[科普中国]-载人航天器舱外活动系统

为完成特定的舱外飞行试验或服务任务，航天员在舱外空间环境下独自进行的，或在遥控自动操作装置与表面运输工具等协助下进行的运作，统称为舱外活动（ExtravehicularActivity，EVA)。舱外服务任务包括载人航天器的在轨装配与维修，空间有效载荷的布放、收回与照料，航天员营救，以及在星体(月球及火星等行星)表面的探测与建站。这些工作大都需要通过以航天员为中心的舱外活动才能有效完成。因此，舱外活动是载人航天工程的重大关键技术之一。2

1965年人类迈开了进入入外太空（真空环境）的第一步。1965年3月18日，苏联航天员列昂诺夫（A.Leonov)从上升2号（Voskhod2)飞船气闸出舱，这是人类首次舱外活动（12min);不到3个月，1965年6月3日，美国航天员怀特（E.White)从双子星座4号(Gemini-4)出舱活动（21min)。1969年7月20日，美国阿波罗11号（Apollo-11)飞船的登月舱降落在月球上；3个多小时后，7月21日2时56分(世界时），阿姆斯特朗（N.Armstrong)走出登月舱，接着，奥尔德林（B.Aldrin)也踏上月球，他们第一次在月球表面留下地球人的足印，揭开了人类在外星球进行舱外活动的新篇章。现在，舱外活动已成为“国际空间站’’（InternationalSpaceStation,ISS)不可或缺的例行运作，而人类不久将重返月球并登陆火星，将舱外活动扩展到太阳系行星空间。2

2008年北京时间9月27日16时35分12秒，中国神舟七号飞船航天员翟志刚开始开启轨道舱舱门；16时41分00秒，翟志刚身着“飞天”航天服出舱;17时00分35秒，翟志刚返回轨道舱，关闭轨道舱舱门。从开启舱门至关闭舱门，整个出舱活动持续时间25min23s。事实上，身着“海鹰”航天服的航天员刘伯明也同样暴露在真空环境中，经历了“舱内EVA”。中国成为继苏美之后第三个独立掌握舱外活动技术的国家。

宇宙空间环境恶劣，舱外活动系统可以保证宇航员在空间环境下能够生存和正常工作。随着世界各国相继发射航天器，太空中报废的人造天体不断增加，清理太空垃圾已摆上了议事日程。将各类卫星送入轨道布放，回收、维修过期、失效的卫星，空间救护以及建造空间站等，都需要宇航员“走”出舱外作业。因此，发展舱外活动系统对未来开发宇宙空间至关重要。2

EVA系统包括准备与进行EVA运作、完成特定EVA任务所需的所有硬件与软件，以及相关人员（航天员、载荷任务专家、地面任务保障专家等）。EVA系统是一个跨越空间的集成系统，按基本功能与组合状态，可分为三部分:EVA航天员装备系统;EVA空间支持系统;EVA地面试验、训练与保障系统(简称地面保障系统）。2

航天员装备系统为EVA航天员提供随身穿戴与装配的必需品，如舱外航天服、安全系绳、机动装置，以及必要的工具等，确保航天员具备舱外真空环境中生存、运动(肢体活动与空间移动）及自我营救的能力。这个系统的首要任务是为航天员生理活动与安全返舱提供技术上所能达到的最可靠的、最完善的保障。2

空间支持系统为EVA航天员运作提供必需的条件，包括舱内外所有支持EVA的设备装置（出/进乘员舱的气闸，服务与维修工具，协助乘员移动与工作的约束装置，提供远场作业平台的机械臂等）以及用于星体表面EVA运作的运输工具。此外，还包括航天员在轨训练设施。

地面保障系统为上述航天员装备系统与空间支持系统的产品（航天服、气闸、机械臂、运输车等）提供地面试验与测试设施，为航天员使用这些产品与EVA运作提供模拟训练设施与场地，为EVA运作提供监控设施与技术支持。地面保障系统包括重力减小设施，1-g设施（含热/真空试验舱及虚拟现实模拟装置），星体表面EVA模拟场地，EVA任务保障设施及专家系统。

