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天宫空间站首次出舱活动不论是任务规模还是出舱时间都创造了我国航天的新纪录，并开启了常态化组织太空出舱活动的序幕。

距离神舟十二号航天员乘组激动人心的首次出舱任务已经半月有余，各种渠道的视频、图像信息可以说是不胜枚举，但却鲜有完整记录解读此次事件的文章，笔者今次就试着抛砖引玉。

基于遥测数据制作的航天员出舱画面

神舟十二号航天员乘组执行天宫空间站首次出舱任务当天，从刘伯明打开气闸舱舱门的8点11分算起，至当天下午14点57分舱门关闭，太空出舱时间总计6小时46分钟。

由于出舱准备工作繁多，加上出舱任务时长限制，为了万无一失航天员们将准备工作前置部署，当天凌晨三点起床，四点就进入出舱准备流程，此一阶段工作按照计划是耗时二至三个小时。

停放于气闸舱（节点舱）内的飞天舱外航天服

出舱准备工作的重点自然是穿着重约130公斤的舱外航天服，对比神舟七号出舱任务中应用的飞天舱外航天服，此次使用的是第二代产品。

新一代舱外服的优势是各身体部位关节更灵活，舱外航天服手套甚至可以抓握0.5厘米直径的物体，出舱自主保障时间达到了8小时。航天员身高适应范围也由飞天一代的1.65m至1.8m放宽至1.6m至1.8m。

刘伯明穿着新一代飞天舱外航天服

与神舟七号短短数十分钟的出舱任务不同，天宫空间站首次出舱就是七个多小时（包括进出气闸舱时间），空间站组合体绕地球一圈大约是90分钟，在整个出舱任务中航天员需要在阴影区累计待上几个小时，因此二代舱外航天服加装了照明组件，同时还有高清摄像机组件。

执行空间站首次出舱任务的航天员是02号刘伯明与03号汤洪波，指令长01号聂海胜坐镇核心舱机械臂操控台提供支持。

坐镇核心舱的聂海胜

在出舱任务序列中刘伯明是航天员a，穿着带有红色条带的舱外服。汤洪波则是航天员b，穿着带有蓝色条带的舱外服。

舱外服背包门上都写上了自己的名字

航天员进出太空都需要经过气闸舱（节点舱）这个交通枢纽，天和一号核心舱分为大柱段、小柱段、节点舱三部分，大柱段主要是工作区，小柱段则是生活区，节点舱虽然身段最小但功能强大，它不仅可以用于对接神舟与天舟两型飞船，还可以靠泊两个22吨级大型实验舱，同时节点舱也兼职气闸舱，航天员就是由此进出太空。

气闸舱（节点舱）出舱口

天宫空间站总计有三个气闸舱，天和一号节点气闸舱只是其一，明年将要发射的问天实验舱Ⅰ还有一个人员专用气闸舱，与天和一号对接后，以问天实验舱气闸舱为主气闸舱，同时两个气闸舱互为备份。梦天实验舱Ⅱ也将于明年发射，它也有一个货物专用气闸舱，作为实验载荷进出空间站的通道。

问天号实验舱Ⅰ人员专用气闸舱出舱口（仿真模型）

两名航天员从气闸舱进入太空需要“三关一开”，即关闭神舟十二号与核心舱相连的轨道舱舱门、核心舱小柱段与气闸舱之间的双向承压舱门，以及舱外航天服背包门，并开启出舱舱门。

关闭三道门之后，两名出舱航天员身着舱外服在气闸舱内进行大流量冲洗与吸氧排氮。

所谓大流量冲洗指的是“航天服大流量氧气冲洗模式”，就是将航天服内空气转变为纯氧环境，吸氧排氮则是为了预防航天员体内氮气在舱外服内0.4个大气压下溢出，降低减压病风险。

