人类第一次太空出舱活动(上篇)

    导言：1965年3月18日，前苏联航天员阿里克谢·列昂诺夫走出了“上升”2号飞船，从而成功实现了人类第一次在太空的出舱活动。这次太空出舱活动使理论付诸实践，从此真正打开了太空的大门。在我国“神七”即将发射、进行太空出舱活动之际，本栏目将分上下两篇对前苏联，也是全人类的第一次太空出舱活动进行展示和回顾。

　　在搭乘1人的“东方”号飞船之后，载人航天的开创者——科罗廖夫制定了一系列飞行计划，其中一些计划包括出舱活动技术试验。最初的设想是把一只穿着航天服的狗放到可减压的“东方”号船舱里，然后把这只狗暴露在真空中(至于是在船舱里还是打开舱盖，我们并不清楚)。这样，在人类尝试进行出舱活动之前，可以从生物出舱活动中获得有价值的经验，以及适宜的材料和系统。这相当于狗先于人类成为了“东方”号的航天员。

　　前苏联对太空出舱跃跃欲试

　　尽管上述任务最后被取消了，但在“东方”号进行出舱活动的想法却一直被保留着，“东方”号被批准在1964～1965年执行更多的飞行任务，包括由航天员进行出舱活动测试。使得这一计划在1963年春又得到进一步的发展。在决定航天员如何走出增压舱并安全返回时，问题出现了。同“双子星座”号一样，“东方”号上的航天员逃逸系统也是由弹射座椅构成的，尽管它的舱门不是靠铰链转动的，而是在弹射系统启动时被掀走，这是它与“双子星座”号的不同之处。“双子星座”号的再入热防护系统中主要负荷位于不锋利的航天器的尾部、远离舱口的地方，这样使得航天员周围热防护系统不必十分严密，就可以确保他们在打开舱门的同时保持了航天器内足够的热量和整体压力。“东方号”为了保温而把整个航天器都封闭了，因此如何设置出舱口和增压系统成了设计上的主要难点。尽管没有得到官方认可，但OKB-1(OKB是指前苏联安东诺夫设计局)设计局的成员增加制订了一些任务计划，包括：运载不止1名航天员，延长飞行时间，进行出舱活动(模仿“双子星座”号计划)。为达到这些目标，仅供1人乘坐的弹射座椅必须取消，因为对三名身着压力服的航天员来说，座舱空间不够大。对于出舱活动而言，这当然非常重要，因此只有1～2名航天员可以参与“东方”号的出舱活动任务。

　　当NASA宣布，将在1965年2月发射的“双子星座”-4号航天器上，让航天员打开舱门，从座位上站起来时，科罗廖夫受到刺激，他想确保第一个进行出舱活动的是前苏联人，而不是美国人。1964年3月，由改造的航天器(现在被称作“上升”号)进行出舱活动的计划又重新恢复，在克里姆林宫的压力下，飞船将于1964年11月执行飞行任务，比美国的“双子星座”号早3个月。空军总参谋长尼古拉·卡曼宁(Nikolai Kamanin，后来他成为航天员训练主管)负责空军的载人航天项目，包括选拔和训练空军航天员部队。卡曼宁曾经提出一个方案，即由1名航天员在环轨道飞行中独立完成出舱活动装置和过程的试验，但是这一方案几乎立即遭到了科罗廖夫的否认，原因并非像人们通常所想的那样，是出于技术或是安全问题的考虑，而是由于这样一次飞行缺乏政治效应。1人1天的飞行，如果没有进行出舱活动的话，根本不能被看作是载人航天方面的重大进步，并且科罗廖夫还坚持认为，每一次新的飞行都应该比前一次有所进步。因为搭载3人的“东方”号的准备工作造成延误，使得出舱活动计划不得不落在“东方”2号上。科罗廖夫催促他的工作人员在年底前完成发射计划，卡曼宁写道：“如同他往日的作风一样，科罗廖夫又操之过急了。在攻克‘太空堡垒’(美国)方面，他宁愿精锐部队去冲锋陷阵，也不愿意做深思熟虑、精心安排的进攻。”

　　1964年4月13日，政府决议批准了“上升”号的出舱活动计划。同月下旬，在科罗廖夫与来自OKB-1设计局以及星星科研生产联合体(以下简称星星公司)的专家参加的会议上，通过了在此次任务中应用气闸舱的评估，1964年6月9日，制定了具体文件并经政府批准，1个月之后，即在1964年7月8日进行发射，星星公司被指定为总承包商。

　　就像对克里姆林宫许诺的一样，科罗廖夫最初计划在11月完成“上升”号的第二次飞行，作为向“十月革命”的献礼。但1964年10月，在“上升”号执行第一次任务期间，前苏联发生了政治变革，赫鲁晓夫政府被推翻。最后期限的压力没有了，“上升”2号和出舱活动试验改在1965年上半年——即美国的“双子星座”号进行出舱活动之前——进行，前苏联仍然相信他们的航天员将成为第一个离开航天器进行出舱活动的人。