EVA系统的配置及技术水平与EVA的任务需要、运作级别和运作环境有关。

按飞行任务需求，舱外活动有预计的、非预计的和应急的三种基本种类。预计EVA是为完成特定目标的标称飞行计划的一部分。非预计EVA不属于计划内预定的飞行计划，是在飞行任务期间，为成功进行有效载荷运作，或是为了推进总任务完成而附加的舱外活动。应急EVA也是非预计的，这是确保EVA航天员安全返回乘员舱所需的舱外活动。预计EVA的一个子类是快速响应舱外活动，

它必须在问题发现后的几小时内执行，通常与有效载荷的展开有关。快速响应舱外活动应对预计可能出现的问题，也是飞行前计划的，即使可能不执行，航天员也需为此作出准备。

以航天飞机或载人飞船为基地的EVA主要执行与有效载荷相关的任务，通常称为有效载荷EVA。按运作的复杂程度，有效载荷EVA可分为简单的、中等的、复杂的三个级别。简单的有效载荷EVA要求最少的专用工具、模型，或移动器件。现有的程序和技术可满足特定的简单EVA需要，因此仅需要最低限度的航天员训练。中等的有效载荷EVA要求研制新工具和新设备，开发新程序与新技术，同时航天员需要进行更广泛的训练。复杂的有效载荷EVA要求设计和研制复杂或精巧的工具与设备。由于航天员可能在进入作业现场或约束措施方面遭遇困难，因此，需要进一步扩展EVA程序与技术的开发以及航天员的训练活动。

按EVA运作的重力环境，舱外活动可分为两类：一类为在微重力环境下的舱外活动，另一类为离轨在星体表面重力环境下的舱外活动。前者以美国航天飞机与苏/俄联盟号飞船及“国际空间站”为基地的舱外活动为代表，后者为阿波罗飞船登月以'及未来在月球、火星等星体表面的舱外活动。星体表面的EVA要求航天员适应星体表面的地质环境，减轻航天员装备质量，改进航天服组件（如靴子等），提供表面运输工具，以及适合的模拟星体表面的训练场地。

舱外活动生命保障系统是一种非常紧凑的携带式系统。通常置于航天服的胸前或背后。前苏联/俄罗斯航天服的生命保障系统置于航天服后部的穿脱口盖板内，与航天服组成一个整体，控制航天服内部的大气环境并维持航天员的生命安全和良好的工作效率。

载人飞船舱外活动生命保障系统主要包括氧气通风回路、供水回路、液体传热回路、冷凝回路、主氧回路和辅助氧回路，其次还有控制及显示部分。图4.4为简化的生命保障系统示意图。

阿波罗便携式生命保障系统是一种自身齐全的、自带电源的生命保障系统。在舱外活动装备的结构布局中，生命保障系统佩戴在背部。生命保障系统供加压服以加压的氧气，清除并冷却排出气体,并使冷流体在液冷服中通过流体传输回路而循环流动;传输航天员的生物医学数据，并装有双工甚高频通信收发两用机。便携式生命保障系统有一个适于背部造形的玻璃纤维外壳和一个微流量防护罩，装有三个控制阀，并在一个分离的远距控制装置上设置二个控制开关和双显甚髙频收、发机的五位开关。远距控制装置置于胸前。3

便携式生命保障系统系紧于航天员背部，处于热及微流星防护服的外部。借助背带把它与肩部关节固定紧。不用时，贮藏在地板上或在左边中段的天花板上，航天员背驮式背包，连接加压服上的有关系统,并可绕过头部卸下携带式生命保障系统。

携带式生命保障系统可以工作7h,使用前必须加注氧气、水并更换电源。携带式生命保障系统的基本系统和回路包括主氧分系统、氧通风回路、供水回路、流体传输回路和电气系统。

便携式生命保障系统中的航天服通信装备提供基本双工声音通信和辅助性双工通信以及环境和生理遥测。所有的舱外活动装置的数据和声音必须通过登月舱和指令舱转播，通过S频道并发送到马歇尔空间飞行中心。在氧气冲洗系统上永久性地安装甚髙频天线。航天服通信设备中有二个音调发生器产生3kHz和1.5kHz报替音调送至通信帽接收机中。发音器借助高氧流，或者低通气流及低的气密服压力自动开机。两种音调易于鉴别。

便携式生命保障系统远距控制组件是一胸前安装的控制装置，上面装有风机开关、循环泵开关、航天服通信模式选择开关、音量控制、便携式生命保障系统氧贮量指示器、五状态指示器和一个氧气冲洗系统驱动连接装置。

