丁凌艷，張萬欣

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

1 引言

出艙活動(dòng)(Extravehicular Activity，EVA)是指航天員離開載人航天器進(jìn)入太空，在軌道上安裝大型設(shè)備、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、檢查和維修航天器等工作。航天員在月球和其他行星天體上離開載人航天器完成各種任務(wù)的過程也屬于出艙活動(dòng)。1965年3月18日蘇聯(lián)航天員阿列克謝˙列昂諾夫在上升2號飛船飛行期間實(shí)現(xiàn)了12 min的太空行走，成為歷史上首位實(shí)現(xiàn)太空行走的航天員。美國阿波羅計(jì)劃共進(jìn)行了6次載人登月，先后有12名航天員踏上月面，進(jìn)行各類探測，充分展示了人類探索宇宙的巨大能力。2008年9月27日航天員翟志剛著飛天艙外航天服完成了中國首次出艙活動(dòng)。隨著中國載人航天事業(yè)不斷推進(jìn)，出艙活動(dòng)必將越來越頻繁。

為實(shí)現(xiàn)出艙活動(dòng)，需要諸多的技術(shù)保障，其中艙外航天服是最為關(guān)鍵的一項(xiàng)。早期出艙活動(dòng)為臍帶式，航天員雖身穿航天服，但所需要的氧氣、壓力、冷卻工質(zhì)、電源和通信等都通過臍帶由載人航天器提供。受臍帶長度限制，航天員只能在航天器附近活動(dòng)。后來研制了裝在航天服背后的便攜式環(huán)控生保系統(tǒng)，艙外航天服及便攜式環(huán)控與生保系統(tǒng)是一個(gè)微型載人航天器，保證內(nèi)部有適合的壓力、通風(fēng)供氧和溫濕度調(diào)節(jié)，使航天員在服裝內(nèi)能正常生存，并能進(jìn)行太空作業(yè)。1984年美國研制了保障航天員在太空穩(wěn)定和自由移動(dòng)的個(gè)體設(shè)備——載人機(jī)動(dòng)裝置，航天員實(shí)現(xiàn)了在太空中自由飛行。載人機(jī)動(dòng)裝置屬于出艙個(gè)體裝備的一部分，本文且將其納入艙外航天服定義范疇。

截止至2021年6月20日，人類總共進(jìn)行了443次出艙活動(dòng)，其中21%的出艙活動(dòng)經(jīng)歷了重大事件和/或近似事故，其中涉及艙外航天服的有110起。本文對歷史上美俄出艙活動(dòng)(包括登月活動(dòng))中涉及艙外航天服的故障問題進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)，并對故障原因展開分析，提出了避免發(fā)生同類故障的措施，為后續(xù)艙外航天服研制提供啟示。

2 故障原因及對策分析

本文中所提及的故障事件滿足以下一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn):①導(dǎo)致人員傷亡或在不同條件可能導(dǎo)致人員傷亡(例如乘員意外脫離)；②導(dǎo)致人員受傷或暫時(shí)喪失工作能力，或以其他方式損害人員執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)(如自救)的能力(如眼睛受到防霧劑刺激)；③可能對航天服造成嚴(yán)重或?yàn)?zāi)難性損害(如防護(hù)服損壞、設(shè)備拋擲碰撞或意外釋放)；④EVA任務(wù)指揮為了保護(hù)乘員而提前中止或終止；⑤基于專家意見的獨(dú)特重要性(如前兆事件和與隨后更重要事件相關(guān)的小事件或問題)。

根據(jù)美俄歷次出艙活動(dòng)遇到的故障情況，艙外航天服故障發(fā)生原因可以分為艙外服主要功能故障、載人機(jī)動(dòng)裝置問題、誤操作和其他四大類，美俄歷次出艙活動(dòng)故障類型分布如圖1所示。

圖1 美俄出艙活動(dòng)艙外航天服故障類型統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of fault types in Russian and American EVA spacesuits

1)主要功能故障包括壓力防護(hù)故障、熱控故障、通風(fēng)凈化故障、人因類故障、通信故障5種，其中熱控故障29起，人因類故障24起，通風(fēng)凈化故障16起，壓力防護(hù)故障16起，通信故障4起；

