航天员太空出舱模拟图。中国航天科技集团五院供图
赵阳（右）辅助航天员进行水下训练。中国航天员中心供图?孔方舟/摄
7月4日，在中国空间站天和核心舱内外，神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波携手打赢了一场约7个小时的太空出舱配合战。
这是继年神舟七号载人飞行任务后，中国航天员再次实施的空间出舱活动，也是我国空间站阶段航天员首次出舱活动。
太空出舱在“天宫”上演期间，中国航天员中心的航天员教员赵阳实时盯着屏幕上的出舱画面，为地面作后续任务的航天员同步解读出舱程序。为了这次出舱活动，他曾和航天员一起在水下训练4个月，忙起来一天只睡4小时。
出舱任务成功的消息让他长舒一口气。他想起来航天员常说的那句话：“纵然脚下没有土地，但我依然能够坚定地迈出每一步；纵然飞行没有翅膀，但我依然能够勇敢地张开双手。”而在航天员出征宇宙的道路上，他们这些航天员教员始终在身边。
天上做的每一个动作，都有地上的模拟训练
年9月27日，神舟七号航天员翟志刚完成出舱太空行走，成功返回轨道舱，标志着我国历史上第一次太空行走成功完成，更标志着中国成为继美苏之后，第三个独立掌握空间出舱技术的国家。
而从今年开始，我国将有更多的航天员漫步太空。7月4日，刘伯明和汤洪波的出舱活动，就是一个开始。
与神舟七号突破出舱技术相比，此次空间站任务，航天员出舱时间将由半小时提升到6小时以上：空间站舱外建造、舱外设备安装、维护、维修、更换和试验样品回收等等，都需要出舱活动。
年，赵阳就被任命为航天员出舱活动主教员，参与完成了神舟七号任务出舱活动训练。从年开始，他承担起航天员空间站出舱活动模拟训练的任务。
他告诉记者，天上做的每一个动作，地上的模拟训练就必须反复练，直到形成身体的肌肉记忆。
在航天员出征前，赵阳经常和他们一起泡在水槽里，每天要按照出舱活动6小时的标准，开展作业技能训练。
赵阳介绍，为了全面模拟太空的种种特殊环境因素，光模拟训练就分解为出舱活动模拟器、水槽、低压舱等多个训练现场。
这些现场中，航天员将处于悬吊、低压和水下等特殊环境，不确定因素多，危险系数大。因此，航天员顾虑的，教员必须先想到；航天员做到的，教员必须先做到。
“要为中国航天探寻舱外活动训练的道路，并形成模拟失重环境舱外活动及作业训练标准，难度之大，可想而知。”赵阳说。因为，无论有多努力，地上是无法完全模拟天上的实际情况。这一点，他十分清楚。
出舱期间需要应急返回怎么办
航天员在出舱活动期间，需要应急返回怎么办？
在7月4日的出舱活动中，就有一场应急返回演练，主角是汤洪波。
在这项工作中，汤洪波要徒手爬到空间站天和核心舱最远处。接到撤离指令后，他第一时间折回，以最快速度返回舱口，并直接进入节点舱。
中国航天科技集团五院空间站系统总体副主任设计师汤溢说，舱外活动非常考验航天员的臂力，人在失重环境下很难控制自己，轻轻移动就出去了，可要想停下来就得花很大力气。
事实上，这种应急返回场景，航天员在地面时就曾多次在水中演练，为的就是必要时刻为自己赢得一线生机。
赵阳说，训练，就要将各种可能的情况都得训练到。
“为了确保训练设计能够满足要求，立足最极端的情况——航天员在空间站最远端的工作点，而机械臂万一出现故障，不能转运航天员返回，航天员只能自主应急返回。”赵阳说。
回舱的路拐来拐去，并不顺畅。
直线路径约10多米的距离，航天员必须依靠安全系绳，借助舱壁上的固定扶手，绕开太阳翼支座等多个大障碍物，在多次调整身体姿态后才能安全、快速地返回。
在水深10米、直径23米的巨大水槽中，空间站水下训练模型如同一个庞然大物，静静卧在水底。
这就是模拟出舱训练的主要现场。
