太空生活
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人類第一次太空出艙活動(上篇)
導言：1965年3月18日，前蘇聯(lián)航天員阿里克謝·列昂諾夫走出了“上升”2號飛船，從而成功實現(xiàn)了人類第一次在太空的出艙活動。這次太空出艙活動使理論付諸實踐，從此真正打開了太空的大門。在我國“神七”即將發(fā)射、進行太空出艙活動之際，本欄目將分上下兩篇對前蘇聯(lián)，也是全人類的第一次太空出艙活動進行展示和回顧。
在搭乘1人的“東方”號飛船之后，載人航天的開創(chuàng)者——科羅廖夫制定了一系列飛行計劃，其中一些計劃包括出艙活動技術試驗。最初的設想是把一只穿著航天服的狗放到可減壓的“東方”號船艙里，然后把這只狗暴露在真空中(至于是在船艙里還是打開艙蓋，我們并不清楚)。這樣，在人類嘗試進行出艙活動之前，可以從生物出艙活動中獲得有價值的經(jīng)驗，以及適宜的材料和系統(tǒng)。這相當于狗先于人類成為了“東方”號的航天員。
前蘇聯(lián)對太空出艙躍躍欲試
盡管上述任務最后被取消了，但在“東方”號進行出艙活動的想法卻一直被保留著，“東方”號被批準在1964～1965年執(zhí)行更多的飛行任務，包括由航天員進行出艙活動測試。使得這一計劃在1963年春又得到進一步的發(fā)展。在決定航天員如何走出增壓艙并安全返回時，問題出現(xiàn)了。同“雙子星座”號一樣，“東方”號上的航天員逃逸系統(tǒng)也是由彈射座椅構成的，盡管它的艙門不是靠鉸鏈轉動的，而是在彈射系統(tǒng)啟動時被掀走，這是它與“雙子星座”號的不同之處。“雙子星座”號的再入熱防護系統(tǒng)中主要負荷位于不鋒利的航天器的尾部、遠離艙口的地方，這樣使得航天員周圍熱防護系統(tǒng)不必十分嚴密，就可以確保他們在打開艙門的同時保持了航天器內(nèi)足夠的熱量和整體壓力。“東方號”為了保溫而把整個航天器都封閉了，因此如何設置出艙口和增壓系統(tǒng)成了設計上的主要難點。盡管沒有得到官方認可，但OKB-1(OKB是指前蘇聯(lián)安東諾夫設計局)設計局的成員增加制訂了一些任務計劃，包括：運載不止1名航天員，延長飛行時間，進行出艙活動(模仿“雙子星座”號計劃)。為達到這些目標，僅供1人乘坐的彈射座椅必須取消，因為對三名身著壓力服的航天員來說，座艙空間不夠大。對于出艙活動而言，這當然非常重要，因此只有1～2名航天員可以參與“東方”號的出艙活動任務。
當NASA宣布，將在1965年2月發(fā)射的“雙子星座”-4號航天器上，讓航天員打開艙門，從座位上站起來時，科羅廖夫受到刺激，他想確保第一個進行出艙活動的是前蘇聯(lián)人，而不是美國人。1964年3月，由改造的航天器(現(xiàn)在被稱作“上升”號)進行出艙活動的計劃又重新恢復，在克里姆林宮的壓力下，飛船將于1964年11月執(zhí)行飛行任務，比美國的“雙子星座”號早3個月。空軍總參謀長尼古拉·卡曼寧(Nikolai Kamanin，后來他成為航天員訓練主管)負責空軍的載人航天項目，包括選拔和訓練空軍航天員部隊。卡曼寧曾經(jīng)提出一個方案，即由1名航天員在環(huán)軌道飛行中獨立完成出艙活動裝置和過程的試驗，但是這一方案幾乎立即遭到了科羅廖夫的否認，原因并非像人們通常所想的那樣，是出于技術或是安全問題的考慮，而是由于這樣一次飛行缺乏政治效應。1人1天的飛行，如果沒有進行出艙活動的話，根本不能被看作是載人航天方面的重大進步，并且科羅廖夫還堅持認為，每一次新的飛行都應該比前一次有所進步。因為搭載3人的“東方”號的準備工作造成延誤，使得出艙活動計劃不得不落在“東方”2號上。科羅廖夫催促他的工作人員在年底前完成發(fā)射計劃，卡曼寧寫道：“如同他往日的作風一樣，科羅廖夫又操之過急了。在攻克‘太空堡壘’(美國)方面，他寧愿精銳部隊去沖鋒陷陣，也不愿意做深思熟慮、精心安排的進攻。”