大流量冲洗期间需要航天员适当活动身体

在完成各舱门密封性检查与大流量冲洗后，气闸舱进入泄压程序。与十三年前神舟七号气闸舱将空气直接排入太空不同，天和核心舱气闸舱选择的是循环复用模式。就是将气闸舱空气转移至核心舱临近舱段的气瓶内，待航天员完成出舱任务返回时再将空气回流气闸舱。

这样做的好处是，除了可以节省宝贵的气体资源，还可以消除类似神舟七号气闸舱向太空释放气体导致的航天器姿态扰动问题。

神舟七号气闸舱球形复压气瓶

出舱航天员待在气闸舱内的大部分时间是通过“脐带”为舱外航天服提供电能、供氧通风、温控液冷等功能支持，待出舱准备工作一切就绪后，刘伯明使用舱门钥匙打开位于气闸舱第三象限的出舱舱门。

舱门钥匙安装位置的改进

十三年前神舟七号实施我国首次太空出舱任务时由于气闸舱内外压差的原因导致舱门打开过程非常坎坷，翟志刚事后披露，我是玩命地在那儿开门拉那个舱门，那真是全力，那咋拉也拉不开，那劲太大了，当我用撬棍把这个舱门撬开一条缝的时候，就是一个成语“心花怒放”。

我国太空出舱第一人翟志刚

吸取前次任务教训，天和一号气闸舱的舱门钥匙没有像神舟七号那样设置在舱门中心位置，而是设置在一侧，同时增加了助力手柄，因此舱门打开得非常顺利，甚至用“轻松”一词形容都是贴切的。

天和核心舱气闸舱出舱舱门助力手柄

打开出舱舱门

就在出舱航天员进行准备工作的同时，停靠于核心舱小柱段外壁的天和机械臂也开始运作，并最终将机械臂一端的末端执行器运动至脚限位器安装点。

天和机械臂运动轨迹

天和机械臂运动至脚限位器安装点

刘伯明打开出舱舱门后，先是给舱门套上保护罩，目的是避免舱门剐蹭破坏舱外航天服与舱门自身的气密性。

气闸舱出舱口舱门套上舱门保护罩

而后刘伯明单手举着脚限位器，另一只手扶着出舱口环形扶手探出了身体，并将脚限位器对接安装于机械臂末端执行器的一侧。紧接着，就是将用于挂载设备工具的舱外操作台安装在脚限位器的一侧。

刘伯明出舱后的第一句话：哇，这外面太漂亮了

刘伯明将脚限位器安装在机械臂末端执行器侧面

完成脚限位器安装后地面飞控中心发出指令“请02抓好环形扶手，组合体将进行姿态控制”。

航天员手抓环形扶手，组合体进行姿态控制期间

谈到姿态控制就需要提到稍早前航天员在气闸舱内进行出舱前准备工作时，空间站就实施了一次较大幅度的姿态控制，即由“连续偏航飞行”转“三轴对地稳定”。

天宫空间站通常以连续偏航模式飞行，该模式下空间站组合体可以随时调整自身飞行姿态，快速灵活地以最佳角度接受太阳的照射，从而最大限度获取充足的电能供应。

空间站组合体转三轴对地稳定模式

执行出舱任务之所以转换为三轴对地稳定模式，是因为当太阳入射矢量与轨道面的夹角小于一定角度后，需要转换飞行姿态以保证空间站组合体能源平衡与安全飞行。

热控管理与安全飞行密切相关，尤其是神舟十二号载人飞船的热控管理，因为执行出舱任务期间节点舱处于真空状态，轨道舱舱门关闭，无通风管道与神舟飞船相连。此种情况如果继续以连续偏航模式飞行，神舟载人飞船的热控管理压力将更大。

天宫空间站采用的是无推进剂消耗的姿态控制方案，在核心舱大柱段前锥段有6个控制力矩陀螺，每个陀螺里都有高速旋转的转子，通过改变转子的旋转轴输出力矩，进而实现空间站的姿态控制，只消耗电能不消耗推进剂。