氧气冲洗系统是一独立配套的、独立供电和高压不可充的应急氧气系统，可以供给30min可调节的冲洗氧气流。系统包括二个连在一起的球形高压氧容器，一个自动温度控制装置，一个氧气压力调节器，一个电池组，一个氧气接头和检测仪器。正常工作模式,氧气冲洗系统安装在便携式生命保障系统的顶部，应急工作时与便携式生命保障系统一起使用。紧急的舱外活动工作模式，系统安装躯体前下部，独立于便携式生命保障系统工作。此系统不具通信能力，但为航天服通信甚高频天线提供支架。登月舱中装有二具氧气冲洗系统。3

一、氧气通风回路

和飞船的生命保障系统一样，氧气贮存、供给和压力调节系统是保障航天员生命安全的关键部分。这个系统为航天员提供新鲜的氧气，供航天员呼吸并补偿系统的气体泄漏。氧气通风回路的氧气借助于通风机而循环流动，首先流入头盔和肢体末端。进入头盔的氧气为航天员头部散热，同时排除航天员呼出的二氧化碳、水蒸气和微量的污染气体。3

氧气由躯干部位流人，然后分流到四肢，最后携带着航天员代谢排出物又汇集到胸部流出航天服。从航天服流出的气体，首先通过净化装置清除掉二氧化碳和微量污染气体。二氧化碳由氢氧化锂吸收剂吸收，其它微量污染物由活性炭吸附。为检测通过二氧化碳和微量污染吸收装置的气体是否合格，在出口处安装一个红外式二氧化碳探测器，探测器输出信号输送到航天服控制板的显示器，为航天员提供信息。

航天员代谢产生的废热和二氧化碳反应产生的热，分别由通风气流和液冷服制冷流体带走，并通过水升华散热器从系统中排出。水升华散热器通过水的相变排出废热。气体冷却后，水气被冷却为液体，经水气分离器分离出来。3

系统中设置一个单向阀门和流量传感器组合件，在系统中发生应急情况时，可使氧气全部流入头盔，并在通风流量不足时为航天员发出报警信号。流出流量传感器的氧气流，进入躯干部位升温后再流回头盔，以防面窗结雾。

回路中的压力调节器发生故障时,整个回路的压力仍可维持。当过渡舱紧急复压时,可以用作负压控制。

充氧系统在正常舱外活动和舱内增压时，维持回路压力为28.3kPa。在舱外活动中冲洗回路工作或应急情况下，由辅助氧源维持回路压力为22.8kPa。

系统在开路情况下冲洗时可进行临时性工作。系统由于污染或其它原因需要冲洗时，航天员可直接操作安装在显示来制组件上的手动阀门，使通风供氧回路与外部空间相接通。此时供氧系统直接为航天员供氧，航天员则借体表蒸发进行散热，系统不进行主动温控。3

二、 供水回路

供水回路的功能，一是为传热流体回路提供水源，二是供给水升华散热器所需要的相变水源。系统中设有三个贮水容器，两个为主，一个备用。容器里的水是出舱前由飞船内的水箱加注的。容器供水的压力为103.4kPa,这个压力借助氧气回路维持。备用水容器在主贮水容器中的贮水用完后可再供水30min。供给水升华散热器的水通过调压器供应。水升华散热器的多孔板的一面与外部真空相通。水在通入多孔板时首先结冰，与外部真空相接触的冰直接升华为气体放出。在相变过程中吸收气和水回路带来的热量，不断地由冰升为汽。连续的供水结冰，借助于这个相变过程，源源不断地把航天员的代谢热散向宇宙空间。3

三、 液体传热回路

液体传热回路的功能是对航天员进行主动温控。系统采用水作为传热工质，通过一台离心泵循环流动。冷却水通过二气化碳和污染控制装置带走氢氧化锂吸收二氧化碳的放热反应所产生的热，然后流过液冷通风服带走航天员产生的代谢热。最后,温度升高的水流入升华散热器降低温度并循环流动。

航天员进行舱内活动时，备用的冷却管路把航天服和过渡舱保障系统连接在一起，维持航天员体温在舒适范围内。显示制组件上的控制阀可以手动控制液冷通风服的水温来满足航天员的散热要求。