要突破地面的条件限制，尽可能模拟外太空环境。赵阳严格设计训练场景，分解到每个动作，帮助航天员迅速、安全地找到返回的路。
每次训练，他与航天员一起，将应急返回的时间一分一秒地缩短。
前期，赵阳穿着水下服一口气在水下练了5小时58分。虽是模拟太空出舱，但由于并非处于失重环境，水的阻力很大，举手投足十分费劲，几个小时下来，浑身酸痛。
事非亲历，不知其因。经过多次反复训练，赵阳总结出了训练的重难点，找到了最佳操作角度。以机械臂状态设置为例，他花了两个半小时找到了最佳坐标值，正式训练时，按照坐标值，两分钟就可以设置好。
作为出舱活动训练组组长，赵阳参与编写的《航天员出舱活动训练实施方案》，包括水下训练方案细则、指挥程序等6个文件共80多页。训练涉及的数百类上千个产品，大到舱外服的训练次数，小到一个电极的型号数量，他都了然于胸。
航天员选拔与训练研究室副主任范继荣说：“别看他训练时主要在水下，其实他才是整场水下训练的幕后导演。”
航天员说：“有他在，我们安心。”
47道工序打造太空面窗
“每一起事故的背后，都有9次轻微事故和起未遂先兆，以及起事故隐患。”“成功是差一点点失败，失败是差一点点成功。”“质量第一，生命至上。”
这些标语在中国航天员中心的训练大厅、试验厂房、实验室到处可见。载人航天，人命关天，而出舱活动中，最关乎安全的，非舱外服莫属。
有人说，这公斤重的舱外服，就是航天员执行出舱活动的铠甲。它像一个人形飞船，充上一定的压力后，保护航天员的生命安全，抵御外太空的高低温、真空、强辐射等环境因素。
舱外服上的头盔面窗，则是航天员进行出舱活动时观察外界的窗口。
在7月4日的出舱任务中，刘伯明通过面窗看到太空景象，感叹道：“哇，这外面太漂亮了！”
“没有看到满天繁星吗？”之后，聂海胜又忍不住问。
赵阳告诉记者，头盔面窗有多层，最里层名为双层压力面窗，它是整个头盔的承压密封结构，呈曲面型，直接关系到航天员的生命安全。要做到绝对安全可靠，且不说它的承压材料要经过多少轮的选择、测试，光密封加缝合就耗时两个月，一共完成47道工序，涉及的工艺规程文件摞起来约10厘米厚。
这些工序包括除尘、粘胶、缝合、密封等，听起来简单，但流程相当复杂、严格、细致。就拿面窗除尘来说，要先吹洗，再不间断擦拭两小时左右，直到肉眼看不到一丝灰尘。
中国航天员中心研装部副部长邓小伟介绍，粘胶要分多轮逐步进行，每次粘胶完，都要将其放到恒温恒湿箱里进行胶固化，再进行气密性测试以及低温露点测试，可视区还要进行充分的氮气置换，防止夹层中残留的水汽在低温情况下起雾影响视线。
这一套严密的工序，是邓小伟带着车间工人花了近一年的时间研制摸索，做了10多套样品后确定的工艺标准。空间站任务中新型舱外服、新型面窗，一切都在摸索中前进。
一次，在对可视区夹层进行氮气吹除时，有两粒胶的碎末，进入密封的面窗夹层。
这两个碎末也就沙粒大小，吸附在面窗夹层下沿，理论上对视觉没什么大的影响，却成了技师的“眼中钉”“心头刺”。他们尝试了各种办法，最终只能将碎末扫除到边缘区域，就是无法吸出。
邓小伟说，为了做出完美的面窗，他们从生产流程入手，改变生产工序，采用先预埋空心针再进行内外层面窗粘合的方法，彻底解决了密封胶穿刺产生多余物的这个问题。
一个面窗尚且如此精益求精，一套由余个单机产品组成的舱外服，其复杂程度可见一斑。
奋战6年研发太空跑步机
保障航天员在轨生命安全的舱外航天服和环控生保产品固然重要，保障航天员在轨健康的医监医保设备同样重要。比如，在空间站任务中首次亮相的太空跑台。
很多人还记得在神舟十一号飞行任务中，景海鹏和陈冬太空跑步的情形。当时，他们做的就是跑台束缚系统技术验证。景海鹏和陈冬穿上束缚装置，在简易跑步装置上试验了多次以后，终于轻松自如地跑起来。
