[科普中國(guó)]-看人類首次太空行走如何絕地求生

10月11日，蘇聯(lián)宇航員阿列克謝·列昂諾夫于莫斯科病逝，享年85歲。俄羅斯總統(tǒng)普京第一時(shí)間對(duì)他的逝世表示哀悼，稱贊列昂諾夫?yàn)椤罢嬲南闰?qū)，一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)而英勇的人。

1965年的3月18日，在12分鐘的時(shí)間里，列昂諾夫和人類一直仰望、幻想與憧憬的那片太空，只隔著一層玻璃面罩。在那12分鐘里，他看到了前所未見的壯美，其后也經(jīng)歷了九死一生的波折，成為了人類歷史上第一個(gè)與太空親密接觸的人。

蘇聯(lián)初代宇航員合影，后排左一為列昂諾夫，前排左二為加加林。

（圖片來源： Wikipedia）

因比賽而產(chǎn)生，EVA成為宇宙探索的重要技術(shù)

列昂諾夫所完成的，是人類歷史上第一次艙外活動(dòng)（Extra Vehicular Activity，簡(jiǎn)稱EVA），也就是更為人熟知的**“太空行走”**。這種脫離航天器的保護(hù)，依靠宇航員自身攜帶的生命保障系統(tǒng)在太空中所進(jìn)行的活動(dòng)，對(duì)于提升航天活動(dòng)的效能有著至關(guān)重要的意義。目前，EVA主要有五大用途：

一是在太空中組裝并擴(kuò)建大型的空間站。例如目前人類運(yùn)行的最大的航天器“國(guó)際空間站”，不同艙段和桁架結(jié)構(gòu)的組裝，都借助了不少航天員的EVA活動(dòng)。

第二個(gè)用途是在太空維修和維護(hù)航天器。前不久，國(guó)際空間站上第一次實(shí)現(xiàn)了全部由女性航天員完成的EVA，進(jìn)行這次EVA的目的就是更換國(guó)際空間站上的電池組件。

正在艙外更換國(guó)際空間站組件的宇航員Sunita Williams。（圖片來源 NASA）

第三個(gè)用途是可以抓取衛(wèi)星進(jìn)行維護(hù)，或通過宇航員釋放衛(wèi)星。2017年8月17日，國(guó)際空間站上發(fā)射了若干顆微小衛(wèi)星，而它們?nèi)胲壍姆绞绞痔貏e：這些衛(wèi)星由執(zhí)行EVA的俄羅斯宇航員像丟皮球那樣丟到了太空之中。當(dāng)然，宇航員并非盲目蠻干，衛(wèi)星的功能和設(shè)計(jì)使得這種“發(fā)射”方法既方便又實(shí)用。

第四個(gè)用途是在太空中遭遇險(xiǎn)情發(fā)射時(shí)，執(zhí)行緊急太空救援。電影《地心引力》中宇航員們通過EVA逃命的橋段就是這個(gè)功能的幻想體現(xiàn)。

最后，當(dāng)航天員在月球、火星乃至更遙遠(yuǎn)的天體上登陸時(shí)，他們需要通過EVA來完成登陸活動(dòng)的過程。由于EVA如此廣泛的功能和重要的意義，艙外活動(dòng)技術(shù)與載人發(fā)射返回技術(shù)、空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)并稱為載人航天的三大基本技術(shù)，目前全世界只有俄美中三國(guó)全面掌握了這三項(xiàng)技術(shù)。

（插入一個(gè)GIF圖）

在國(guó)際空間站上拋衛(wèi)星的俄羅斯宇航員（圖片來源 http://www.ifanjian.net/post/152348）

在EVA技術(shù)產(chǎn)生時(shí)，決策者和技術(shù)人員并沒有意識(shí)到這種技術(shù)的廣闊未來。他們想做的，不過是贏下一場(chǎng)比賽。上世紀(jì)六十年代，正值蘇美兩國(guó)的太空競(jìng)賽如火如荼的進(jìn)行之中。在率先發(fā)射衛(wèi)星、率先將宇航員送入太空兩個(gè)回合以蘇聯(lián)取勝告終后，兩國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的大目標(biāo)是率先載人登月。而率先實(shí)現(xiàn)EVA，則是這個(gè)大目標(biāo)中的一個(gè)小目標(biāo)。因?yàn)橛詈絾T要到月球表面活動(dòng)，就必須要從登月飛船中離開。在近地軌道的飛行中對(duì)EVA技術(shù)進(jìn)行先期驗(yàn)證，是能夠在月球表面安全進(jìn)行EVA的基礎(chǔ)。

