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航天员出舱执行任务也要看窗口文章来源:中国航天报、科普中国 发布时间:2022-10-03

9月17日,神舟十四号航天员乘组进行了第二次出舱活动,航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲密切协同,成功完成了约5个小时的出舱活动。其间,他们先后完成了舱外助力手柄安装、载荷回路扩展泵组安装、舱外救援验证等任务。殊不知,太空环境十分恶劣,为确保航天员的生命安全和任务的圆满完成,出舱活动也要考虑时机和窗口。

神舟十四号航天员乘组进行第二次出舱活动

安全第一,防辐射和碎片

太空环境非常恶劣,阳光照射下的温度超过120摄氏度,而阴影区温度则低于零下100摄氏度,并且还有各种太空辐射带来的威胁。航天员出舱是风险很大的活动,选择出舱的窗口期首先要考虑太空辐射对航天员身体健康的影响。

虽然地球磁场和范艾伦辐射带的存在,挡住了大部分高能辐射,但地球磁场分布并不均匀,世界各地都存在磁异常区,其中,最大的一块位于南大西洋和巴西南部地区,这里的磁场强度比世界其他地区弱很多。

南太平洋负地磁异常区上空,范艾伦带的内辐射带高度很低,最低时可降到200公里左右,导致低轨道航天器会在这片区域上空承受更多的高能辐射,因此,这块区域被称为南大西洋辐射异常区。

目前,国际空间站上的航天员和我国空间站上的航天员在出舱前,时间窗口首先考虑的都是南大西洋辐射异常区对身体的影响,出舱活动期间尽量减少在南大西洋辐射异常区的时间,因此地面工作人员会以航天员出舱活动期间累计受到辐射的累积量来评估,并合理规划出舱时间段。

另外,强烈太阳耀斑活动引发的地磁暴,也会引起范艾伦辐射带的变化,而太阳喷发的高能质子可以深入地球磁场,对航天员造成严重的辐射伤害,所以,航天员出舱需要根据空间环境预报,综合考虑空间环境因素并结合舱外航天服的辐射屏蔽能力来选择时间窗口。

另外,随着人类航天活动的增加,地球轨道上的太空垃圾越来越多,再加上天然的微流星体,航天员出舱也要考虑规避这些天外的不速之客。因此,地面控制中心会根据空间监视网络监视的轨道目标数据,结合空间站轨道参数进行碰撞预测,选择不会产生碰撞预警的时间段让航天员出舱执行任务。

电力供应,阳光角度有讲究

目前,载人飞船和空间站使用的电力都来自太阳帆板,而根据轨道高度、倾角和太阳运动的不同,太阳高度角在不断变化,转动范围有限的太阳帆板会因太阳入射角的限制导致电力供应不稳定,这也是限制航天员出舱的重要因素。

2008年,我国神舟七号载人飞船选择在9月25日发射升空,而没有像“神舟五号”和“神舟六号”那样选择在10月发射,一个重要原因就是飞船在当年9月底升空入轨后,飞船上安装的太阳帆板和太阳的夹角更适合航天员出舱。

神舟飞船的太阳帆板只能单自由度有限转动,而中国空间站各舱段安装的太阳帆板要灵活很多。即便如此,天和核心舱在飞行期间,考虑到大型机械臂舱外运动路径的安全性,航天员在出舱活动期间太阳帆板被设置为垂直归零状态,这意味着太阳帆板不再逐日转动。此时,太阳入射角更会严重限制光伏电池的发电能力。空间站只有在合适的太阳入射角范围内,才能保障充足的电力供应,从而构成了对航天员出舱的限制和约束。

国际空间站上的航天员出舱活动基本不受太阳帆板阳光入射角的影响,这倒不是说国际空间站设计有多先进,而是该空间站不是舱段多、太阳帆板角度多样,就是大型双自由度太阳帆板远离增压舱段,受到出舱活动影响较小。

如今,中国空间站天和核心舱和问天实验舱在轨对接后,以此次“神舟十四号”任务执行的第二次出舱为例,由于航天员只使用问天实验舱的小机械臂,核心舱的太阳帆板不用考虑大机械臂的运动约束,可以正常跟随太阳转动,保障了核心舱电力供应。

神舟十四号航天员乘组进行了第二次出舱活动

不过,此时考虑到小机械臂运动路径的安全性,以及防止遮挡中继卫星通信天线等因素,综合考虑下,问天实验舱的太阳帆板设置为了水平归零,不跟随太阳转动,这也制约了问天实验舱的电力供应。

等到今年梦天实验舱发射入轨并与其他两个舱段对接后,中国空间站3个舱段的电力并网,航天员出舱的窗口就不会再受到电力供应的约束。

出舱保障,天地通信很关键

世界航天大国为保障载人航天器的遥测和通信,都建立了完善的地面遥测通信网络。现代跟踪和数据中继卫星的出现,更是让测控系统摆脱了地理位置的限制,极大地扩展了轨道覆盖范围。

目前,美国载人航天测控网对近地轨道的覆盖范围超过85%,我国载人航天测控网的覆盖范围更高,但天地通信依然受到各种恶劣天气的影响,比如强降雨对信号产生的雨衰影响比较强烈。

由于航天员在出舱期间会实时传输视频图像和声音,而且一次出舱动辄几个小时,中继卫星是测控能力和通信保障的主力,一旦遇到强降雨等恶劣天气,可能导致天地通信的声音和图像传输不正常,无法有效地支持航天员出舱活动。因此,地面天气也是影响航天员选择出舱时间的重要因素。

出舱活动风险大,需要地面和空间站联合精心进行准备和保障工作。对航天员来说,空间站外面大约每90分钟进行一轮昼夜交替,但综合考虑到航天员和地面工作人员的工作和休息时间,采用的仍然是天地同步的作息制度。

如此一来,考虑到地面工作人员的正常工作时间和身体状态,航天员出舱会尽量安排在白天进行,目的是保证地面人员能够以最佳状态支持航天员出舱执行任务。

此外,地球轨道上没有重力,航天员出舱看似轻松,但实际上却是体力、精力消耗极大的工作,他们的身体状态也是制约出舱窗口的一个因素。只有航天员身体处于最佳状态时,才会安排他们执行和实施出舱活动。(作者:张雪松)