本书考察了太空行走需要的技术，从最初的太空旅行到最近的国际空间站的操作，回顾了开拓阶段的经验、教训。本书说明了如何为空间活动进行地面准备工作，地面的许多同事在每次活动的计划、训练和支持工作中如何为完成太空行走的出舱活动团队提供支持。很幸运，我们生活在这个时代，能够回忆、见证在大气层外完成首次太空行走的最初活动。本书记录了太阳系真正的探索者——太空行走者为我们留下的东西。

本书可作为从事太空、出舱活动技术研究的工程技术人员和高等院校教师及研究生的参考书。

1965年3月18日，在尤里·加加林进行人类首次太空飞行仅仅4年之后，阿里克谢·列昂诺夫走出上升2号飞船，成为第一位完成太空行走的航天员。1969年7月20日，尼尔·阿姆斯特朗又在月球上迈出了“人类的一大步”。1984年2月7日，布鲁斯·麦坎德利斯驾驶载人机动单元首次不系索飞离航天飞机90m，成为航天飞机的人体卫星。5个月后的1984年7月25日，斯维特拉娜·萨维特斯卡娅成为完成太空行走的第一位女航天员。所有这些都是在不到20年的时间里完成的。

太空“出舱活动”在人类开创太空时代20年后，就已经成为太空作业不可或缺的组成部分，在未来它也必将在载人航天飞行中继续担当重要的角色。我们期盼第13名地球人登陆月球，以及将人类的脚步迈上火星的红色土壤。但是，我们将为此作出何种准备，又将如何完成航天器外的太空活动呢?

戴维·谢勒在他的《太空出舱》一书中向我们描述了太空出舱技术及硬件设备的发展，将那些原始文件、航天员个人的太空探索经验，以及在地球重力环境下进行出舱活动训练的技术、设施，以鲜活的画面呈现在我们面前，引领我们重温太空行走的历史，展望未来的月球乃至火星之旅。

