美俄舱外航天服出舱活动故障分析

丁凌艳，张万欣

(中国航天员科研训练中心，北京 100094)

出舱活动(Extravehicular Activity，EVA)是指航天员离开载人航天器进入太空，在轨道上安装大型设备、进行科学实验、检查和维修航天器等工作。航天员在月球和其他行星天体上离开载人航天器完成各种任务的过程也属于出舱活动。1965年3月18日苏联航天员阿列克谢˙列昂诺夫在上升2号飞船飞行期间实现了12 min的太空行走，成为历史上首位实现太空行走的航天员。美国阿波罗计划共进行了6次载人登月，先后有12名航天员踏上月面，进行各类探测，充分展示了人类探索宇宙的巨大能力。2008年9月27日航天员翟志刚着飞天舱外航天服完成了中国首次出舱活动。随着中国载人航天事业不断推进，出舱活动必将越来越频繁。

为实现出舱活动，需要诸多的技术保障，其中舱外航天服是最为关键的一项。早期出舱活动为脐带式，航天员虽身穿航天服，但所需要的氧气、压力、冷却工质、电源和通信等都通过脐带由载人航天器提供。受脐带长度限制，航天员只能在航天器附近活动。后来研制了装在航天服背后的便携式环控生保系统，舱外航天服及便携式环控与生保系统是一个微型载人航天器，保证内部有适合的压力、通风供氧和温湿度调节，使航天员在服装内能正常生存，并能进行太空作业。1984年美国研制了保障航天员在太空稳定和自由移动的个体设备——载人机动装置，航天员实现了在太空中自由飞行。载人机动装置属于出舱个体装备的一部分，本文且将其纳入舱外航天服定义范畴。

截止至2021年6月20日，人类总共进行了443次出舱活动，其中21%的出舱活动经历了重大事件和/或近似事故，其中涉及舱外航天服的有110起。本文对历史上美俄出舱活动(包括登月活动)中涉及舱外航天服的故障问题进行梳理统计，并对故障原因展开分析，提出了避免发生同类故障的措施，为后续舱外航天服研制提供启示。

本文中所提及的故障事件满足以下一个或多个标准:①导致人员伤亡或在不同条件可能导致人员伤亡(例如乘员意外脱离)；
②导致人员受伤或暂时丧失工作能力，或以其他方式损害人员执行关键任务(如自救)的能力(如眼睛受到防雾剂刺激)；
③可能对航天服造成严重或灾难性损害(如防护服损坏、设备抛掷碰撞或意外释放)；
④EVA任务指挥为了保护乘员而提前中止或终止；
⑤基于专家意见的独特重要性(如前兆事件和与随后更重要事件相关的小事件或问题)。

根据美俄历次出舱活动遇到的故障情况，舱外航天服故障发生原因可以分为舱外服主要功能故障、载人机动装置问题、误操作和其他四大类，美俄历次出舱活动故障类型分布如图1所示。

图1 美俄出舱活动舱外航天服故障类型统计Fig.1 Statistics of fault types in Russian and American EVA spacesuits

1)主要功能故障包括压力防护故障、热控故障、通风净化故障、人因类故障、通信故障5种，其中热控故障29起，人因类故障24起，通风净化故障16起，压力防护故障16起，通信故障4起；

2)载人机动装置作为舱外航天服功能的扩展，是一种实现个体太空自由行走的装备，历次记录的故障有10起；

3)其他故障11起，主要是由产品局部设计、生产缺陷导致的故障。

图2展示了美俄舱外航天服被记录故障的时间分布，呈现以下特点:①从时间分布上看，早期舱外航天服在出舱活动中故障比率较高，20世纪90年代之前故障比率在40%以上。随着技术不断成熟，2010年以来故障比率降至约14%。②舱外航天服故障次数随出舱活动次数的增加而上升显著，在1990～2000年达到顶峰，随后呈下降趋势。这也验证了技术发展的一般规律，大量的实际应用有助于暴露产品问题，进而提升产品可靠性。

图2 舱外航天服故障次数随时间变化曲线Fig.2 Variation of EVA spacesuit failures with time

2.1 主要功能故障

2.1.1 压力防护故障

舱外航天服压力防护层曾发生的故障详见表1，包括以下3种情况:

表1 舱外航天服压力防护历史故障Table 1 Recorded pressure protection system failures of EVA spacesuits

1)发生在手套部位的12起，占比约为75%，大部分是由于操作导致手套损坏。手套磨损、被刺穿是出舱活动中经常发生的问题。尤其是美国舱外手套，为了保证更好的工效性能，其热防护层较薄，因此损坏频率较高。手套气密层损坏会引起服装泄漏失压，进而影响航天员安全。除提高舱外作业界面安全性之外，解决该类问题的措施包括:①在服装失压时提供应急供氧能力，保证航天员安全返回；
②将手套设计为在轨可更换单元(Orbital Replaceable Unit，ORU)，方便在轨更换，并提供在轨检测工具。

2)由于舱外航天服膨胀导致舱门通过困难的情况在美、俄前期出舱活动中均有发生。1965年苏联航天员阿列克谢˙列昂诺夫首次出舱返回时遇到该故障，冒险部分释放服内气体，降低服内压力后才得以重新进入气闸舱。在美国EMU舱外服的靴子上还出现过压力限制层制造缺陷，该缺陷导致靴子鼓胀，不得不使用备份靴子解决问题。因此在舱外航天服研制中应重视服装加压后的限制层形态控制。

3)主气密层损坏2起。为便于活动，国际上美俄的半硬式舱外航天服四肢均采用非金属材料作为气密层。相比金属气密层，非金属气密层在强度上相对较弱。鉴于压力防护功能保障对出舱航天员生命的重要性，四肢在主气密层基础上一般设计有备气密层。1979年礼炮6号出舱活动中曾发生了舱外航天服主气密层穿孔的事故。在该起故障中，主气密层损坏后，在备气密层保护下航天员得以安全返回。由此可见，设置备气密层是非常重要的安全设计措施。

2.1.2 热控故障

舱外航天服的热控系统为航天员提供被动热防护和主动温度控制，保障航天员在太空极端温度条件下的热舒适性。

被动热防护主要依靠真空隔热屏蔽服实现，其材料为纤维织物和铝膜，容易在出舱活动过程中被锐边划破(表2中序号3、25、26事件)。出舱时应避免接触尖锐物品，并控制舱外设备的棱角锐边。

表2 舱外航天服热控系统历史故障Table 2 Recorded thermal control system failures of EVA spacesuits

主动温控系统包括热交换器、水泵、液冷服、给水系统。美俄舱外服均通过消耗水工质散热，且都从通风系统中收集水(含有航天服和人体污染物)，以维持可以接受的湿度水平。在此过程中主要使用2种水回路:液冷回路和给水回路。液冷回路是一个密封的水回路，水工质流经液冷服，带走人体热量后进入热交换器(即水升华器)，经水升华器冷却后又流回液冷服；
给水回路水工质供向水升华器，升华气化后消耗至真空中，同时带走自通风回路和液冷回路(穿着者的热负荷)的热量。从历史数据看，主动温控系统是故障率最高的功能模块之一，发生过的主要问题包括以下5类:

1)过冷或过热7起。前期美俄舱外航天服都遇到了冷却能力不足的问题。通过合理规划工作负荷、提高散热器功率、增设液冷服，此类问题已经得到成功解决。另一方面，在阴影面过冷的问题也经常发生。EMU舱外服在80～90年代被多次反映难以接受的过冷。此后采取了减少液冷服包覆面积，增加手、脚部位保暖(如羊毛袜、在EMU舱外服手套内增加了电加热)等措施。

2)冷却水泄漏5起。在美国天空试验室4的第2、3、4次EVA中，EMU舱外服均出现了冷却水泄漏导致压力控制单元结冰的情况，航天员不得不关断冷却水流。还曾出现2起因液冷脐带泄漏导致过闸时无法进行舱载换热，服内温度过高的故障。预防此类故障的方法是加强出舱前液路系统的检测维护，及时发现问题，从而避免在出舱活动时出现故障。

