太空行走100问(十五)

太空行走风险(下)

84.在太空行走中最容易发生故障和问题的是航天员的什么装备?有何经验教训?

对国外航天员在太空行走中发生的故障和问题进行统计和分类，得出太空行走中的故障分类表(见表1)，因为在太空行走中发生故障和问题最多的是舱外航天服，再对舱外航天服的故障进行统计和分类，又得出舱外航天服故障分类表(见表2)。

从这两张表中可以看出，国外航天员在太空行走中经常发生故障和问题的是舱外航天服。俄罗斯和美国的舱外航天服都经过几十年的发展，先后研制出多种型号，毫无疑问在安全、可靠性、舒适性和灵活性等方面部取得很大进步，但至今仍然是太空行走装备中的一个“薄弱环节”，是太空行走系统中的最不安全的一个因素。舱外航天服的故障和问题虽然没有造成严重事故、危及航天员的生命安全，但或多或少影响了太空行走任务的顺利完成。苏联和俄罗斯舱外航天服发生的几次故障，幸好航天员是在气闸舱的舱门附近，否则后果非常严重。因此，要减少航天员太空行走中的故障和问题，还要在舱外航天服的安全、可靠性和灵活性方面狠下工夫。目前国外正在研究和发展新一代舱外航天服，准备登月和飞往火星，新服装的关键技术仍然是安全、可靠性和灵活性问题。

在舱外航天服的故障和问题中，又以生保系统的故障和问题居多，特别是冷却系统问题、热交换器问题和供氧系统问题。在美国航天员的太空行走经验中，很多人感到服装的冷却系统功能“过强”，航天员冷得受不了，甚至有“冻伤”的危险。无论是美国的或是俄罗斯的舱外航天服，其生保系统中冷却系统总是经常出现故障和问题。这说明冷却系统的质量和可靠性还不过关。检查舱外航天服的发展历史，发现工程技术人员比较重视服装灵活性的研究和改进，而对生保系统的质量和可靠性问题，似乎有些重视不够，否则不会出现这种情况。

航天头盔的面窗因服装内湿度太大而发生雾汽，严重影响航天员的视力，这个情况虽不属于严重故障，但是一个不容忽视的问题。因为航天员在舱外工作期间，如果头盔面窗起雾，不能看清周围环境和事物，不仅不能完成太空行走任务，而且不能安全返回气闸舱，后果不堪设想。因此头盔面窗起雾问题，应引起高度重视。

在国外航天员的太空行走中，容易发生故障和问题的，除了舱外航天服就是气闸舱。无论是俄罗斯的或是美国的气闸舱，不仅质量和可靠性存在问题，而且缺乏人性化的设计。1978年12月20日，航天员在礼炮号空间站上进行太空行走时所遭遇到气闸舱问题，以及1990年7月17日，航天员在和平号空间站上出舱遭遇的问题，就是很典型的两个例子。气闸舱的减压阀控制系统和舱门设计，不仅存在安全隐患，而且没有考虑到航天员太空行走的特殊情况，因而几乎造成严重事故。当然气闸舱的设计近几年来已有很大改进，与服装相比故障和问题越来越少。这说明气闸舱的故障问题，只要重视，就不难解决。

航天员的误操作属于航天工效学研究范畴。如果将航天员的误操作和工效学两项加起来，在航天员太空行走故障中所占比例就与气闸舱相当。航天员误操作是指航天员未能按规定的精度、时间和顺序完成规定的操作，从而导致航天器、设备和系统损坏或运行过程中断。也可以说是由于航天员的错误决策和行为，导致系统出现故障、效率降低或性能受损。在载人航天中，由于航天员的误操作造成的事故屡见不鲜。1966年美国双子星座8号飞船由于航天员误操作。再加上姿控发动机输出系统故障，导致飞船姿态失控；1978年在阿波罗号-联盟号飞船联合飞行中，由于航天员手控失误，使有毒气体进入阿波罗号飞船座舱，造成航天员中毒；1985年联盟T-14飞船的指令长由于精神紧张导致胃口和睡眠不好，未能按要求完成操作任务，不得不提前返回地面。其实，1986年美国挑战者号航天飞机的爆炸事故也是由于人的误操作所致。只不过该事故不是由于航天员的误操作，而是由于固体火箭发动机设计人员的失误和发射管理人员的失误造成的。因此，为了确保航天员太空行走的安全，必须研究航天员的误操作，必须重视航天工效学的研究。

85.太空行走安全带有哪些种类?设计上还存在什么问题?美国航宇局对安全带的设计有何要求?在太空行走中如何使用安全带?

