圖①：新一代艙外航天服。 中國航天員中心供圖 圖②：核心艙機(jī)械臂工作過程演示?！ ≈袊教炜萍技瘓F(tuán)五院供圖 圖③：微型工作臺示意圖。 中國航天科技集團(tuán)五院供圖
7月4日14時(shí)57分，經(jīng)過約7小時(shí)的出艙活動，神舟十二號航天員乘組密切協(xié)同，圓滿完成出艙活動期間全部既定任務(wù)，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，標(biāo)志著我國空間站階段航天員首次出艙活動取得圓滿成功。這是繼2008年神舟七號載人飛行任務(wù)后，中國航天員再次實(shí)施的空間出艙活動，也是空間站階段中國航天員的首次空間出艙活動。
“走出”航天器，到茫茫太空進(jìn)行活動，具有高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的特點(diǎn)。協(xié)助“神十二”航天員成功完成出艙任務(wù)，這些“利器”不可或缺。
新一代艙外航天服——
使用時(shí)間更長、安全可靠性更高、機(jī)動靈活性更好
據(jù)中國航天員中心航天服工程研究室主任、載人航天工程航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張萬欣介紹，艙外服是指航天員離開母船，走入外太空或其他星球時(shí)所穿著使用的個(gè)體防護(hù)裝備，根據(jù)使用環(huán)境又分為軌道出艙艙外服和星際艙外服。艙外服為航天員提供安全有效的環(huán)境防護(hù)、密閉空間的環(huán)境控制和生命保障，相當(dāng)于一個(gè)小的飛行器。但與一般飛行器相比，艙外服還需要保證航天員在穿著艙外服的條件下能夠完成艙外活動任務(wù)，這是其最具特色的重要功能。
空間站航天員出艙活動屬于軌道的出艙活動，所面臨的是300—450公里軌道高度的空間環(huán)境，真空、失重，以90分鐘為周期的±120攝氏度左右的冷熱交變，還有微流塵/碎片和空間輻射。為了保證航天員在這樣一個(gè)環(huán)境下能夠維持正常生命活動和艙外作業(yè)，艙外服需具備環(huán)境防護(hù)、生命保障、工效保障、通信保障和安全保障五大基本功能。
張萬欣說，目前我國在研的空間站艙外服屬于軌道基艙外服，也就是艙外服運(yùn)送入軌后不再返回地面，壽命周期內(nèi)通過在軌維護(hù)與維修，保證狀態(tài)良好，完成出艙活動任務(wù)。適體性采用一對多的方式，也就是一套艙外服通過尺寸調(diào)節(jié)后能夠滿足所有航天員穿著適體，大大減少了上行載荷的重量和空間站空間的占用。
針對空間站任務(wù)出艙活動需求，“神十二”任務(wù)航天員穿著的艙外服在“神七”任務(wù)研制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了三個(gè)方面的重要改進(jìn)：一是改變了結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，二是提高了服裝的壽命，三是提高了人服能力。與第一代相比，具有使用時(shí)間更長、安全可靠性更高、機(jī)動靈活性更好、測試維修性更強(qiáng)的特點(diǎn)。
核心艙機(jī)械臂——
空間站任務(wù)中的“大力士”
在“神十二”航天員出艙過程中，驗(yàn)證了空間站機(jī)械臂的大范圍轉(zhuǎn)移能力，完成了我國空間站工程建造任務(wù)的又一重要任務(wù)。
空間站核心艙機(jī)械臂由中國航天科技集團(tuán)五院抓總研制，是目前同類航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)，主要承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護(hù)等八大類在軌任務(wù)。核心艙機(jī)械臂展開長度為10.2米，最多能承載25噸的重量，堪稱空間站任務(wù)中的“大力士”。
據(jù)介紹，空間站核心艙機(jī)械臂是我國首個(gè)可長期在太空軌道運(yùn)行的機(jī)械臂，其肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，一共7個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)對應(yīng)一個(gè)自由度，就如同人的手臂一般，具有七自由度的活動能力。通過各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自身前后左右任意角度與位置的抓取和操作，為航天員順利開展出艙任務(wù)提供強(qiáng)有力的保證。
為擴(kuò)大任務(wù)觸及范圍，空間站核心艙機(jī)械臂還具備“爬行”功能。由于核心艙機(jī)械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動功能是一樣的。同時(shí)肩部與腕部各安裝了一個(gè)末端執(zhí)行器。作為機(jī)器臂的觸手，末端執(zhí)行器可以對接艙體表面安裝的目標(biāo)適配器，機(jī)械臂通過末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對接與分離，同時(shí)配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。