2)載人機(jī)動(dòng)裝置作為艙外航天服功能的擴(kuò)展，是一種實(shí)現(xiàn)個(gè)體太空自由行走的裝備，歷次記錄的故障有10起；

3)其他故障11起，主要是由產(chǎn)品局部設(shè)計(jì)、生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致的故障。

圖2展示了美俄艙外航天服被記錄故障的時(shí)間分布，呈現(xiàn)以下特點(diǎn):①從時(shí)間分布上看，早期艙外航天服在出艙活動(dòng)中故障比率較高，20世紀(jì)90年代之前故障比率在40%以上。隨著技術(shù)不斷成熟，2010年以來故障比率降至約14%。②艙外航天服故障次數(shù)隨出艙活動(dòng)次數(shù)的增加而上升顯著，在1990～2000年達(dá)到頂峰，隨后呈下降趨勢。這也驗(yàn)證了技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律，大量的實(shí)際應(yīng)用有助于暴露產(chǎn)品問題，進(jìn)而提升產(chǎn)品可靠性。

圖2 艙外航天服故障次數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Variation of EVA spacesuit failures with time

2.1 主要功能故障

2.1.1 壓力防護(hù)故障

艙外航天服壓力防護(hù)層曾發(fā)生的故障詳見表1，包括以下3種情況:

表1 艙外航天服壓力防護(hù)歷史故障Table 1 Recorded pressure protection system failures of EVA spacesuits

1)發(fā)生在手套部位的12起，占比約為75%，大部分是由于操作導(dǎo)致手套損壞。手套磨損、被刺穿是出艙活動(dòng)中經(jīng)常發(fā)生的問題。尤其是美國艙外手套，為了保證更好的工效性能，其熱防護(hù)層較薄，因此損壞頻率較高。手套氣密層損壞會引起服裝泄漏失壓，進(jìn)而影響航天員安全。除提高艙外作業(yè)界面安全性之外，解決該類問題的措施包括:①在服裝失壓時(shí)提供應(yīng)急供氧能力，保證航天員安全返回；②將手套設(shè)計(jì)為在軌可更換單元(Orbital Replaceable Unit，ORU)，方便在軌更換，并提供在軌檢測工具。

2)由于艙外航天服膨脹導(dǎo)致艙門通過困難的情況在美、俄前期出艙活動(dòng)中均有發(fā)生。1965年蘇聯(lián)航天員阿列克謝˙列昂諾夫首次出艙返回時(shí)遇到該故障，冒險(xiǎn)部分釋放服內(nèi)氣體，降低服內(nèi)壓力后才得以重新進(jìn)入氣閘艙。在美國EMU艙外服的靴子上還出現(xiàn)過壓力限制層制造缺陷，該缺陷導(dǎo)致靴子鼓脹，不得不使用備份靴子解決問題。因此在艙外航天服研制中應(yīng)重視服裝加壓后的限制層形態(tài)控制。

3)主氣密層損壞2起。為便于活動(dòng)，國際上美俄的半硬式艙外航天服四肢均采用非金屬材料作為氣密層。相比金屬氣密層，非金屬氣密層在強(qiáng)度上相對較弱。鑒于壓力防護(hù)功能保障對出艙航天員生命的重要性，四肢在主氣密層基礎(chǔ)上一般設(shè)計(jì)有備氣密層。1979年禮炮6號出艙活動(dòng)中曾發(fā)生了艙外航天服主氣密層穿孔的事故。在該起故障中，主氣密層損壞后，在備氣密層保護(hù)下航天員得以安全返回。由此可見，設(shè)置備氣密層是非常重要的安全設(shè)計(jì)措施。

2.1.2 熱控故障

艙外航天服的熱控系統(tǒng)為航天員提供被動(dòng)熱防護(hù)和主動(dòng)溫度控制，保障航天員在太空極端溫度條件下的熱舒適性。

被動(dòng)熱防護(hù)主要依靠真空隔熱屏蔽服實(shí)現(xiàn)，其材料為纖維織物和鋁膜，容易在出艙活動(dòng)過程中被銳邊劃破(表2中序號3、25、26事件)。出艙時(shí)應(yīng)避免接觸尖銳物品，并控制艙外設(shè)備的棱角銳邊。