控制力矩陀螺

在空间站组合体进行姿态控制的同时，坐镇核心舱的聂海胜提醒刘伯明打开舱外服面罩，此时空间站已经运行至阴影区。

聂海胜所说的“面罩”指的就是舱外服面窗4层结构最外层的“滤光面窗”，其作用类似太阳眼镜，主要在阳照区使用，在阴影区则需要打开。

金色的滤光面窗

舱外服面窗四层结构依次是，滤光面窗、防护面窗、压力面窗、压力面窗。

防护面窗可以在轨更换，用于防止剐蹭挤压破坏面窗结构，两层压力面窗中间充氮气，效用是隔热与防结雾。

打开滤光面窗后露出防护面窗

舱外航天服在太空如同独立的航天器，也需要完备的防护能力，尤其是在200摄氏度温差环境下确保航天员的安全是出舱任务的重中之重，通过多层防热结构为主的被动热控手段，加上以水升华器为主的主动热控手段，舱外航天服通过多种技术手段合力形成了真空防护、高低温防护、辐射防护的全要素防护能力。

空间站舱外操作台安装后，机械臂紧接着移动至“上臂点”，尔后刘伯明登上机械臂末端执行器侧面安装的脚限位器上，随后向地面报告“已站上机械臂，目前与舱体没有任何连接”。

刘伯明站上机械臂

随后机械臂继续移动至“接设备点”，站上机械臂的刘伯明将在此处固定紧急装置主体，并测试紧急制动装置，该装置的操作按钮非常显眼，就在舱外操作台上。

舱外操作台上的急停装置

与此同时地面向03航天员汤洪波也发出了指令“请03出舱，并进行舱外自主转移”。

两名航天员此次出舱的实际作业任务是对全景摄像机a进行抬升，该摄像机位于核心舱第四象限大柱段与小柱段之间的控制力矩陀螺附近。

与刘伯明通过机械臂转移方式不同，汤洪波是通过主路径扶手自主爬行至作业点。

03航天员汤洪波出舱

两名航天员兵分两路，转移方式的难点各有不同，机械臂转移考验心理调控能力，自主爬行转移则对体能要求更高。

汤洪波首先从跨舱段（气闸舱与小柱段）长扶手出发，然后通过纵向扶手转移至小柱段第四象限，再之后通过一系列横向扶手转移至作业点，空间站外表面的每一个扶手都有自己的编号，航天员舱外自主转移过程中始终有一个防漂挂钩系于扶手，以确保绝对安全。

每一个舱外扶手都有编号

自主转移路径上的每一处关键位置都有节点舱（气闸舱）方位路标，这是为了确保航天员在遭遇突发危险状况时可以快速判断方位，从而回到气闸舱这个唯一的救生通道。

节点舱（气闸舱）箭头指示路标

理论上人们都会认为乘坐机械臂转移的02航天员刘伯明会率先到达作业点，实际上却是自主爬行转移的03航天员汤洪波先到达作业点。

这是因为机械臂辅助航天员大范围转移功能首次启用，在参数设置上出于安全考虑偏保守，只用到了设计转移速度的五分之一。

03航天员汤洪波到达作业点附近

汤洪波到达作业点后与站在机械臂上的刘伯明相互招手致意，此时天和机械臂也已经运动至中间点3，刘伯明距离到达作业点也仅有“一步之遥”，在这里他将操作台转移至身体左侧，为到达作业点做好了准备。

机械臂运动至中间点3时两名舱外航天员招手致意

天和一号核心舱被认为是人类近十几年来发射的最大规模的单体航天器，那么它究竟有多大？

正所谓百闻不如一见，自入轨以来鲜有第三视角画面可以展现其大，而此时刘伯明身着的舱外航天服摄像机为我们提供了一窥核心舱之大的机会。

在舱外航天服a摄像机画面中可以看到薄如蝉翼的四象限核心舱太阳翼，以及小柱段与大柱段。小柱段是航天员用于睡眠的休息区，同时还有太空卫生间、太空跑台，舱外则有中继通信天线、测控天线等设施，画面中显示的大柱段则是航天员在轨工作的主要场所。