四、 冷凝回路

航天员呼出的水蒸气充满氧气通风回路。为了维持通风气体的舒适标准，必须及时清除气体中的水蒸气,并将分离出来的冷凝水输送到供水回路作为相变散热的水源。分离水和气体的水/气分离器为两级结构:第一级将冷凝水和小股气流输送到第二级;第二级是一离心式分离器，借助离心力把冷凝水与气体分开。分离出来的水通过一个安全阀输入供水系统。气体通过风机返回通风回路。3

五、 主氧回路

主氧回路是贮存和控制航天员呼吸用氧并为航天服加压提供氧源的系统。系统中设置两个氧气容器，氧是由过渡舱中的保障系统加注的。航天服压力调节器调节航天服内的压力在规定范围内。供水压力调节器为贮水容器提供所需要的压力。航天服压力调节器的工作状况可由航天员通过显示/控制组件上的阀门进行手动调节。

六、 辅助氧回路

辅助氧回路的功能是提供辅助的压力调节，并在舱外活动时用于系统受污染的应急情况,以保证航天员的安全。开路清洗时,辅助氧回路可保证航天员在293W的代谢负荷下工作30min。此时，航天员的热负荷主要由体表蒸发来排除，航天员的热蓄积限制在316.3kJ。3

系统采用双级调压系统并设置有流量限制器。氧气容器的贮氧压力为0.414MPa,主氧用完时，辅助氧自动接通供氧,供氧压力22.1kPa,回路设有压力传感器，借此向航天员实时提供辅助氧回路的工作状况。

七、控制和显示分系统

控制和显示分系统包括:系统信息检测，系统参数控制和显示以及报警等部分，还包括电源及其控制系统。系统中的微型计算机用来控制和监视舱外活动系统的运行情况，并通过语音和视觉显示为航天员提供信息，对系统进行故障诊断和自检。为航天员提供的系统参数主要有:温度、压力参数和氧、水回路和电源系统的工作状态。对航天员舱外活动的程序也作为重要信息显示给航天员。

电源系统主要包括电池组和各种用电器。电池组为银锌电池,电压为16.8V。与座舱环控生保系统连接的胳带组件由软管连接加压服与环控系统、通信分系统以及仪器设备的接头组件组成。分立的氧气软管和电缆与每一航天员连接。氧气软管包括带有加强丝的硅橡胶管（内径31.8mm)见图4.5。接头为断接器形式，加压服端为31.7mm的90°弯头。每一组件包括二个软管，环境控制系统端的一个双通接头和加压服端的二个分立软管(供料及排料)。在不与加压服连接时，环控系统接头端仍保持连接状态。电缆载有声音通信、生物医学数据和音调脉冲电源，见图4.6。3

舱外航天服（EVAspacesuit)是集多层服装(EVAmulti-garments)与便携式生保系统（LifeSupportSystem，LSS)为一体的结构单元，为真空或近真空环境下的EVA航天员提供最基本的生存条件，即新陈代谢所需的氧气，适宜的温度与湿度，以及防止血管扩张的外部压力，因此，航天服是舱外活动系统必不可少的组成部分。其中，多层服装也称为航天服组件（SpaceSuitAssembly,SSA)。按所适用的舱外活动环境，航天服基本可分为两类：一类用于舱外微重力环境，另一类在星体表面重力环境中应用。代表当今微重力环境航天服系统技术水平的是美国舱外移动单元（ExtravehicularMobilityUnit，EMU)与俄罗斯海鹰-M(Orlan-M)航天服。2

美国航天飞机与“国际空间站”舱外活动航天员装备由舱外移动单元（EMU)及简易EVA自救装置（SimplifiedAidforExtravehicularActivityRes-cue，SAFER)两部分组成（参见图2、图3)。

（1）舱外移动单元（EMU）

舱外移动单元（EMU)是美国专门为微重力环境下舱外活动研制的航天服系统，主要为连为一体的航天服组件(SSA)与生保系统（LSS)构成的整体单元(参见图4)。此外，EMU还包括相关的辅助设备。EMU总质量约113kg，其中SSA的质量约38kg，标称工作气压为29.7kPa。

EMU航天服组件（SSA)仅用于航天员舱外活动，按系列标准尺寸制作(手套可定制），且可重复使用。SSA是一个拟人承压容器，封套航天员的躯干、肢体和头部。SSA在特定压力要求和泄漏准则下运作，当乘员执行舱外活动任务时，提供下列多种功能:(1)服内压力保持;(2)乘员移动；(3)乘员液冷分配;(4)氧气流通气体循环；(5)EMU无线电的乘员心电图数据的下行传输；(6)乘员与EMU无线电的接口；(7)乘员服内饮水;(8)尿液储存。2

