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气闸舱概论
气闸舱是航天员太空行走时进出太空的“门户”。气闸舱的英文是Airlock，直译是气闸。气锁或气塞，是供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置。它是指居于两个大气压力不同的空间之间的一个舱室，舱室两边装有两扇不透气的门，目的是防止两个空间之间的气体交流。
　　1．气闸舱的作用
　　从载人飞船上进行太空行走一般都不需要气闸舱，虽然苏联的“上升2号”飞船上有气闸舱，但苏联和美国的其他飞船上并没有气闸舱。不过从航天飞机和空间站上进行太空行走必须有气闸舱。为什么载人飞船上可以没有气闸舱，而航天飞机和空间站上必须有气闸舱呢？
　　这是因为载人飞船座舱内航天员的活动空间比较小，其中双子星座飞船仅有 2.55立方米，阿波罗飞船为6.17立方米。在太空行走时，打开舱门，座舱减压到零，让航天员出舱，当航天员完成太空行走回来后，再关上舱门，重新给座舱加压，不会浪费太多的氧气。而且每次飞行中航天员从飞船上进行太空行走的次数也不多，因此完全可以不用气闸舱。但从空间站上进行太空行走则不同，空间站内航天员的活动空间一般都是比较大，如天空实验室为361立方米，国际空间站为908立方米。空间站上如果没有气闸舱，在航天员太空行走时要将舱内的空气全部放空，当航天员回来后又要重新加压，将会造成极大的气体浪费。何况航天员在空间站上一般要进行多次太空行走，因此从空间站上进行太空行走，必须要有气闸舱。航天飞机乘员舱内的空间也比较大，因此也需要设气闸舱。
　　2．气闸舱结构与原理
　　要进行太空行走首先要使用的一个重要设备是气闸舱，它是航天员出舱活动的门户，有两个作用：一是在打开舱门时防止舱内的气体泄露，二是在航天员出舱前对大气压力进行调节。
　　气闸舱有两个气闸门，一个与密封座舱连接，称内闸门；另一个是可通向太空的外闸门。闸门的启闭可用电动机构，也可手动。气闸舱内设有闸门控制台。开启闸门前的给气排气装置。通信和照明设备，以及航天员出 舱活动穿的航天服。闸门的启闭必须十分小心和熟练，避免漏气危险。航天员出舱进入太空活动前，在座舱内穿好航天服，走出内闸门后关闭内闸门，把气闸舱内空气抽入座舱内，当气闸舱内和外界空间的压力相等时才能打开外闸门进入太空。航天员返回气闸舱时按相反的顺序操作：关闭外闸门，把座舱内的空气泵入气闸舱，待两者压力相等时，打开内闸门，航天员就可进入座舱内。外闸门的气密性绝对可靠是气闸舱工作的基本条件，闸门的启闭须十分小心和熟练，避免漏气很重要，否则极危险。苏联“上升” 2号载人飞船首先应用了气闸舱，航天员Α.Α.列昂诺夫利用它走出舱外，进入太空。
　　由于美俄舱外航天服存在差异，所以从俄罗斯舱段出舱必须穿俄制航天服，从美国航天飞机出舱要穿美制航天服。不过，从采用特殊设计的国际空间站“探索号”气闸舱出舱，穿美俄两种舱外航天服皆行。
　　空间站内的大气压力为1个大气压，即101.4千帕，而美制舱外航天服内的压力是29.6千帕，如果航天员在舱内穿上航天服，从高压环境很快转为低压环境，就会患减压病。如果在气闸舱内，高低压环境之间有一个过度，再加上预吸氧，就可以预防减压病的发生。
　　3．气闸舱的设计要求
　　气闸舱设计的关键是舱门，因此对气闸舱的设计要求重点是对舱门的设计要求。以下是美国航宇局对航天飞机和“国际空间站”气闸舱设计提出的一般设计要求和对舱门的设计要求。
