7月4日14时57分 ， 经过约7小时的出舱活动 ， 神舟十二号航天员乘组密切协同 ， 圆满完成出舱活动期间全部既定任务 ， 航天员刘伯明、汤洪波安全返回天和核心舱 ， 标志着我国空间站阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功 。 这是继2008年神舟七号载人飞行任务后 ， 中国航天员再次实施的空间出舱活动 ， 也是空间站阶段中国航天员的首次空间出舱活动 。
“走出”航天器 ， 到茫茫太空进行活动 ， 具有高风险、高难度的特点 。 协助“神十二”航天员成功完成出舱任务 ， 这些“利器”不可或缺 。
◎舱外航天服保障安全出舱
据中国航天员中心航天服工程研究室主任、载人航天工程航天员系统副总设计师张万欣介绍 ， 舱外服是指航天员离开母船 ， 走入外太空或其它星球时所穿着使用的个体防护装备 ， 根据使用环境又分为轨道出舱舱外服和星际舱外服 。 舱外服为航天员提供安全有效的环境防护、密闭空间的环境控制和生命保障 ， 相当于一个小的飞行器 。 但与一般飞行器相比 ， 舱外服还需要保证航天员在穿着舱外服的条件下能够完成舱外活动任务 ， 这是舱外服最具特色的重要功能 。
空间站航天员出舱活动属于轨道的出舱活动 ， 所面临的是300—450公里轨道高度的空间环境 ， 真空、失重 ， 以90分钟为周期的±120摄氏度左右的冷热交变 ， 还有微流尘/碎片和空间辐射 。 为了保证航天员在这样一个环境下能够维持正常生命活动和舱外作业 ， 舱外服需具备环境防护、生命保障、工效保障、通信保障和安全保障五大基本功能 。
张万欣说 ， 目前我国在研的空间站舱外服属于轨道基舱外服 ， 也就是舱外服运送入轨后不再返回地面 ， 寿命周期内通过在轨维护与维修 ， 保证状态良好 ， 完成出舱活动任务 。 适体性采用一对多的方式 ， 也就是一套舱外服通过尺寸调节后能够满足所有航天员穿着适体 ， 大大减少了上行载荷的重量和空间站空间的占用 。
针对空间站任务出舱活动需求 ， “神十二”任务航天员穿着的舱外服在“神七”任务研制的基础上 ， 进行了三个方面的重要改进：一是改变了结构布局设计 ， 二是提高了服装的寿命 ， 三是提高了人服能力 。 较第一代相比 ， 具有使用时间更长、安全可靠性更高、机动灵活性更好、测试维修性更强的特点 。
◎核心舱机械臂助力航天员舱外大范围转移
在“神十二”航天员出舱过程中 ， 空间站核心舱机械臂首次托举航天员到指定位置完成出舱操作 ， 抬升天和核心舱舱外全景相机的位置 ， 并验证了机械臂的大范围转移能力 ， 完成了我国空间站工程建造任务的又一重要任务 。
空间站核心舱机械臂由中国航天科技集团五院抓总研制 ， 是目前同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统 ， 主要承担舱段转位、航天员出舱活动、舱外货物搬运、舱外状态检查、舱外大型设备维护等八大类在轨任务 。 核心舱机械臂展开长度为10.2米 ， 最多能承载25吨的重量 ， 堪称空间站任务中的“大力士” 。
据介绍 ， 空间站核心舱机械臂是我国首个可长期在太空轨道运行的机械臂 ， 其肩部设置了三个关节、肘部设置了一个关节、腕部设置了三个关节 ， 一共七个关节 ， 每个关节对应一个自由度 ， 就如同人的手臂一般 ， 具有七自由度的活动能力 。 通过各个关节的旋转 ， 能够实现自身前后左右任意角度与位置的抓取和操作 ， 为航天员顺利开展出舱任务提供强有力的保证 。
为扩大任务触及范围 ， 空间站核心舱机械臂还具备“爬行”功能 。 由于核心舱机械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的关节配置方案 ， 肩部和腕部关节配置相同 ， 意味着机械臂两端活动功能是一样的 。 同时肩部与腕部各安装了一个末端执行器 。 作为机器臂的触手 ， 末端执行器可以对接舱体表面安装的目标适配器 ， 机械臂通过末端执行器与目标适配器对接与分离 ， 同时配合各关节的联合运动 ， 从而实现在舱体上的爬行转移 。