EMU的生保系统（LSS)为舱外活动航天员提供安全、舒适的内部生活环境。乘员进行舱外活动时，LSS提供多种功能：（1)提供呼吸用的纯氧，驱除排出的二氧化碳;(2)服装增压，保持EVA期间服压为0.3bar(标准ISS气压的30%);(3)调节航天服内温度与湿度，使乘员保持凉爽；(4)乘员语音通信；(5)为乘员操作EMU提供显示和控制；(6)监测EMU消耗和操作状态;(7)连续7h的舱外活动生物医学监测。

按结构及主要功能，生保系统可划分为三部分：(1)主生保系统（PLSS);(2)备用氧系统（SecondaryOxygenPack，SOP);(3)显示与控制模块（DisplayandControlModule,DCM)。PLSS是一个背负组合单元，SOP是安装在PLSS底部的单独单元。PLSS和SOP—起构成EMU背包，安装在HUT后面；而DCM安装在HUT前面，便于航天员监视与操作。

EMU辅助设备由在EVA全阶段(包括在气闸中）支持EMU的硬件组成，包括(1)EMU头灯；(2)EMU剪刀；(3)EMU手腕镜；(4)EVA袖口核查单；(5)食物棒；(6)服内饮水袋注射器；(7)热防护连指手套;(8)LTA穿戴手柄；(9)应急工具；(10)高空病治疗适配器；(11)SOP检验装置；(12)DCM塞套；(13)准备套件；(14)维护套件；(15)生物套件；(16)气闸储物袋;(17)EVA袋；(18)补给与冷却脐带；(19)气闸适配器。2

（2）系绳与机动装置

系绳与机动装置是EVA航天员的又一项重要装备。舱外微重力环境中航天员的运动基本可分为两种情况：一种是舱外沿航天器表面的移行；另一种是脱开航天器表面的太空飞行。在移行过程中，航天员身系双重安全系绳，且可利用航天器外表面的扶手、足约束装置等辅助器件，安全进入目的位置。对这种情况，航天员可以不需要随身机动装置。然而，在卫星捕获、空间碎片回收等EVA任务中，航天员常需进行离开航天器的太空飞行，对此，一般应配备机动装置，以满足航天员姿态保持与特定飞行路径的需要，并确保航天员返舱安全。

“海鹰”（Orlan）航天服从20世纪60年代开始研制，最初是为了支持苏联的登月项目，计划用于月面重力环境，但苏联登月计划没有实现，Orlan月面航天服也从未使用过。后来，Orlan航天服的设计进行了适应性修改，用于苏联空间站的舱外活动，形成Orlan航天服系列，已投人使用的有4个型号，BPOrlan-D，Orlan-DM,Orlan-DMA及Orlan-M。从1977年12月Orlan-D首次用于礼炮6号空间站（Salyut-6),至2000年5月Orlan-M最后一次在和平号空间站应用，历时22年5个月。在此期间，共使用了22套〇rlan系列航天服，39位航天员成功进行了194人次舱外活动，共约800h。而且，有4套航天服的运作时间超过了3年。从2000年起，Orlan-M航天服开始在ISSEVA中使用。据有关资料，现在Orlan航天服的第5个型号Orlan-MK已于2008年9月运送至“国际空间站”，即将投入使用。Orlan-MK应用了计算机系统，具有智能化的特点。2

“海鹰”航天服技术特点：

(1) 采用硬质上躯干，且在后背处留有外开门，作为身着液冷服航天员穿脱航天服的进出口，生保系统设备安装在门的里面。这种半刚性背开门的服型，方便航天员穿脱航天服；航天员无需别人协助，即可在较短的时间内自行穿脱，缩短了出舱准备时间。此外，这种构型使航天服系统在结构上更加紧致，且省却了连通服装与生保系统的外部软管。

(2) Orlan系列的每个型式具有单一的标准尺寸，通过航天服软质肢体部件长度的调整，可适合不同身材的航天员。这个特点增加了航天服在有效工作年限内的使用次数。

(3) 0rlan-DMA与Orlan-M使用电源/通信/遥测集成单元，可进行在轨维修或更换，延长了航天服的使用寿命，并可为联用的UPMK(航天员转移与机动单元，相当于美国的MMU)或SAFER提供电能。2

