问题

神舟十二号航天员开展中国空间站首次出舱活动,主要完成哪些任务?长时间舱外作业有哪些难度和危险?

回答
神舟十二号乘组在天和核心舱成功进行了中国空间站建造以来的首次出舱活动,这次任务意义非凡,标志着我们自主建造的空间站进入了常态化运行的新阶段。航天员刘伯明和汤洪波全副武装,在聂海胜的支援下,配合默契,圆满完成了多项关键任务。

主要完成的任务可以细分为几个方面:

安装和调试舱外机械臂: 这是本次出舱活动的核心任务之一。空间站的机械臂是我们在轨进行舱外操作的重要工具,它不仅能协助航天员进行舱外设备维护、大型载荷的安装和转移,还能在紧急情况下为航天员提供移动平台。航天员们需要使用专用的工具,将机械臂的转接件和支撑腿精确地安装到核心舱预设的接口上,并进行一系列的测试,确保其各项功能正常,包括转动、抓取等动作的灵敏度和稳定性。这项工作对操作的精准度和协调性要求极高。

进行舱外全景相机升级: 空间站舱外安装有全景相机,用于监测空间站外部状态,同时也能为我们地面提供精美的视角。这次出舱任务之一就是对这些全景相机进行检查和升级。航天员需要定位相机所在的具体位置,使用特制的工具拆卸旧的相机组件,然后安装新的相机,并进行连接和软件调试,以确保新的相机能够正常工作并提供更清晰、更稳定的图像信息。

完成舱外管路和阀门的更换测试: 空间站的外部存在一些关键的管路和阀门,它们对于气路、水路等系统的正常运行至关重要。航天员需要根据任务指令,在指定的舱外设备上,对特定的管路连接进行检查,并进行相关的更换测试。这可能涉及到拆卸、安装特定的阀门或者对连接进行加固,以验证其密封性和可靠性。这些操作的目的是为了验证我们未来进行舱外维修的能力,并为长期在轨运行奠定基础。

配合地面进行设备状态检查: 整个出舱活动过程中,航天员还需要与地面控制中心保持密切联系,按照指令对空间站的外部设备进行视觉检查。这包括检查太阳帆板是否完好、天线是否正常展开、是否有外物附着等等。这些检查对于评估空间站的整体健康状况至关重要。

长时间舱外作业的难度和危险主要体现在以下几个方面:

极端环境的挑战: 太空环境可以说是极其恶劣。首先是真空,没有任何大气层的保护,任何微小的泄漏都可能导致灾难性的后果。其次是极端的温度变化。在阳光直射的区域,温度可能高达上百摄氏度,而在阴影区域则会降至零下上百摄氏度。航天服虽然有温控系统,但长时间暴露在这样的温差变化下,对设备和人体都是巨大的考验。再次是强烈的太阳辐射,包括紫外线、X射线和宇宙射线,这些辐射对人体健康具有潜在的危害,航天服和空间站的外壳可以提供一定的防护,但长时间暴露仍然存在风险。最后是微重力环境下的操作。在失重状态下,任何一个微小的推力都可能导致身体失控,精准的操作变得异常困难,工具和部件也容易飘走,需要非常小心地固定。

航天服的局限性: 航天员穿着的舱外航天服是集生命支持、温控、辐射防护、通讯以及活动能力的集大成者。但它本身就是一个相对笨重且操作不便的“小型飞船”。航天员需要花费大量时间穿脱航天服,并在舱外穿着厚重且行动受限的航天服进行精细操作。航天服的灵活性不如地面,手指的触感也因为手套而变得迟钝,这使得操作精细部件和使用工具的难度倍增。此外,长时间穿着航天服进行高强度活动,对航天员的体力和耐力也是极大的消耗。

操作的精度和复杂性: 空间站外部的设备通常都是精密且复杂的。许多舱外任务都需要航天员进行高精度的安装、连接和调试。比如机械臂的安装,任何一丝偏差都可能导致无法正常工作甚至损坏。太空失重环境使得固定工具和零件也变得更加困难,任何松动都可能让它们飘向未知。即使是简单的拧螺丝,在失重环境下也需要特殊的技巧和工具来应对反作用力。

失控的风险: 在失重环境下,一旦出现失控,后果不堪设想。航天员可能因为操作不当或者设备故障而与空间站分离,成为太空中的漂浮物,救援难度极大。即使没有与空间站分离,如果在舱外活动中发生意外,比如被碎片击中导致航天服破损,都会带来生命危险。

