唐駁虎:中國空間站首次出艙 航天員背後有多少科技支撐?

唐駁虎:中國空間站首次出艙 航天員背後有多少科技支撐?

2021年07月04日 21:20:32
來源:唐駁虎

文/鳳凰新聞客户端榮譽主筆 唐駁虎

核心提要:

1. 本次行動是中國空間站首次出艙活動,也是時隔13年中國第2次太空出艙行走。相較於過往的技術驗證性質出艙,本次活動真正實現了航天員大範圍作業。

2.兩代航天服的真正差距在於利用率。中國不再採取一次性出艙航天服,現今使用的可重複出艙服一套造價高達3000萬。航天員與艙體不再有電臍帶連接,航天員活動範圍更廣。

3.空間站主機械臂各項指標均達到世界領先水平,且全部核心部件實現國產化。出艙活動中,無處不在的攝像頭保證航天員無論何時何地都能被看到,以確保其安全。

4.十三年前,做好一去不歸準備的劉伯明協助翟志剛將五星紅旗送上太空。彼時他處於輔助位置,不能完全出艙。第二次執行自己出艙作業的他,終於得以窺見了浩瀚宇宙的全貌。航天發展的背後,是中國綜合國力日益發展的紅利。這一切誠如鄧小平所言,“只有改變落後狀況,才能對人類做出比較多的貢獻,那時候大家才會真正相信中國是可以的。”