第1章 理论接受检验1

1.1梦想与渴望 1

 1.1.1对探索的梦想2

 1.1.2科学进入科幻小说4

 1.1.3理论家的贡献6

 1.1.4齐奥尔科夫斯基的舱外系留活动6

 1.1.5在太空中出舱8

 1.1.620世纪50年代：火星来客和科幻小说的影响10

 1.1.7《登陆月球》和《科利尔》杂志12

 1.1.8英国星际协会的作品12

 1.1.9H·E·罗斯和R·A·史密斯的作品13

1.2适应太空 19

 1.2.1首批航天服20

 1.2.2太空时代的科幻小说20

参考文献21

第2章 发展技术23

2.1进步的阶梯24

 2.1.1火星航天员25

 2.1.2后东方号时代25

 2.1.3NASA先进的载人航天项目26

 2.1.4水星Mark 2号变更为双子星座号27

 2.1.5苏联出舱活动计划28

2.2早期设备30

 2.2.1出舱方式：用气闸舱还是舱门31

 2.2.2伏尔加气闸舱33

 2.2.3双子星座号出舱活动舱门34

 2.2.4第一件出舱活动航天服35

 2.2.5金鹰航天服35

 2.2.6G4C航天服37

2.3进入太空的第一步38

 2.3.1第一次出舱活动38

 2.3.2要克服的障碍41

 2.3.3助力枪44

2.4双子星座号出舱活动计划45走出舱外，进行活动45

2.5学习曲线46

2.6双子星座号出舱活动的成果49

2.7从先驱者身上得出的结论52

参考文献53

第3章 专业工具57

3.1扩展能力58

3.2出舱方式59

 3.2.1舱门59

 3.2.2气闸舱61

3.3航天服和生命保障系统62

 3.3.1航天服62

 3.3.2脐带 74

 3.3.3背包 74

3.4机动装置 75

 3.4.1双子星座号 75

 3.4.2苏联航天员机动单元 (上升号飞船/钻石号空间站)83

 3.4.3机动单元M509(天空实验室)85

 3.4.4足控机动单元(天空实验室)89

 3.4.5载人机动单元(STS-41B，41C和51A)91

 3.4.6苏联载人机动单元(和平号和联盟TM-8)100

 3.4.7出舱救援简化辅助设备(航天飞机和国际空间站) 102

3.5约束和支持105

 3.5.1双子星座号105

 3.5.2航天飞机约束装置和系索106

 3.5.3操作器和吊杆106

3.6工具箱114

 3.6.1工具运送器114

 3.6.2表面探测工具 115

 3.6.3样品回收容器122

 3.6.4摄录器材126

 3.6.5飞行中的维修工具127

 3.6.6空间站出舱活动工具箱131

3.7运输132

阿波罗月面机动设备132

参考文献141

第4章 熟能生巧143

4.1有需求的地方144

 4.1.1上升号和联盟号：一项新的技能144

 4.1.2双子星座号：一个学习的曲线145

 4.1.3飞向月球145

 4.1.4天空实验室：训练是为了救援146

 4.1.5礼炮号与和平号空间站：例行操作146

 4.1.6航天飞机：扩展极限147

 4.1.7国际空间站：新的挑战147

 4.1.8面向未来的训练148

4.2训练方式148

4.3计划149

4.4出舱活动任务的整合153

4.5 1g重力模拟155

 4.5.1装置检查155

 4.5.21 g重力演练155

 4.5.3低压舱测试159

 4.5.4空气支撑平台161

 4.5.5身体防护带装置162

 4.5.6地质训练164

4.6零重力飞行器训练168

 4.6.1NASA的KC-135失重飞机168

 4.6.2苏联飞行试验室172

 4.6.3欧洲空客A-300计划174

4.7水下训练设备175

 4.7.1早期研究176

 4.7.2在兰利研究中心的模拟176

 4.7.3中性浮力模拟器(马歇尔航天飞行中心)178

 4.7.4水下再现训练设施(休斯敦)180

 4.7.5索尼·卡特水下训练设施(休斯敦)183

 4.7.6水下实验室(莫斯科)187

 4.7.7日本水槽189

4.8特殊/专用训练设备190

 4.8.1遥控操作系统出舱活动训练190

 4.8.2载人机动单元模拟器192

 4.8.3出舱活动救援简化辅助设备194

4.9在轨训练195

4.10虚拟出舱活动196

4.11结论197

参考文献197

第5章 表面探测199

5.1“……人类登陆月球”200

 5.1.1早期研究201

 5.1.2阿波罗号出舱活动204

 5.1.3影响阿波罗号出舱活动的因素205

5.2竞赛：苏联载人登月计划213

 5.2.1联盟号出舱活动转移(1969年1月)214

 5.2.2一次成功的L3示范216

 5.2.3登月航天员219

5.3宏伟的荒芜220

 5.3.1红色月球车的金色制动器221

 5.3.2登月(1969年7月—1972年12月)224

 5.3.3失败的阿波罗号225

5.4登月活动收获：阿波罗号的经验(1969—1972年)226

 5.4.1计划227

 5.4.2训练228

 5.4.3出舱活动准备229

 5.4.4出去和进来230

 5.4.5设备部署和转移231

 5.4.6灵活性232

 5.4.7土壤结构236

 5.4.8工作量237

 5.4.9阿波罗月面实验装置/早期阿波罗月面实验装置239

 5.4.10照相机242

 5.4.11地质概况244

 5.4.12适宜居住249

 5.4.13尘埃251

 5.4.14勘测者3号252

 5.4.15仪式253