3)水泵故障1起。在1984年苏联Salyut 7 PE-3第6次EVA过程中，水泵故障不能运转。当时采用2台风机同时工作，并给与航天员休息时间、减少热积累的方法继续完成了出舱活动。另外根据美国EMU舱外服使用经验，液冷回路内水处理不到位将导致微生物聚集，从而造成通水孔和过滤器堵塞，并可能会导致水泵转子停止旋转。但目前没有一个严格确保EMU舱外服传递回路所有部分都进行充分碘处理的方法以防止微生物污染发展。鉴于水泵在温控系统的关键地位，为避免由于水泵故障造成温控系统罢工，舱外航天服应设计备份水泵；
进一步可将水泵设置为在轨可更换单元，有利于延长舱外航天服在轨使用寿命。另外给液冷回路增加水过滤系统也是一种解决方案，该过滤系统应包括微生物过滤器、微粒过滤器和离子层等。

4)水升华器故障7起。水升华器是温控系统的又一关键部件，水升华器无法制冷时会导致服内温度升高，进而引起面窗起雾，严重影响航天员出舱视觉，甚至不能自主返回。其主要故障模式是内部管路污染堵塞导致散热性能下降或丧失。EMU升华器由1个通风回路和液冷服水回路、1个湿气收集器和2个可替换渗水不锈钢多孔板组成。升华器最容易损坏的部件是渗水多孔板。在EMU舱外服计划早期发现，来自阀门/支管的铝氧化物、来自液冷回路管道的聚乙烯浸出物以及氯丁橡胶材质贮水囊浸出的表面活化剂可能会堵塞升华器渗水孔，从而严重降低排热性能。当前EMU舱外服多孔渗透板几乎作为消耗品使用，因为寿命只有177 h，而后需要强制替换或清洗。预防水升华器故障，应在离开真空环境前关闭水升华器供水，让水升华器充分干燥，并在出舱活动返回后及时干燥供水回路，避免滋生微生物，堵塞孔道。

5)此外，液冷服断接器和水温传感器因为寿命到期均出现过故障，详见表2。

2.1.3 通风净化故障

通风净化系统负责带动服内气体循环，净化CO等有害气体，降低服内湿度。通风净化系统曾发生的故障详见表3，主要包括以下类型:

表3 舱外航天服通风净化系统历史故障Table 3 Recorded ventilation system failures of EVA spacesuits

1)风机故障2起。和温控系统中的水泵一样，早期EVA美俄均发生过风机故障，因此现在的舱外航天服中均配有备份风机。进一步将风机设置为在轨可更换单元，有利于延长舱外航天服在轨使用寿命。

2)CO浓度异常4起。CO浓度主要由净化装置工作状态决定。但是也应重视CO传感器的工作状态，CO传感器故障时也可能导致CO指标异常。预防措施主要是在研制阶段加强净化装置工作能力的测试验证，并将CO传感器设置为在轨可更换单元，方便出现故障后在轨维修。

3)冷凝水进入头盔5起。美国EMU舱外服多次出现头盔内进水现象，并在2013年ISS-36第2次EVA中造成严重后果，影响航天员返回并几乎威胁到航天员的生命。据调查，头盔中的水来自于便携式生命保障系统(Personal Life Support System，PLSS)的冷凝水(通风系统中的水汽经过水升华器后冷凝成的水)，由于风扇-分离器-泵电机组件的分离器故障，不能完成原设计的冷凝水提取功能，导致了头盔进水事故。俄罗斯海鹰系列舱外服采用了不同于美国EMU舱外服的通风系统水气分离原理，没有出现过该类型事故。中国舱外航天服通风系统设计原理与俄罗斯相近，与美国差别较大，出现冷凝水漏水故障的概率微小。为应急处置该类事故，美国后续在EMU舱外服头盔中放置了一块可以拆卸的海绵，用于吸收意外情况下头盔中的游离水，防止航天员溺水。为防止其他意外情况的游离水(如饮水袋漏水、液冷断接器漏水)，该防护措施值得借鉴。

4)风少错误报警1起。俄航天服出现过因服内湿度过高导致传感器异常，进而产生了通风不良的报警。预防该类问题的方法是对服内传感器经历的环境剖面进行深入分析，加强产品的环境试验考核；
另外出舱过程中，地面监测人员应结合风机转速、湿度等多参数联合判读是否误警。

5)净化装置故障1起。早期美国舱外服发生过净化装置中的氢氧化锂粉末被通风系统带到眼部，引起眼睛不适的事故。预防该故障的主要措施有:①提高净化装置抗力学环境性能，避免在振动过程中药盘散裂；
②在出舱前加强对净化装置状态的监测，适时检查通风系统滤网状态。