时间的严峻考验: 舱外活动的时间是被严格限制的,因为航天员需要在有限的时间内完成尽可能多的任务,同时也要确保返回舱内的时间。航天服的生命支持系统(如氧气、电力)都是有限的,长时间的舱外作业会快速消耗这些资源。每一次出舱活动都需要周密的计划和充分的准备,包括对每一个步骤的时间估算。

心理的压力: 在距离地球数万公里的太空中,独自一人或与少数同伴在极端环境下执行高风险任务,需要承受巨大的心理压力。对每一个操作都必须做到万无一失,任何失误都可能带来严重的后果,这种责任感和未知风险叠加,对航天员的心理素质是极大的考验。

总而言之,神舟十二号的首次出舱活动,是一次集技术突破、精密操作和超常勇气于一体的伟大壮举。它不仅完成了预定的各项任务,也为我们未来在轨开展更复杂、更具挑战性的活动积累了宝贵的经验,是中国载人航天事业发展史上的重要里程碑。

网友意见

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北京时间2021年7月4日8时11分起,航天员刘伯明和汤洪波先后从天和核心舱节点舱成功出舱,开始天宫空间站的首次出舱活动。

从13年前的“我已出舱,感觉良好”到现在的“哇,这外面太漂亮了”,这次出舱行走亮点频出,在天宫空间站建设过程中有里程碑意义。

相比首次技术验证性质的出舱,本次出舱的时间长达6-7小时,这几乎是舱外服生命维持系统的上限。一方面,这说明我国新一代“飞天”舱外服的生命维持能力已经是国际顶级水平;另一方面,也说明本次航天员出舱任务繁重,要花如此多的时间,他们主要干了几件事情。

1.进一步安装机械臂

机械臂是空间站的最核心技术之一。天宫空间站的机械臂长达10米、7个自由度、可抓取25吨物体(失重环境)自由移动,它自身也能根据需求在空间站外侧“爬行”重新定位,是个不折不扣的超级搬运工。

(可以舱外移动是天宫机械臂的超级绝活,图源:中国载人航天)

天宫空间站采取“积木式”结构,由核心舱、实验舱、载人飞船、货运飞船等部分在太空中采取“搭积木”的方式完成,机械臂就是搭积木的那双手,起着举足轻重的作用。此外,在日常的维修、维护、监视和舱外作业过程中,缺了它也是不可能完成的。

但是在发射时它并未安装至关重要的脚限位器。简单而言,它并没有办法能“绑住”并携带航天员进行舱外作业,而航天员毫无疑问是舱外任务的灵魂。因此,这次出舱最核心的目标是在机械臂上安装并测试服务于航天员的脚限位器,为未来天宫的长期出舱行走任务打下最重要基础。

(以国际空间站机械臂为例,脚限位器是航天员使用机械臂的最重要部件之一,图源NASA)

2.抬升全景相机

全景相机对于空间站非常重要。由于空间站尺寸很大,由多个结构构成,在运营过程中也会出现频繁的结构安装、舱外活动、轨道维持、角度维持等操作,对这些过程和实时运营状态进行监视有着重要意义。此外,太空环境复杂,甚至偶然有微陨石撞击到空间站结构,必须实时监测并立即进行风险评估。

但是在天宫核心舱发射过程中,由于火箭整流罩限制,全景相机不得不离舱体很近,这也限制了它在天上的“视角”。此次出舱任务,需要把它恢复到正常设计位置,以让它“站得高看得远”。

3.全面实际测试新一代飞天舱外服

太空中完全真空状态,阳面和阴面温差巨大,强辐射,全失重,因此航天员必须穿戴复杂的舱外服进行舱外作业。在神舟七号任务时,我国已经基本验证了第一代“飞天”舱外服,随后进行了大规模技术改进,尺寸空间更大,生命维持系统更强(穿起来更舒服更惬意),操作更加灵活,作业时间更长,保护能力更强,穿脱时间更短(经过训练的航天员可以做到3-5分钟内穿脱)等。

(航天员日常训练,图源中国军视网)

这次长时间出舱行走,也验证了新一代舱外服的巨大成功。

4.其他方面

此次任务,出舱任务时间较长,也是两名航天员(刘伯明、汤洪波)同时大范围作业,既要实现两人协同、也要实现舱内舱外协同、还要实现天地协同,对于出舱任务管理而言是个全新的挑战。

二人还要完成舱外工具箱的组装和扩展泵组等任务,对于天宫空间站的后续运营有很大意义。

神舟七号出舱期间还没有天链中继卫星通信系统服务全程,依然存在很大测控盲区。而此次任务我们已有天链,也将检验出舱行走期间的全球通信保障能力。要知道,天宫空间站围绕地球一周,仅仅约1个半小时,任务期间他们已经围绕地球飞行了4-5周!