研究表明，航天员在太空失重环境中容易产生心肺功能减弱、血量减少、下肢肌肉萎缩、骨流失等问题，长期下去会影响航天员的健康和在轨工作能力。太空跑台就是针对这些不利影响而采取的一项防护手段。在神舟十二号任务中，航天员每天运动时间一般不少于两小时。
跑台设计人员余新明告诉记者，太空跑台与人们所见的跑步机外观类似，不同的是，由于太空的微重力环境，跑台要有隔振设计、束缚带和力负荷加载装置等。
对于中国航天员中心健康保障工程室的跑台设计团队，横亘在他们面前的“拦路虎”就是隔振设计。
余新明说，由于跑步时，人体足底需要承受3到6倍自身体重的冲击力，会对空间站产生严重的影响。他们研究后发现，采用隔振设计，将冲击力降到30公斤以内，既保持跑台自身的相对稳定性，又不影响空间站上其他设备的运行。
没有任何经验借鉴，太空跑台设备研制整整用了6年，这其中隔振设计从理论研制到工程实现就跨时4年。
如何模拟太空失重环境得到精确的设备参数值？研制团队想方设法将跑台悬吊起来，人躺在坐垫上，将腿部悬空束缚在跑台上，躺着跑步，然后在跑台各个方向测冲击力。他们选取了不同性别、年龄、身高、速度的情况全面科学采集数据。反复测试，反复调整设备参数。
“当时试验就在一个空荡荡的车间里进行，正值冬天，车间没有暖气，门还敞开着，大家在现场被冻得瑟瑟发抖。”余新明说。就这样持续了一个月，终于获得了正确的设备参数。
此时，他们又碰到下一个“拦路虎”：跑台使用时产生轻微噪声，不符合空间站噪声标准。
项目副总师刘伟波带领团队人员前往厂家。他们用噪声计测，趴在跑台各处用耳朵仔细分辨，最后定位到数十个具体噪声源部件，经过一遍遍调整，一次次拆装，一场场测试后，噪音下降到一定数值后，就不再下降了，但离标准还差一点点。
眼看着山穷水尽了，厂家人员说：“跑台使用时才产生噪音，又不是全天候都有，而且就差一点，大不了戴个防噪音耳罩，影响不大。”
刘伟波坚决表示反对：“不行！”
他的理由很简单，一切上天的设备，都要考虑航天员的身心健康，必须给他们创造舒适的环境，要尽力减少噪声源。
最终，他们采用愚公移山的笨方法，把0来个零配件逐一进行审查、完善装配工艺。在所有的零配件工艺都优化了一遍后，噪音数值终于达标。
6月28日，空间站核心舱的摄像机拍到这样的画面：聂海胜在跑台上迈着“太空步”，汤洪波则取过相机，为他拍下跑步的音像资料。
航天员时刻保持良好的身心状态，这是为了7月4日的首次出舱任务，也是为了下一次的太空出舱作准备。
在地面进行研发试验的空间站核心舱机械臂。中国航天科技集团五院供图
百变金刚“中国臂”究竟神奇在哪儿
当天8时11分，航天员刘伯明成功开启天和核心舱节点舱出舱舱门。截至11时02分，刘伯明、汤洪波已先后从天和核心舱节点舱成功出舱，并已完成在机械臂上安装脚限位器和舱外工作台等工作。
在此次出舱任务中，空间站核心舱机械臂首次托举刘伯明到指定位置圆满完成出舱操作，抬升天和核心舱舱外全景相机的位置，并验证了机械臂的大范围转移能力。
空间站核心舱机械臂是目前我国同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统。这条被称作百变金刚的“中国臂”，自从上了天就备受
中国航天科技集团五院空间站机械臂控制系统主任设计师梁常春说，核心舱机械臂展开长度为10.2米，最多能承载25吨的重量，是空间站任务中的“大力士”，其主要承担舱段转位、航天员出舱活动、舱外货物搬运、舱外状态检查、舱外大型设备维护等八大类在轨任务，为航天员出舱顺利开展出舱任务提供强有力的保证。
据他介绍，空间站核心舱机械臂是我国首个可长期在太空轨道运行的机械臂，其肩部设置了3个关节、肘部设置了1个关节、腕部设置了3个关节，一共7个关节，每个关节对应一个自由度，“就如同人的手臂一般，具有七自由度的活动能力”。