5.5深空出舱活动253

5.6重返月球254

参考文献258

第6章 空间站支持261

6.1空间站的太空行走262

 6.1.1舱外工作263

 6.1.2载人轨道实验室的出舱活动263

 6.1.3载人轨道实验室实验P6的出舱活动264

 6.1.4载人轨道实验室实验P7266

 6.1.5载人轨道实验室出舱活动训练267

 6.1.6阿波罗应用268

6.2轨道车间的出舱活动计划269

 6.2.1早期的阿波罗应用项目出舱活动计划271

 6.2.2阿波罗望远镜基座出舱活动概念的研究273

 6.2.3出舱活动系统的进展275

 6.2.4传输模式的评估276

 6.2.5最终天空实验室阿波罗望远镜基座出舱活动系统的开发279

6.3从天空实验室进行的出舱活动(1973—1974年)281

 6.3.1天空实验室计划的出舱活动项目282

 6.3.2营救飞船：第1次出舱活动283

6.4天空实验室出舱活动任务286

 6.4.1阿波罗望远镜基座287

 6.4.2试验289

 6.4.3双极装置291

 6.4.4目测观察291

 6.4.5拍摄科胡特克彗星292

 6.4.6天空实验室的最后一次出舱活动：收尾活动292

 6.4.7小结293

6.5礼炮号空间站接管太空(1977—1986年)299

 6.5.1早期的礼炮号空间站300

 6.5.2苏联空间站出舱活动设备的演化303

 6.5.3礼炮号空间站上执行的出舱活动306

 6.5.4计划中的第一个奥兰/DOS 出舱活动307

6.6礼炮号空间站的出舱活动操作(1977—1986年)308

 6.6.1第一次礼炮号空间站出舱活动308

 6.6.2礼炮号空间站出舱活动操作310

 6.6.3试验310

 6.6.4评估、检查和观察313

 6.6.5意外事件318

 6.6.6构建320

 6.6.7一个主要的修补323

 6.6.8小结325

6.7早期空间站的出舱活动：结论326

参考文献328

第7章 空间服务需求331

7.1航天飞机时代(1981—2012年)332

 7.1.1航天飞机出舱活动时机334

 7.1.2航天飞机轨道器为出舱活动提供补给335

 7.1.3航天飞机出舱活动能力要求338

 7.1.4典型的航天飞机出舱活动时间表339

 7.1.5轨道器出舱活动计划飞行测试340

 7.1.6早期应急出舱活动343

 7.1.7出舱活动中航天员的作用及职责344

 7.1.8出舱活动技能的研发346

 7.1.9STS-5：太空出舱活动尝试受挫347

 7.1.10STS-6：出舱活动首获成功348

7.2航天飞机出舱活动服务于卫星运行(1984—1997年)350

 7.2.1多任务模块化航天器350

 7.2.2开创新局面353

 7.2.3再创佳绩356

 7.2.4轨道服务站361

 7.2.5营救与修复363

 7.2.6小结380

7.3为哈勃太空望远镜提供服务的能力385

 7.3.1出舱活动计划385

 7.3.2哈勃太空望远镜航天飞机飞行任务390

 7.3.3从哈勃太空望远镜出舱活动中获得的经验和观察397

 7.3.4小结400

7.4对航天飞机出舱活动的评价401

参考文献402

第8章 空间综合基础设施 405

8.1和平号空间站(1986—2001年)406

 8.1.1和平号空间站上的出舱活动(1987—2000年) 407

 8.1.2走出和平号空间站408

 8.1.3和平号空间站的经验411

 8.1.4小结429

8.2国际空间站的出舱活动：大规模建设436

 8.2.1早期的研究和模拟438

 8.2.2出舱活动和自由号空间站445

 8.2.3技术研发452

8.3国际空间站出舱活动情况(1998—2002年)457

 8.3.1气闸舱或对接舱 458

 8.3.2出舱活动之屏障459

 8.3.3小结466

参考文献466

第9章 展望未来469

9.1国际空间站：轨道上的前哨地带470

9.2航天飞机：重返飞行471

9.3太空舱撞击外部修复工具：修理国际空间站474

9.4利用出舱活动能否实施太空营救475

9.5哈勃太空望远镜营救或再入478

9.6机器人和出舱活动479

9.7中国人的出舱活动481

9.8重返月球481

9.9探索火星482

9.10探索无际482

9.11从出舱活动中得到的经验和教训486

参考文献488

附录A 完成太空行走的航天员489

附录B 世界出舱活动日志(1965—2003年)495

参考文献531

2.2 早期设备

1961年，当人类乘坐航天器完成首次太空飞行时，并未计划进行出舱活动，无论是美国的水星号还是苏联的东方号，在最初设计时都不具备在飞行中打开舱门的能力。

发射时，东方号上唯一的一名航天员被固定在航天器弹射座椅上，这一座椅的用途是在着陆的最后阶段，确保航天员靠降落伞着陆。由于在航天器上，舱门位于航天员顶部或顶部靠后的位置，因此航天员不可能从座位上够到舱门。更重要的是，这个舱门只是一个用于弹射时的爆炸型舱门，安装了弹射座椅后，飞船座舱内只有极小的空间供航天员走动。实际上，在飞行期间，他只能在座位上空极小的范围内漂浮。还有，航天服是由高空飞行机组的压力服改制而成的，并不适合在真空中进行长时间的出舱活动。而且，对于一名航天员来讲，离开飞船或地面遥控监测器的监控，而单独进行出舱活动，也确实存在安全问题。科罗廖夫和他的研究团队等不及研制出联盟号飞船，便匆忙地把原来只能容纳1人的东方号飞船改装成可以容纳多人的飞行器，它的功能虽有所增加，但仍无法进行出舱活动。

