神舟十二号『太空出差三人组』出舱记

策划人语：

无论是过去还是现在，人类从未停止对星辰大海的探索。探索太空是一个漫长的过程，作为人类的“太空家园”，空间站对于开展多领域空间科学实验和技术试验、空间应用乃至探索宇宙都意义非凡。

2021年6月17日9时22分，搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空，顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空。之后航天员先后进入天和核心舱，标志着中国人首次成功进入自己的空间站！

2021年9月17日13时34分，神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，三名航天员状态良好，顺利返回。我国空间站首次载人飞行任务取得圆满成功。

神舟十二号载人飞行任务是我国组织实施的第七次载人航天飞行，也是中国空间站关键技术验证和建造阶段的第一次载人航天飞行。在距离地表400千米处打造的“太空家园”，“太空出差三人组”开展了为期三个月的工作与生活，共进行了两次出舱活动，开展了一系列空间科学实验和技术试验，为后续空间站建造运营奠定了更加坚实的基础，刷新了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。

航天员的两次出舱活动都开展了哪些工作、配备了哪些“炫酷神器”？航天员出舱需要看太空天气预报吗？让我们再次回顾这趟让人心潮澎湃的太空探索之旅吧。

——秦银银 方郁芝

两次出舱做什么

第一次出舱

出舱时间：7月4日8时11分

出舱人员：刘伯明 汤洪波

出舱任务：为机械臂安装上臂支架等，并借助机械臂进行移动、抬升舱外全景摄像机、完成应急返回验证

总用时：7小时

图1 7月4日，航天员刘伯明身着新一代“飞天”舱外航天服出舱（图/新华社 金立旺 摄）

出舱活动又被称作太空行走，是指航天员离开载人航天器乘员舱进入太空的活动。太空环境恶劣，航天员面临失重、低气压和气温不稳定以及强辐射等诸多挑战。随着天和核心舱节点舱出舱舱门的开启，航天员刘伯明、汤洪波身着由我国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服先后出舱，开展中国空间站航天员首次出舱活动。

三名航天员在此次出舱活动中分工明确。在出舱的两名航天员中，其中一人需为机械臂安装上臂支架，包括脚限位器、工具台等，随后借助机械臂进行移动。另一名航天员借助舱壁上安装的扶手，爬行到作业点进行辅助工作。航天员在开展舱外任务时，一旦出现紧急情况必须快速返回气闸舱内，用舱载的应急供氧来保证生命安全。所以，出舱航天员需要开展应急返回验证。

抬升舱外全景摄像机也是此次出舱活动的另一项重要工作。全景摄像机在发射时安装的位置较低，视场角有限。航天员需通过扩展摄像机的视角来改善全景摄像机的视野。

出舱过程中，舱内、舱外航天员通过话音沟通，由舱内航天员通过仿真软件以及判断他看到的图像来进行操控。另外，由舱外航天员自主操作机械臂，在安全性上也有更好的保障。舱外航天员在运动过程中一旦发现有碰撞的风险，可直接按下急停装置，机械臂就会停止工作。

图 4 空间站全景摄像机拍摄的空间机械臂

通过首次出舱活动，航天员出舱能力、应急能力都得到了有效验证，特别是在舱外进行长时间工作，人与装备的结合为后续航天员对空间站进行维护提供了宝贵经验。

第二次出舱

出舱时间：8月20日8时38分

出舱人员：聂海胜 刘伯明

出舱任务：安装舱外的热控扩展泵组、再次抬升舱外全景摄像机、组装舱外的工具箱

总用时：5小时55分钟

图2 8月20日在北京航天飞行控制中心大屏拍摄的神舟十二号乘组航天员汤洪波在核心舱内的工作场景（新华社 田定宇 摄）

首先，航天员利用机械臂，从空间站顶端的出舱口转移到空间站尾部的资源舱，然后在此处安装两个热泵。之后，航天员乘坐机械臂返回到出舱口，在出舱口附近对全景摄像机进行再次抬升。最后，航天员到出舱口的隔壁，安装脚限位器和助力手柄。这个助力手柄可以协助航天员在舱外就能直接开启舱门，为后续的试验任务做准备。

航天员手持热泵，乘坐机械臂缓慢地从节点舱向后移动到核心舱后端的资源舱，另一位航天员爬行至操作工位，辅助完成扩展泵组的安装。此次安装的热控扩展泵组中含有两台热控流体回路循环泵，是天和核心舱热控系统的重要设备，对航天员生活以及空间站设备正常运转非常重要。

此次出舱活动进一步检验了我国新一代舱外航天服的性能，检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性。有了首次出舱的经验，本次出舱活动较原计划提前了1小时完成既定任务。