航天飞机航天员的腰部有两根长60厘米的安全带，手腕部有一根长36厘米的安全带。安全带能承受的最大拉力是395千克。此外还有一根长10.7米的可自动收缩的安全带，其挂钩可挂在航天飞机货舱侧边的金属滑杆上，供航天员在货舱内来回移动时使用。除航天员使用的安全带外，还有一种供舱外设备用的安全带。使用这种安全带的目的是不让这些舱外设备在太空失重状态下飘走。

根据国外航天员太空行走的经验，安全带在设计上还存在一些问题：在太空行走中，服装腰关节轴承上的防热材料覆盖住腰安全带的挂钩环，使得挂钩合不拢。因此曾经出现挂钩松脱的严重情况。腰部安全带不太结实。一名航天员在进入气闸舱时，曾将腰部安全带上的缝线撕裂。如果太空行走几个小时，再用手去操作手腕安全带的挂钩则非常困难。手腕安全带挂钩需要重新进行设计，以便减轻手的疲劳，保证单手就能操作，不需要太多的小肌肉参与控制。有时候手腕安全带挂钩需要另一只手的帮助才能闭合。在将挂钩闭合上以后，还要用手拽一拽，看看是否真的闭合上。航天手套的腕关节环会干扰安全带挂钩的操作。设备安全带过长会使设备容易撞上周围的结构。

美国航宇局对航天员安全带的设计要求是：安全带的挂钩上应该有一个手柄，以便戴着航天手套的手也能操作使用，手柄的长度应在9.5厘米以上；安全带的挂钩是否闭合上应该有一个明显的标记；安全带的挂钩应该单手就能将其钩上或取下，挂钩上还应该有一个一推就打开的按钮，可方便地将安全带松开；应该提供一种快速松开挂钩的方法，以便在应急情况下迅速将安全带松开；腰部安全带应该用轻质高溶点的芳香族聚酰胺材料制成。要同时打开两个挂钩需要将两端一压就开的按钮同时按下；安全带的两头分别有一个挂钩，挂在载人航天器上的挂钩应比较大，而挂在航天员腰部的挂钩应比较小；在舱外航天服腰部一般应有两条安全带；安全带挂钩是铝合金制的，设计的负荷极限为585磅。

舱外设备安全带的设计标准是：用一只戴航天手套的手即可将安全带钩上或松开；所有舱外设备部应安装标准的挂钩孔座；安全带挂钩上应有开关锁的指示器，以便航天员无论是白天或是黑夜都能识别挂钩锁是开或是关：安全带挂钩应有连环锁结构，以防挂钩被无意打开脱钩；安全带挂钩必须是用金属制成。

美国航宇局对太空行走中安全带的使用有严格规定：无论何时何地都应该用安全带将自己和所用物品拴好；使

用安全带时一定要先将下一个安全带的挂钩挂好，然后再卸下前一个安全带的挂钩，换句话说在你没有将安全带系好之前，不要做任何事情；在太空行走中还应经常检查一下，你的安全带是否系好，是否牢靠。

86.航天员在太空行走前为什么要进行预吸氧?如何进行预吸氧?美国航宇局有几种航天员预吸氧的方案?

航天员在出舱前要预先在气闸舱内呼吸纯氧，用纯氧取代体内血液中的氮气，以预防减压病，这个过程称为预吸氧或吸氧排氮。

目前美国航宇局为航天员制定了三种预吸氧方案：传统的航天飞机座舱内的预吸氧、与体育运动相结合的预吸氧和在联合气闸舱内过夜的预吸氧。

执行传统的航天飞机座舱内的预吸氧，航天员太空行走前的24小时，航天飞机座舱内的压力要从101.35千帕下降到86.18千帕。同时要适当增加氧气的浓度。在太空行走当天，航天员进入气闸舱，气闸舱内的压力还要从86.18千帕下降到70.33千帕。气闸舱内的压力将一直维持在70.33千帕，直到航天员太空行走结束。座舱减压的时间长短主要与航天员预吸氧的时间长短有关。如果不进行座舱减压，航天员至少要进行4小时以上的预吸氧；如果在航天员出舱前24小日寸开始座舱减压，则预吸氧的时间就可减少到35分钟。