空间站机械臂是我国航天事业发展的新领域之一 ， 中国航天科技集团五院在抓总研制过程中在关键技术、原材料选用、制造工艺、适应空间站环境的长寿命设计等方面均作出了巨大的突破和创新 。 在研制团队的努力下 ， 我国成为世界上第三个掌握大型空间机械臂核心技术并应用的国家 ， 全部核心部件实现国产化 ， 并形成了多项国家空间机器人行业标准 。
◎空间站舱外维修与辅助工具必不可少
我国空间站首次舱外活动中 ， 作为航天员执行出舱任务的“机械伙伴”——舱外维修与辅助工具 ， 也首次成功亮相 。
舱外维修与辅助工具由中国航天科技集团五院研制 ， 可协助航天员有效克服在轨着航天服状态下 ， 手套充压后操作不便、航天员需单手操作难度大、在轨防飘要求高等难题 ， 具备辅助航天员在轨着航天服状态下开展舱外行走、位姿转换、设备更换、产品安全防护等多项功能 ， 是航天员执行舱外活动必不可少的工具 。
为了确保舱外维修与辅助工具的健康状态良好 ， 满足首次出舱任务需求 ， 在首次出舱之前 ， 航天员已在舱内进行了维修工具的健康状态检查、使用状态设置等各项工作 ， 确保满足出舱应用需求 。
舱外电动工具作为空间站维修工具产品的“一号选手” ， 是此次维修任务用到的唯一一个机电类工具 ， 可以适应舱外复杂的真空和高低温环境 。 舱外通用把手可以安装到维修设备上用于航天员在轨维修时进行待维修设备的转移及防漂 ， 通过与设备端的通用把手底座配合 ， 实现航天员单手完成对设备的快速锁定、解锁 。
舱外维修与辅助工具不仅有用于舱外设备维修的舱外电动工具、舱外扳手、通用把手等工具 ， 也有各种配合航天员舱外姿态稳定、转换的便携式脚限位器、舱外操作台等辅助工具 。 便携式安全带协助航天员实现舱外作业位置设备及维修工具的防漂；与航天服直接相连的微型工作台 ， 则像一根多功能腰带一样环绕在航天服腰部 ， 将航天员出舱使用的舱外电动工具、舱外通用把手和舱外扳手随身携带 ， 确保航天员随用随取 。
此次航天员出舱任务的成功实施 ， 充分验证了舱外维修与辅助工具在轨应用的可靠性 。
◎太空通信“天路”护航出舱活动
出舱活动是航天员身着舱外航天服在航天器外进行太空行走和作业的统称 。 在空间站任务中 ， 航天员将进行多次出舱活动 ， 完成空间站的维修、维护及建造等任务 。 进行出舱活动时与地面建立高速及时的通信联系尤为重要 ， 出舱活动不仅是对航天员的全方位考验 ， 也是对空间站天和核心舱与地面测控站间通信能力的一大考验 。
据介绍 ， 中国航天科技集团五院研制的第三代中继终端产品 ， 通过与中继卫星天链一号和天链二号建立中继链路 ， 实现中继通信 ， 确保航天员与地面通信的实时畅通 。 这就好比在太空中搭建了地面与中继卫星、中继卫星与航天员之间的“天路” 。
此外 ， 空间站中继终端与其他型号在设计上最大的区别在于 ， 为了保证在轨使用的长寿命 ， 需要具备在轨可维修性 。 空间站中继终端采用了集成化、模块化的设计思路 ， 在保证传输信号质量的同时 ， 方便航天员维修更换 。
此外 ， 中国航天科技集团五院研制的出舱通信子系统实现了舱内外航天员之间、舱内外航天员与地面人员之间以及舱外航天员之间的全双工语音通信 ， 在航天员舱外活动范围内实现无线通信全覆盖 ， 支持多名航天员同时出舱活动时的通话功能 。
舱外图像传输子系统则为舱外提供无线网络覆盖 ， 通过出舱无线收发设备提供的网络“热点”进行图像传输 ， 实现了航天员出舱活动进行实时显示 。
【空间站|“神十二”航天员太空出舱，有哪些看点？】作者：余建斌 占康
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