表2 艙外航天服熱控系統(tǒng)歷史故障Table 2 Recorded thermal control system failures of EVA spacesuits

主動(dòng)溫控系統(tǒng)包括熱交換器、水泵、液冷服、給水系統(tǒng)。美俄艙外服均通過消耗水工質(zhì)散熱，且都從通風(fēng)系統(tǒng)中收集水(含有航天服和人體污染物)，以維持可以接受的濕度水平。在此過程中主要使用2種水回路:液冷回路和給水回路。液冷回路是一個(gè)密封的水回路，水工質(zhì)流經(jīng)液冷服，帶走人體熱量后進(jìn)入熱交換器(即水升華器)，經(jīng)水升華器冷卻后又流回液冷服；給水回路水工質(zhì)供向水升華器，升華氣化后消耗至真空中，同時(shí)帶走自通風(fēng)回路和液冷回路(穿著者的熱負(fù)荷)的熱量。從歷史數(shù)據(jù)看，主動(dòng)溫控系統(tǒng)是故障率最高的功能模塊之一，發(fā)生過的主要問題包括以下5類:

1)過冷或過熱7起。前期美俄艙外航天服都遇到了冷卻能力不足的問題。通過合理規(guī)劃工作負(fù)荷、提高散熱器功率、增設(shè)液冷服，此類問題已經(jīng)得到成功解決。另一方面，在陰影面過冷的問題也經(jīng)常發(fā)生。EMU艙外服在80～90年代被多次反映難以接受的過冷。此后采取了減少液冷服包覆面積，增加手、腳部位保暖(如羊毛襪、在EMU艙外服手套內(nèi)增加了電加熱)等措施。

2)冷卻水泄漏5起。在美國天空試驗(yàn)室4的第2、3、4次EVA中，EMU艙外服均出現(xiàn)了冷卻水泄漏導(dǎo)致壓力控制單元結(jié)冰的情況，航天員不得不關(guān)斷冷卻水流。還曾出現(xiàn)2起因液冷臍帶泄漏導(dǎo)致過閘時(shí)無法進(jìn)行艙載換熱，服內(nèi)溫度過高的故障。預(yù)防此類故障的方法是加強(qiáng)出艙前液路系統(tǒng)的檢測維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而避免在出艙活動(dòng)時(shí)出現(xiàn)故障。

3)水泵故障1起。在1984年蘇聯(lián)Salyut 7 PE-3第6次EVA過程中，水泵故障不能運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)時(shí)采用2臺風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，并給與航天員休息時(shí)間、減少熱積累的方法繼續(xù)完成了出艙活動(dòng)。另外根據(jù)美國EMU艙外服使用經(jīng)驗(yàn)，液冷回路內(nèi)水處理不到位將導(dǎo)致微生物聚集，從而造成通水孔和過濾器堵塞，并可能會導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)。但目前沒有一個(gè)嚴(yán)格確保EMU艙外服傳遞回路所有部分都進(jìn)行充分碘處理的方法以防止微生物污染發(fā)展。鑒于水泵在溫控系統(tǒng)的關(guān)鍵地位，為避免由于水泵故障造成溫控系統(tǒng)罷工，艙外航天服應(yīng)設(shè)計(jì)備份水泵；進(jìn)一步可將水泵設(shè)置為在軌可更換單元，有利于延長艙外航天服在軌使用壽命。另外給液冷回路增加水過濾系統(tǒng)也是一種解決方案，該過濾系統(tǒng)應(yīng)包括微生物過濾器、微粒過濾器和離子層等。