美国的水星号飞船也不具备进行出舱活动的能力，因为飞船实在太小了(可以说，航天员不是走进飞船，而是钻到里面去!)。舱门同样不是为在轨道中可开启而专门设计的，航天服也是从美国军用飞机上使用的压力服改制而成的。由于已经有了阿波罗号的设想，他们决定中止水星号计划，转而研究新的具备出舱活动能力、能够进行长时间飞行，以及空间交会和对接的双子星座号飞船。

除了舱门和压力服以外，另一个问题也必须引起重视，即：一旦航天器发生泄漏，造成空气流失和内部压力降低，生命保障系统应能够提供空气、维持安全压力，以确保航天员能够身着航天服继续作业，以及应付在此情形下逐步增高的温度和湿度。生命保障系统还应该在航天员进行出舱活动之后向舱内补充空气，如果可能的话，还应能够保障航天员进行多次出舱活动。

2.2.1 出舱方式：用气闸舱还是舱门

由于搭载3名航天员而增加的质量和容积，给改进东方号、设计上升号的设计者带来了一些难题。他们发现，如果座椅能够向舱口方向旋转90。，且中间座椅能够稍微向前移动一点儿，把弹射座椅和压力服也都拆除的情况下，座舱可供3名航天员进行为期24小时的飞行。当然，这一方法没有考虑在发射或着陆过程中遇到意外事故，以及飞行中舱压降低时，航天员应该采取的逃逸与保护措施。有些人对这一冒险措施持反对态度，但很快就被否决了，理由是在东方号飞行过程中并未发生过类似的不安全事故。然而，考虑到进行出舱活动需要压力服，上升2号只能搭载2名航天员进行24小时的短期飞行了。

对于双子星座号而言，搭载2人的航天器中已经包含了在发射和返回时逃逸用的弹射座椅，对其加以改进就可在进行出舱活动时开关舱门。在座舱内，只有一个乘员区，航天员们必须并排而坐，但是这个小航天器有2个进出舱门。整个乘员区的空气都必须被抽空，这就使得2名航天员都处在宇宙真空中(由于航天器的容积有限，因此航天飞行常被比作在大众汽车的前排座上待了2周)。据史料记载，在双子星座号从1965年3月到1966年11月间完成的10次载人飞行中，有6次计划由1名航天员完成出舱活动。结果，只有5次圆满完成了出舱活动计划，完成这5次出舱活动任务的航天员被称做是第一批在太空行走的美国人。而与他们一起执行任务的其他航天员却经常被忽略，实际上，即使是待在舱门紧闭的指令舱内，他们也同样是暴露在真空中的。

对于苏联人来说，由于东方号上缺乏足够可靠的生命保障系统，航天器看起来不够坚固，无法进行减压和增压操作。东方号的设计也不允许机舱设备长时间暴露在真空中。实际上，有些设备在真空中根本无法操作。因此，OKB-1设计局提出一系列关于出舱活动的要求，其中包括乘员舱不能被减压。鉴于此，很有必要设计一个具有内外舱门的隔离舱，这样可以使航天员从乘员舱通过气闸舱门进入隔离舱。只要有可能，就要保留使用现有设备，而且对航天器的改变必须要有一个限度。即使是体积和质量均很小的部件要想安装到已经很紧凑的航天器上也只能是见缝插针。这些对出舱活动的预定持续时间都有一定的影响。航天员只能在舱外待几分钟，系统和航天服的性能也很有限，因此他们只能通过拍摄照片或口头描述自己的活动及环境状况，进行更加冒险的出舱活动只能等到在更大的联盟号飞船上进行了。

