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人类的第一次太空行走三次都差点要了他的命

2019-11-12 18:54:54 作者:责任编辑NO。郑子龙0371

出品:科普中国

制作:李会超

监制:中国科学院计算机网络信息中心

10月11日,苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫于莫斯科病逝,享年85岁。俄罗斯总统普京第一时间对他的逝世表示哀悼,称赞列昂诺夫为“真正的先驱,一个坚强而英勇的人。

1965年的3月18日,在12分钟的时间里,列昂诺夫和人类一直仰望、幻想与憧憬的那片太空,只隔着一层玻璃面罩。在那12分钟里,他看到了前所未见的壮美,其后也经历了九死一生的波折,成为了人类历史上第一个与太空亲密接触的人。

苏联初代宇航员合影,后排左一为列昂诺夫,前排左二为加加林。(图片来自: Wikipedia)

因比赛而产生,EVA成为宇宙探索的重要技术

列昂诺夫所完成的,是人类历史上第一次舱外活动(Extra Vehicular Activity,简称EVA),也就是更为人熟知的“太空行走”。这种脱离航天器的保护,依靠宇航员自身携带的生命保障系统在太空中所进行的活动,对于提升航天活动的效能有着至关重要的意义。目前,EVA主要有五大用途:

一是在太空中组装并扩建大型的空间站。例如目前人类运行的最大的航天器“国际空间站”,不同舱段和桁架结构的组装,都借助了不少航天员的EVA活动。

第二个用途是在太空维修和维护航天器。前不久,国际空间站上第一次实现了全部由女性航天员完成的EVA,进行这次EVA的目的就是更换国际空间站上的电池组件。

正在舱外更换国际空间站组件的宇航员Sunita Williams。(图片来自 NASA)

第三个用途是可以抓取卫星进行维护,或通过宇航员释放卫星。2017年8月17日,国际空间站上发射了若干颗微小卫星,而它们入轨的方式十分特别:这些卫星由执行EVA的俄罗斯宇航员像丢皮球那样丢到了太空之中。当然,宇航员并非盲目蛮干,卫星的功能和设计使得这种“发射”方法既方便又实用。

第四个用途是在太空中遭遇险情发射时,执行紧急太空救援。电影《地心引力》中宇航员们通过EVA逃命的桥段就是这个功能的幻想体现。

最后,当航天员在月球、火星乃至更遥远的天体上登陆时,他们需要通过EVA来完成登陆活动的过程。由于EVA如此广泛的功能和重要的意义,舱外活动技术与载人发射返回技术、空间交会对接技术并称为载人航天的三大基本技术,目前全世界只有俄美中三国全面掌握了这三项技术。

在国际空间站上抛卫星的俄罗斯宇航员(图片来自 http:///post/152348)

在EVA技术产生时,决策者和技术人员并没有意识到这种技术的广阔未来。他们想做的,不过是赢下一场比赛。上世纪六十年代,正值苏美两国的太空竞赛如火如荼的进行之中。在率先发射卫星、率先将宇航员送入太空两个回合以苏联取胜告终后,两国竞争的大目标是率先载人登月。而率先实现EVA,则是这个大目标中的一个小目标。因为宇航员要到月球表面活动,就必须要从登月飞船中离开。在近地轨道的飞行中对EVA技术进行先期验证,是能够在月球表面安全进行EVA的基础。

1964年,苏联EVA设备的总设计师塞弗林得到消息,美国人已经在研发与双子座载人飞船相配合的EVA设备。于是他赶紧向决策者大声疾呼,必须加快苏联的EVA实现进程,好在美国人之前搞定这件事情,再让洋基佬们难受一次。

阿波罗11号的宇航员奥尔德林,在月球进行EVA。(图片来自 NASA)

值得铭记的荣光时刻:EVA技术的首次应用

进行EVA的飞船一般要设置气闸舱。气闸舱在加压的飞船内部环境和近似真空的太空环境之间提供一个过渡和缓冲。

在出舱前,气闸舱的状态与飞船其他部分相似,宇航员可以穿戴好舱外宇航服后进入气闸舱,并关闭气闸舱与飞船内部之间的舱门。在载人飞行中,飞船内部的气压一般与地表大气压相似,但舱外宇航服内的气压一般只相当于大气压的0.4倍左右。在出舱前,宇航员需要在气闸舱中经历相对平缓的泄压过程,还要在此过程中吸入一些纯氧,以排除身体内的氮气,防备减压病的发生。如果不经历这样的一个过程就贸然出舱,氮气快速溢出人体,就会出现胸闷、咳嗽、关节肌肉疼痛等症状,搞不好还要出人命。

