太空出艙 科技護航
圖①：新一代艙外航天服。 中國航天員中心供圖 圖②：核心艙機械臂工作過程演示。 中國航天科技集團五院供圖 圖③：微型工作臺示意圖。 中國航天科技集團五院供圖
7月4日14時57分，經過約7小時的出艙活動，神舟十二號航天員乘組密切協同，圓滿完成出艙活動期間全部既定任務，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，標誌着我國空間站階段航天員首次出艙活動取得圓滿成功。這是繼2008年神舟七號載人飛行任務後，中國航天員再次實施的空間出艙活動，也是空間站階段中國航天員的首次空間出艙活動。
“走出”航天器，到茫茫太空進行活動，具有高風險、高難度的特點。協助“神十二”航天員成功完成出艙任務，這些“利器”不可或缺。
新一代艙外航天服――
據中國航天員中心航天服工程研究室主任、載人航天工程航天員系統副總設計師張萬欣介紹，艙外服是指航天員離開母船，走入外太空或其他星球時所穿着使用的個體防護裝備，根據使用環境又分爲軌道出艙艙外服和星際艙外服。艙外服爲航天員提供安全有效的環境防護、密閉空間的環境控制和生命保障，相當於一個小的飛行器。但與一般飛行器相比，艙外服還需要保證航天員在穿着艙外服的條件下能夠完成艙外活動任務，這是其最具特色的重要功能。
空間站航天員出艙活動屬於軌道的出艙活動，所面臨的是300―450公里軌道高度的空間環境，真空、失重，以90分鐘爲週期的±120攝氏度左右的冷熱交變，還有微流塵/碎片和空間輻射。爲了保證航天員在這樣一個環境下能夠維持正常生命活動和艙外作業，艙外服需具備環境防護、生命保障、工效保障、通信保障和安全保障五大基本功能。
張萬欣說，目前我國在研的空間站艙外服屬於軌道基艙外服，也就是艙外服運送入軌後不再返回地面，壽命週期內通過在軌維護與維修，保證狀態良好，完成出艙活動任務。適體性採用一對多的方式，也就是一套艙外服通過尺寸調節後能夠滿足所有航天員穿着適體，大大減少了上行載荷的重量和空間站空間的佔用。
針對空間站任務出艙活動需求，“神十二”任務航天員穿着的艙外服在“神七”任務研製的基礎上，進行了三個方面的重要改進：一是改變了結構佈局設計，二是提高了服裝的壽命，三是提高了人服能力。與第一代相比，具有使用時間更長、安全可靠性更高、機動靈活性更好、測試維修性更強的特點。
核心艙機械臂――
空間站任務中的“大力士”
在“神十二”航天員出艙過程中，驗證了空間站機械臂的大範圍轉移能力，完成了我國空間站工程建造任務的又一重要任務。
空間站核心艙機械臂由中國航天科技集團五院抓總研製，是目前同類航天產品中複雜度最高、規模最大、控制精度最高的空間智能機械系統，主要承擔艙段轉位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態檢查、艙外大型設備維護等八大類在軌任務。核心艙機械臂展開長度爲10.2米，最多能承載25噸的重量，堪稱空間站任務中的“大力士”。
據介紹，空間站核心艙機械臂是我國首個可長期在太空軌道運行的機械臂，其肩部設置了3個關節、肘部設置了1個關節、腕部設置了3個關節，一共7個關節，每個關節對應一個自由度，就如同人的手臂一般，具有七自由度的活動能力。通過各個關節的旋轉，能夠實現自身前後左右任意角度與位置的抓取和操作，爲航天員順利開展出艙任務提供強有力的保證。