2.2.2 伏尔加气闸舱

苏联为完成第一次出舱活动，决定建造一个名为伏尔加(Volga)的气闸舱系统，以使航天员在不给主机舱减压的情况下，离开航天器进行出舱活动。气闸舱长度必须大于2 m，以便身着航天服的航天员能够进入，并关上舱门来调节气闸舱的压力。把气闸舱安装在外侧显然是不可行的，因为在航天器发射升空的过程中，空气动力会将其吹掉，所以决定制造一个可折叠的气闸舱，将它安装在航天器的舱门上，在空中轨道上再将它展开，在出舱活动结束后可以丢弃，以便清理舱门重新进舱。

气闸舱是由坚硬的环状部件构成的，里面是一个向内打开的舱门。气闸舱的外壳主要由40个沿结构长度方向排列的软质橡胶制成的可充气圆柱体构成，内部是一个气压囊，外表面是软质拉伸度很高的纤维。在气闸舱的底部是一个装配环，将气闸舱固定在航天器进出口上，开口向内。装配环内是展开装置，由4只球形罐体构成气压操作系统、控制板、备份系统及脐带。整个装置被叠放在一起，紧贴在准备发射的航天器的侧壁上，上面有特制的覆盖装置。在脱离顶级火箭、进入轨道后不久，航天员便完全展开气闸舱"J。

完全折叠状态的可膨胀圆柱体只有73.9cm长，但完全展开后，气闸舱长度有159.7cm。与舱门连在一起后的，展开结构有2.49m长，其内径为0.97m，外径为1.18m，展开过程需要7分钟，展开后的容积为2.5m。苏联总共生产了7个气闸舱，5个用于地面测试，2个被安装在航天器上。第1个于1965年2月在宇宙57号(Cosmos 57)无人飞船上进行了飞行测试，伏尔加舱门第一次进入地球轨道进行了自动展开测试，并用随机携带的电视摄像头进行了监控。第2个则是为上升2号飞船准备的。

2.2.3 双子星座号出舱活动舱门

在双子星座号的改进过程中，它曾一度被设计成有2个舱门——2名航天员每人1个——作为进出船舱的第一选择。设计成2个舱门的最初目的，是为在发射架上或者在上升或下降到60000ft(18275m)高度时进行紧急弹射之用。在50000ft(15230m)的高度时，降落伞的展开系统才能启动，假如降落伞没能展开，航天员可以启动弹射系统。在发射时，大力神Ⅱ型火箭的性能监控主要集中在2个故障探测系统(具备冗余能力)上，以便在故障发生时，航天员能够有时问打开舱门，启动弹射系统。据测试，大力神火箭的非爆炸性的推进器有可能会燃烧，但是不会剧烈爆炸，航天员可以在飞行器遭到破坏之前迅速作出反应，启动逃逸系统。舱门要能够在发射时动力最大的情况下打开，并在航天员被弹离座位时保持打开状态。在一次无人乘坐的地面测试中，航天员约翰·扬(John Young)就曾亲眼目睹了舱门打开系统与弹射逃逸系统未能联动工作的情景，弹射座椅撞过舱门直冲出来，扬说，这会让航天员经历“强烈而短暂的头疼”。

在出舱活动时，这个舱门要手动进行开关，并且与弹射系统相分离，直到航天员重新回到船舱。在双子星座3号之后，在弹射控制系统中又加入了一个安全栓，以避免意外操作。1964年上半年，在KC—135飞机零重力飞行过程中进行的模拟试验表明，舱门最后10～15cm的空隙必须手动关闭。因此，又增加了一个系索系统，其目的是便于任何一个航天员在身着航天服的情况下进行操作。覆盖弹射座椅的D形环尺寸被缩小了，目的是为了使它与座位齐平，以免对出舱活动操作造成障碍。舱门操作机构控制杆的尺寸也缩小了，因为测试表明，它有可能在航天员进入船舱时破坏航天员面窗。

舱门设计必须保证在完成每次出舱活动、关闭舱门之后，船舱具有良好的密闭性，这样才能保证航天员在后面的飞行及再人返回和着陆阶段得到压力和热防护方面的安全保证。舱门两侧的框梁均为1.9CITI宽，深1.27 cm的沟槽，它们是在严格监测之下生产出来的，以确保其具有良好的密封性，并能够经受多次开关操作。