美国早期的双子座飞船没有设置气闸舱,而是采用直接将飞船舱内空气排空的方式让宇航员出舱。这种方法看似省事,但只适用于小型飞船。对于空间站等大型航天器来说,为了出舱而排空舱内的全部空气,将造成巨大的浪费。正在舱内工作的航天员也不得不穿着非常笨重的舱外宇航服。我国的神舟飞船,利用轨道舱“兼职”气闸舱。在神舟七号任务期间,航天与翟志刚和刘伯明出舱活动时(航天员刘伯明虽然没有完全出舱,但实际上也已经处在了与太空相连通的环境中),负责操作飞船的航天员景海鹏待在加压的返回舱中,与轨道舱保持隔离。

上升二号结构示意图(图片来自:摘自图书《世界航天器史》)

而对于急于实现EVA的苏联人,在当时设计一艘全新的、配备气闸舱的飞船在时间上已没有可能。于是他们就发挥有条件要上、没有条件创造条件也要上的精神,设计了一个充气式的临时气闸舱。这个气闸舱与飞船原有的舱门相连,在发射过程中呈收缩状态,在飞船入轨后则充气膨胀。这种方案使得原有的飞船无需经过太大改动,就能执行EVA任务。

虽然战斗民族特有的气质使得苏联人具备敢想敢干的素质,但在上天的问题上他们还是保持了起码的谨慎。在上升2号任务前,他们发射了一颗编号为“宇宙57”号的试验卫星,对这种充气气闸舱进行先期的技术验证。然而,由于控制工作出现了偏差,一条自毁指令被错误的注入到了卫星上,使得卫星在太空中爆炸。于是就只好由宇航员来亲自来验证这项技术了。

摄像机记录下的人类首次EVA,列昂诺夫的背后是地球。(图片来自:Wikipedia)

1965年3月18日莫斯科时间上午10时,上升2号飞船在载着宇航员别列亚耶夫和列昂诺夫进入太空。虽然后来扬名天下的是列昂诺夫,但实际上在飞行过程中,担任飞船指令长的却是别列亚耶夫,相当于列昂诺夫的太空领导。从舱内走向舱外的过程进行的按部就班,带着太空领导“祝你好运”的祝福,列昂诺夫从气闸舱进入了太空之中。莫斯科时间11时34分51秒(UTC+3),列昂诺夫成为了世界上第一个在太空中漫步的人。

列昂诺夫绘制的自己进行第一次EVA的场景,宇航员身后的直筒状物即为充气气闸舱。(图片来自:blog.sciencemuseum.org.uk/the-first-spacewalk)

出舱后,列昂诺夫开始在太空中欢腾,他翻了几个跟头,又移动了几件飞船外部的物体,并冲着摄像机摆出了各种POSE。当时,他采用的是最原始的脐带式EVA设备。一根长度约为5米的“脐带”线缆连接的宇航员与飞船,舱外航天服生命保障系统所需要的电源、通信、氧气、冷却剂等物质,都通过脐带输送过来。脐带式EVA设备虽然设计简单、成本低廉,却限制了航天员的活动范围。

目前,各国都已采用了自主式EVA设备,宇航员的生命保障系统被集成到了舱外航天服后面的大背包中。美国还曾经试验过宇航员的单人机动装置,使宇航员获得了自主的动力,可以完全断绝与航天器的联系,更自由的飘浮在太空中,俨然一个人形自飞小飞船。当然,这个小飞船自持能力有限,时间一长还得重回大型航天器的怀抱。

ˉ利用单人机动装置漂浮在太空中的美国宇航员。(图片来自:Wikipedia)

从太空到地球:波折回家路

人类的首次EVA进行了12分钟左右,太空领导提示列昂诺夫该返回舱内了。然而,接连不断的麻烦也从这里开始了。由于在地面上没有考虑到宇航服在近似真空的太空中加压后会膨胀的问题,气闸舱的尺寸设计的有些小,列昂诺夫返回时被卡在了气闸舱入口处。为了挤进重启气闸舱,列昂诺夫不得不冒险将宇航服降压。

飞船离轨返回地面的过程中,自动控制系统的工作又出现了偏差,差一点把他们送入离开地球并一去不复返的轨道。好在宇航员们及时发现了这样的一个问题,应急转入手动控制模式。此时,主发动机的燃料已经所剩无几,宇航员们只有一次机会手动控制飞船进入正确的返回轨迹。在边与地面沟通边自行选定了着陆点,并计算了相关的参数后,宇航员控制制动发动机启动。

列昂诺夫出舱期间的飞船轨迹,可见出舱主要在飞船飞跃苏联国土、能够与地面保持比较连续的时段进行。(图片来自http://www.svengrahn.pp.se/histind/Voskhod2/Voskhod2.htm)

最后的返回过程中,险情再一次发生。本来该与返回舱分离的仪器舱在分离动作执行后却与返回舱“舱断线连”,一根没有正确断开的通信电缆让两个舱段一起继续飞向地球。这根线缆成为了这个古怪的太空组合体的重心,两个舱开始围着线缆打转,让宇航员们吃尽了苦头。在到达约100米高度时,线缆被与大气相互作用产生的热量熔断,仪器舱也终于和返回舱分开。

