什麼是航天員的「載人機動裝置」？

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

隨著航天技術的飛速發展，航天員常常需要在艙外單獨進行作業，比方說，回收甚至是直接修理在軌道上的衛星、空間裝配和空間觀測。有些問題甚至是必須要航天員出艙才能處理的，比如妨礙太空梭的有效載荷艙門關閉的問題，或者有其他航天員被困在宇宙中等待援救——在科幻電影中相當常見。航天員的出艙活動通常被稱為「太空行走」（walking in space）。

宇航員長時間太空行走進行工作

雖然航天員至今依然採用在身上系安全繩的方式來防止自己飄走，但早在50多年前的上個世紀60年代，專家們就在討論在宇宙空間中自由移動的問題。例如當時美國專家們列舉了一些問題來說服管理層們不繫繩比繫繩更安全：伸展的繫繩很容易纏繞在飛船的天線或機械臂上，或者是宇航員的手腳；如果沒有調整姿態的辦法，宇航員難以避免撞上衛星或飛船，特別是利用繫繩返回飛船時「剎不住車」；他們指出，如果航天員因為反推等產生了任何向上下左右方向飄的速度，他非常可能會帶著繩子一起在飛船上纏幾圈。美、蘇航天管理層很快決定開發一些幫助航天員更方便移動的方式，甚至實現航天員無繫繩的太空行走。

在宇宙空間中沒有空氣阻力，很類似牛頓第一定律所說的獲得一點速度就會一直做直線運動，由動量守恆定律，如果航天員攜帶的裝備噴出一些氣體，就能獲得與這些氣體速度相反的速度。打個不雅的比方，所謂在宇宙中放屁就相當於火箭。更進一步，通過調整噴氣裝置出氣的量和速度，就能對航天員所獲得的速度進行比較精確的調整，甚至在航天員手腳等多個位置適當噴氣可以實現姿態調整。

60年代初，前蘇聯簽署了首批噴氣背包式太空模擬機動裝置的合同。前蘇聯把研製航天員失重狀態移動的任務交給了莫斯科機械製造廠，1961年12月1日由第一特別設計局下達技術任務書。前蘇聯研發的YMK裝置曾裝備在「和平」號空間站和「暴風雪」號太空梭上。

最初的俄羅斯「載人機動裝置」設計草案

不過先實現了無繫繩太空行走的是美國人。早在1962年，美國空軍就設計了推進背包的雛形，並設計了名為「航天員機動裝置」（Astronaut Maneuvering Unit，AMU）的原型裝置，意圖在1966年Gemini 9飛船飛行任務中實現無繫繩太空行走，但當時因為宇航服的溫控系統出現問題而取消出艙，在之後的若干年更是因為各種各樣的原因一直沒能實現測試。直到1984年2月7日，「挑戰者」號太空梭執行「STS-41-B」飛行任務當中，宇航員布魯斯·麥克坎德雷斯二世（Bruce McCandless II）使用正式的「載人機動裝置」（Manned Maneuvering Unit，簡稱MMU）的裝備，才實現第一次的無繫繩太空行走，這個名稱也是當今我們對這一類裝置的稱呼。

「STS-41-B」任務中麥克坎德雷斯實現人類首次無繫繩太空行走

這一成熟的「載人機動裝置」的外形像一個背包，由壓縮氮氣箱、供氣系統、噴氣推進器、電子控制設備、溫度控制裝置和蓄電池等組成。「載人機動裝置」以高壓氮氣作為失重環境下的飛行動力，航天員操縱左右機械手臂上的手控器控制高壓氮氣從安裝在不同部位的推進噴管噴出，以改變飛行的速度、方向和姿態，實現上下、左右和前後移動，達到順轉或逆轉等機動目的。裝置還供給航天員呼吸用氧，維持人體所需溫度、濕度等生命保障條件，並裝有使航天員與航天器保持在同一軌道上的專門設備。機動裝置裝有兩套互為備份的氮氣箱和供氣系統，防止發生故障危及航天員安全。

近看「載人機動裝置」非常龐大和複雜

儘管「載人機動裝置」可以擺脫安全繩的限制，實現了想要自由飛行的目的，但從圖中來看，背包這麼複雜也大大限制了宇航員手腳的移動，它的重量達到140公斤。而且儀器越複雜、越精密越容易出現問題，如果把它作為單一的飛行手段，一旦設備失靈會很危險。原本想要通過「不繫繩」來實現「更安全」的目的，可能適得其反了。1986年「挑戰者」號太空梭失事後，經過重新評估，美國放棄了航天員採用「載人機動裝置」和無繫繩太空行走。

美國宇航員尼爾森（George Nelson）最後一次利用龐大的「載人機動裝置」

歐洲各國配合HERMES太空梭計劃研發了MD系統，與美國的「載人機動裝置」MMU非常相似。

現在航天員使用的「SAFER」系統是簡化的噴氣背包系統，依然在宇航服上使用安全繩。輕巧的「SAFER」系統也算是「載人機動裝置」中的一員。但像上文那麼龐大的MMU系統，幾乎是一架單人的小太空飛船，對於現在的各國還是太過昂貴而缺乏必要性。但它在航天員獨立行動方面的作用是毋庸置疑的，隨著航天技術的繼續發展，可以期待各國研製出更好更親民的「載人機動裝置」，在未來輔助更多人進行宇宙和其他星球的探索。

作者：王錚

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