北京時間2021年7月4日8時11分 起,航天員劉伯明、湯洪波身着中國新一代“飛天”艙外航天服,先後從空間站的節點艙成功出艙,開始中國空間站的首次出艙活動。

中國第一次太空出艙行走是2008年9月27日,神舟七號載人航天任務,由翟志剛、劉伯明兩名航天員完成。

當時還是中國載人航天的追趕補課、技術驗證階段,兩名航天員從神舟飛船的軌道艙開艙,進行了短時間的出艙任務。

任務一是讓五星紅旗在太空中“飄揚”,二是取回一件放置在艙外、經太空暴露後的實驗樣本。全過程僅持續20分鐘。

“神舟七號”任務已過去近13年,當時翟志剛一句“我已出艙,感覺良好”至今仍銘刻在很多人心中。

相比13年前技術驗證性質的出艙,本次從空間站出艙的活動時間長達6-7小時,而且要實現兩名航天員(劉伯明、湯洪波)的同時大範圍作業。

既要實現兩人協同、也要實現艙內艙外協同(機械臂操控)、還要實現天地聯動監控,複雜程度和難度完全不可同日而語。

而在接下來的空間站建設與運營階段,這樣的任務將司空見慣。

因為空間站需要進行艙室組裝、維護調整、樣品回收等作業。需要航天員經常性執行太空出艙行走任務。

但7月4日的任務,依然是空間站“第一次”,有着豐富而重大的意義。

重複使用的出艙航天服

一個多月前,天舟二號貨運飛船從中國文昌航天發射場起航,將重約6.8噸的貨物送到中國空間站,這其中就有兩件重達130公斤的“飛天”艙外航天服。

艙外航天服其實是一種微型載人航天器,既能滿足航天員生命保障需求,又能實現艙外移動。

據介紹,一套造價高達3000萬元(含研製費用)。而艙內航天服的造價為數百萬元。

這次用來執行出艙任務的艙外航天服高2米左右,科技含量比以前更高,關節更靈活,支持出艙時間也更久——從以前的4個小時增加到8個小時。

航天服頭盔上配有攝像機,可以全程以航天員主視角,直播、記錄艙外操作過程。

此次出艙,航天員與艙體之間不再有電臍帶連接。 這是因為艙外航天服已實現供氧和温度、壓力控制,使得航天員的活動範圍更廣、更靈活。

艙外航天服在太空要面對交替出現的極熱極寒,但內部温差要嚴格控制在一定範圍內,保障航天員生命安全、體感舒適。

因此航天服重量,也從上一代的120公斤,增加到130公斤。

其實,兩代艙外航天服真正的差距在於利用率。

由於神舟飛船的返回艙體積有限,只能載人,不能攜回大件貨物。

最後,翟志剛、劉伯明的兩套艙外航天服只用了一次(20分鐘),就留在軌道艙,最終一起墜入大氣層燃燒消失。

“神舟七號”任務只能帶回手套部件,以作紀念。這就是航天平台規模不足時的一些無奈。

而這兩件帶上去的“飛天”艙外航天服,將得以在未來兩年的空間站建設組裝階段,多次重複使用。

為確保航天員絕對安全,艙外航天服的使用壽命定為3年、15次。未來將再通過貨運飛船運送新的艙外航天服,予以更換。

由於空間有限,退役的艙外航天服預計仍放置在貨運飛船內,墜入大氣層燃燒消失。

神奇多變的空間機械臂

機械臂是空間站的關鍵技術之一。天宮空間站的機械臂包括核心艙主機械臂、實驗艙機械臂。

主機械臂初始安裝在天和核心艙小柱段對地球一面,因此也得名“天和機械臂”。

主機械臂展開長達10.2米,全重738公斤、可在失重環境抓取移動25噸物體。負載自重比、操控精度等指標均達到世界領先水平,且全部核心部件實現國產化。

兩端都是腳(手)——末端執行器,更關鍵的是,它兩端能根據需求,在空間站外“爬行”移動定位,類似於機器人的作用。

“末端執行器”對接空間站的是艙體表面的“適配器”,“適配器”不僅可以實現物理對接,還包括了電力、控制連接。

而“適配器”在空間站三大艙段外表面都有廣泛分佈配置。

在機械臂兩端執行器與艙體表面適配器的一接一放的過程中,機械臂兩端互為手腳,機械臂因而具備了艙體表面爬行移動功能,進而實現空間站外表面的全觸達。

機械臂有7個自由度分別對應7個關節,因此也被稱為“七自由度空間機械臂”,操作精度達45毫米,可在手動/自動兩個工作模式中自由切換。

為了增強環境信息感知能力,主機械臂在肩部、肘部、腕部三處位置各配置一台視覺相機。

肩部與腕部視覺相機是雙目手眼相機,它可以在10米範圍內呈現出人眼立體成像效果,助力機械臂精準操控。

由於主機械臂要在空間站設計壽命週期(15年)服役,因此對部件可靠性要求更高,例如電機系統就進行了上億轉驗證測試。

即將發射的中國空間站第二個艙段——問天號實驗艙上也有一部展開長度5米的小機械臂。

實驗艙機械臂主要用於照料暴露平台的實驗載荷,例如載荷的安裝、回收、更換等操作,也可支持航天員艙外活動,以及艙外設備巡檢、大型載荷搬運等工作。

它還可以與主機械臂直接對接,形成長度達15米的超長機械臂。

在艙外,航天員處於失重狀態,再加上艙外航天服的加壓,活動起來不便—— 在太空軌道中 ,重力與離心力抵消,但是質量依然存在。 航天員套在130公斤的艙外航天服內,移動還是很吃力的。