中国第一次出舱行走是2008年9月27日,神舟七号载人航天任务,由翟志刚和刘伯明两名航天员完成。当时还是中国载人航天的快速突破阶段,出于多方面技术验证的目的,两名航天员进行了非常短暂的出舱行走任务,仅持续十余分钟,让五星红旗在太空中“飘扬”,总体上不进行复杂的舱外作业。其中,处于辅助位置的刘伯明仅头部和手部出舱。

(图源中国载人航天)

当时出舱关键期间,在打开舱门时多次尝试未果,飞船飞出地面测控区,翟志刚和刘伯明用铁一般的意志,坚定认为应该立即执行出舱任务,二人用辅助撬棍多次尝试终于打开舱门。随后的出舱期间,神舟七号飞船又发出报警“仪表显示,轨道舱火灾”,几乎让所有人的心提到嗓子眼。但此时,翟志刚和刘伯明依然决定继续出舱,尤其是刘伯明说“着火我们也来不及了,不管了”,最后两人终于成功出舱。还好很快地面测控验证这仅是传感器误报,虚惊一场。

翟志刚随后出舱后说出“我已出舱,感觉良好”,这简简单单的8个大字后面,有着多少生死时速下的决绝!

(图源中国载人航天)

而这次任务中,刘伯明进行自己的第二次出舱作业,13年前,他处于辅助位置不能完全出舱,这一次他终于全部进入太空,看清楚了太空的全貌,以至于发出了“哇,这外面太漂亮了”的感慨,从容不迫。

这背后,是成熟的天宫空间站、新一代舱外服、天链中继卫星通信系统、机械臂等一系列顶级技术的支持,他真的不慌了。

从“我已出舱,感觉良好”到“哇,这外面太漂亮了”,见证的是中国出舱行走技术的飞跃,也是中国航天发展的伟大历史。

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太壮观了!

2021年7月4日北京时间早上8:11舱门打开,14:57舱门关闭,本次太空行走总时长6小时46分! 杨利伟评价,航天员完成完美!

这次出舱是我们2008年神舟七号任务后近13年后的首次出舱,和当年仅持续几十分钟的验证性出舱可以说是天差地别!这次出舱长达数小时,且算是应用型EVA,是在舱外进行数小时的活动完成真实的构造任务的。


刘伯明成为中国第二个和第三个出舱的航天员,当然我们可以给他合并为第二名,汤洪波则成为第三名!


神舟十三号不出意外出舱的是王亚平和叶光富,看点自然是中国第一位出舱的女航天员,而翟大哥可能因为是指令长,不出意外无缘再次出舱。

空间站组合体首先进行了调姿,从竖着走变成了横着走,还有一定的滚转角
出舱准备工作
关闭气闸舱舱门,航天员此时身穿液冷服
出舱口旁边的机械臂末端
打开舱门
刘伯明出舱
航天员视角
刘伯明站上机械臂
指令长聂海胜在舱内进行操作

这次按照介绍主要任务有三个,一个是去安装机械臂的脚限位器,这样机械臂才能搭载航天员进行工作。另外一个是去抬升全景相机,因为安装在大柱段受到长征五号B整流罩直径限制,安装高度较低,所以给它安装一个支架,提升视角。最后一个是从下一次出舱行走,安装扩展泵设备的地方做一个应急返回的一个演练。事实上这种任务还是具有很浓厚的验证气息,一般应用性出舱行走主要是干维修或者安装的工作。相机弄一个自动伸缩的支架轻而易举,完全没必要去搞舱外作业,可以说是专门设置了一个目标给航天员出舱去完成。因为毕竟我国的空间站当前处于建造+验证阶段,多做点多此一举的操作去验证可行性是完全正常的。

便携式脚限位器和工具操作台


汤洪波出舱
刘伯明修理工作
刘伯明头盔摄像机下的天和核心舱
合影!