　　对气闸舱的一般设计要求：
　　(1)气闸舱内的容积应满足航天员完成各种出舱活动任务的需要；
　　(2)气闸舱能给出舱活动航天服的生命保障系统补充消耗品；提供维修。保养和测试航天服的设备；同时还有存放航天服的空间和设施；
　　(3)气闸舱应提供航天员工作或穿行的扶手和脚限制装置；
　　(4)气闸舱内的所有设备都能容许穿着航天服的航天员操作和使用。
　　对气闸舱舱门的设计要求：
　　(1)气闸舱舱门的尺寸应保证穿着航天服的航天员方便进出；
　　(2)气闸舱的设计应提供对舱门密封性的检查和测试手段；在舱门的两边应分别提供一个压差指示计；
　　(3)舱门上应设有观察窗，供航天员观察舱内的减压情况；
　　(4)在舱门上的插销失灵时，应有打开舱门的应急措施和办法；
　　(5)舱门应能从门的两边都能锁上和打开；
　　(6)当气闸舱的内部压力低于外部压力时，舱门不能被压力自动推开；
　　(7)在紧急状态下舱门也能关上；在紧急状态下如果舱门被卡住，用手协助将舱门强行打开的力不能超过441N；
　　(8)在打开和关闭舱门时，为了防止身体移动应提供必要的限制设备；
　　(9)舱门设计应该既能耐受高压负荷，又不要过于笨重而导致操作不便；
　　(10)舱门的开关和控制装置应能让穿着航天服的航天员用手方便地操作和使用；
　　(11)舱门应开向压力较高的一边，利用压力的作用使其自然密封，而且又提高可靠性；
　　(12)当一名穿着航天服的航天员受伤或生病时，舱门应容许穿着航天服的另一名航天员将其营救出来。
　　4．国际空间站气闸舱
　　“国际空间站”上使用的是名叫探索号的联合气闸舱。这种气闸舱既能提供给穿着美国出舱活动航天服的航天员使用，又能给俄罗斯的穿着海鹰-M型航天服的航天员使用。联合气闸舱是于2001年7月才与“国际空间站”的节点-1舱对接上。
　　联合气闸舱长6米，直径3.9米，重6500千克，舱内增压容积为27立方米，有2个系统机柜和2个储存机柜，用于航天员进行舱外活动时保持舱内压力。该气闸舱由两部分组成：人员气闸舱和装备气闸舱。人员气闸舱供美、俄航天员出舱活动用；装备气闸舱除用来存放航天员出舱活动用的各种装备外，还供航天员在里面预吸氧。人员气闸舱内有照明和脐带式接口装置。这种脐带式接口装置固定在气闸舱的舱壁上，通过“脐带”可以同时给两套航天服供水。回收废水、供氧。供电和通信联络。在气闸舱的舱门打开之前，舱内压力先下降到20.7千帕，然后再降到零。这时服装内的压力为29.6k帕斯卡。装备气闸舱还可供航天员对服装进行定期保养维修，因此舱内有各种维修保养用的工具和设备。
　　在没有这种气闸舱之前，美国航天员只能使用航天飞机(对接以后)的气闸舱或俄罗斯星辰号服务舱上的过渡舱进行出舱活动。但由于两个服装系统之间的设计差异，美国的服装不能使用俄罗斯的服务舱。
　　星辰号服务舱是在2000年7月被发射上去与“国际空间站”对接的，重19000千克，长13。舱内分3个部分：前端为一较小的球形过渡舱，它有两项功能，其一是作对接舱用，其二是作气闸舱用，俄罗斯航天员即从这里出舱；中间是一个巨大的圆筒形工作舱；后端是一个圆筒形过渡舱。球形过渡舱上有3个小观察窗口，每个直径为0.23。航天员在出舱活动期间，星辰号服务舱还向地面飞行控制中心提供数据、声音和电视信息。

　　5．和平号上的气闸舱