爲擴大任務觸及範圍，空間站核心艙機械臂還具備“爬行”功能。由於核心艙機械臂採用了“肩3+肘1+腕3”的關節配置方案，肩部和腕部關節配置相同，意味着機械臂兩端活動功能是一樣的。同時肩部與腕部各安裝了一個末端執行器。作爲機器臂的觸手，末端執行器可以對接艙體表面安裝的目標適配器，機械臂通過末端執行器與目標適配器對接與分離，同時配合各關節的聯合運動，從而實現在艙體上的爬行轉移。
空間站機械臂是我國航天事業發展的新領域之一，中國航天科技集團五院在關鍵技術、原材料選用、製造工藝、適應空間站環境的長壽命設計等方面均作出了巨大的突破和創新。在研製團隊的努力下，我國成功掌握大型空間機械臂核心技術併成功應用，全部核心部件實現國產化，並形成了多項國家空間機器人行業標準。
航天員執行出艙任務的“機械夥伴”
我國空間站首次艙外活動中，作爲航天員執行出艙任務的“機械夥伴”――艙外維修與輔助工具，也首次成功亮相。
艙外維修與輔助工具由中國航天科技集團五院研製，可協助航天員有效克服在軌着航天服狀態下，手套充壓後操作不便、航天員需單手操作難度大、在軌防漂要求高等難題，具備輔助航天員在軌着航天服狀態下開展艙外行走、位姿轉換、設備更換、產品安全防護等多項功能，是航天員執行艙外活動必不可少的工具。
爲了確保艙外維修與輔助工具的健康狀態良好，滿足首次出艙任務需求，在首次出艙之前，航天員已在艙內進行了維修工具的健康狀態檢查、使用狀態設置等各項工作，確保滿足出艙應用需求。
艙外電動工具作爲空間站維修工具產品的“一號選手”，是此次維修任務用到的唯一一個機電類工具，可以適應艙外複雜的真空和高低溫環境。艙外通用把手可以安裝到維修設備上用於航天員在軌維修時進行待維修設備的轉移及防漂，通過與設備端的通用把手底座配合，實現航天員單手完成對設備的快速鎖定、解鎖。
艙外維修與輔助工具不僅有用於艙外設備維修的艙外電動工具、艙外扳手、通用把手等工具，也有各種配合航天員艙外姿態穩定、轉換的便攜式腳限位器、艙外操作檯等輔助工具。便攜式安全帶協助航天員實現艙外作業位置設備及維修工具的防漂；與航天服直接相連的微型工作臺，則像一根多功能腰帶一樣環繞在航天服腰部，將航天員出艙使用的艙外電動工具、艙外通用把手和艙外扳手隨身攜帶，確保航天員隨用隨取。
此次航天員出艙任務的成功實施，充分驗證了艙外維修與輔助工具在軌應用的可靠性。
護航出艙活動
出艙活動是航天員身着艙外航天服在航天器外進行太空行走和作業的統稱。在空間站任務中，航天員將進行多次出艙活動，完成空間站的維修、維護及建造等任務。進行出艙活動時與地面建立高速及時的通信聯繫尤爲重要，出艙活動不僅是對航天員的全方位考驗，也是對空間站天和核心艙與地面測控站間通信能力的一大考驗。
據介紹，中國航天科技集團五院研製的第三代中繼終端產品，通過與中繼衛星天鏈一號和天鏈二號建立中繼鏈路，實現中繼通信，確保航天員與地面通信的實時暢通。這就好比在太空中搭建了地面與中繼衛星、中繼衛星與航天員之間的“天路”。
空間站中繼終端與其他型號在設計上最大的區別在於，爲了保證在軌使用的長壽命，需要具備在軌可維修性。空間站中繼終端採用了集成化、模塊化的設計思路，在保證傳輸信號質量的同時，方便航天員維修更換。
此外，中國航天科技集團五院研製的出艙通信子系統實現了艙內外航天員之間、艙內外航天員與地面人員之間以及艙外航天員之間的全雙工語音通信，在航天員艙外活動範圍內實現無線通信全覆蓋，支持多名航天員同時出艙活動時的通話功能。
艙外圖像傳輸子系統則爲艙外提供無線網絡覆蓋，通過出艙無線收發設備提供的網絡“熱點”進行圖像傳輸，實現了航天員出艙活動的實時顯示。
製圖：蔡華偉