1964年，蘇聯(lián)EVA設(shè)備的總設(shè)計(jì)師塞弗林得到消息，美國(guó)人已經(jīng)在研發(fā)與雙子座載人飛船相配合的EVA設(shè)備。于是他趕緊向決策者大聲疾呼，必須加快蘇聯(lián)的EVA實(shí)現(xiàn)進(jìn)程，好在美國(guó)人之前搞定這件事情，再讓洋基佬們難受一次。

阿波羅11號(hào)的宇航員奧爾德林，在月球進(jìn)行EVA。（圖片來源 NASA）

值得銘記的榮光時(shí)刻：EVA技術(shù)的首次應(yīng)用

進(jìn)行EVA的飛船一般要設(shè)置氣閘艙。氣閘艙在加壓的飛船內(nèi)部環(huán)境和近似真空的太空環(huán)境之間提供一個(gè)過渡和緩沖。

在出艙前，氣閘艙的狀態(tài)與飛船其他部分相似，宇航員可以穿戴好艙外宇航服后進(jìn)入氣閘艙，并關(guān)閉氣閘艙與飛船內(nèi)部之間的艙門。在載人飛行中，飛船內(nèi)部的氣壓一般與地表大氣壓相似，但艙外宇航服內(nèi)的氣壓一般只相當(dāng)于大氣壓的0.4倍左右。在出艙前，宇航員需要在氣閘艙中經(jīng)歷相對(duì)平緩的泄壓過程，還要在此過程中吸入一些純氧，以排除身體內(nèi)的氮?dú)猓纻錅p壓病的發(fā)生。如果不經(jīng)歷這個(gè)過程就貿(mào)然出艙，氮?dú)饪焖僖绯鋈梭w，就會(huì)出現(xiàn)胸悶、咳嗽、關(guān)節(jié)肌肉疼痛等癥狀，搞不好還要出人命。

美國(guó)早期的雙子座飛船沒有設(shè)置氣閘艙，而是采用直接將飛船艙內(nèi)空氣排空的方式讓宇航員出艙。這種方法看似省事，但只適用于小型飛船。對(duì)于空間站等大型航天器來說，為了出艙而排空艙內(nèi)的全部空氣，將造成巨大的浪費(fèi)。正在艙內(nèi)工作的航天員也不得不穿著非常笨重的艙外宇航服。我國(guó)的神舟飛船，利用軌道艙“兼職”氣閘艙。在神舟七號(hào)任務(wù)期間，航天與翟志剛和劉伯明出艙活動(dòng)時(shí)（航天員劉伯明雖然沒有完全出艙，但實(shí)際上也已經(jīng)處在了與太空相連通的環(huán)境中），負(fù)責(zé)操作飛船的航天員景海鵬待在加壓的返回艙中，與軌道艙保持隔離。

上升二號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：摘自圖書《世界航天器史》）

而對(duì)于急于實(shí)現(xiàn)EVA的蘇聯(lián)人，在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)一艘全新的、配備氣閘艙的飛船在時(shí)間上已沒有可能。于是他們就發(fā)揮有條件要上、沒有條件創(chuàng)造條件也要上的精神，設(shè)計(jì)了一個(gè)充氣式的臨時(shí)氣閘艙。這個(gè)氣閘艙與飛船原有的艙門相連，在發(fā)射過程中呈收縮狀態(tài)，在飛船入軌后則充氣膨脹。這種方案使得原有的飛船無需經(jīng)過太大改動(dòng)，就能執(zhí)行EVA任務(wù)。