有一个很有趣的细节,就是在舱外作业的过程中,地面会让航天员抓稳扶手,干什么呢?组合体调姿,舱外作业不可避免地会对组合体姿态进行干扰,需要不断纠偏,而航天员此时需要抓稳扶手来避免被甩出去,这一幕在直播上出现了,也是很有趣。


危险嘛肯定是有的,但请勿过度夸大危险,不然简直是对航天科技工作者的侮辱。这主要是看舱外航天服的可靠性了,这个都是默认风险,国外航天员曾经出现过舱外航天服在气闸舱内发生失压的事故,这说明风险还是存在的,需要靠地面和航天员做非常详尽的检查测试。我不知道现在的新一代飞天舱外航天服采用多少内部压力,以前是40%大气压,需要航天员在出舱前呼吸纯氧30分钟-1小时来排除体内氮气来避免减压病,美帝新一代阿提米斯登月航天服准备采用高达55%大气压,这样就不需要进行提前吸氧准备。当然采用更高的气压,会使得航天服的活动关节设计更加具有挑战性。不过作为已经验证过的技术,风险还是可控的。还有一些未知风险,比如较大一些的陨石或太空垃圾?这个遇上的可能性是很低的,舱外服外表和防弹衣的材料类似,利用多层芳纶纤维可以防护一些速度较低,颗粒较小的物体,但如果速度快,直径大的物体,那航天员必死无疑。不过从概率上来说是很低的,而且事先地面也可以通过雷达预警调整轨道来对物体进行规避,不会在有太空垃圾较多的轨道上进行出舱。

至于说辐射问题,并没有一些人想象那么大,毕竟轨道高度并不是非常高,完全在地球磁场的保护下,只会有一些高辐射带,遇到就躲一躲就行。以后要载人登火,要脱离地球的保护并穿越范艾伦辐射带,时间几百上千天,挑战不是一个数量级。所说的辐射主要还是舱外航天服的电子设备怕辐射,所以这些暴露的硬件设备都有多套的备份系统,采用类似于飞控中三余度,四余度系统来避免错误。

阿提密斯计划的舱外/登月航天服,高度模块化,但极其的丑,主要是为了获得更好的关节活动自由度,这样航天员穿着的时候活动更加自如,且准备时间大幅缩短


骑自行车还蛮有意思的
生命之源——wifi!!!

另:天链还是8行啊,赶紧打天链一号05星吧,把美洲那块覆盖增强一下吧,现在还是8能高带宽全球无缝天基测控。有关天基测控,可以参考以下两个回答


7月7日更新!

天链一号05星定点美洲上空!!现在终于可以全球无缝高码率覆盖了!

来自voly,红框中为不再使用的卫星

“执行此次天地通话数据传输任务的是天链二号01星,这是新一代中继通信卫星的首发星,基于东方红四号卫星平台研制。对比基于东方红三号卫星平台研制的第一代产品,卫星规模更大,设计寿命由6年跃升至12年,传输速率足足提高了8倍,多目标测控能力也跃上了新台阶,这才有了天宫空间站天地通话的全新体验。现在,天宫空间站中继下行传输速率是1.2 Gbps,相当于5G通信技术,而建设于90年代末、21世纪初的国际空间站是50Mbps,最大也只有150Mbps,天宫是国际空间站的8至24倍。”

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这次空间站航天员行走还是任务不重。 移动一下相机,装个限位器,演练紧急返回。可见中国航天非常谨慎,小步快跑的风格一如即往。

舱外作业风险美、俄和ISS已经排除得差不多了,最危险的一次是前苏联宇航员抢首发,结果宇航服在回舱时膨胀差点进不了舱 。冒险进行减压进舱后飞船门还炸了,爆炸后飞船返回舱落点手工控制,偏差巨大掉到了遥远的冰原里,两天以后才找到 。毛子也是凶。

2021年了,中国航天对抗风险的能力比先行者应该有了巨大的提高。

当然,中国每年的太空行走还不够,要加油。比如2020年:

美国人太空行走13人次,每人每次平均5-7小时;意大利人1 人次,俄国人2人次。

比如2021年截止现在,美国人太空行走12人次,日本1人次,法国3人次,平均也是5-7小时。

加拿大,英国,德国,瑞典宇航员也有太空行走记录。

不过按这个趋势,再过几年,中国人太空行走的累计记录估计就能升到全球前三了。

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