2.2.4 第一件出舱活动航天服

由于上升号和双子星座号的乘员舱空问都很有限，航天员不只是在出舱活动时，而是在执行任务的全过程中都要身着压力服，这就产生了对航天服要求的第1个标准。对航天服的要求还有，在船舱出现意外减压时能够保护航天员。本章没有囊括所有航天服的发展细节，只是记述了1965年美国和苏联实施太空计划时最早的2套航天服，因为它们具有非常的历史意义。

P30-35

你被紧紧地包裹在航天服里……只能从耳机里听到收音机噼噼啪啪的响声……从氧气管里深吸空气……你的鼻子离面窗只有几毫米远。你在压力服里漂浮，将要打开航天器舱门进入太空。你因过山车般的发射而兴奋，几分钟之后因经受微重力而微笑，出神地凝视着航天器窗外的景象。但是现在，穿着现代的盔甲装，你面临新的挑战：像宇宙中的卫星一样进入太空。

舱门打开一道缝隙，令人眼花缭乱的太阳光一涌而入，使你想起电焊机锐利的蓝光。随着舱门摇摆着打开，一片片细小的碎片不可思议地出现在你周围。你必须做的就是从舱门走出去，也可以称你为太空行走者。你向舱门外探出头，短暂的几秒钟，盯着几百公里之外的地球。但是你同航天器有脐带相连，你知道所能做的一切就是随它去，信任航天器的轨道结构相信自己不会跌到地球上去。

20世纪早期，“苏联航天学之父”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Kostati Tsiolkovsky)绘制了身着航天服的人使用气闸舱退出航天器，然后围绕航天器“跳舞”的图画。这些图画在他的作品《太空漫游》(Album of Space Travels)中公开发表。但是，直到大约40年以后的1965年3月18日，这一活动才得以实现。苏联航天员阿里克谢·列昂诺夫(Alexei Leoov)——太空行走第一人，也可称做艺术家——后来回忆了他进入太空的第一步：“无限广阔的太空在我面前展开，美得难以形容。我第一次从太空中遥望地球，它宏伟壮丽，看起来很平坦。只有曲线形的边缘提醒我，那是地球。虽然隔着厚厚的滤光镜，我还是能看到明亮的云、蔚蓝的黑海、绵延的海岸线和高加索山脉。离开飞船进入太空的时刻到来了，我们为这一时刻的到来准备已久，我们对这一时刻有太多想象。我从容地爬出舱门，轻轻将自己推离舱门，越移越远。我看到了宇宙的宏伟壮观。在地球旁边的天空渐渐地从深紫罗兰色变为深不可测的天鹅绒般的黑色，天空中的星星一闪也不闪。我认出了伏尔加河、乌拉尔山脉……然后我看到了鄂毕湾和叶尼塞河，就像是游过辽阔的彩色地图。”(节选自《月球上的人》(Man on the Moon)，作者：彼得·费尔利(Peter Fairley)，1969出版)列昂诺夫只在航天器外待了几分钟，但是他为人类第一个“打开了太空之门”。就像尤里·加加林(Yuri Gagari  )成为所有的太空探索者的先驱一样，阿里克谢·列昂诺夫的开拓性成就开创了出舱活动的先河。

齐奥尔科夫斯基意识到，要探索其他行星，必须开发合适的航天服：让穿着者能够活动，在行星表面行走。49年以后的1969年7月20日，两名美国航天员进行了另一个天体的首次旅行。尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)向地球上着迷的电视观众和广播听众描述了人类首次踏上另一个世界的印象：“我在梯子的脚下，登月舱着陆支架只在月球表面嵌入1～2 英寸……随着你的接近，月面看起来有细密的纹理，几乎像粉末一样……有时非常细。现在我要走下登月舱了。我的一小步，对人类来说是一大步。月面尘土很细，是粉末状的……我可以随意用足尖挑起。尘土像木炭粉一样薄薄地附着在靴子的底部和边缘上。我陷进去大约1/8 英寸，但我可以看到靴子和行走的脚印。看来行走没有问题。”

从地球穿过太空到达月球，再到火星。列昂诺夫关于宇宙的精彩描述给我们留下了深刻的印象，我们带着敬畏聆听了阿姆斯特朗登上月球的讲话……但是此刻，登上火星的第一人会讲什么，我们只能猜测。毫无疑问，看到人类跨过火星平原的新奇迹将激励新一代探索者继续进行深入太空的旅行。