“炫酷神器 ”助力出舱活动

微型航天器+Wi-Fi：尽可能舒适灵活

航天员出舱活动身着的舱外航天服其实是一种微型载人航天器，它既能满足航天员生命保障需求，又能实现舱外移动。此次用来执行出舱任务的舱外航天服高约2米，航天服头盔上配有摄像机，可全程记录航天员舱外操作过程。新一代舱外航天服实现了供氧和温度、压力控制，减轻了航天员舱外活动的负担，使其活动范围更广、更灵活。

图3 新一代『飞天』舱外航天服 （图 中国航天报微博）

此外，航天员在进驻核心舱的第二天就建立起舱上Wi-Fi环境，便于天地通信和数据传输。以空间站为中心，半径40米范围内都可实现共享网络。因此，舱外航天员的视频画面、话音通话、生理参数等数据都可以实时传输到舱内和地面，减少了繁琐的有线设备，航天员行动更灵活。

空间机械臂：太空行走专有“坐骑”

空间站天和核心舱长16.6米，舱内空间达50立方米。在舱外，航天员处于失重状态，再加上舱外航天服的加压，活动起来十分不便。为此，科研人员研制了专用“坐骑”——空间机械臂，让航天员省去攀爬动作，节省体力。

空间机械臂展开长约10.5米，有一个“大脑”——中央控制器、两只“脚（手）”——末端执行器，还有7个关节和7个自由度。在核心舱表面，有很多凹进去的小圆圈，这是目标适配器，也是机械臂落“脚”的地方。行走时，机械臂一只“脚”踩在目标适配器上，另一只“脚”向前移动，踩上另一个目标适配器后，前一只“脚”再移动。

两个末端执行器互为“手脚”，腕部和“手脚”位置都有摄像机，在爬行过程中可对舱外的散热装置、对接机构、太阳翻板进行拍照，对舱表状态进行巡检、监视。将脚限位器装至机械臂上方，舱外航天员可通过踮脚、左右脚用力实现前后、左右倾斜，站在上方借助机械臂到达指定位置。

除了监视舱表状态、帮助舱外航天员移动外，空间机械臂还可以捕获靠近的航天器、搬运舱外货物、组装和维修舱外设备，是目前我国智能程度最高的空间智能制造系统。

图5 空间站全景摄像机拍摄的地球画面

太空“眼睛”：舱外活动实时可见

距地面400千米处，神舟十二号飞船、空间站天和核心舱和天舟二号货运飞船在茫茫太空中飞行，摄像机成为地面工作人员唯一的“眼睛”。300摄氏度左右的温差、真空失重、强辐射环境使太空生存充满危机，24小时不间断监视将在必要时刻为航天员赢得一线生机。因此，太空“眼睛”显得尤为重要。

在航天员出舱活动中，除了舱外航天服自带的摄像机之外，空间站天和核心舱也配备了多种摄像机，确保航天员无论何时、身处何处都能被“看”到。在出舱过程中，就有3种摄像机充当地面工作人员的太空“眼睛”——节点舱高清摄像机、舱外定向摄像机和安装在小柱段的全景摄像机。

这三类摄像机均具备1080p或以上分辨率的高清监视功能。节点舱高清摄像机可以看到航天员从舱内到舱外的行走过程。被称为“四只眼”的全景摄像机水平方向有4个镜头，可以水平360度、垂直100度全景成像，并实时拼接输出视频画面，可以观察到航天员刚出舱时的状态。

有一种唯美叫“陪你看日出日落”，在太空中，航天员一天可以目睹16次这种唯美画面。但对全景摄像机来说，这未必是件好事，因为太阳很可能频繁进入全景摄像机的视场，使画面过度曝光。于是，航天科学家设计了一种自动曝光算法，以适应不同场景的光线变化。

核心舱共配有4台全景摄像机，机械臂转移航天员的过程，地面可通过全景摄像机实时监测。此外，舱外照明设施、攀爬扶手分布也都经过了精心设计。可以说，你能想到的、想不到的，科研人员都想到了，毕竟这场太空行走不仅仅是三名航天员的战场，更是成千上万名航天科研工作者的战场。

出舱需要“察言观色”吗

图6 科学家绘制出的银河系结构图。（新华社郑兴武和马克·里德供图）

正如科幻小说《三体》中所言，宇宙就像一座黑暗森林。航天员和飞船身处这漆黑一片的森林时很可能会遇到一些危险的“不速之客”，其中就包括空间天气。空间天气包括哪些？飞船在太空中会受到哪些空间天气影响？航天员出舱需要看“空间天气预报”吗？

太阳打个“喷嚏”，地球就“感冒”

有报告称，40%的航天器故障与空间天气有关。与地球上的天气一样，空间天气也有“风”“雨”等现象。不同的是，空间天气中的“风”是高速运动的等离子体流，空间天气中的“雨”是由磁层沉降的带电粒子组成。太阳正是所有空间天气现象的“始作俑者”。