2.1.4 人因类故障

出舱活动中出现的人因类故障详见表4，主要包括以下3类:

1)压力服适体性6起。舱外航天服在设计中应避免加压后的服装对人体的压迫(特别是手套部位)，并在可能碰撞部位，如肘、肩、腰、头部等进行防护设计。

2)视觉工效7起。面窗起雾是EVA过程中经常遇到的问题之一，起雾后严重影响视觉，航天员无法正常工作，甚至找不到回舱的路径。后期虽然通过防雾剂解决了面窗起雾问题，但是带来了一个副作用是航天员眼睛受到防雾剂刺激。2011年STS-l34/ULF6的出舱任务快要结束时，航天员费斯特尔头盔上的防雾溶剂掉入他的眼里，刺激产生的刺痛让他泪流不止。在太空流泪的最大问题是由于失重，眼泪不会从眼睛里流出来。目前普遍使用的防雾剂是含有亲水基团的低分子量分散剂，亲水基团能吸附空气中的水分子，在透明物体表面润湿、扩散，形成水膜，从而避免结雾现象的发生。防雾剂与面窗表面之间通常靠物理吸附结合，防雾剂吸水后因粘合力弱容易从面窗表面流失。该案例启示应高度关注防雾剂在吸水后的粘附性能，避免防雾剂吸水漂离或者研制对人体无刺激型防雾剂。

3)人员误操作7起。尽管航天员在地面经过了大量训练，但在出舱活动中出现人员误操作而导致故障的现象依然存在。表4中列出了历史上出舱活动中由于航天员操作失误而造成的故障，约占总故障事件的7%。始终存在出现误操作的风险是载人航天的特点之一。这就要求舱外航天服具备较高的防误操作能力，同时具备在被误操作情况下保证航天员基本安全的能力。

表4 出舱活动舱外航天服工效问题Table 4 Ergonomic problems of EVA spacesuits

2.1.5 通信故障

在出舱活动过程中，通信出现过的问题包括天线问题(损坏和天线电连接器松动)和视觉沟通缺乏，详见表5。

表5 舱外航天服通信历史故障Table 5 Recorded communication failures of EVA spacesuits

1)天线。早期美国EMU舱外服使用的天线为非织物天线，容易在出舱过程中损坏。俄罗斯海鹰舱外航天服采用织物天线，与服装本体共形，避免了凸起天线损坏的风险，但是撞击导致电连接器松动的风险依然存在。预防该问题的措施是在天线电连接器外侧加装防护罩。

2)视觉沟通。早期出舱活动时仅能给航天员之间提供语音沟通信道，在需要配合完成大型复杂任务时，航天员之间视频通信的需求就尤为迫切。随着通信技术的发展，在新一代舱外航天服中实现航天员之间的视频沟通指日可待。

2.2 出舱机动装置

出舱机动装置是为实现航天员在太空自由行走而研制的个体装备。表6所示为出舱机动装置从1984年首次使用至今的历史故障，主要故障集中在环境适应性、机械组件启动性能等方面。

表6 出舱机动装置历史故障Table 6 Recorded EMU failures

2.3 其他

其他出现过故障的产品还包括放电环、饮水袋、脐带断接器、尿收集装置、安全系绳挂钩等，详见表7。在出舱产品研制过程中应重视相应的性能验证及在轨使用操作验证。

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

其中有1起由于超过舱外航天服使用寿命引起的故障。1993年俄罗斯Mir，PE-14，EVA 4中使用的是Orlan-DM，编号为N14的舱外航天服，该服装设计寿命为4年10次。但是截止当时该套服装已经由5位不同的航天员使用了13次，最终因供氧系统失效结束了使用。

此外还有2起因月尘引起的磨损和装配困难事件，该类故障提示在登月服的设计中必须考虑防尘措施。国内已经开展了月尘防护方面的研究，主要有添加防护罩法以及静电防护法。

值得注意的是，在轨操作时管路、线缆缠绕是不可忽视的问题，严重时可能导致任务执行失败。产品、程序设计中应充分考虑操作路径，设置管路、线缆临时固定点，避免该类问题产生。