1964年4月13日，政府決議批準了“上升”號的出艙活動計劃。同月下旬，在科羅廖夫與來自OKB-1設計局以及星星科研生產(chǎn)聯(lián)合體(以下簡稱星星公司)的專家參加的會議上，通過了在此次任務中應用氣閘艙的評估，1964年6月9日，制定了具體文件并經(jīng)政府批準，1個月之后，即在1964年7月8日進行發(fā)射，星星公司被指定為總承包商。
就像對克里姆林宮許諾的一樣，科羅廖夫最初計劃在11月完成“上升”號的第二次飛行，作為向“十月革命”的獻禮。但1964年10月，在“上升”號執(zhí)行第一次任務期間，前蘇聯(lián)發(fā)生了政治變革，赫魯曉夫政府被推翻。最后期限的壓力沒有了，“上升”2號和出艙活動試驗改在1965年上半年——即美國的“雙子星座”號進行出艙活動之前——進行，前蘇聯(lián)仍然相信他們的航天員將成為第一個離開航天器進行出艙活動的人。
大膽設想 小心求證
1961年，當人類乘坐航天器完成首次太空飛行時，并沒有進行出艙活動的計劃，無論是美國的“水星”號還是前蘇聯(lián)的“東方”號，在最初設計時都不具備在飛行中打開艙門的能力。
發(fā)射時，“東方”號上唯一的一名航天員被固定在航天器彈射座椅上，這一座椅的用途是在著陸的最后階段，確保航天員靠降落傘著陸。由于在航天器上，艙門位于航天員頂部或頂部靠后的位置，因此航天員不可能從座位上夠到艙門。更重要的是，這個艙門只是一個用于彈射進的爆炸型艙門，安裝了彈射座椅后，飛船座艙內(nèi)只有極小的空間供航天員走動。實際上，在飛行期間，他只能在座位上空極小的范圍內(nèi)漂浮。還有，航天服是由高空飛行機組的壓力服改制而成的，并不適合在真空中進行長時間的出艙活動。而且，對于一名航天員來講，離開飛船或地面搖控監(jiān)測器的監(jiān)控，而單獨進行出艙活動，也確實存在安全問題。科羅廖夫和他的研究團隊等不及研制出“聯(lián)盟”號飛船，便匆忙地把原來只能容納1人的“東方”號飛船改裝成可以容納多人的飛行器，它的功能雖有所增加，但仍無法進行出艙活動。
美國的“水星”號飛船也不具備進行出艙活動的能力，因為飛船實在太小了(可以說，航天員不是走進飛船，而是鉆到里面去！)。艙門同樣不是為在軌道中可開啟而專門設計的，航天服也是從美國軍用飛機上使用的壓力服改制而成的。由于已經(jīng)有了“阿波羅”號的設想，他們決定中止“水星”號計劃，轉而研究新的具備出艙活動能力、能夠進行長時間飛行，以及空間交會和對接的“雙子星座”號飛船。
除了艙門和壓力服以外，另一個問題也必須引進重視，即：一旦航天器發(fā)生泄露，造成空氣流失和內(nèi)部壓力降低，生命保障系統(tǒng)應能夠提供空氣、維持安全壓力，以確保航天員能夠身著航天服繼續(xù)作業(yè)，以及應付在此情形下逐步增高的溫度和濕度。生命保障系統(tǒng)還應該在航天員進行出艙活動之后向艙內(nèi)補充空氣，如果可能的話，還應能夠保障航天員進行多次出艙活動。
出艙方式：用氣閘艙口還是艙門