在地面的水槽模擬失重訓練中,航天員訓練7個小時下來,手拿筷子都累的發抖。

機械臂可以移動運送航天員,免去攀爬環節,最大限度節省體力。

這時需要一個腳限制器,把它裝在機械臂上,人腳蹬在裏面,通過機械臂的移動送到指定位置。

除了幫助航天員移動外,空間機械臂還可以捕獲、移動靠近的航天器、搬運艙外貨物、組裝和維修艙外設備,監視艙表狀態等等。

耳聰目明:艙外活動實時可見

距地面400公里處,神舟十二號飛船、空間站天和核心艙和天舟二號貨運飛船在茫茫太空中飛行,攝像機成為地面工作人員唯一的“眼睛”。

300度左右的温差、真空失重、強輻射環境使太空生存充滿危機,24小時不間斷監視將在必要時刻為航天員贏得一線生機。

在航天員出艙活動中,除了艙外航天服自帶的攝像機之外,空間站天和核心艙也配備了多種相機,確保航天員無論何時、身處何處都能被“看”到。

特別值得一提的是擁有“四隻眼”的全景攝像機。它的水平方向有4個鏡頭,可以水平360度、垂直100度全景成像,並且能實時拼接輸出視頻畫面。

核心艙共配有4台全景攝像機。而此次出艙,航天員的一項重要工作內容就是將其中一個全景攝像機進行抬高,使其具備更佳的視角。

因為在發射時,受整流保護罩的空間限制,攝像機初始位置低,因此需要調整。

多部攝像頭拍攝的監控內容,需要下傳到地面。一座地面測控站僅能實現近地軌道3%的覆蓋率。

天基測控則不同,一顆運行於地球同步軌道的中繼衞星可以實現對近地軌道航天器測控超過50%的覆蓋率。

從飛控中心大屏幕上,可以看到天鏈一號03星、天鏈二號01星、天鏈一號04星總計三顆數據中繼衞星列陣太空,它們都運行於距離地球約3.6萬公里的地球同步軌道,分別定點於非洲中部、印度洋、中太平洋赤道上空。

迄今為止中國總共發射部署了5顆天鏈系列數據中繼衞星:

天鏈一號01星(中星) 發射時間:2008.04.25

天鏈一號02星(東星) 發射時間:2011.07.11

天鏈一號03星(西星) 發射時間:2012.07.25

天鏈一號04星(東星) 發射時間:2016.11.22

天鏈二號01星(中星) 發射時間:2019.03.31

神舟七號出艙期間沒有天鏈中繼衞星通信系統服務全程,依然存在很大測控盲區。

執行此次天地通話數據傳輸任務的是天鏈二號01星,這是新一代中繼通信衞星的首發星,基於東方紅四號衞星平台研製。

對比基於東方紅三號衞星平台研製的第一代產品,衞星規模更大,設計壽命由6年躍升至12年,傳輸速率足足提高了8倍,多目標測控能力也躍上了新台階,這才有了天宮空間站天地通話的全新體驗。

現在,天宮空間站中繼下行傳輸速率是1.2 Gbps,相當於5G通信技術,而建設於90年代末、21世紀初的國際空間站是50Mbps,最大也只有150Mbps,天宮是國際空間站的8至24倍。

當然,由於數據中繼衞星定點位置關係,在美洲上空還是有近10%盲區。在直播中,空間站進入天鏈中繼通信衞星測控盲區時,大部分屏幕畫面靜止。

這需要在美洲解決地面數據接收站或者實現衞星間數據互傳功能,進一步完善全球通信保障能力。

勇者無畏:中國人自己的技術和能力

7月4日上午到下午2點,天合核心艙每一圈軌道都會有一部分過境中國上空。同時是白天工作時間,是執行出艙行走的好時機。

但由於飛船軌道每90分鐘環繞地球一圈,因此在軌道上每45分鐘就要切換“白天”與“黑夜”,陽面和陰面温差巨大,除了艙外航天服,艙外照明設施也都經過了細心設計。

這次出艙,由01號航天員聶海勝在艙內操控機械臂,02號航天員劉伯明與03號航天員湯洪波完成出艙任務的具體操作,包括開展艙外工具箱的組裝、全景攝像機抬升和擴展泵組的安裝等工作。

出艙活動前兩天,三名航天員都接受了運動心肺功能檢查,確保航天員有體力穿着130公斤重的艙外航天服完成複雜的艙外工作。

4日早上吃過早飯後,劉伯明、湯洪波在直徑2.8米的空間站節點艙內,3分鐘內進入厚重的艙外航天服,然後關閉與天和核心艙相連的雙向承壓艙門。

(氣閘艙只能算是節點艙的兼職工作,待明年問天實驗艙對接之後,天宮空間站將再添置一個人員專用氣閘艙,屆時節點艙的氣閘艙功能將成為備份功能)

接下來,釋放節點艙大氣壓力,轉動手柄打開艙門,出艙!