载人航天是一项高风险的任务，出舱活动更是如此。所幸在历次出舱活动中(本文统计截止到2021年6月)没有出现航天员死亡的情况。其中由舱外航天服造成航天员损伤共有15起，造成出舱活动提前终止(或取消)共有13起，占比均为3%左右。

3.1 航天员损伤

由舱外航天服造成航天员损伤的15起故障中，航天员受伤的情况主要分为以下3种(图3)。

图3 舱外航天服故障造成航天员损伤的情况Fig.3 Types of astronaut injury caused by EVA spacesuit

1)眼部刺激。美国航天员在多达8次任务中遭受到了眼部刺激，其中5次由防雾剂引起，1次眼部受到刺激是由净化装置故障导致。眼部刺激事件发生比率占到了航天员损伤事件的57%，必须高度重视眼部的安全性。

2)肢体机械损伤。肢体机械损伤主要是指肢体与服装接触部位被压迫、撞击而疲劳或者破损。部分损伤并不是仅由舱外航天服引起，同时涉及到任务规划问题和工具工效问题，但考虑到舱外航天服作为个体防护装备应该保护着服者的健康安全，该部分情况也纳入本文统计中。肢体机械损伤在20世纪80～90年代的美、俄出舱活动中发生过5起。通过不断改进手套、上躯干形态，到如今的舱外航天服获得了较为满意的适体性。该类故障在2000年以后的出舱活动中已经很少见诸报道。尽管如此，采用新的设计手段追求更好的适体性是舱外航天服研制不懈追求的目标。

3)热烧伤。热烧伤仅在1966年的Gemini 9出舱任务中发生过1次。热防护层是舱外航天服为航天员提供被动热防护的重要组件。1966年双子星9号出舱活动中，航天员尤金˙赛尔南由于身体过度用力，其舱外航天服背部外层被划破，受太阳光照射，他的背部被晒伤。光热还损坏了服装的生命保障系统。该事故警示不应忽视热防护层，特别是软结构热防护层意外损坏的影响。舱外航天服热防护层损坏时应及时返回，避免对航天员造成进一步损伤。另外还应考虑真空隔热屏蔽服的在轨维修措施等。

3.2 出舱活动提前终止

由于舱外航天服故障造成出舱活动提前终止或取消的情况共13起，近期导致任务提前终止的主要故障类型是美国EMU舱外服的冷凝水进入头盔，总结起来主要有6种故障类型分布(图4):

图4 舱外服导致出舱活动提前终止/取消的情况Fig.4 Early termination/cancellation cases of EVA caused by EVA spacesuits

1)压力防护失效2起；

2)供氧问题3起，其中2起由误操作供氧系统的阀门导致；

3)热控问题2起；

4)风机故障1起；

5)CO浓度超标3起；

6)冷凝水进入头盔2起。

除了最基本的压力防护需求，舱外航天服内的气体成分、温度以及游离水等多余物均可能影响到航天员生命安全。因此出舱过程中需要密切关注舱外航天服的各项指标，必要情况下及时调整任务规划。

作为出舱活动中的关键设备，舱外航天服在轨发生过的故障是宝贵的经验教训。通过对美俄两国舱外航天服历史故障的梳理，按照故障原因分类并根据发生频次由多至少排列依次是:热控系统故障、人因类故障、压力防护故障、通风净化系统故障、出舱机动装置故障、其他和通信故障。从舱外航天服历史故障事件中可得到如下的启示:

1)热负荷、CO净化效率、服内环境等关键指标应全面覆盖实际出舱活动任务的需求，尽量避免因能力设计不足而影响出舱活动任务的正常开展。

2)对于舱外手套、防护层、水泵、风机等出现过多次故障的产品，研制中应通过冗余设计、裕度设计提高其可靠性，并合理设计在轨维护检查手段，将潜在的问题在出舱前准备阶段及时暴露并解决。此外，将上述产品设计为在轨可更换部件，方便在轨维修，可节省总任务的成本。

3)在轨出舱活动准备及过程中，人员误操作难以避免。由于舱外航天服的重要性，可能即使很小的误操作都将给出舱活动安全性、工作时间等带来较大影响。因此在舱外航天服产品设计、操作程序设计中应重视防误设计，同时加强使用者的培训，努力降低误操作带来的故障。

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