由于搭載3名航天員而增加的質(zhì)量和容積，給改進“東方”號、設計“上升”號的設計者帶來了一些難題。他們發(fā)現(xiàn)，如果座椅能夠向艙口方向旋轉90度，且中間座椅能夠稍微向前移動一點兒，把彈射座椅和壓力服也都拆除的情況下，座艙可供3名航天員進行為期24小時的飛行。當然這一方法沒有考慮在發(fā)射或著陸過程中遇到意外事故，以及飛行中艙壓降低時，航天員應該采取的逃逸與保護措施。有些人對這一冒險措施持反對態(tài)度，但很快就被否決了，理由是在“東方”號飛行過程中并未發(fā)生過類似的不安全事故。然而，考慮到進行出艙活動需要壓力服，“上升”2號只能搭載2名航天員進行24小時的短期飛行了。
對于“雙子星座”號而言，搭載2人的航天器中已經(jīng)包含了在發(fā)射和返回時逃逸用的彈射座椅，對其加以改進就可在進行出艙活動時開關艙門。在座椅內(nèi)，只有一個乘員區(qū)，航天員們必須并排而坐，但是這個小航天器有2個進出艙門。整個乘員區(qū)的空氣都必須被抽空，這就使得2名航天員都處在宇宙真空中(由于航天器的容積有限，因此航天飛行常被比作在大眾汽車的前排座上待了2周)。據(jù)史料記載，在“雙子星座”號從1965年3月到1966年11月間完成的10次載人飛行中，有6次計劃由1名航天員完成出艙活動。結果，只有5次圓滿完成了出艙活動計劃，完成這5次出艙活動任務的航天員被稱作是第一批在太空行走的美國人。而與他們一起執(zhí)行任務的其他航天員卻經(jīng)常被忽略，實際上，即使是待在艙門緊閉的指令艙內(nèi)，他們也同樣是暴露在真空中的。
對于前蘇聯(lián)人來說，由于“東方”號上缺乏足夠可靠的生命保障系統(tǒng)，航天器看起來不夠堅固，無法進行減壓和增壓操作。“東方”號的設計也不允許機艙設備長時間暴露在真空中。實際上，有些設備在真空中根本無法操作。因此，OKB-1設計局提出一系列關于出艙活動的要求，其中包括乘員艙不能被減壓。鑒于此，很有必要設計一個具有內(nèi)外艙門的隔離艙，這樣可以使航天員從乘員艙通過氣閘艙門進入隔離艙。只要有可能，就要保留使用現(xiàn)有設備，而且對航天器的改變必須要有一個限度。即使是體積和質(zhì)量均很小的部件要想安裝到已經(jīng)很緊湊的航天器上也只能是見縫插針。這些對出艙活動的預定持續(xù)時間都有一定的影響。航天員只能在艙外待幾分鐘，系統(tǒng)和航天服的性能也很有限，因此他們只能通過拍攝照片或口頭描述自己的活動及環(huán)境狀況，進行更加冒險的出艙活動只能等到在更大的“聯(lián)盟”號飛船上進行了。
伏爾加氣閘艙的加盟
前蘇聯(lián)為完成第一次出艙活動，決定建造一個名為伏爾加(Volga)的氣閘艙系統(tǒng)，以使航天員在不給主機艙減壓的情況下，離開航天器進行出艙活動。氣閘艙長度必須大于2米，以便身著航天服的航天員能夠進入，并關上艙門來調(diào)節(jié)氣閘艙的壓力。把氣閘艙安裝在外側顯然是不可行的，因為在航天器發(fā)射升空的過程中，空氣動力會將其吹掉，所以決定制造一個可折疊的氣閘艙，將它安裝在航天器的艙門上，在空中軌道上再將它展開，在出艙活動結束后可以丟棄，以便清理艙門重新進艙。