　　和平号空间站上的气闸舱位于“量子-2”舱内。“量子-2”舱重 19600千克，直径 4.35米，长 13.7米，内部可供使用的容积为 61.3立方米。舱内又分成 3 个舱：气闸舱。中央科学仪器舱。基础服务与货舱。气闸舱在“量子-2”舱向外的一端，内有一个直径为1米的舱口，能够容许穿着出舱活动航天服和载人机动装置的航天员通过。中央科学仪器舱也有舱门，可以密封和减压，因而可以作为备用气闸舱或气闸舱的扩大部分。除了供出舱活动外，气闸舱内还是存放载人机动装置和航天服的“仓库”。“量子-2”舱 1989 年才加到和平号空间站上。在这之前航天员是通过仅有0.8米直径的对接舱口出舱。
　　6．天空实验室气闸舱
　　在天空实验室上美国航宇局首次安装有气闸舱。不过天空实验室的气闸舱是一个“多用途”气闸舱，该舱有3个用途：其一是作为航天员太空行走的一个门户；其二是放置天空实验室的一些系统及其控制装置，在舱内除了气闸外还有天空实验室的通信系统、数据中心、电力供应系统、环境控制系统、故障警报系统及其控制装置；其三是作为天空实验室的一个结构件，将轨道工场与可重复使用的对接装置连接起来。
　　气闸舱呈圆筒形，长5.4米，基本直径3.1米，最大直径6.55米，重225千克，舱内航天员活动空间为17.66立方米。气闸舱主要由两个同轴的大圆筒组成，在发射时为了与轨道工场的大直径相匹配，外圆筒的外边还有一个有效载荷防护罩。外圆筒也是阿波罗望远镜系统的支持结构，就像一个“专用底座”，复杂的阿波罗望远镜系统有一部分就架设在外圆筒上。内圆筒才是真正的气闸舱，同时又是连接轨道工场与多重对接装置的一个通道。通道两端分别有一个舱门，当气闸舱减压时可以关闭上。此外在气闸舱的舱壁上还有一个舱门，航天员通过此舱门进行太空行走。在太空行走时，先将两端的舱门关闭上，气闸舱减压，侧舱门打开，航天员出舱；航天员完成太空行走任务后返回时，关闭侧舱门，气闸舱加压，两端的舱门又重新打开，航天员回到轨道工场。 在外圆筒和内圆筒之间的连接支架上放置着12个高压气瓶，其中6个氧气瓶和 6个氮气瓶，用于向轨道工场内提供大气。

　　7．航天飞机气闸舱
　　美国航天飞机的气闸舱是比较标准的气闸舱：第一、它为航天员出舱活动专用；第二、它代表着气闸舱的现代设计水平；第三、它的功能比较完善。
　　航天飞机气闸舱位于航天飞机乘员舱的中层甲板舱里面，内部直径1.58米，长2米，内部容积4.2立方米，能同时容纳两名穿着航天服的航天员。它的前后有两个压力密封的舱门，内舱门与中层甲板舱相通，其作用是将气闸舱与航天飞机轨道器的乘员舱分隔开，在航天员进行出舱活动时保证乘员舱内不会发生减压；外舱门与航天飞机的货舱相通，其作用是将气闸舱与货舱隔开，通过此舱门航天员即可进入货舱。舱门呈D字形，直径为1米，具有以下特点：舱门的两边都能锁上和打开；使用寿命达2000次；身穿航天服的航天员用一只手就能打开和关闭；在前后方向上能耐受20g的冲击力；压差在1.38千帕时仍能打开舱门；开关的手柄最大能承受132.3N的力。
　　航天飞机气闸舱主要用于航天员出舱活动时的减压和重新加压，维修出舱活动装备和补充消耗品，给液冷服中的冷却水散热，出舱活动装备的测试，航天员穿脱出舱活动航天服以及进行通信联系。在气闸舱内的舱壁上装有放置出舱活动航天服的地方，此外，舱内还有航天服测试装置和补充消耗品的设备。
　　对气闸舱重新加压可以由在中层甲板舱的航天员控制，也可以由在气闸舱内的航天员控制。通过安装在内舱门上的等压阀，可以使气闸舱与乘员舱内的压力相等。将气闸舱内大气排放到舱外的太空，气闸舱内即减压。两扇D形的气闸舱门都是朝轨道器乘员舱的方向开，由于乘员舱内的压力作用，因此当舱门关闭时即可协助舱门的密封。
