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[科学与生活] 航天员太空行走时,为什么要背一个大背包?

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发表于 2019-6-12 14:41:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
中国航天科普微信公众号

  5月29日,国际空间站的俄罗斯航天员科诺年科(Oleg Kononenko)与奥夫奇宁(Alexey Ovchinin)出舱干了些“杂活”后,还成功回收了一条在国际空间站外面漂浮了10年的毛巾。据了解,该毛巾是用来擦拭航天员出舱作业时航天服上累积的脏污,大约10年前不小心被遗留在外太空。两名航天员将毛巾放入专门的盒子,之后将带回地球,交给专家研究。
  
  出舱活动的俄罗斯航天员(图片来自NASA)
  在读到这则新闻的时候,小编却被航天员背上背的“背包”所吸引,在出舱活动中,这个神秘的背包到底起什么作用呢?
  由于太空为微重力环境,航天员进行太空行走时会处于漂浮状态,如果想在太空移动身体,只能用手握住一个一个扶手向前移动,或者使用特制的身体移动工具,这种移动工具的正式名称是“太空机动装置“。这是一种使用喷嘴喷出高压气体的推动装置,可以推动航天员的身体朝一定方向移动。而俄罗斯航天员太空行走所使用的身后的太空机动装置就“藏”在“背包”里。
  为了保证航天员在太空行走中能很好地移动身体,完成各种操作和任务,美国和苏联曾先后研制出多种型号的机动装置。本篇,让我们来看看其中有代表性的几种。
  不好控制的早期机动装置
  1965年6月3日,美国发射双子星座4号飞船。在长达四天的飞行任务期间,航天员爱德华·怀特进行了长达21分钟的太空自由漫步,这是美国人的第一次太空行走。
  
  正在太空自由漫步的航天员怀特
  帮助航天员怀特实现太空行走的是自足式手提机动喷射器。这个装置主要由两个氧气储罐和一个压力调节器组成,重3.4千克,其中高压氧气推进剂重约0.13千克。它每秒能产生约181牛的推力,速度为1.82米/秒,相当于普通人慢跑的速度。该装置有3个喷管,2个喷管对着后方,1个喷管对着前方。开动对着后方的2个喷管,即可推着航天员向前移动,开动对着前方的1个喷管,即可停止移动。
  
  使用自足式手提机动喷射器的航天员
  自足式手提机动喷射器虽然成功帮助航天员怀特实现了太空行走,但这种装置并不好控制。造成这种情况的原因是,自足式手提机动喷射器必须紧靠航天员身体的质心,才能准确控制移动方向。但由于航天员身穿航天服,头上又戴头盔,很难确定身体质心的位置,因此航天员一般只能凭经验行事。一旦遇到维修卫星这种要求精确定位的作业,航天员就可能由于定位不精确而无法完成维修任务。因而,这种机动装置并没有得到广泛应用和普及。
  自足式手提机动喷射器是手提式机动喷射器的一种,除此以外还有背包式、脐带式和美国空军研制的航天员机动装置几种类型。但这几种装置由于种种原因,并没有在实际任务中应用。
  贡献卓著的机动“背包”
  背上背包去旅行,是不是很多小伙伴们比较向往的事情呢?为了帮助航天员出舱行走,科研工作者曾为航天员设计了一款“背包”,这款背包的名称是M509机动装置。
  M509机动装置重115.66千克,长105.41厘米、宽68.58厘米,厚38.83厘米。这个背包内装有高压氮气瓶,在背包周围装有14个喷嘴,分别指向上下、前后、左右,通过控制器打开喷嘴后,航天员不仅可以进行上下、前后、左右移动,而且还能进行滚翻和旋转运动。这种装置的最大优点是能准确进行身体定位,能让航天员身体保持任何姿势。
  
  身背M509的航天员
  M509机动装置曾在美国的天空实验室中进行过试验,但这种装置并没有得到实际应用。尽管如此,M509试验时获得的很多数据,都成为重要的资料,被应用到了后来的研究中。
  
  航天员正在测试M509机动装置
  比如,后面将讲到的喷气鞋的氮气压力储罐和电池都是经过M509试验得到的。后来,在航天飞机上多次使用的载人机动单元也是在M509试验研制基础上得来的。
  具有科幻色彩的喷气鞋
  喷气鞋,名字听起来就很酷!想象一下,穿上这种鞋就能像阿童木一样自由飞行,是不是感觉很爽呢?
  辅助太空行走的喷气鞋又称为脚控机动器,它的外形像一辆自行车,包含车座、背包和控制器。背包内装有高压氮气,每只鞋上装有4个喷射器,用脚控制喷射器喷出气体,航天员就可以实现太空行走了。
  
  穿着喷气鞋的航天员
  喷气鞋的优点是可以解放航天员的双手,但它也存在着明显的缺点。一方面,穿着全套压力服的航天员不容易看到鞋子,不方便操作,存在着一定的安全隐患。另一方面,穿上这种装置,航天员的行动方向并不自如,所以,这套装置并没有在实际中应用。
  
  早期设计的喷气鞋组成单元
  能自由行走的载人机动装置
  本文开头提到的国际空间站航天员身后的“背包”被称为便携式环控生保系统,而航天员所使用的载人机动装置则是便携式环控生保系统背包上的一个模块。这种背包的外形有点像汽座椅的靠背,它高127厘米、宽83厘米、厚69厘米,重150千克。这种设计具有诸多优点,美国航天飞机也采用了这一设计。
  
  背上“靠背”自由行
  速度够快
  载人机动装置以氮气为推进剂,推进器的喷口装在“靠背”的两个侧柱上。上下、左右、前后,每个方向上都有4个喷口。每个推进器可以产生的推力为7.6牛。装满氮气的靠背重150千克,加上航天员及生命保障系统,总重可达295~335千克。如果按335千克计算,同方向上的4个推进器一起工作,可以使航天员获得75千米/小时的速度。这样的速度与高速行驶的摩托车不相上下。
  
  载人机动装置可以帮助航天员到离轨道飞行器数百米远的地方去冒险
  定位精准
  载人机动装置的控制有手控和自控两种方式。只要一按控制钮,航天员可以向任何方向转动和前进,同时还可以精确定位身体。一旦身体定位好以后,航天员启动自动姿态保持功能,即可保证航天员在太空操作过程中身体不移位。
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  法国航天员裴林正在国际空间站上进行维修工作
  足够安全
  为了最大程度的保证航天员的安全,载人机动装置中推进系统的管路都是双重的,以便在发生故障时航天员能自救和返回航天飞机。
  1984年4月10日,美国挑战者号航天飞机上的两名航天员首次太空回收修理卫星成功。在这个过程中,载人机动装置帮助航天员在太空中行动自如,并且进行了许多精密操作。
  
  身穿载人机动装置的航天员正在修复卫星
  不过,不知道这种机动装置能不能应用到生活中呢?想想大家每天上班不用挤公交、地跌,每人一个机动装置,背起来就出发了,是不是很酷呢?不过如果有,造价肯定也不菲,美国航天飞机航天员使用的机动装置造价就高达750万美元。
  2008年9月27日,在神舟七号任务中,航天员翟志刚进行了我国首次太空行走。未来,随着我国空间站计划的展开,太空行走任务肯定必不可少。让我们期待我国的航天员穿上我们自己研制的太空行走机动装置,在太空自由行吧!
  
  正在进行太空行走的我国航天员翟志刚
  参考文献/《太空出舱》、《太空行走——航天员出舱活动揭秘》
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