4)水升華器故障7起。水升華器是溫控系統(tǒng)的又一關(guān)鍵部件，水升華器無法制冷時(shí)會導(dǎo)致服內(nèi)溫度升高，進(jìn)而引起面窗起霧，嚴(yán)重影響航天員出艙視覺，甚至不能自主返回。其主要故障模式是內(nèi)部管路污染堵塞導(dǎo)致散熱性能下降或喪失。EMU升華器由1個(gè)通風(fēng)回路和液冷服水回路、1個(gè)濕氣收集器和2個(gè)可替換滲水不銹鋼多孔板組成。升華器最容易損壞的部件是滲水多孔板。在EMU艙外服計(jì)劃早期發(fā)現(xiàn)，來自閥門/支管的鋁氧化物、來自液冷回路管道的聚乙烯浸出物以及氯丁橡膠材質(zhì)貯水囊浸出的表面活化劑可能會堵塞升華器滲水孔，從而嚴(yán)重降低排熱性能。當(dāng)前EMU艙外服多孔滲透板幾乎作為消耗品使用，因?yàn)閴勖挥?77 h，而后需要強(qiáng)制替換或清洗。預(yù)防水升華器故障，應(yīng)在離開真空環(huán)境前關(guān)閉水升華器供水，讓水升華器充分干燥，并在出艙活動(dòng)返回后及時(shí)干燥供水回路，避免滋生微生物，堵塞孔道。

5)此外，液冷服斷接器和水溫傳感器因?yàn)閴勖狡诰霈F(xiàn)過故障，詳見表2。

2.1.3 通風(fēng)凈化故障

通風(fēng)凈化系統(tǒng)負(fù)責(zé)帶動(dòng)服內(nèi)氣體循環(huán)，凈化CO等有害氣體，降低服內(nèi)濕度。通風(fēng)凈化系統(tǒng)曾發(fā)生的故障詳見表3，主要包括以下類型:

表3 艙外航天服通風(fēng)凈化系統(tǒng)歷史故障Table 3 Recorded ventilation system failures of EVA spacesuits

1)風(fēng)機(jī)故障2起。和溫控系統(tǒng)中的水泵一樣，早期EVA美俄均發(fā)生過風(fēng)機(jī)故障，因此現(xiàn)在的艙外航天服中均配有備份風(fēng)機(jī)。進(jìn)一步將風(fēng)機(jī)設(shè)置為在軌可更換單元，有利于延長艙外航天服在軌使用壽命。

2)CO濃度異常4起。CO濃度主要由凈化裝置工作狀態(tài)決定。但是也應(yīng)重視CO傳感器的工作狀態(tài)，CO傳感器故障時(shí)也可能導(dǎo)致CO指標(biāo)異常。預(yù)防措施主要是在研制階段加強(qiáng)凈化裝置工作能力的測試驗(yàn)證，并將CO傳感器設(shè)置為在軌可更換單元，方便出現(xiàn)故障后在軌維修。

3)冷凝水進(jìn)入頭盔5起。美國EMU艙外服多次出現(xiàn)頭盔內(nèi)進(jìn)水現(xiàn)象，并在2013年ISS-36第2次EVA中造成嚴(yán)重后果，影響航天員返回并幾乎威脅到航天員的生命。據(jù)調(diào)查，頭盔中的水來自于便攜式生命保障系統(tǒng)(Personal Life Support System，PLSS)的冷凝水(通風(fēng)系統(tǒng)中的水汽經(jīng)過水升華器后冷凝成的水)，由于風(fēng)扇-分離器-泵電機(jī)組件的分離器故障，不能完成原設(shè)計(jì)的冷凝水提取功能，導(dǎo)致了頭盔進(jìn)水事故。俄羅斯海鷹系列艙外服采用了不同于美國EMU艙外服的通風(fēng)系統(tǒng)水氣分離原理，沒有出現(xiàn)過該類型事故。中國艙外航天服通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與俄羅斯相近，與美國差別較大，出現(xiàn)冷凝水漏水故障的概率微小。為應(yīng)急處置該類事故，美國后續(xù)在EMU艙外服頭盔中放置了一塊可以拆卸的海綿，用于吸收意外情況下頭盔中的游離水，防止航天員溺水。為防止其他意外情況的游離水(如飲水袋漏水、液冷斷接器漏水)，該防護(hù)措施值得借鑒。