与体育运动相结合的预吸氧是美国航宇局制定的一种新型预吸氧方案。按照这种预吸氧方案，航天员进入气闸舱在穿航天服之前，先要在功率自行车上进行10分钟高强度的体育锻炼，同时呼吸纯氧50分钟。50分钟以后，气闸舱内的压力开始下降，一直下降到70 33千帕，在气闸舱内压力下降过程中，航天员要再次呼吸纯氧30分钟。呼吸30分钟的纯氧后，航天员开始穿航天服。当航天员穿上航天服后，他们就呼吸航天服内的纯氧。穿着航天服呼吸60分钟的纯氧后，航天员就完成了预吸氧的全过程，可以出舱进行太空行走了。按照这种预吸氧方案，航天员前后总共要预吸氧2小时20分钟。

联合气闸舱内过夜的预吸氧也是美国航宇局制定的一种新型预吸氧方案。它要求航天员在太空行走的前一天晚上，进人联合气闸舱内过夜。在航天员进入气闸舱以后，要关上舱门，将气闸舱内的压力从101.35千帕下降到70.33千帕。第二天早上醒来以后，航天员首先要戴上氧化面罩进行预吸氧，然后将气闸舱内压力上升到101.35千帕，这样航天员即可打开气闸舱舱门，到国际空间站的站舱内进行洗漱和进早餐。回到气闸舱以后，航天员要在20分钟之内将舱内压力重新下降到70.33千帕。然后穿上航天服准备出舱进行太空行走。

航天生理学的研究表明，预吸氧时间的长短取决于人体组织内氮分压与服装内压力之比，这个比值称为R-因子，美国航宇局采用的R-因子是R=1.4，而俄罗斯航天局采用R=1.7。值得注意的是，R-因子的值越低，预吸氧的时间就越短。如果R=1.22，预吸氧的时间就可能等于零。

87.什么是减压病?航天员得了减压病怎么办?

减压病，又称为潜水员病或屈肢症，是从高压或正常大气压环境转变成低压环境时所引发的一种疾病。人们生活在地球表面时，身体是处于正常大气压力的作用之下。如果大气压下降，特别是下降过大，人体组织内的气体(氮气和氧气)会因外界压力降低而往外逸出。氧气是人体需要的，逸到哪里都可以。但氮气往人体组织外逸出就会使人体产生皮肤发痒、关节与肌肉疼痛、咳嗽和胸闷等症状，这就是减压病的表现。这种病症并不是载人航天所独有，在潜水和航空中更为常见。为了防止减压病，航天员出舱进行太空行走之前必须进行预吸氧，用纯氧取代体内的氮气，这个过程称为预吸氧。

如果航天员在太空行走中不小心得了减压病，首先要赶紧中断太空行走并马上返回气闸舱，然后要将气闸舱内的脐带式软管与服装相接，将气闸舱重新加压到70.38千帕，将航天飞机座舱重新加压到101.43千帕，脱下头盔饮900克饮料。这时要穿好航天服，在航天服的背包上安装“减压病治疗接头”，将服装内的压力增加到58.31千帕，这样就可以让减压病人慢慢得到恢复。不过美国航宇局最近对减压病的治疗方案又作了重新改进，即航天员得了减压病后，直接在服装背包上安装“减压病治疗接头”，将服装内的压力提高。据说这种方法比原来的方法更加省事和有效。

最后还要强调一点，虽然到目前为止航天员在太空行走中患减压病的概率不是很高，但航天员在太空行走前，必须按照美国航宇局的规定认真进行预吸氧，以防减压病的发生。有研究人员估计，在国际空间站的整个运行过程中，航天员可能要进行484次太空行走，尽管航天员严格按照航宇局的规定进行了预吸氧，但是还是有可能发生一例严重的减压病。因此在太空行走中，对预防减压病的问题绝不能掉以轻心。