　　大胆设想 小心求证

　　1961年，当人类乘坐航天器完成首次太空飞行时，并没有进行出舱活动的计划，无论是美国的“水星”号还是前苏联的“东方”号，在最初设计时都不具备在飞行中打开舱门的能力。

　　发射时，“东方”号上唯一的一名航天员被固定在航天器弹射座椅上，这一座椅的用途是在着陆的最后阶段，确保航天员靠降落伞着陆。由于在航天器上，舱门位于航天员顶部或顶部靠后的位置，因此航天员不可能从座位上够到舱门。更重要的是，这个舱门只是一个用于弹射进的爆炸型舱门，安装了弹射座椅后，飞船座舱内只有极小的空间供航天员走动。实际上，在飞行期间，他只能在座位上空极小的范围内漂浮。还有，航天服是由高空飞行机组的压力服改制而成的，并不适合在真空中进行长时间的出舱活动。而且，对于一名航天员来讲，离开飞船或地面摇控监测器的监控，而单独进行出舱活动，也确实存在安全问题。科罗廖夫和他的研究团队等不及研制出“联盟”号飞船，便匆忙地把原来只能容纳1人的“东方”号飞船改装成可以容纳多人的飞行器，它的功能虽有所增加，但仍无法进行出舱活动。

　　美国的“水星”号飞船也不具备进行出舱活动的能力，因为飞船实在太小了(可以说，航天员不是走进飞船，而是钻到里面去！)。舱门同样不是为在轨道中可开启而专门设计的，航天服也是从美国军用飞机上使用的压力服改制而成的。由于已经有了“阿波罗”号的设想，他们决定中止“水星”号计划，转而研究新的具备出舱活动能力、能够进行长时间飞行，以及空间交会和对接的“双子星座”号飞船。

　　除了舱门和压力服以外，另一个问题也必须引进重视，即：一旦航天器发生泄露，造成空气流失和内部压力降低，生命保障系统应能够提供空气、维持安全压力，以确保航天员能够身着航天服继续作业，以及应付在此情形下逐步增高的温度和湿度。生命保障系统还应该在航天员进行出舱活动之后向舱内补充空气，如果可能的话，还应能够保障航天员进行多次出舱活动。

　　出舱方式：用气闸舱口还是舱门

　　由于搭载3名航天员而增加的质量和容积，给改进“东方”号、设计“上升”号的设计者带来了一些难题。他们发现，如果座椅能够向舱口方向旋转90度，且中间座椅能够稍微向前移动一点儿，把弹射座椅和压力服也都拆除的情况下，座舱可供3名航天员进行为期24小时的飞行。当然这一方法没有考虑在发射或着陆过程中遇到意外事故，以及飞行中舱压降低时，航天员应该采取的逃逸与保护措施。有些人对这一冒险措施持反对态度，但很快就被否决了，理由是在“东方”号飞行过程中并未发生过类似的不安全事故。然而，考虑到进行出舱活动需要压力服，“上升”2号只能搭载2名航天员进行24小时的短期飞行了。

　　对于“双子星座”号而言，搭载2人的航天器中已经包含了在发射和返回时逃逸用的弹射座椅，对其加以改进就可在进行出舱活动时开关舱门。在座椅内，只有一个乘员区，航天员们必须并排而坐，但是这个小航天器有2个进出舱门。整个乘员区的空气都必须被抽空，这就使得2名航天员都处在宇宙真空中(由于航天器的容积有限，因此航天飞行常被比作在大众汽车的前排座上待了2周)。据史料记载，在“双子星座”号从1965年3月到1966年11月间完成的10次载人飞行中，有6次计划由1名航天员完成出舱活动。结果，只有5次圆满完成了出舱活动计划，完成这5次出舱活动任务的航天员被称作是第一批在太空行走的美国人。而与他们一起执行任务的其他航天员却经常被忽略，实际上，即使是待在舱门紧闭的指令舱内，他们也同样是暴露在真空中的。

　　对于前苏联人来说，由于“东方”号上缺乏足够可靠的生命保障系统，航天器看起来不够坚固，无法进行减压和增压操作。“东方”号的设计也不允许机舱设备长时间暴露在真空中。实际上，有些设备在真空中根本无法操作。因此，OKB-1设计局提出一系列关于出舱活动的要求，其中包括乘员舱不能被减压。鉴于此，很有必要设计一个具有内外舱门的隔离舱，这样可以使航天员从乘员舱通过气闸舱门进入隔离舱。只要有可能，就要保留使用现有设备，而且对航天器的改变必须要有一个限度。即使是体积和质量均很小的部件要想安装到已经很紧凑的航天器上也只能是见缝插针。这些对出舱活动的预定持续时间都有一定的影响。航天员只能在舱外待几分钟，系统和航天服的性能也很有限，因此他们只能通过拍摄照片或口头描述自己的活动及环境状况，进行更加冒险的出舱活动只能等到在更大的“联盟”号飞船上进行了。