4)風(fēng)少錯(cuò)誤報(bào)警1起。俄航天服出現(xiàn)過因服內(nèi)濕度過高導(dǎo)致傳感器異常，進(jìn)而產(chǎn)生了通風(fēng)不良的報(bào)警。預(yù)防該類問題的方法是對服內(nèi)傳感器經(jīng)歷的環(huán)境剖面進(jìn)行深入分析，加強(qiáng)產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)考核；另外出艙過程中，地面監(jiān)測人員應(yīng)結(jié)合風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、濕度等多參數(shù)聯(lián)合判讀是否誤警。

5)凈化裝置故障1起。早期美國艙外服發(fā)生過凈化裝置中的氫氧化鋰粉末被通風(fēng)系統(tǒng)帶到眼部，引起眼睛不適的事故。預(yù)防該故障的主要措施有:①提高凈化裝置抗力學(xué)環(huán)境性能，避免在振動(dòng)過程中藥盤散裂；②在出艙前加強(qiáng)對凈化裝置狀態(tài)的監(jiān)測，適時(shí)檢查通風(fēng)系統(tǒng)濾網(wǎng)狀態(tài)。

2.1.4 人因類故障

出艙活動(dòng)中出現(xiàn)的人因類故障詳見表4，主要包括以下3類:

1)壓力服適體性6起。艙外航天服在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免加壓后的服裝對人體的壓迫(特別是手套部位)，并在可能碰撞部位，如肘、肩、腰、頭部等進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

2)視覺工效7起。面窗起霧是EVA過程中經(jīng)常遇到的問題之一，起霧后嚴(yán)重影響視覺，航天員無法正常工作，甚至找不到回艙的路徑。后期雖然通過防霧劑解決了面窗起霧問題，但是帶來了一個(gè)副作用是航天員眼睛受到防霧劑刺激。2011年STS-l34/ULF6的出艙任務(wù)快要結(jié)束時(shí)，航天員費(fèi)斯特爾頭盔上的防霧溶劑掉入他的眼里，刺激產(chǎn)生的刺痛讓他淚流不止。在太空流淚的最大問題是由于失重，眼淚不會從眼睛里流出來。目前普遍使用的防霧劑是含有親水基團(tuán)的低分子量分散劑，親水基團(tuán)能吸附空氣中的水分子，在透明物體表面潤濕、擴(kuò)散，形成水膜，從而避免結(jié)霧現(xiàn)象的發(fā)生。防霧劑與面窗表面之間通?？课锢砦浇Y(jié)合，防霧劑吸水后因粘合力弱容易從面窗表面流失。該案例啟示應(yīng)高度關(guān)注防霧劑在吸水后的粘附性能，避免防霧劑吸水漂離或者研制對人體無刺激型防霧劑。

3)人員誤操作7起。盡管航天員在地面經(jīng)過了大量訓(xùn)練，但在出艙活動(dòng)中出現(xiàn)人員誤操作而導(dǎo)致故障的現(xiàn)象依然存在。表4中列出了歷史上出艙活動(dòng)中由于航天員操作失誤而造成的故障，約占總故障事件的7%。始終存在出現(xiàn)誤操作的風(fēng)險(xiǎn)是載人航天的特點(diǎn)之一。這就要求艙外航天服具備較高的防誤操作能力，同時(shí)具備在被誤操作情況下保證航天員基本安全的能力。

表4 出艙活動(dòng)艙外航天服工效問題Table 4 Ergonomic problems of EVA spacesuits

2.1.5 通信故障

在出艙活動(dòng)過程中，通信出現(xiàn)過的問題包括天線問題(損壞和天線電連接器松動(dòng))和視覺溝通缺乏，詳見表5。

表5 艙外航天服通信歷史故障Table 5 Recorded communication failures of EVA spacesuits

1)天線。早期美國EMU艙外服使用的天線為非織物天線，容易在出艙過程中損壞。俄羅斯海鷹艙外航天服采用織物天線，與服裝本體共形，避免了凸起天線損壞的風(fēng)險(xiǎn)，但是撞擊導(dǎo)致電連接器松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。預(yù)防該問題的措施是在天線電連接器外側(cè)加裝防護(hù)罩。

