缘体材料的涤纶织物。最外层是由防止微星体的高温尼龙(HT—1)构成的。出舱活动覆盖层由2个部分组成,覆盖躯干的连裤服和覆盖臂膀的马甲,在完成出舱活动后,者两部分可以脱下来。
        头盔上由可拆卸的出舱活动面窗,它包括2层:第1层是遮阳面窗,由灰色的有机玻璃构成,外面附着一层薄薄的金箔。这是一个防护层,能减少88﹪的直射进面窗的太阳光的热量。第2层使用聚碳酸酯材料制成的,其作用是控制高温,抑制紫外线,对头盔内科进行冲击保护。双子星座4号航天员戴着很长的手套,来保护手掌,因此,航天员可用手掌直接接触从250~ -150°F(121~-101°)物体,且保持时间可达2分钟之久。
        为了保持航天服的通风,维持202mmHg((((26.93kPa)的压力,G4C航天服用紧固皮带把通风控制模块固定在胸部,这条紧固皮带系在降落伞绳索上,模块由维可劳尼龙搭扣固定在航天服的前面。出现紧急状态时,航天员可用通过头盔上的进食口,利用通风控制模板供氧,这些氧气能够维持9分钟。金鹰航天服设计需要一个背包,但是由于双子座星号航天员时直接从乘员舱出舱,因此可用通过脐带直接从航天器向正在进行出舱活动的航天员供氧。在双子座4号上,脐带长度为7.62m,其中的氧气管长度为8.22m,安全带长度为7.22m。之所以这样设计,是为了避免拉伸负荷为44.99kg的安全带对氧气管造成拉伸。与苏联人设计的安全带一样,它也可用避免航天员在太空中漂离航天器,并使他们能够充分检验手持喷射枪,而在喷射枪能量完全耗尽的情况下,仍能顺利返回航天器。为了不防止脐带受太阳光的灼射,确保正常的能量供给,在其上面覆盖了一层薄薄的金质薄膜。
        三、第一次出舱
        1965年6月3日,埃德·怀特成为了美国历史上第一个实现太空行走的人。当时他乘坐的飞船是双子星座4号,在舱外活动了21分钟,活动范围是飞船外7.6米,无论是世纪还是距离较之前苏联都有一个较大的进步。
        但是即便这样,事情也还是由不尽如人意的地方。首先还是来自压力服的障碍。双子星座号第一次出舱活动比原计划延迟了一个轨道周期,原因是航天员在完成出舱之前的检查任务中遇到了困难,这使得他在乘员舱狭小的空间里感到很热,大汗淋漓;但是,接下来的轨道运行又使他得到了一些放松和平静。埃德·怀特利用手持机动舱走出舱门,他发现枪并不难使用,他可以维持方位,转身面向航天器,并能按要求接近或远离航天器。他在控制自己的行动方面要比列昂诺夫容易得多,这不得不归功于助力枪的使用。接着,怀特发现单靠通过拖拽启动的方式掌握运动要困难得多,启动总是把他置于航天器尾部适配器部件之后,这样,座舱里的指令长吉姆·麦克迪维特就看不到他了。
        当怀特在吉姆·麦克迪维特的监控范围之内时,麦克迪维特可以利用特殊的推进器调整航天器的方向,以保证怀特远离推进器口。怀特也发现利用航天器为自己做参照物可以轻松地为自己定位,但是一旦手持机动单元的燃料燃尽,他的控制和定位能力就会消失,他再次发现使用启动开控制自己的方向很困难。在给航天器拍完照片以后,怀特在与地面失去联系之前返回舱门位置。在回到座位上使自己身体低下去以关闭舱门时,怀特又遇到了困难。麦克迪维特帮他尽量做得低一些,以关闭并密封舱门。尽管如此,像苏联人一样,美国人第一次进入太空也取得了成功。