空間站機(jī)械臂是我國航天事業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域之一，中國航天科技集團(tuán)五院在關(guān)鍵技術(shù)、原材料選用、制造工藝、適應(yīng)空間站環(huán)境的長壽命設(shè)計(jì)等方面均作出了巨大的突破和創(chuàng)新。在研制團(tuán)隊(duì)的努力下，我國成功掌握大型空間機(jī)械臂核心技術(shù)并成功應(yīng)用，全部核心部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并形成了多項(xiàng)國家空間機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
艙外維修與輔助工具——
航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的“機(jī)械伙伴”
我國空間站首次艙外活動中，作為航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的“機(jī)械伙伴”——艙外維修與輔助工具，也首次成功亮相。
艙外維修與輔助工具由中國航天科技集團(tuán)五院研制，可協(xié)助航天員有效克服在軌著航天服狀態(tài)下，手套充壓后操作不便、航天員需單手操作難度大、在軌防漂要求高等難題，具備輔助航天員在軌著航天服狀態(tài)下開展艙外行走、位姿轉(zhuǎn)換、設(shè)備更換、產(chǎn)品安全防護(hù)等多項(xiàng)功能，是航天員執(zhí)行艙外活動必不可少的工具。
為了確保艙外維修與輔助工具的健康狀態(tài)良好，滿足首次出艙任務(wù)需求，在首次出艙之前，航天員已在艙內(nèi)進(jìn)行了維修工具的健康狀態(tài)檢查、使用狀態(tài)設(shè)置等各項(xiàng)工作，確保滿足出艙應(yīng)用需求。
艙外電動工具作為空間站維修工具產(chǎn)品的“一號選手”，是此次維修任務(wù)用到的唯一一個(gè)機(jī)電類工具，可以適應(yīng)艙外復(fù)雜的真空和高低溫環(huán)境。艙外通用把手可以安裝到維修設(shè)備上用于航天員在軌維修時(shí)進(jìn)行待維修設(shè)備的轉(zhuǎn)移及防漂，通過與設(shè)備端的通用把手底座配合，實(shí)現(xiàn)航天員單手完成對設(shè)備的快速鎖定、解鎖。
艙外維修與輔助工具不僅有用于艙外設(shè)備維修的艙外電動工具、艙外扳手、通用把手等工具，也有各種配合航天員艙外姿態(tài)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換的便攜式腳限位器、艙外操作臺等輔助工具。便攜式安全帶協(xié)助航天員實(shí)現(xiàn)艙外作業(yè)位置設(shè)備及維修工具的防漂；與航天服直接相連的微型工作臺，則像一根多功能腰帶一樣環(huán)繞在航天服腰部，將航天員出艙使用的艙外電動工具、艙外通用把手和艙外扳手隨身攜帶，確保航天員隨用隨取。
此次航天員出艙任務(wù)的成功實(shí)施，充分驗(yàn)證了艙外維修與輔助工具在軌應(yīng)用的可靠性。
太空通信“天路”、網(wǎng)絡(luò)“熱點(diǎn)”——
護(hù)航出艙活動
出艙活動是航天員身著艙外航天服在航天器外進(jìn)行太空行走和作業(yè)的統(tǒng)稱。在空間站任務(wù)中，航天員將進(jìn)行多次出艙活動，完成空間站的維修、維護(hù)及建造等任務(wù)。進(jìn)行出艙活動時(shí)與地面建立高速及時(shí)的通信聯(lián)系尤為重要，出艙活動不僅是對航天員的全方位考驗(yàn)，也是對空間站天和核心艙與地面測控站間通信能力的一大考驗(yàn)。
據(jù)介紹，中國航天科技集團(tuán)五院研制的第三代中繼終端產(chǎn)品，通過與中繼衛(wèi)星天鏈一號和天鏈二號建立中繼鏈路，實(shí)現(xiàn)中繼通信，確保航天員與地面通信的實(shí)時(shí)暢通。這就好比在太空中搭建了地面與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與航天員之間的“天路”。
空間站中繼終端與其他型號在設(shè)計(jì)上最大的區(qū)別在于，為了保證在軌使用的長壽命，需要具備在軌可維修性。空間站中繼終端采用了集成化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，在保證傳輸信號質(zhì)量的同時(shí)，方便航天員維修更換。
此外，中國航天科技集團(tuán)五院研制的出艙通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)外航天員之間、艙內(nèi)外航天員與地面人員之間以及艙外航天員之間的全雙工語音通信，在航天員艙外活動范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通信全覆蓋，支持多名航天員同時(shí)出艙活動時(shí)的通話功能。
艙外圖像傳輸子系統(tǒng)則為艙外提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過出艙無線收發(fā)設(shè)備提供的網(wǎng)絡(luò)“熱點(diǎn)”進(jìn)行圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)了航天員出艙活動的實(shí)時(shí)顯示。
制圖：蔡華偉
《 人民日報(bào) 》（ 2021年07月06日 07 版）