　　每一扇舱门上有6个联动的插销和1个插销开关、1个观察窗、1个铰链(门枢)、1个开门器、2个等压阀，在舱门的两边还分别装有1个压差计。
舱门上的观察窗直径为0.12米，供航天员观看舱内外情况。也就是说，通过两扇舱门上的观察窗，在气闸舱内的航天员可以观察到乘员舱和货舱的情况，在乘员舱和货舱内的航天员也可以观察到气闸舱内的情况。观察窗用双层透明的聚碳酸脂塑料板制成，用螺钉直接固定在舱门上。为防止漏气，观察窗采用双重压力密封，在舱门上设有密封槽。
　　每扇气闸舱的舱门都采取双重压力密封方式，即在气闸舱的舱门上设一道密封，在气闸舱的结构上又设一道密封。在两道压力密封之间安装有一种发现漏气就能快速阻塞的装置，以保持气闸舱内的压力。
　　舱门上的插销和开关可以让航天员在进出气闸舱时方便地打开和关闭舱门。这些插销和开关是安装在舱门的低压一边，但开关的操纵手柄在舱门的两边都装有，以便航天员从舱门的两边都可以操纵。
　　在不进行出舱活动的时候，气闸舱内的空气循环系统保证舱内的空气流通。在发射时，气闸舱空气循环系统的导管是挂在气闸舱外的舱壁上。到轨道上以后，航天员通过内舱门上的开口将导管插进气闸舱。在导管的管头上有一个空气扩散罩，用来调节空气的流量，可以从零调节到97.2千克/h。当舱门关闭气闸舱准备减压时，应先将空气导管拔出来。在航天员出舱活动准备时期，该导管可用来补充航天飞机中层甲板舱内的空气循环。
　　在出舱活动前后，为了方便航天员在失重环境中行动，气闸舱要安装各种扶手和脚限制器。一般的扶手安装在电子仪器和环控生保系统的操纵仪表板附近。特制的铝合金扶手安装在气闸舱舱门的两边，它被漆成黄色，呈椭圆形，尺寸为1.90厘米×3.35厘米。此外，这种扶手还用环氧酚醛粘合剂粘贴在气闸舱的舱壁上。扶手与舱壁之间有5.72厘米的空间，这样可以让戴着航天手套的航天员方便地抓握。
　　在气闸舱的地板上安装有脚限制器。这种脚限制器可以旋转，每次旋转90°，最大可旋转360°，由脚限制器上的弹簧插销定位。这种弹簧插销的定位按钮只能用手调节，穿上航天服后就没法进行调节，因此航天员必须在穿航天服之前将其调节好。脚限制器是用螺栓固定在地板上，在飞行过程中不能拆卸。它是按航天靴的尺寸来设计的。在使用时，航天员要先将脚插入脚趾带，然后来回活动其后跟，以便靴的后跟被限制器固定住。
　　在气闸舱内装有4盏泛光灯供照明用，航天员可通过舱内的开关进行调控。
　　气闸舱内可以存放两套出舱活动航天服。此外气闸舱内还有维修保养航天服和为两名出舱活动航天员服务的各种必要设备。航天服存放设备不仅可以将航天服固定在一定的位置，而且还能协助航天员穿脱和测试航天服。航天飞机出舱活动航天服重101.25千克，体积为66.02厘米×71.12厘米×101.6厘米。在航天飞机发射和载入时，一个服装袋可将服装的下半身和上肢固定住。
　　在准备出舱活动的过程中，航天员先穿上液冷通风服，然后进入气闸舱内穿上航天服的下半身，又蹲下身子将头钻进服装的上半身，穿好上半身后，将腰部的连接环连接好，最后戴上手套和头盔。气闸舱内的设备这时通过脐带式软管向服装提供电力。通信。氧气和冷却水。在出舱之前，航天员不用服装内的电。氧气和水，而是由气闸舱直接供应。脐带式软管长366厘米，直径1.89厘米，重9千克，但实际可供使用的长度仅有2.1。