氣閘艙是由堅硬的環(huán)狀部件構成的，里面是一個向內(nèi)打開的艙門。氣閘艙的外殼主要由40個沿結構長度方向排列的軟質(zhì)橡膠制成的可充氣圓柱體構成，內(nèi)部是一個氣壓囊，外表面是軟質(zhì)拉伸度很高的纖維。在氣閘艙的底部是一個裝配環(huán)，將氣閘艙固定在航天器進出口上，開口向內(nèi)。裝配環(huán)內(nèi)是展開裝置，由4只球形罐體構成氣壓操作系統(tǒng)、控制板、備份系統(tǒng)及臍帶。整個裝置被疊放在一起，緊貼在準備發(fā)射的航天器的側壁上，上面有特制的覆蓋裝置。在脫離頂級火箭、進入軌道后不久，航天員便完全展開氣閘艙。
完全折疊狀態(tài)的可膨脹圓柱體只有73.9厘米長，但完全展開后，氣閘艙長度有159.7厘米。與艙門連在一起的，展開結構有2.49米長，其內(nèi)徑為0.97米，外徑為1.18米，展開過程需要7分鐘，展開后的容積為2.5立方米。前蘇聯(lián)共生產(chǎn)了7個氣閘艙，5個用于地面測試，2個被安裝在航天器上。第1個于1965年2月在“宇宙”57號(Cosmos 57)無人飛船上進行了飛行測試，伏爾加艙門第一次進入地球軌道進行了自動展開測試，并用隨機攜帶的電視攝像頭進行了監(jiān)控。第2個則是為“上升”2號飛船準備的。
出艙活動艙門的設計
在“雙子星座”號的改進過程中，它曾一度被設計成有2個艙門——2名航天員每人1個——作為進出船艙的第一選擇。設計成2個艙門的最初目的，是為在發(fā)射架上或者在上升或下降到18275米高度時進行緊急彈射之用。在15230米的高度時，降落傘的展開系統(tǒng)才能啟動，假如降落傘沒能展開，航天員可以啟動彈射系統(tǒng)。在發(fā)射時，大力神II型火箭的性能監(jiān)控主要集中在2個故障探測系統(tǒng)(具備冗余能力)上，以便在故障發(fā)生時，航天員能夠有時間打開艙門，啟動彈射系統(tǒng)。據(jù)測試，大力神火箭的非爆炸性的推進器有可能會燃燒，但是不會劇烈爆炸，航天員可以在飛行器遭到破壞之前迅速做出反應——啟動逃逸系統(tǒng)。艙門要能夠在發(fā)射時動力最大的情況下打開，并在航天員被彈離座位時保持打開狀態(tài)。在一次無人乘坐的地面測試中，航天員約翰·揚(John Young)就曾親眼目睹了艙門打開系統(tǒng)與彈射逃逸系統(tǒng)未能聯(lián)動工作的情景，彈射座椅撞過艙門直沖出來，揚說，這會讓航天員經(jīng)歷“強烈而短暫的頭疼”。
在出艙活動時，這個艙門要手動進行開關，并且與彈射系統(tǒng)相分離，直到航天員重新回到船艙。在“雙子星座”3號之后，在彈射控制系統(tǒng)中又加入了一個安全栓，以避免意外操作。1964年上半年，在KC-135飛機零重力飛行過程中進行的模擬試驗表明，艙門最后10～15厘米的空隙必須手動關閉。因此，又增加了一個系索系統(tǒng)，其目的是便于任何一個航天員在身著航天服的情況下進行操作。覆蓋彈射座椅的D形環(huán)尺寸被縮小了，目的是為了使它與座位齊平，以免對出艙活動操作造成障礙。艙門操作機構控制桿的尺寸也縮小了，因為測試表明，它有可能在航天員進入船艙時破壞航天員面窗。
艙門設計必須保證在完成每次出艙活動、關閉艙門之后，船艙具有良好的密閉性，這樣才能保證航天員在后面的飛行及再入返回和著陸階段得到壓力和熱防護方面的安全保證。艙門兩側的棟梁均為1.9厘米寬，深1.27厘米的溝槽，它們是在嚴格監(jiān)測之下生產(chǎn)出來的，以確保其具有良好的密封性，并能經(jīng)受多次開關操作。
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