在这一系列意外的叠加下,返回舱落在了一片森林之中,而非预定的着陆场。当宇航员们合力打开被树枝卡住的舱门后,他们发现了自己置身于一片野狼出没的冰天雪地之中。当时他们只有一把手枪可以自卫。

虽然一架飞过的民航直升机发现了他们,但宇航员所处位置附近没有足够大的开阔地供直升机降落,直升机机扔下的软梯也无法让身着笨重宇航服的航天员爬上去。

上升2号宇航员携带的手枪。 (图片来自:Wikipedia)

直升机的飞行员利用空中通信频率传递发现宇航员的消息,附近飞行的飞机闻讯后纷纷赶来帮忙,使得这个不毛之地的空域一时间变得繁忙异常。

然而,由于飞来的飞机都没有配备专业的搜救设备,急于帮忙的人们唯一能做的就是把能扔的物资全都扔了下去。他们甚至扔下去了一瓶上好的白兰地,却没有考虑白兰地的玻璃瓶无法承受与大地的撞击,结果好酒都孝敬给了土地爷。一把斧头也从一架飞机上扔了下来,虽然没帮上什么忙但幸运的是也没有砸到宇航员。最有用的物资当属两双皮靴和几条厚裤子,它们帮助宇航员们度过了寒冷的时间。

在寒冷中度过了一个夜晚后,宇航员们等来了从直升机上机降下来的先遣救援队。虽然还有24个小时,他们才能等到另一组从陆路赶来的搜救队开辟供直升机机降的空地,将他们运回航天员基地,但有陪伴和物资给养的感觉总归更好。宇航员们开心的吃着先遣队带来的奶酪、香肠和面包,与先遣队的两位医生、一位航天员同事、一位摄影师和一位当地向导谈笑风生,感受到了前所未有的满足。

“我还看见了我们苏联的宇宙飞船,闪烁着耀眼金光。”

列昂诺夫早年还曾经想报考里加艺术学院,然而对天空的向往使得他选择了飞行作为自己终身的职业。在业余时间,他创作了大量以太空为题材的油画,受到了科技界和艺术界的一致好评。也许在亲眼见过太空是什么样的人里,他是画画最好的那位。

与列昂诺夫一同逝去的,似乎还有一个航天大国曾经的荣光。在列昂诺夫第一次实现太空行走的那个年代,苏联作为航天领域一个不断进取的大国,不断扩张着人类向宇宙进军的边界。美国与之情愿或不情愿的竞争,客观上也促进了整个人类航天技术的前进。

2017年,一批在1967年封藏起来的时间胶囊被打开了。这些时间胶囊中封存着十月革命50周年之际,苏联各地的人们写给50年后的信。在当时,航天领域接连取得的成就让苏联国内掀起了一股航天热。时间胶囊中的不少信件在憧憬未来时,都想象了人们在太空中开辟新领域的景象:

“我们相信,你们已经漂亮地开发了我们的美丽的蓝色行星,开拓月球,在火星着陆,不断地向着宇宙进发。太空船是不是已经冲出了银河系了呢?是不是已经和其他行星文明的代表们进行了对科学和文化合作的交涉了呢。”

“我们才刚刚向着宇宙踏出第一步,但是你们应该已经可以飞往其他行星了吧。”

“你们大概过着比我们更好的生活,在银河系建功立业,让地球变得更美丽了吧。”

“很羡慕你们能够迎接祖国苏联的100周年,但我知道你们也会羡慕我们这些一直忙碌的年轻一代。我们有着明确的目标、光明的未来,以及无数想要做的事情。我们的技能、智力、思想、能量,都有用武之处。”

而当桑海沧田之后,如今的俄罗斯在航天领域虽然依然是一支重要的力量,但已鲜有新的创造。那个见证了无数次荣耀的拜科努尔发射场,如今也已经不在俄罗斯境内了。

在一次演讲中,列昂洛夫这样描述了它所见到的太空:

“我有幸看到了地球、太阳和星星,没有透过宇宙飞船的舷窗,比我们平日里看到的世界更立体、更全面。那是一幅宇宙的画卷,我从中看见了它的宏伟、无垠、壮美和绚丽,深邃的暗夜中耀眼的流星划过,让我为之神往。”

“画作的末尾,请想象一下,在这样的背景中,我还看见了我们苏联的宇宙飞船,闪烁着耀眼金光。”

想象中的第一次太空行走。(图片来自:俄罗斯纪录片《开放的天空——苏联航天史》截图)

参考内容:

当代出舱活动技术发展,庞之浩,科技导报,2008, 26( 20),27

载人航天故事(二),士元,中国航天,1997,17

Learning to Spacewalk——A cosmonaut remembers the exhilaration-and terror-of his first space

mission,Alexei Leonov,AIR & SPACE MAGAZINE, 2015

The First Sovet Cosmonaut Team, Colin Burgess and Rex Hall, Springer, 2009

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