2)視覺溝通。早期出艙活動(dòng)時(shí)僅能給航天員之間提供語音溝通信道，在需要配合完成大型復(fù)雜任務(wù)時(shí)，航天員之間視頻通信的需求就尤為迫切。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在新一代艙外航天服中實(shí)現(xiàn)航天員之間的視頻溝通指日可待。

2.2 出艙機(jī)動(dòng)裝置

出艙機(jī)動(dòng)裝置是為實(shí)現(xiàn)航天員在太空自由行走而研制的個(gè)體裝備。表6所示為出艙機(jī)動(dòng)裝置從1984年首次使用至今的歷史故障，主要故障集中在環(huán)境適應(yīng)性、機(jī)械組件啟動(dòng)性能等方面。

表6 出艙機(jī)動(dòng)裝置歷史故障Table 6 Recorded EMU failures

2.3 其他

其他出現(xiàn)過故障的產(chǎn)品還包括放電環(huán)、飲水袋、臍帶斷接器、尿收集裝置、安全系繩掛鉤等，詳見表7。在出艙產(chǎn)品研制過程中應(yīng)重視相應(yīng)的性能驗(yàn)證及在軌使用操作驗(yàn)證。

表7 艙外航天服其他故障Table 7 Other EVA spacesuit faults

其中有1起由于超過艙外航天服使用壽命引起的故障。1993年俄羅斯Mir，PE-14，EVA 4中使用的是Orlan-DM，編號為N14的艙外航天服，該服裝設(shè)計(jì)壽命為4年10次。但是截止當(dāng)時(shí)該套服裝已經(jīng)由5位不同的航天員使用了13次，最終因供氧系統(tǒng)失效結(jié)束了使用。

此外還有2起因月塵引起的磨損和裝配困難事件，該類故障提示在登月服的設(shè)計(jì)中必須考慮防塵措施。國內(nèi)已經(jīng)開展了月塵防護(hù)方面的研究，主要有添加防護(hù)罩法以及靜電防護(hù)法。

值得注意的是，在軌操作時(shí)管路、線纜纏繞是不可忽視的問題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行失敗。產(chǎn)品、程序設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮操作路徑，設(shè)置管路、線纜臨時(shí)固定點(diǎn)，避免該類問題產(chǎn)生。

3 故障嚴(yán)重性分析

載人航天是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，出艙活動(dòng)更是如此。所幸在歷次出艙活動(dòng)中(本文統(tǒng)計(jì)截止到2021年6月)沒有出現(xiàn)航天員死亡的情況。其中由艙外航天服造成航天員損傷共有15起，造成出艙活動(dòng)提前終止(或取消)共有13起，占比均為3%左右。

3.1 航天員損傷

由艙外航天服造成航天員損傷的15起故障中，航天員受傷的情況主要分為以下3種(圖3)。

圖3 艙外航天服故障造成航天員損傷的情況Fig.3 Types of astronaut injury caused by EVA spacesuit

1)眼部刺激。美國航天員在多達(dá)8次任務(wù)中遭受到了眼部刺激，其中5次由防霧劑引起，1次眼部受到刺激是由凈化裝置故障導(dǎo)致。眼部刺激事件發(fā)生比率占到了航天員損傷事件的57%，必須高度重視眼部的安全性。

2)肢體機(jī)械損傷。肢體機(jī)械損傷主要是指肢體與服裝接觸部位被壓迫、撞擊而疲勞或者破損。部分損傷并不是僅由艙外航天服引起，同時(shí)涉及到任務(wù)規(guī)劃問題和工具工效問題，但考慮到艙外航天服作為個(gè)體防護(hù)裝備應(yīng)該保護(hù)著服者的健康安全，該部分情況也納入本文統(tǒng)計(jì)中。肢體機(jī)械損傷在20世紀(jì)80～90年代的美、俄出艙活動(dòng)中發(fā)生過5起。通過不斷改進(jìn)手套、上軀干形態(tài)，到如今的艙外航天服獲得了較為滿意的適體性。該類故障在2000年以后的出艙活動(dòng)中已經(jīng)很少見諸報(bào)道。盡管如此，采用新的設(shè)計(jì)手段追求更好的適體性是艙外航天服研制不懈追求的目標(biāo)。