(4) 改进后的Orlan-M可由ISSQuest气闸或Pirs气闸出舱，满足ISSEVA运作要求。

从2008年9月27日下午实况转播“神七”出舱活动电视画面，我们可以清晰地看到，身着“飞天”航天服的航天员翟志刚圆满完成了舱外活动任务。由实况转播可见:(1)航天员平稳出舱，动作自然地漫步太空，表明“飞天”航天服功能正常，舒适度良好；(2)航天员准确无误地移动与操作安全系绳挂钩，拆卸固体润滑剂实验装置，表明舱外手套的活动性、灵活性与触感良好;(3)航天员准确卸下实验装置，准确面对装在推进舱上的摄像机，表明面窗透明度与可视性良好;(4)航天员声音宏亮，清晰，无失真与杂音，表明“飞天”航天服通信系统工作正常，性能良好；(5)“飞天”航天服胸前的电控台清晰可见，在航天员视界范围内，表明电控台位置适合，面窗向下的可视性良好;(6)“飞天”航天服配置手腕镜，反光清晰。此外，我们也注意到以下情况：①航天员在太空没有使用足约束装置;②航天服没有装备机动装置;③电脐带对航天员活动有一定影响。2

“飞天”航天服(参见图15)为一次性使用，可靠度达0.997,可支持4h舱外活动。“飞天”航天服的质量为120kg，上躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构，壁厚1.5mm，抗压能力超过120KPa。“飞天”航天服内所有的设备都是双备份，甚至达到三重备份。航天服胸甲右下侧有两根一长一短的安全系绳，绳内有弹簧，最长可拉至3m，可承受1t的拉力。此外，腰部左侧还有一根“电脐带”，长8m,与飞船相连。电脐带用于传输航天员生理参数，也作为安全系绳的备份。“神七”“飞天”航天服在设计理念上与俄罗斯“海鹰”航天服接近，都是背包式，可自主控制。“神七”“飞天”航天服拥有3项新技术：①继承了舱内航天服的特点，在肘关节、膝关节上柔顺度更髙;②更多采用数字化技术代替模拟技术，包括语音和数据传输、信息采集等;③通信制式是CDMA，而不是过去的短波方式。就完成目前任务的能力而言，中国的“飞天”航天服接近国际水平。

航天员出舱方式可分为两类：（1）通过乘员舱的舱门直接出舱，主要用于乘员舱容积较小的载人飞船;（2）经由专用的气闸系统出舱，通常用于乘员舱容积较大且需多次舱外活动的航天飞机与空间站。闸门的开启/关闭机构、闸门密封件、泄压阀、复压阀、平衡阀，以及泄漏检测装置等是气闸系统设计的关键技术。

对仅有一个增压舱(气密舱）的载人飞船，如“双子星座”飞船，或阿波罗飞船的登月舱，EVA乘员一般由乘员舱舱门直接出舱。在这个过程中，整个乘员舱都要为出舱活动减压，不进行舱外活动的乘员也将暴露在真空环境中，即经历所谓“内部舱外活动”。对有两个增压舱的载人飞船，如联盟号飞船，EVA乘员可由轨道舱外舱门直接出舱，而非EVA乘员可留在返回舱中。在EVA期间，两舱之间的内舱门是密封的，返回舱保有增压环境。非EVA乘员可在返回舱内调节轨道舱的气压，控制轨道舱出舱舱门的开启与关闭。2

航天飞机与空间站通常应用气闸系统出舱。气闸出舱方式将减压区域限制在一个较小的范围内，航天器的主要居住部分仍保有大气增压环境，以减少舱内气体流失，节省有限资源。气闸系统将EVA乘员组与其余乘员分开，不出舱的航天员仍可在增压环境中穿飞行服，通过电视或航天器窗口监控出舱航天员的活动。气闸系统除了用于航天员出舱外，还可用于载人航天器的对接转移通道（如阿波罗-联盟号对接舱）。此外，在天体（月球或行星）表面舱外活动中，气闸可减少尘埃进入舱内。