雖然戰(zhàn)斗民族特有的氣質(zhì)使得蘇聯(lián)人具備敢想敢干的素質(zhì)，但在上天的問題上他們還是保持了起碼的謹(jǐn)慎。在上升2號(hào)任務(wù)前，他們發(fā)射了一顆編號(hào)為“宇宙57”號(hào)的試驗(yàn)衛(wèi)星，對(duì)這種充氣氣閘艙進(jìn)行先期的技術(shù)驗(yàn)證。**然而，由于控制工作出現(xiàn)了偏差，一條自毀指令被錯(cuò)誤的注入到了衛(wèi)星上，使得衛(wèi)星在太空中爆炸。**于是就只好由宇航員來親自來驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)了。

攝像機(jī)記錄下的人類首次EVA，列昂諾夫的背后是地球。

（圖片來源：Wikipedia）

1965年3月18日莫斯科時(shí)間上午10時(shí)，上升2號(hào)飛船在載著宇航員別列亞耶夫和列昂諾夫進(jìn)入太空。雖然后來揚(yáng)名天下的是列昂諾夫，但實(shí)際上在飛行過程中，擔(dān)任飛船指令長(zhǎng)的卻是別列亞耶夫，相當(dāng)于列昂諾夫的太空領(lǐng)導(dǎo)。從艙內(nèi)走向艙外的過程進(jìn)行的按部就班，帶著太空領(lǐng)導(dǎo)“祝你好運(yùn)”的祝福，列昂諾夫從氣閘艙進(jìn)入了太空之中。莫斯科時(shí)間11時(shí)34分51秒（UTC+3），列昂諾夫成為了世界上第一個(gè)在太空中漫步的人。

列昂諾夫繪制的自己進(jìn)行第一次EVA的場(chǎng)景，宇航員身后的直筒狀物即為充氣氣閘艙。（圖片來源：blog.sciencemuseum.org.uk/the-first-spacewalk）

出艙后，列昂諾夫開始在太空中歡騰，他翻了幾個(gè)跟頭，又移動(dòng)了幾件飛船外部的物體，并沖著攝像機(jī)擺出了各種POSE。當(dāng)時(shí)，他采用的是最原始的臍帶式EVA設(shè)備。一根長(zhǎng)度約為5米的“臍帶”線纜連接的宇航員與飛船，艙外航天服生命保障系統(tǒng)所需要的電源、通信、氧氣、冷卻劑等物質(zhì)，都通過臍帶輸送過來。臍帶式EVA設(shè)備雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉，卻限制了航天員的活動(dòng)范圍。

目前，各國(guó)都已采用了自主式EVA設(shè)備，宇航員的生命保障系統(tǒng)被集成到了艙外航天服后面的大背包中。美國(guó)還曾經(jīng)試驗(yàn)過宇航員的單人機(jī)動(dòng)裝置，使宇航員獲得了自主的動(dòng)力，可以完全斷絕與航天器的聯(lián)系，更自由的飄浮在太空中，儼然一個(gè)人形自飛小飛船。當(dāng)然，這個(gè)小飛船自持能力有限，時(shí)間一長(zhǎng)還得重回大型航天器的懷抱。

利用單人機(jī)動(dòng)裝置漂浮在太空中的美國(guó)宇航員。（圖片來源：Wikipedia)

從太空到地球：波折回家路

人類的首次EVA進(jìn)行了12分鐘左右，太空領(lǐng)導(dǎo)提示列昂諾夫該返回艙內(nèi)了。然而，接連不斷的麻煩也從這里開始了。**由于在地面上沒有考慮到宇航服在近似真空的太空中加壓后會(huì)膨脹的問題，氣閘艙的尺寸設(shè)計(jì)的有些小，列昂諾夫返回時(shí)被卡在了氣閘艙入口處。**為了擠進(jìn)重啟氣閘艙，列昂諾夫不得不冒險(xiǎn)將宇航服降壓。