3)熱燒傷。熱燒傷僅在1966年的Gemini 9出艙任務(wù)中發(fā)生過1次。熱防護(hù)層是艙外航天服為航天員提供被動(dòng)熱防護(hù)的重要組件。1966年雙子星9號出艙活動(dòng)中，航天員尤金˙賽爾南由于身體過度用力，其艙外航天服背部外層被劃破，受太陽光照射，他的背部被曬傷。光熱還損壞了服裝的生命保障系統(tǒng)。該事故警示不應(yīng)忽視熱防護(hù)層，特別是軟結(jié)構(gòu)熱防護(hù)層意外損壞的影響。艙外航天服熱防護(hù)層損壞時(shí)應(yīng)及時(shí)返回，避免對航天員造成進(jìn)一步損傷。另外還應(yīng)考慮真空隔熱屏蔽服的在軌維修措施等。

3.2 出艙活動(dòng)提前終止

由于艙外航天服故障造成出艙活動(dòng)提前終止或取消的情況共13起，近期導(dǎo)致任務(wù)提前終止的主要故障類型是美國EMU艙外服的冷凝水進(jìn)入頭盔，總結(jié)起來主要有6種故障類型分布(圖4):

圖4 艙外服導(dǎo)致出艙活動(dòng)提前終止/取消的情況Fig.4 Early termination/cancellation cases of EVA caused by EVA spacesuits

1)壓力防護(hù)失效2起；

2)供氧問題3起，其中2起由誤操作供氧系統(tǒng)的閥門導(dǎo)致；

3)熱控問題2起；

4)風(fēng)機(jī)故障1起；

5)CO濃度超標(biāo)3起；

6)冷凝水進(jìn)入頭盔2起。

除了最基本的壓力防護(hù)需求，艙外航天服內(nèi)的氣體成分、溫度以及游離水等多余物均可能影響到航天員生命安全。因此出艙過程中需要密切關(guān)注艙外航天服的各項(xiàng)指標(biāo)，必要情況下及時(shí)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃。

4 小結(jié)

作為出艙活動(dòng)中的關(guān)鍵設(shè)備，艙外航天服在軌發(fā)生過的故障是寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過對美俄兩國艙外航天服歷史故障的梳理，按照故障原因分類并根據(jù)發(fā)生頻次由多至少排列依次是:熱控系統(tǒng)故障、人因類故障、壓力防護(hù)故障、通風(fēng)凈化系統(tǒng)故障、出艙機(jī)動(dòng)裝置故障、其他和通信故障。從艙外航天服歷史故障事件中可得到如下的啟示:

1)熱負(fù)荷、CO凈化效率、服內(nèi)環(huán)境等關(guān)鍵指標(biāo)應(yīng)全面覆蓋實(shí)際出艙活動(dòng)任務(wù)的需求，盡量避免因能力設(shè)計(jì)不足而影響出艙活動(dòng)任務(wù)的正常開展。

2)對于艙外手套、防護(hù)層、水泵、風(fēng)機(jī)等出現(xiàn)過多次故障的產(chǎn)品，研制中應(yīng)通過冗余設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)提高其可靠性，并合理設(shè)計(jì)在軌維護(hù)檢查手段，將潛在的問題在出艙前準(zhǔn)備階段及時(shí)暴露并解決。此外，將上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)為在軌可更換部件，方便在軌維修，可節(jié)省總?cè)蝿?wù)的成本。

3)在軌出艙活動(dòng)準(zhǔn)備及過程中，人員誤操作難以避免。由于艙外航天服的重要性，可能即使很小的誤操作都將給出艙活動(dòng)安全性、工作時(shí)間等帶來較大影響。因此在艙外航天服產(chǎn)品設(shè)計(jì)、操作程序設(shè)計(jì)中應(yīng)重視防誤設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)使用者的培訓(xùn)，努力降低誤操作帶來的故障。