　　伏尔加气闸舱的加盟

　　前苏联为完成第一次出舱活动，决定建造一个名为伏尔加(Volga)的气闸舱系统，以使航天员在不给主机舱减压的情况下，离开航天器进行出舱活动。气闸舱长度必须大于2米，以便身着航天服的航天员能够进入，并关上舱门来调节气闸舱的压力。把气闸舱安装在外侧显然是不可行的，因为在航天器发射升空的过程中，空气动力会将其吹掉，所以决定制造一个可折叠的气闸舱，将它安装在航天器的舱门上，在空中轨道上再将它展开，在出舱活动结束后可以丢弃，以便清理舱门重新进舱。

　　气闸舱是由坚硬的环状部件构成的，里面是一个向内打开的舱门。气闸舱的外壳主要由40个沿结构长度方向排列的软质橡胶制成的可充气圆柱体构成，内部是一个气压囊，外表面是软质拉伸度很高的纤维。在气闸舱的底部是一个装配环，将气闸舱固定在航天器进出口上，开口向内。装配环内是展开装置，由4只球形罐体构成气压操作系统、控制板、备份系统及脐带。整个装置被叠放在一起，紧贴在准备发射的航天器的侧壁上，上面有特制的覆盖装置。在脱离顶级火箭、进入轨道后不久，航天员便完全展开气闸舱。

　　完全折叠状态的可膨胀圆柱体只有73.9厘米长，但完全展开后，气闸舱长度有159.7厘米。与舱门连在一起的，展开结构有2.49米长，其内径为0.97米，外径为1.18米，展开过程需要7分钟，展开后的容积为2.5立方米。前苏联共生产了7个气闸舱，5个用于地面测试，2个被安装在航天器上。第1个于1965年2月在“宇宙”57号(Cosmos 57)无人飞船上进行了飞行测试，伏尔加舱门第一次进入地球轨道进行了自动展开测试，并用随机携带的电视摄像头进行了监控。第2个则是为“上升”2号飞船准备的。

　　出舱活动舱门的设计

　　在“双子星座”号的改进过程中，它曾一度被设计成有2个舱门——2名航天员每人1个——作为进出船舱的第一选择。设计成2个舱门的最初目的，是为在发射架上或者在上升或下降到18275米高度时进行紧急弹射之用。在15230米的高度时，降落伞的展开系统才能启动，假如降落伞没能展开，航天员可以启动弹射系统。在发射时，大力神II型火箭的性能监控主要集中在2个故障探测系统(具备冗余能力)上，以便在故障发生时，航天员能够有时间打开舱门，启动弹射系统。据测试，大力神火箭的非爆炸性的推进器有可能会燃烧，但是不会剧烈爆炸，航天员可以在飞行器遭到破坏之前迅速做出反应——启动逃逸系统。舱门要能够在发射时动力最大的情况下打开，并在航天员被弹离座位时保持打开状态。在一次无人乘坐的地面测试中，航天员约翰·扬(John Young)就曾亲眼目睹了舱门打开系统与弹射逃逸系统未能联动工作的情景，弹射座椅撞过舱门直冲出来，扬说，这会让航天员经历“强烈而短暂的头疼”。

　　在出舱活动时，这个舱门要手动进行开关，并且与弹射系统相分离，直到航天员重新回到船舱。在“双子星座”3号之后，在弹射控制系统中又加入了一个安全栓，以避免意外操作。1964年上半年，在KC-135飞机零重力飞行过程中进行的模拟试验表明，舱门最后10～15厘米的空隙必须手动关闭。因此，又增加了一个系索系统，其目的是便于任何一个航天员在身着航天服的情况下进行操作。覆盖弹射座椅的D形环尺寸被缩小了，目的是为了使它与座位齐平，以免对出舱活动操作造成障碍。舱门操作机构控制杆的尺寸也缩小了，因为测试表明，它有可能在航天员进入船舱时破坏航天员面窗。

　　舱门设计必须保证在完成每次出舱活动、关闭舱门之后，船舱具有良好的密闭性，这样才能保证航天员在后面的飞行及再入返回和着陆阶段得到压力和热防护方面的安全保证。舱门两侧的栋梁均为1.9厘米宽，深1.27厘米的沟槽，它们是在严格监测之下生产出来的，以确保其具有良好的密封性，并能经受多次开关操作。