航天飞机轨道器上的气闸系统为放置在乘员舱或货舱的气闸容器。气闸内闸门通向乘员舱;外闸门通向货舱（真空环境），为EVA闸门。置于货舱的外气闸还有第3个闸门，即对接闸门，用于与空间站的对接运作。轨道器气闸与通道适配器（TunnelAdapter)联用具有出舱、对接、运输多重功能。2

空间站的气闸系统通常为独立的舱段，按功能需求，可有下列构型：气闸舱（AirlockModule)，气闸/转移间（Airlock/TransferCompartment)，气闸/对接舱（Airlock/DockingModule)。空间站上的气闸系统首次出现在美国“天空实验室”(Skylab，1973—1979年）设计中，而后这一系统也纳入苏联第二代空间站（礼炮6号与7号，1977—1991年）与第三代空间站（和平号，1986—2001年）之中。2001年联合气闸舱（JAM)与Pirs气闸/对接舱装配在“国际空间站”上。

EVA约束装置是除了作为EVA航天员装备的安全系绳与约束系绳外，还有足约束装置、扶手，以及滑动线。

便携式足约束装置（PortableFoot-Restraint,PFR)。PFR最初的设计意图是，在应急活动期间，约束航天飞机货舱中的EVA航天员。当航天员在有效载荷湾系统的不同部件上进行临时(应急)操作时，便携式足约束装置可作为工作平台约束EVA乘员。这个系统应用足尖导向装置与足跟夹具作为接口，与EMU靴子连接，以此稳定EVA乘员。整个装置的质量为13.8kg，包括2节伸缩吊杆(在1.73〜2.44m区间内伸缩），1个中心线夹具，1个延伸臂和1个足约束平台，足约束平台具有倾斜和翻转调节功能。延伸臂或锁进中心线夹具中，或锁进伸缩吊杆任一端的附件(接头）中，为在任何标准扶手上工作提供约束。足约束平台安装在延伸臂上，延伸臂又锁进夹具中，因此可沿伸缩吊杆移动和锁闭。如果需要，阴螺纹管接头与延伸臂相连接，可以作为有效载荷，通过操作器足约束装置，为有效载荷工作现场提供约束。2

机械臂足约束装置（ManipulatorFootRestraint，MFR)。MFR对应用远距离操作器系统(RemoteManipulatorSystems，RMS)的EVA工作现场提供进入口。使用RMS抓钩固定装置将MFR固定在机械臂上，这是由航天飞机的尾部飞行甲板控制。在这个平台上不仅有足约束装置，还有把柄和定位件，用于装载附加设备和工具，将它们运送到所需的工作现场。

扶手为铝制管，设置在关键部位(如轨道器前方及后方舱壁上，货舱门的铰链，以及RMS末端操作器），用于辅助乘员平移或起约束作用，以完成一项具体工作。扶手与系绳连接点一起设计。

在货舱每一侧，装有两条滑动线，大约长14.02m,便于乘员和设备沿有效载荷湾前方及后方平移。

除此之外，空间支持系统还包括EVA工具和遥控自动操作装置。

地面保障系统为上述航天员装备系统与空间支持系统成功进入现场与运作提供保障设施。按功能，这些保障设施可分为两类，一类用于研制与试验EVA系统，以及培训以后使用EVA系统的人员，为预先试验与培训系统；另一类用于保障EVA系统在现场环境中展开的运作，为EVA实时保障系统。2

减小/失重设施包括机械平衡装置，中性浮力水槽，以及抛物线轨迹飞行的飞机。

舱外活动运作是一项复杂的集成系统工程，涉及出舱准备、舱外作业、进舱操作等全过程多方面技术，不仅包括与舱外活动直接有关的气闸系统，航天服系统，舱外机动装置，以及支持与辅助航天员舱外作业的遥控自动操作装置，星体表面运输工具等，还包括航天员装备与支持系统的地面试验设施，航天员训练设施，以及飞行任务监控设施等。

在未来太空使命中，舱外活动将凸显更重要的作用。为适应星体表面重力环境，应进一步减轻航天服系统的重量，这将催生航天服设计新概念，如智能化的“变色龙航天服”，这种航天服通过改变绝热服的物质厚度控制热传导与热对流，并通过控制材料层的红外辐射率改变热辐射，由航天服的外表面排除人体新陈代谢和设备运作产生的热量，不使用消耗品即可实现对EVA航天员与设备的热管理。总之，传统的舱外航天服的设计理念将面临革命性的挑战。