刘伯明舱外服摄像机镜头中的天和一号核心舱（局部）

刘伯明抵达作业点之际，全景摄像机a也执行了断电操作，为抬升支架作业做好准备。

机械臂转移途中腕部相机记录下了另一幕壮丽画面，在宽阔的核心舱太阳翼之上，粗壮的天和机械臂托举着刘伯明，更远处则是深邃的太空。

天和机械臂肘部相机拍摄画面

天和机械臂支持航天员舱外作业只是小试牛刀，航天员加上舱外作业设备的重量满打满算也不会超过0.5吨，而该机械臂可以承载重达25吨的航天器，并且在移动速度与精度等指标上居于世界领先水平，同时具备包括舱外状态监视、转位实验舱、捕获悬停飞行器、转移货运飞船载荷、辅助航天员活动、舱表状态检查、辅助航天员转移核心舱太阳翼、与实验舱机械臂级联组合等一系列多样化功能。

末端执行器与目标适配器

上述功能都离不开机械臂通过首尾两端的末端执行器与舱表分布的目标适配器对接与分离过程中实现的“舱表爬行转移”这一核心功能。

机械臂与目标适配器分离

机械臂对接分离机构与飞船对接分离机构一样，麻雀虽小但五脏俱全，其对接过程如下：

近距离通过末端执行器侧面安装的双目摄像机对目标适配器标靶进行高精度视觉测量，然后在视觉位姿引导下，机械臂缓缓接近目标适配器，完成捕获后末端执行器里有一个拖动机构将两器拉紧，同时有定位销限位，整个对接过程分为粗定位与精定位，通过这两个过程逐步绞紧，进而消除机械、信息、供电接口的偏差，最终实现4个锁紧机构的完全锁紧。

末端执行器与目标适配器对接（机械臂腕部摄像机拍摄）

此次出舱任务中协助02航天员刘伯明进行大范围转移的天和机械臂就是从大柱段爬行至小柱段目标适配器。

由于机械臂载货量更大，所以此次出舱作业大部分维修工具与设备由02航天员刘伯明携带与操作。

两名航天员到达作业点后随即开始进行全景摄像机a抬升作业，具体作业办法是，安装舱外通用把手将全景摄像机a基座抬升，在这个过程中航天员用到的唯一电动工具就是“电动螺丝刀”。

用于抓取转移设备的舱外通用把手

电动螺丝刀用于拆装舱外设备的安装螺钉，能够适应舱外真空冷黑环境，具有定力矩、正反转功能，配备加长杆，适应不同高度设备的维修。

舱外唯一电动工具：电动螺丝刀

为了适应舱外航天服抓握能力，电动螺丝刀体型较为硕大，重量约10公斤，在太空中重量并不是问题。

舱外电动螺丝刀地面实物

航天员在舱外工具的研制中提出了很多具有建设性的意见，比如电动螺丝刀的旋钮设计，航天员提出旋钮应该有一个凸出结构，这样在旋拧的过程中可以感知旋钮的旋转，设计方最终也采纳了航天员的建议。

航天员提出的旋钮改进设计（舱外电动螺丝刀）

另外，如果电动螺丝刀出现故障，还有备用工具“舱外扳手”替换。

舱外电动螺丝刀的备用工具“舱外扳手”