**飛船離軌返回地面的過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作又出現(xiàn)了偏差，差一點(diǎn)把他們送入離開地球并一去不復(fù)返的軌道。**好在宇航員們及時(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題，應(yīng)急轉(zhuǎn)入手動(dòng)控制模式。此時(shí)，主發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料已經(jīng)所剩無幾，宇航員們只有一次機(jī)會(huì)手動(dòng)控制飛船進(jìn)入正確的返回軌跡。在邊與地面溝通邊自行選定了著陸點(diǎn)，并計(jì)算了相關(guān)的參數(shù)后，宇航員控制制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

列昂諾夫出艙期間的飛船軌跡，可見出艙主要在飛船飛躍蘇聯(lián)國(guó)土、能夠與地面保持比較連續(xù)的時(shí)段進(jìn)行。（圖片來源http://www.svengrahn.pp.se/histind/Voskhod2/Voskhod2.htm）

**最后的返回過程中，險(xiǎn)情再一次發(fā)生。**本來該與返回艙分離的儀器艙在分離動(dòng)作執(zhí)行后卻與返回艙“艙斷線連”，一根沒有正確斷開的通信電纜讓兩個(gè)艙段一起繼續(xù)飛向地球。這根線纜成為了這個(gè)古怪的太空組合體的重心，兩個(gè)艙開始圍著線纜打轉(zhuǎn)，讓宇航員們吃盡了苦頭。在到達(dá)約100米高度時(shí)，線纜被與大氣相互作用產(chǎn)生的熱量熔斷，儀器艙也終于和返回艙分開。

**在這一系列意外的疊加下，返回艙落在了一片森林之中，而非預(yù)定的著陸場(chǎng)。**當(dāng)宇航員們合力打開被樹枝卡住的艙門后，他們發(fā)現(xiàn)自己置身于一片野狼出沒的冰天雪地之中。當(dāng)時(shí)他們只有一把手槍可以自衛(wèi)。

雖然一架飛過的民航直升機(jī)發(fā)現(xiàn)了他們，但宇航員所處位置附近沒有足夠大的開闊地供直升機(jī)降落，直升機(jī)機(jī)扔下的軟梯也無法讓身著笨重宇航服的航天員爬上去。

上升2號(hào)宇航員攜帶的手槍。 （圖片來源：Wikipedia)

直升機(jī)的飛行員利用空中通信頻率傳遞發(fā)現(xiàn)宇航員的消息，附近飛行的飛機(jī)聞?dòng)嵑蠹娂娳s來幫忙，使得這個(gè)不毛之地的空域一時(shí)間變得繁忙異常。

然而，由于飛來的飛機(jī)都沒有配備專業(yè)的搜救設(shè)備，急于幫忙的人們唯一能做的就是把能扔的物資全都扔了下去。他們甚至扔下去了一瓶上好的白蘭地，卻沒有考慮白蘭地的玻璃瓶無法承受與大地的撞擊，結(jié)果好酒都孝敬給了土地爺。一把斧頭也從一架飛機(jī)上扔了下來，雖然沒幫上什么忙但幸運(yùn)的是也沒有砸到宇航員。最有用的物資當(dāng)屬兩雙皮靴和幾條厚褲子，它們幫助宇航員們度過了寒冷的時(shí)間。

在寒冷中度過了一個(gè)夜晚后，宇航員們等來了從直升機(jī)上機(jī)降下來的先遣救援隊(duì)。雖然還有24個(gè)小時(shí)，他們才能等到另一組從陸路趕來的搜救隊(duì)開辟供直升機(jī)機(jī)降的空地，將他們運(yùn)回航天員基地，但有陪伴和物資給養(yǎng)的感覺總歸更好。宇航員們開心的吃著先遣隊(duì)帶來的奶酪、香腸和面包，與先遣隊(duì)的兩位醫(yī)生、一位航天員同事、一位攝影師和一位當(dāng)?shù)叵驅(qū)д勑︼L(fēng)生，感受到了前所未有的滿足。

**“**我還看見了我們蘇聯(lián)的宇宙飛船，閃爍著耀眼金光?！?/strong>