劉伯明為機械臂安裝了腳限位器,將雙腳固定住,在機械臂的輔助下前往作業點。而留在艙內的聶海勝,工作任務是要操作控制移動載有劉伯明的機械臂。

年輕近10歲的湯洪波則要通過艙外自主爬行,前往作業點。空間站外安裝了多種艙外扶手,幫助航天員在艙外更順利地爬行。

兩人移動路徑是交錯開的,最終將匯合於核心艙下部,然後在12時09分,完成抬升核心艙全景相機A的工作。

這次任務中,劉伯明進行自己的第二次出艙作業。13年前,他處於輔助位置,保護協助翟志剛,不能完全出艙。

這一次他終於全部進入太空,看清楚了太空的全貌,以至於發出了“哇,這外面太漂亮了”的感慨。

其實,13年前,劉伯明還有一句更真情流露的豪邁語句。

2008年9月27日16時33分,翟志剛、劉伯明兩位航天員花了很大力氣,打開了通往浩瀚宇宙的艙門。

突然,艙內響起語音警告:“軌道艙火災!軌道艙火災!”

瞬間,所有人心頭一緊。火災?這是所有航天器最不能承受的災害。

地面指揮大廳聽到了這樣的對話:

劉伯明:堅持,反正任務我們繼續。

翟志剛:明白。

劉伯明:着火我們也來不及了,不管了。

翟志剛:成。

原來,那是因為太陽直射導致傳感器温度升高,誤報“軌道艙火災”的假警報。

但翟志剛、劉伯明以即便犧牲也要讓五星紅旗在太空中飄揚的無畏信念,出色地完成了任務。

尤其是劉伯明的那句“着火我們也來不及了,不管了”的生死決絕,無愧於“英雄航天員”的鎮定自若。

他們後來回憶,“如果真回不來了,就把這舞動國旗的畫面,當作我們的永別吧。”

相隔13年,在航天員背後,已經是成熟的天宮空間站、新一代艙外服、天鏈中繼衞星通信系統、機械臂等一系列頂級技術的支持,航天員也就更加不慌了。

至下午16點,經過7小時的出艙活動,神舟十二號航天員乘組密切協同,圓滿完成出艙活動期間全部既定任務,航天員劉伯明湯洪波安全返回天和核心艙,標誌着中國空間站階段航天員首次出艙活動取得圓滿成功。

從“我已出艙,感覺良好”到“哇,這外面太漂亮了”,見證的是中國航天的巨大發展。

天宮空間站工程分為“關鍵技術驗證”、“在軌建造”、“常態運營”三大階段。

今年是關鍵技術驗證階段任務,而明年則是在軌建造階段的決勝年,屆時問天實驗艙、夢天實驗艙將與天和核心艙組成T字構型空間組合體,進而完成空間站一期建造任務。

在推進90噸級、三艙天宮空間站工程的同時,中國航天還在同步實施嫦娥探月四期工程、天問一號火星探測、載人月球工程、火星採樣返回工程、小行星採樣返回工程。

在極為有限的航天投入中,中國儘可能地為人類照亮空間探索盲區,實踐性價比更高的空間探索方式,創造更優的外空生活條件。

航天發展的背後,是綜合國力日益增強的發展紅利。而努力為人類做出較大貢獻,也是中國發展的主題之一。

“因為中國是一個有960萬平方公里的土地和6萬萬人口的國家,中國應當對於人類有較大的貢獻。而這種貢獻在過去一個長時期內,則是太少了。這使我們感到慚愧。”

“只有改變落後狀況,才能對人類做出比較多的貢獻,那時候大家才會真正相信中國是可以的。”

從“中國應當對於人類有較大的貢獻”到“共同構建人類命運共同體”,中國航天65年來志存高遠,步穩蹄疾。