经过拧螺丝上螺丝的一系列操作后全景摄像机a完成了抬升，两名舱外航天员的身姿都在该摄像机的镜头中得到了完美展现。

全景摄像机a抬升前后对比

关于舱外全景摄像机a也有几个问题：

1.全景摄像机a为什么要抬升？因为该摄像机安装在核心舱大柱段四象限控制力矩陀螺外侧，受长征5B火箭整流罩尺寸限制，安装高度受限，需要抬升扩展视野；

2.为什么不设计成自动抬升？首先是因为控制力矩陀螺附近空间有限，再就是单独为一台摄像机配置抬升电机得不偿失；

抬升后的全景摄像机a

3.全景摄像机给出的画面为什么有拼接痕迹？因为这是一款由4个镜头组合实现360°视野的全景摄像机；

4.为什么全景摄像机不能设计成单镜头可由电机控制转动？舱外活动部件越少越可靠，单镜头快速反应能力也不及4镜头同时作业。

抬升后的全景摄像机a镜头画面

完成作业后地面向执行此次出舱行走任务的航天员表达了感谢：神舟十二号工作完成，非常好，地面也表达对你们的感谢。

神舟十二号航天员刘伯明对此有一个高情商的回复：神舟十二号谢谢工作人员，你们更辛苦，感谢你们。

抬升后的全景摄像机a视野更佳，此时完成抬升工作的刘伯明也有了欣赏太空美景的空闲时间，他向地面报告：现在有白云朵朵，还有成片的像海洋一样的，还有像冰层一样的，你们随着我舱外服摄像机的全景跟随我的步伐一起自由的飞翔吧。

站在机械臂上的02航天员刘伯明

就在大家欣赏太空美景的同时03航天员汤洪波却在镜头中渐行渐远，他接下来要执行另一项舱外任务——舱外航天员应急返回。

渐行渐远的03航天员汤洪波

执行应急返回任务的汤洪波首先由全景摄像机a作业点自主爬行至大柱段靠近资源舱的位置，并从那里开始应急返回流程，整个过程爬行速度要比正常爬行速度快1倍，目的是验证舱外航天员遭遇突发险情的应急返回能力。

应急返回开始前三名航天员有一段简短的对话：

刘伯明：03，我的机械臂开始摆动了。

聂海胜：出舱口见。

汤洪波：出舱口见。

汤洪波从此处开始应急返回（大柱段接近尾部资源舱的位置）

此时空间站组合体正运行在阴影区，黑暗深邃的太空中03航天员汤洪波看上去是那么的孤单，然而有队友的通力协作、地面工作人员的全力支持，以及背后亿万国人的期待，他的内心不会有“孤独”一词。

汤洪波应急返回途中

很快，在汤洪波娴熟的爬行操作下，用比机械臂转移用时更短的时间，他连续通过大柱段、小柱段，来到了节点舱出舱口。

此时刘伯明搭乘机械臂也来到了“中间点2”，在这里通过他的舱外服摄像机可以看到正在进舱的汤洪波。同时节点舱第2象限的侧向停泊口也首次呈现在国人眼前，明年另一个22吨级大型舱段“梦天号实验舱Ⅱ”将永久停泊于此，与2象限对应的4象限停泊口则是“问天号实验舱Ⅰ”的停泊位置。

刘伯明舱外服镜头中正在进舱的汤洪波

03航天员汤洪波在确认没有多余物之后开始进舱操作，在即将进舱前他向地面报告：03感谢所有科技工作者，祝福祖国的航天事业越来越强，03进舱。

03航天员汤洪波进舱

汤洪波回到气闸舱（节点舱）

此时机械臂运动至中间点1，待03航天员汤洪波完成进舱后运动至接设备点，刘伯明在这里将维修工具由汤洪波传递转移至节点舱内。

机械臂运动至接设备点

完成维修设备转移后机械臂转移至下臂点，刘伯明在这里下机械臂。

刘伯明下机械臂

完成下臂后刘伯明还不能直接返回节点舱，而是要拆卸对接在机械臂末端执行器上的脚限位器与舱外操作台，这部分舱外操作设备起初是由节点舱内转移至舱外，而在返回程序中它们将不再返回节点舱。