　　气闸舱有2个仪表板，一个控制环控生保系统，另一个控制电子仪器设备。控制环控生保系统的仪表板可显示和控制脐带式软管内的氧气。饮用水。冷却液。通信和电力供应情况。
　　准备出舱前，气闸舱通往中层甲板舱的内舱门关闭，气闸舱开始减压。气闸舱的减压过程由仪表板上的3个减压阀控制，分两个阶段完成。在第1阶段，当航天员完成45分钟的预吸氧后，气闸舱内的压力从10.2Pa下降到5.0Pa。当压力下降到5.0帕斯卡时，减压阀关闭。这时航天员开始测试航天服的漏气情况，同时脐带式软管与服装脱离。在气闸舱减压的第2阶段，舱内压力从5.0帕斯卡降为零，服装测试完毕，气闸舱的外舱门打开。
　　在航天员出舱活动时，每人身上都要系一根长7.5的安全绳索。安全绳索由一个D形环。一个带弹簧的卷轴。一根钢丝绳和一个带锁的铁钩组成。在打开气闸舱的舱门准备出舱之前，航天员应将安全绳的D形环扣在腰带上，腰带的另一端则扣在航天服腰部轴承的环上。在气闸舱上有一个安全绳索选择器，有左右两根安全绳索可供航天员选择。当航天员将选择器移动到开锁的位置，钢丝绳即可被拉出来。钢丝绳能承受的最大拉力是3871N。
　　在气闸舱舱门的两边各有一个等压阀，航天员无论是在舱内或是在舱外都可以对气闸舱进行加压。通过等压阀，气闸舱首先加压到5.0帕斯卡，这时将气闸舱的脐带式软管与航天服相连。当气闸舱加压到10.2帕斯卡时，航天员即可脱掉航天服，并给航天服补充消耗品。最后气闸舱加压到14.7帕斯卡。
　　在每次航天飞行中，航天飞机可供2名航天员完成3次时间长达6h的出舱活动。
　　上述气闸舱都是内置气闸舱。除内置气闸舱外，航天飞机还有一种外置气闸舱。这种外置气闸舱是放置在航天飞机的货舱内，其功能作用与内置气闸舱一样。外置气闸舱内的有效容积比内置气闸舱大，内置气闸舱容积为4.2立方米；外置气闸舱容积为5.236立方米。外置气闸舱也比内置气闸舱重，内置气闸舱重440千克，外置气闸舱质量为1591千克。另外，内置气闸舱有2扇舱门，而外置气闸舱有3扇舱门。外置气闸舱的第3扇舱门安置在舱外面的上部，主要作对接用。
　　由于外置气闸舱安放在货舱内，因此应在气闸舱的外面装有隔热材料，以防太空温度的作用。
　　如果航天飞机货舱内装有“空间实验室”(Spacelab)，气闸舱就必须安放在中层甲板舱内。为了让航天员能通过气闸舱进入“空间实验室”，在货舱内还安装一个与气闸舱和“空间实验室”都匹配的通道连接舱。“空间实验室”内也是正常的大气压力环境。此外，气闸舱和通道连接舱还容许穿着航天服的航天员从中层甲板舱进入货舱，以便进行出舱活动。
　 　8．“上升2号”飞船上的气闸舱
　　它重250千克，直径700毫米，高770毫米，在飞船发射时气闸舱是储藏在返回舱内。当航天员在轨道上要进行出舱活动时，气闸舱充气，这时气闸舱长2.5米，内部直径1.0米，外部直径1.2米。
　　之所以要在飞船上装一个特制的气闸舱，而不采用座舱减压的方法，是因为东方号和上升号飞船内的电子设备都是靠座舱内的空气冷却，如果座舱减压，这些电子设备就有可能因过热而被烧毁。