太阳的外层大气从太阳表面喷出，形成充盈整个太阳系的太阳风，地球就浸泡其间，只不过有地球磁场作为天然屏障，我们才得以生存。太阳不仅会“刮”太阳风，偶尔还会爆发太阳风暴。一次太阳风暴释放的能量相当于10 万至100 万次强火山爆发，或上百亿枚百吨级氢弹的爆炸效果。

总之，太阳活动会导致太阳风和地球空间环境产生各种变化，从刺眼的耀斑到让信鸽迷路的磁暴，从“暴脾气”的高能带电粒子流到威力惊人的“太阳海啸”——日冕物质抛射，都是航天器可能会碰到的危险因子。

如何与“黑暗之手”抗衡

舱外与舱内的环境截然不同。出舱后，航天员进入一片未知的危险之地。国际航空联合会将100 千米的高度定义为大气层和太空的界线，并将其称为卡门线，卡门线之外的部分称为太空。太空是一个接近真空的环境，没有物质分子的运动，热量很难传导，空间温度极低。通过对宇宙微波背景辐射进行测量，科学家计算出太空的平均温度为-270℃左右。

如果航天员离开舱外航天服的保护，没有氧气和外部气压，在15 秒甚至更短时间内就会昏迷，血液和体液会“沸腾”，组织和器官会膨胀，不仅会遭受极端温差带来的伤害，还可能受到宇宙射线、带电粒子的攻击，以及高速移动的微小尘埃、岩石或空间碎片带来的撞击。

空间环境的变化对飞行器的影响又有多大？影响低轨道飞行器运行安全的轨道空间环境主要是大气环境、高能辐射环境等。当太阳辐射突然增强或发生地磁暴时，高层大气密度迅速上升，导致低轨道上航天器的阻力增加，从而改变航天器的正常运行轨道，增大航天器定轨和轨道预测的误差。

出舱要“看天气”吗

地球周围有一个名为“范艾伦辐射带”的空间区域，大致分成1500～5000千米和13 000～20 000 千米的高度范围，在有空间天气扰动时还会向上或向下扩张。这一区域有能量高、密度大的带电粒子，对在其中飞行的飞行器和人类伤害很大。

为此，综合考量发射成本、观测需求，以及航天员的健康和飞行器、仪器设备的安全等因素，科学家一般把空间站飞行的高度设定在400千米附近。目前，仍在轨运行的国际空间站和我国正在建造的空间站均处于这一高度附近。

然而，在太阳活动爆发期，空间辐射增强，航天器及航天员都面临严峻考验。为了最大限度地减弱空间辐射，选择合理的出舱时机尤为重要。这时，监测空间环境变化的天气预报必不可少，它能对太阳辐射、太阳质子事件、地磁暴等空间环境要素进行监测、预报和影响分析，评估空间环境变化对空间站可能带来的威胁，协助空间站系统和航天员及时规避未知的空间环境中的危险。

图7 从空间站俯瞰太空中的地球（汤洪波/摄）

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神舟十二号荣耀归来

图8 9月17日，神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。航天员聂海胜（中）、刘伯明（右）、汤洪波（左）安全出舱（新华社 连振 摄）

9月17日，神舟十二号载人飞船搭载3名航天员荣耀归来，着陆在甘肃酒泉东风着陆场，创下中国航天历史上着陆位置最小计算误差纪录，航天员状态良好，神舟十二号载人飞行任务取得圆满成功！

怎样打一个角度精准的“太空水漂”

此次神舟十二号载人飞船首次选择在东风着陆场着陆。返回舱要以固定的再入角进入大气，再入角太大会导致返回舱外部温度过高，再入角太小又会直接飞出大气层。

因此，飞船轨道设计团队精心设计了返回轨道方案，加入了预测校正制导方法来帮助返回舱在再入过程中根据实时位置、气动参数、瞄准点偏差等自主计算并维持再入轨迹，以适应落点的变化以及轨道变化范围大的特点，保证返回的“轨道”丝毫不差。

怎样的返回“姿势”更舒适

返回舱为上窄下宽的设计，在推进舱和返回舱分离以后，返回舱会利用自身装配的发动机进行姿态调整，变成大底朝前的飞行状态。

（栏目编辑 方郁芝）

如此，返回舱在穿越大气层时产生一定的升力，并对飞行轨迹进行控制，从而保证较高的落点准确度。为了缓解飞船减速过程中产生的冲击，不仅返回舱要采用舒适的返回姿势，航天员也要以几乎与大底平行的角度在座椅中“平躺”。

怎样让返回舱着陆更稳

返回舱的着陆过程对保障航天员的生命至关重要，飞船研制团队为此设计了一套“组合拳”。飞船返回舱的四台反推发动机在距离地面一米左右时能在10毫秒内完成自动点火，反向发力进一步减缓降落速度，让返回舱进行悬空急停。同时，返回舱底部的吸能外壳、减震材料和座椅缓冲机构组成减震系统，同时吸收地面的冲击能量，确保航天员安全着陆。