关于EVA航天员机动装置，可以预计，随着EVA运作范围的扩展及作业难度的加大，在已成功进行飞行试验的美国MMU与苏/俄UPMK的基础上，利用现在SAFER的成熟技术与飞行经验，美俄将研制体积更小、质量更轻、机动性能更好、功能更全面、可靠性与安全性更髙的EVA航天员机动单元。由于EVA航天员在运动过程中质心位置的变化将导致航天员移动与转动之间的相互影响更为复杂，因此，相关的动力学研究、敏感器件的研制，以及推力器管理系统设计等将是机动装置技术进一步发展的关键技术之一。此外，目前的SAFER不仅仅作为营救装置，而且有可能应用数字相机及摄影测绘图像分析技术，使SAFER同时用作为航天飞机热防护系统（ThermalProtectionSystem,TPS)的备份检测工具。2

为确保舱外活动安全，乘员须用系绳约束自己，使自己与航天器相连。目前，一种自主系绳管理系统（AutomatedTetherManagementSystem,AT-MS)(见图26)正在美国研制中。该系统由3部分组成：(1)遥控机械夹钳，可远距离释放且具有自锁功能，用于固定系绳的一端；(2)自主系绳收回器，用于贮存系绳并控制系绳长度；(3)混合式系绳，不仅作为结构组件连接自主系绳收回器与机械夹钳，而且可作为通信通道，在系绳收回器与机械夹钳之间传输信息。基于类似构想，一种飞行作用器（FlyingEf-fector，FE)系统也在日本研制中，FE将推进与导航功能注入安全系绳系统中。FE装备系绳、捕获机构、推力器与反力轮（reactionwheel),以及导航系统。FE设计用于帮助转移航天员，传送补给品或工具，捕获翻滚的卫星。ATMS与FE均可显著提高系绳在微重力EVA中的使用效率，扩展使用功能。2

关于EVA航天员的训练，除常用的地面训练设施外，虚拟现实环境与在轨飞行模拟将受到重视。虚拟现实可突破空间限制，将空间与地面相关人员及相关设施(如机械臂）置于同一环境中，模拟相关系统的协调运作。在轨道飞行训练中，航天员身临其境直接置身于空间环境，可获得最佳的训练效果。事实上，在中国神七飞行期间，航天员翟志刚与刘伯明在出舱前身着舱外航天服在轨道舱内进行了大约100min的移动训练与操作训练（但运动量不可过大，以防空间运动病）。

在未来EVA中，更灵巧的遥控自动操作装置将更多地协助甚至取代EVA航天员的例行工作，尤其是进入对人危险的工作环境。因此，人/机协调集成系统技术受到重视。随着舱外活动时间的不断加长，环境因素（空间辐射与空间碎片及微流星等）的影响将引起人们更急切的关注。直接暴露在真空空间的EVA乘员当然比在舱内经受更严重的影响与危险。除了进一步改进航天服系统，并尽可能应用机器人系统接替EVA航天员工作外，研制单人EVA飞行器可能成为进一步维护EVA航天员安全的技术途径之一。2

单人EVA飞行器是介于EVA航天员装备与大型多功能载人航天器之间的飞行器。单人EVA飞行器的基本结构是可容纳单人的刚性压力容器，其内部气压要比一般EVA航天服的服压髙得多(达到大型航天器的周围压力），因此无需使用纯氧气体，这既省却了预呼吸时间，也提髙了安全性。单人EVA飞行器具有大型载人航天器的大多数分系统，如推进、导航、热控、通信、电源分系统，并应用便携式生保系统的先进技术；当然，必不可少的还有遥控自动装置，这种装置应用小型机械臂与末端操纵器(或灵巧机械手)代替EVA航天员戴舱外手套的双手，从事EVA作业。目前，单人EVA飞行器仍处于概念设计阶段，虽有多种方案，但刚性压力容器与几个小型机械臂仍是基本特征（参见图27)。无疑，单人EVA飞行器所要求的结构致密性，机动灵活性，以及机械手的灵巧性等，对一体化、智能化的人/机系统设计提出新的挑战。2

展望未来的载人航天任务，EVA（包括自由空间微重力环境与星体表面的重力环境）系统技术的发展以及全球范围的国际合作将越来越受到国际航天界的关注与重视。