待机械臂转移至“拆装脚限点”后，刘伯明将其拆卸后安装在节点舱外壁接口上，为下一次太空行走任务提供便利。

刘伯明将舱外操作台安装在节点舱外壁接口上

就在刘伯明准备将脚限位器安装至节点舱外部接口时，地面突然传来指令：02，请现在进舱，请将脚限位器在舱门口暂时放置，请02现在进舱，完毕。

暂时放置在舱门口的脚限位器

这一指令凸显了太空出舱行走任务的高风险性，之所以突然传来进舱指令，是因为地面监测到空间站遭遇了异常辐射，紧急进舱目的就是为了躲避异常辐射。

在舱内躲避异常的辐射

异常辐射来自哪里？在没有更多公开消息前，笔者不能给出定论。

受地球磁场保护来自宇宙空间的大部分辐射都会屏蔽掉，但是也存在穿过磁场保护带的辐射。

另外，在地球的南大西洋地区存在异常辐射带，名为“南大西洋异常区”，该区涵盖整个巴西海岸线，由地球磁偶极子旋转轴向北美倾斜11°，导致地球磁偶极子中心向西太平洋位移500公里，辐射带向下延伸200公里距离而形成。

核心舱舱体有多层防护结构

针对这些辐射危险因素需要必要的规避防护措施，天宫空间站舱体有多层防护结构，可以屏蔽掉大部分危险辐射，所以在遭遇异常辐射时需要尽速回舱。

待异常辐射过后，刘伯明再次出舱将脚限位器安装于节点舱外表面的设备接口。

刘伯明再度出舱将脚限位器安装于节点舱外壁

舱外操作台与脚限位器在节点舱舱外的安装位置

而后在确认没有多余物后开始二次进舱，在进舱前他向地面报告：02作为空间站首次出舱航天员感谢所有参研参试的科研人员，感谢全国人民大力支持，后续我还会继续出舱，还会飞的更高，空间站会建的更大，谢谢。

刘伯明的这番报告披露了，在神舟十二号乘组的第二次出舱任务中他还会继续参加，按照操作规范空间站每一次出舱都必须有两名航天员参与，在下次出舱任务中另一名航天员会是谁呢？

此前聂海胜在核心舱大柱段进行蹬车运动

聂海胜此前披露，神舟十二号3名航天员任意两人组合可以完成任意需两人协作完成的任务，也就是说他也可以执行太空出舱行走任务，作为我国第二位三上太空的航天员如果此次可以圆梦出舱，其航天员生涯可谓是大大的圆满。

刘伯明与汤洪波进舱后连续完成了拆出舱舱门保护罩、关闭出舱口舱门、检查舱门密封性等操作，紧接着就是节点气闸舱的复压。

当气闸舱压力达到舱外服额定工作压力后，舱外服连接脐带，由舱外服自主保障转舱段保障。

当气闸舱与舱外服压力一致时，航天员可以脱去舱外航天服。

刘伯明与汤洪波先后脱下舱外航天服

当气闸舱压力与核心舱一致时，小柱段与气闸舱相连的双向承压舱门打开，出舱任务圆满结束。

两名出舱航天员在气闸舱内脱去舱外航天服后，坐镇核心舱大柱段操控台的聂海胜急忙起身，然后纵身一跃飞到了双向承压舱门迎接两位战友回家。

聂海胜迎接两位战友回家

此时地面飞控中心也传来了新的祝语：祝贺神舟十二号出色完成空间站首次出舱活动，预祝后续工作顺利。聂海胜对此回复：神舟十二号明白，感谢科技人员的支持，我们后续一定努力。

空间站首次出舱任务结束后三名航天员在核心舱

自去年以来天宫空间站关键技术验证阶段总计6次任务已经完成过半，连续成功实施长征五号B遥一首飞试验、长征五号B遥二发射天和一号核心舱、长征七号遥三发射天舟二号货运飞船、长征2F遥十二发射神舟十二号载人飞船，目前三舱组合体已经在轨稳定运行一月有余。

明年我们将建成天宫空间站完整构型

不积跬步无以至千里。上述任务的实施充分检验了载人航天工程三步走规划前两步所获得的诸如空间交会对接、推进剂在轨补加、航天员中期驻留等一系列核心技术能力。有继承更有发展，尤其是空间站首次出舱行走任务之于神舟七号出舱行走任务的改进与完善，由此更进一步证明我国载人航天工程三步走规划安排的科学性。

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