在这次出舱任务中，3名航天员都有明确分工。出舱的两名航天员，一人要为机械臂安装上臂支架，包括脚限位器、工作台等，随后借助机械臂进行移动。另一名航天员借助舱壁上安装的扶手，爬行一段距离到作业点进行辅助工作。
梁常春告诉记者，由于核心舱机械臂采用“肩3+肘1+腕3”的关节配置方案，肩部和腕部关节配置相同，意味着机械臂两端活动功能是一样的。
同时，机械臂的肩部与腕部各安装了一个末端执行器，作为机器臂的触手，末端执行器可以对接舱体表面安装的目标适配器，机械臂通过末端执行器与目标适配器对接与分离，同时配合各关节的联合运动，从而实现在舱体上的爬行转移。
梁常春说，为实现整个机械臂的平稳运行和精确定位，空间站机械臂各处装有“控制大脑”，包括1套机械臂中央控制器、7套关节控制器和两套末端控制器。
航天员出舱后靠啥与地面联系
进行出舱活动时，与地面建立高速及时的通信联系尤为重要，出舱活动不仅是对航天员的全方位考验，也是对空间站天和核心舱与地面测控站间通信能力的一大考验。
中国航天科技集团五院空间站系统副总设计师柏林厚表示，该院研制的第三代中继终端产品，通过与中继卫星天链一号和天链二号建立中继链路，实现中继通信，确保航天员与地面通信的实时畅通。这就好比在太空搭建了地面与中继卫星、中继卫星与航天员之间的“天路”。
值得一提的是，空间站中继终端与其他型号在设计上最大的区别在于，为了保证在轨使用的寿命，需要具备在轨可维修性。空间站中继终端采用集成化、模块化的设计思路，在保证传输信号质量的同时，方便航天员维修更换。
柏林厚表示，该院研制的出舱通信子系统，实现了舱内外航天员之间、舱内外航天员与地面人员之间以及舱外航天员之间的全双工语音通信，在航天员舱外活动范围内实现无线通信全覆盖。
与上一代出舱通信系统相比，最新的出舱通信子系统具有通信距离更远、通信速率更高、工作寿命更长等特点，同时由于采用了功率控制、抗多径等措施，具有更强的空间环境抗电磁干扰能力，并支持多名航天员同时出舱活动时的通话功能。
柏林厚表示，舱外图像传输子系统为舱外提供无线网络覆盖，通过出舱无线收发设备提供的“热点”进行图像传输，实现了航天员出舱活动进行实时显示、实时记录等功能以及为太阳翼绕行测量试验提供数据传输功能。
首次亮相的“出舱工具包”都有啥
为航天员执行出舱任务的“机械伙伴”——舱外维修与辅助工具也首次亮相。
此次刘伯明、汤洪波身着的新一代“飞天”舱外航天服为中国自主研制，航天服经改进后，能满足身高1.6米到1.8米的人穿着，还能根据航天员的体型进行调整，且穿脱方便快捷。
此外，柏林厚介绍，舱外维修与辅助工具由五院研制，可协助航天员有效克服在轨着航天服状态下手套充压后操作不便、航天员需单手操作难度大、在轨防飘要求高等难题，具备辅助航天员在轨着航天服状态下开展舱外行走、位姿转换、设备更换、产品安全防护等多项功能，是航天员执行舱外活动必不可少的工具。
他告诉记者，为了确保舱外维修与辅助工具的健康状态良好，满足首次出舱任务需求，在首次出舱之前，航天员已在舱内进行了维修工具的健康状态检查、使用状态设置等各项工作，确保满足出舱应用需求。
据他介绍，舱外维修与辅助工具不仅有用于舱外设备维修的舱外电动工具、舱外扳手、通用把手等工具，也有各种配合航天员舱外姿态稳定、转换的便携式脚限位器、舱外操作台等辅助工具。
作为空间站维修工具产品的“一号选手”，舱外电动工具是此次维修任务用到的唯一一个机电类工具，可以适应舱外复杂的真空和高低温环境，具有定力矩拧紧、拧松的工作模式，并且设置有休眠模式。
柏林厚介绍，舱外辅助维修工具包含便携式脚限位器、舱外操作台、两种便携式安全带及微型工作台。便携式脚限位器是此次维修任务中机构设计最为复杂的产品，共设计旋转、俯仰、滚转、偏航4个关节自由度，可协助航天员在舱外调整至执行任务的工作姿态。
