SpaceX在9月10日发射的“北极星黎明”号载人飞船,于9月12日18点50分左右打开了顶部舱门,美国亿万富翁贾里德·艾萨克曼出舱进入太空,开始了人类首次商业太空行走,在太空中活动了约12分钟,并测试了EVA航天服的安全性和实用性。
与他一同飞上太空的还有2名女性宇航员,她们是SpaceX公司的女工程师,分别是莎拉·吉利斯和安娜·梅农,其中莎拉·吉利斯在艾萨克曼之后也爬出了龙飞船的舱门,并活动12分钟。除他们3人外,还有一位空军退役飞行员斯科特·波蒂特担任驾驶员,他将和安娜·梅农一起留在舱内支援。
此时龙飞船处于190公里×700公里的轨道上。此前飞船一度飞到了远地点1400公里的较高轨道,创造了自阿波罗登月之后,人类宇航员达到的最高轨道高度纪录。两名女宇航员也因此成为全世界飞得最高的女性。之后龙飞船进行了轨道调整,远地点降到了700公里,准备执行出舱任务。
这位亿万富翁艾萨克曼也是个传奇人物。他是支付服务公司Shift4 Payments的创始人,同时又是狂热的飞行爱好者,曾经参加过飞行特技表演。早在2021年,艾萨克曼就作为指令长参加了“灵感4号”载人航天任务。
现在的“北极星黎明”商业太空行走任务是由艾萨克曼和SpaceX共同出资的,算是圆了这位富翁的一个梦想。以往这种太空行走都只有航天强国以国家之力才能做得到,现在SpaceX却以私营公司的身份实施了,还是由一个亿万富翁共同出资,搞了一次类似“太空旅游”的活动,只能感叹这个世界变化太快。
艾萨克曼出舱时穿着SpaceX研制的舱外航天服EVA,非常轻薄,这也是该航天服首次投入使用。由于4人搭乘的载人龙飞船并不是专门为太空行走设计的,没有气闸舱,宇航员将从由对接口改装的顶部舱门出舱。这就意味着舱门一开,整个乘员舱就全部与宇宙空间连通,处于真空状态。因为所有4名宇航员此时都要穿着舱外服,理论上都处于“出舱”状态。
为何“北极星黎明”号会这么设计?如此又轻又薄的航天服,还带有头盔面罩抬头显示器(HUD),漂亮倒是漂亮了,真能耐住宇宙空间的恶劣环境吗?
实话实讲,用这种方式来进行太空行走是比较冒险的。一般来说,出舱活动的前提是要有一个气闸舱,这个舱与乘员舱可以完全密封隔离,不让空气流通。宇航员出舱前,在穿好舱外航天服之后会先进入气闸舱,然后关闭与乘员舱之间的舱门,再将气闸舱减压,直到减到与外太空类似的准真空状态,最后才可以打开气闸舱舱门,进入太空。
这样做的好处是乘员舱不用减压,有一名宇航员可以一直安全地待在里面,应对突发情况,成为出舱航天员的可靠后盾。在人类第一次太空行走时,苏联宇航员列昂诺夫乘坐的“上升2号”宇宙飞船,是在返回舱的侧面加装了一个可伸缩和抛弃的气闸舱,非常简陋而突兀,空间极为狭小。后来列昂诺夫在舱外因为航天服膨胀,还差点儿没能钻进气闸舱回到飞船,经历了生死一刻。
我国的神舟飞船就不一样。我国首次太空行走是在16年前的2008年9月27日,由航天员翟志刚在神舟七号任务中进行。神舟飞船是三舱构型,除了推进舱(服务舱)和返回舱之外,还有一个轨道舱。在神舟七号任务中,正好利用这个轨道舱作为气闸舱,空间比“上升2号”宽敞得多。
到了如今,我国拥有了规模庞大的空间站,有3个气闸舱。主气闸位于问天号实验舱内,货物专用气闸舱位于梦天号实验舱。天和核心舱的节点舱也可以作为一个备用气闸舱,航天员可从一个气闸舱出舱进入太空,从另一个气闸舱返回,灵活性很高。
但SpaceX的龙飞船就没有这样的条件,它是两舱构型。为了实现最大程度的回收复用,龙飞船的乘员舱和推进舱是合为一体的,后面又加了一个非加压舱段,就再没有其它舱了。而龙飞船发射时并没有额外的整流罩,从空气动力学的角度来看,不可能在侧面安装一个附加气闸舱。
于是“北极星黎明”号便采用了最简单粗暴的办法:将整个飞船当成了气闸舱,全员穿上舱外航天服,降压后直接打开飞船主舱门。这倒是省去了加装气闸舱的麻烦,但风险是显而易见的:所有宇航员均处于出舱状态,如果舱外航天服出了问题,或是飞船舱门关不上,那么将没有一个处于安全状态的宇航员来解决问题,所有人都将面临危险。
不过SpaceX和亿万富翁艾萨克曼看上去是豁出去了,他们大概是对自己的飞船和舱外服特别有信心。载人龙飞船确实值得依赖,可不像波音的星际客机那么不靠谱,在多次飞行任务中没出过什么问题。但是这套舱外航天服确实让人捏了一把汗:它太薄了,比我国和俄罗斯的舱外服要薄得多,能经得起考验吗?