　　这种被称为“伏尔加”的气闸舱，在发射时安装在飞船的舱门上，凸出到船身外74厘米。它由3部分组成：1个宽为1.2米的金属环，扣在飞船的舱门上；1个长为2.5米、由两层化学纤维制成的气囊；1个宽为1.2米的金属环，它也装在门上。在化学纤维制成的气囊内，用36根橡皮充气棒将气囊支撑起来。36根橡皮充气棒被分成3组，每组12根。如果其中2组橡皮充气棒失灵，剩余的1组橡皮充气棒也能保证气闸舱的形状。闸门室分为上下两部分，上部为刚性结构，有走出舱外的舱口，下部是一些安装环，环与环之间用气密套和一些圆形橡皮充气棒系统相连，外面加一个帆布套。气闸舱以折叠状态固定在飞船返回舱外舱口的上方，气闸舱中装有为保证充气而使其展开的系统、压力调节系统、控制板、照明灯、摄影机和航天员出舱时的“脐带”式软管(长15.35米)，完成任务后与飞船分离的系统以及其他一些部件。36根橡皮充气棒需要7分钟时间才能充完气。飞船上有4个球形氧气瓶可供橡皮充气棒充气和气闸舱加压。
　　“上升-2号”航天员列昂诺夫的出舱活动是险象环生，因此人类的首次出舱活动并不顺利，这跟出舱活动航天服的气球样膨胀和在载人飞船上安装技术不成熟的气闸舱有一定关系。

　　 9．苏联“礼炮号”上的气闸舱
　　“礼炮号”空间站上的气闸舱又称前过渡舱。礼炮号空间站由3部分组成：气闸舱、小直径的生活舱和大直径的工作舱。气闸舱长3米，直径2米，有4个开口：后部开口装有对接系统；前部开口与大直径的工作舱相通；顶部开口供航天员出舱活动用，该开口有一扇可以开关的密封舱门；底部开口与一个小舱室相通，该小舱室用于将返回地球舱弹到太空去。气闸舱内储存有2套出舱活动航天服，供出舱活动的航天员使用。
　 　10．气闸舱与太空出舱
　　太空行走看起来轻松浪漫，悠然自得，实际上，繁琐的准备工作和复杂的程序要求，太空行走过程中，气闸舱扮演着重要的角色。
我们以美国航天飞机和国际空间站航天员的正常太空行走为例来看一看气闸舱的应用：
　　(1)航天员进入气闸舱；
　　(2)将气闸舱内地压力从101.36千帕降低到70.33千帕；
　　(3)对出舱活动航天服进行穿前检查，完成穿戴航天服的准备工作；
　　(4)穿上航天服；
　　(5)对航天服进行测试；
　　(6)将服装内地氮气排空；
　　(7)戴上预吸氧面罩，进行预吸氧；
　　(8)关闭气闸舱的舱门，停止预吸氧，戴好服装头盔，准备减压；
　　(9)气闸舱进行减压，对服装进行最后测试，气闸舱压力减到零时，打开通往太空的舱门；
　　(10)航天员出舱，执行各种舱外任务；
　　(11)太空行走结束后，航天员返回气闸舱；
　　(12)气闸舱重新加压，打开航天器座舱(如航天飞机中层甲板和国际空间站的工作舱)的舱门；
　　(13)脱下出舱活动航天服；
　　(14)对航天服进行保养，更换生保系统中的电池和氢氧化锂盒，给供水系统重新加水；
　　(15)将出舱活动航天服存放在气闸舱内制定的位置。
　　航天员太空行走不仅有严格的程序要求，而且每一道程序都有一定的时间要求，即要在规定的时间内完成。如果不把预吸氧的时间计算在内，航天员完成太空行走各项程序的时间分配如下：
　　(1)穿出舱活动航天服前的准备工作：20分钟；
　　(2)穿出舱活动航天服和对服装进行测试：30分钟；
　　(3)戴上头盔和手套：10分钟；
　　(4)气闸舱减压和出舱：10分钟；
　　(5)通过太空行走到达舱外工作位置：20分钟；
　　(6)完成指定任务前的准备工作：20分钟；
　　(7)在舱外完成指定的 工作任务：6小时15分钟；
　　(8)拆卸设备和仪器：15分钟；
　　(9)返回航天飞机或空间站：25分钟；
　　(10)进入气闸舱并给气闸舱重新加压：15分钟；
　　(11)脱掉出舱活动航天服：10分钟；
　　(12)对出舱活动航天服进行保养，补充消耗品：20分钟。