神舟十二号航天员乘组自6月17日进驻天和核心舱以来，按计划开展了各项工作，目前3名航天员状态良好，后续在轨飞行期间还将进行一次出舱活动。
“这外面太漂亮了！”
在7月4日神舟十二号航天员乘组首次出舱任务中，航天员刘伯明的这一声感叹刷屏了。地球上的人几乎是第一时间从电视里听到这句话，与航天员一起分享喜悦，这种“信息同步”离不开我国中继卫星系统的支撑。
北京空间信息传输中心地面站工程师罗*告诉记者，“从年翟志刚的‘我已出舱，感觉良好’，到年刘伯明的‘这外面太漂亮了’，中继卫星系统每次都能记录下航天员出舱时的第一声赞叹，每次都能将中国人在太空中的身影第一时间传回。”
年，航天英雄杨利伟进入太空，中华民族千年飞天梦圆。其间，他数次与地面控制站进行“天地通话”，但每次都有着严格的时间窗口限制。
那时，我国境内的观测站有效保持通信时间是相当有限的。而“天链”系列中继卫星的诞生，在很大程度上解决了这个问题。
简单来说，中继卫星就是太空数据“中转站”，可为中、低轨道航天器提供天基测控、数据中继服务。这相当于把地面测控站提升到几万公里的轨道高度，依照各类航天器、飞行器不同的数据应用部门，把它们产生的各类数据分别进行实时转发，这样，既提高了数据回传时效性，也增强了应急协调联动能力。
据北京空间信息传输中心专家介绍，一颗“天链”卫星能观测到中、低轨道航天器的一半轨道，两颗“天链”卫星能覆盖大部分轨道，三颗“天链”卫星组网就可实现全球覆盖。
年9月27日，航天员翟志刚那句“我已出舱，感觉良好！”从遥远太空中的神舟七号飞船舱外传回地面，又通过新闻直播传遍全球，引爆了国人空前的逐梦太空热情。
这也是“天链”系列中继卫星系统在载人航天任务中的“首秀”。
年，在天宫二号与神舟十一号载人飞行任务中，天链一号卫星为自动交会对接、手控交会对接、飞船撤离、返回及搜救回收提供了全过程天基测控服务。同时，也为航天员景海鹏、陈冬与地面“天地通话”“天地双向视频通话”，提供了有力技术支撑。
如今，已经有两代5颗中继卫星遨游太空，“天链”01星的“弟弟”们接过了天基测控的接力棒，为空间站任务提供天基测控与数据中继服务。
在7月4日的出舱任务中，北京空间信息传输中心针对出舱活动持续时间长、测控连续性要求高等特点，在天链一号03、04星接力跟踪基础上，使用天链二号01星保障了航天员出舱活动的连续性。
罗*介绍，在此次时长约7小时的出舱活动中，各分系统密切配合，圆满完成了出舱活动的天基测控任务，为地面实时观测航天员出舱状态、航天员与地面之间对话沟通提供了有效高速的话音图像中继传输服务。
在今年进行的神舟十二号任务中，我国自主研制的第二代中继卫星“天链二号”01星，首次亮相载人航天任务，二代中继卫星系统具备更广范围的全景波束，更高速率的传输速度，更强能力的多目标支持等特点，两代系统接力组网，成为飞船与核心舱自主快速交会对接的重要测控手段之一。
罗*说，在太空中安装无线wifi、使用手机app、使用无线耳机通话……这一切，都有着“天链”中继卫星系统在背后的支撑。
地面站是中继卫星系统联天接地的重要一环，自空间站任务开启以来，罗*与其他分布在中国各地的地面站工作人员一直坚守在岗位上，确保天地间数据传输正常。为了完成此次出舱任务，他们提前进行了多次系统状态检查，充分考虑不良天气、应急事件处置等突发情况，制订了详实的方案预案，进一步提高了执行任务的稳定性、可靠性。
北京空间信息传输中心地面站站长王磊说：“无论是7小时、70小时还是小时，我们都将坚守岗位，认真监视链路状态，确保航天员与地面能够随时随地沟通，地面对空间站的状态能够全时全天候掌握。”
栏目主编：秦红
本文作者：中国青年报
文字编辑：李林蔚
题图来源：新华社
图片编辑：雍凯