舱外航天服可是个高技术产品,需要在宇宙空间中维持宇航员的生命,不仅要提供足够的氧气以供宇航员呼吸,还有产生足够的压力和适宜的温度,并且抵御宇宙射线以及微陨石的撞击,其实就是一个微型的宇宙飞船。而更厉害的是它的关节还必须能活动,特别是手部,否则出舱之后完全动不了,就没有意义了。
宇宙空间是真空状态,压力几乎为零,人在这种情况下是无法生存的。因此,我国的“飞天”航天服内部会充上0.4个大气压的氧气,人体在这个压力下是可以正常活动的。另外舱外服还必须控制好温度,防止过热和过冷,因此拥有液冷通风系统,用于排出身体代谢产热,保证体热平衡。
为了抵御压差、辐射和微陨石撞击,航天服采用多层材料,最外层是1.5毫米厚的铝合金,抗压能力超过120千帕。航天服除了防护性能之外,还需要有灵活的关节,我国舱外服的关节采用了仿生结构,满满地都是技术。这么一套航天服,重量达到了120公斤,造价高达3000万人民币,给人的观感就是非常厚重。
不仅是我国,俄罗斯的舱外服,以及美国在国际空间站使用的舱外服,原理和结构都大同小异,都是相当臃肿的。但艾萨克曼身上穿的SpaceX舱外服,真的是非常轻盈而灵活,比舱内航天服厚不了太多。SpaceX甚至有将舱内服和舱外服合二为一的计划。为什么各大航天强国的舱外服都做不到这么轻薄,SpaceX这家民营公司却能做到呢?
其实很简单,秘诀就在于简化和降低指标:这套航天服并不是为长达六七个小时的高强度出舱活动而设计的,而只是为了应付短时间出舱。它没有独立的维生系统,而是完全通过“脐带”一样的软管来连接飞船内的设备,从而获取氧气,并维持气压、温度和湿度等生命条件。它也没有液冷设备,只能依靠材料的保温能力和控制出舱时间,来保持内部的温度不至于太高或太低。
因此,只要这种航天服的“脐带”一断,宇航员就会挂掉,而不像中国航天服那样具备在太空中独立维生的能力。至于防范微陨石,就只能从概率学上做文章了。薄航天服在设计上能够抵御一定尺寸的微流星体和轨道碎片,但抗打击能力肯定比不上厚的。但由于出舱时间特别短,被微陨石击中的概率非常低,所以这方面的问题就不大了。
所以说SpaceX的舱外服看似漂亮,也比较灵活,实际上却是以牺牲性能为代价的。宇航员出舱后不能走得太远,也不能时间太长,必须要赶快回来。话又说回来,如果真要让这4位宇航员穿上更高端的中国“飞天”舱外服,龙飞船内部的空间还未必塞得下。
所以,这套又轻便又漂亮的航天服并没什么出格的黑科技,只是为了太空旅游和短期出舱活动而准备的,有了“北极星黎明”号的示范效应,未来这块市场会比较大,吸引那些有钱的富翁们来体验一下太空行走的紧张刺激。