天宮空間站首次出艙活動不論是任務規模還是出艙時間都創造了我國航天的新紀錄，並開啟了常態化組織太空出艙活動的序幕。
距離神舟十二號航天員乘組激動人心的首次出艙任務已經半月有餘，各種渠道的影片、影象資訊可以說是不勝列舉，但卻鮮有完整記錄解讀此次事件的文章，筆者今次就試著拋磚引玉。
基於遙測資料製作的航天員出艙畫面
神舟十二號航天員乘組執行天宮空間站首次出艙任務當天，從劉伯明開啟氣閘艙艙門的8點11分算起，至當天下午14點57分艙門關閉，太空出艙時間總計6小時46分鐘。
由於出艙準備工作繁多，加上出艙任務時長限制，為了萬無一失航天員們將準備工作前置部署，當天凌晨三點起床，四點就進入出艙準備流程，此一階段工作按照計劃是耗時二至三個小時。
停放於氣閘艙（節點艙）內的飛天艙外航天服
出艙準備工作的重點自然是穿著重約130公斤的艙外航天服，對比神舟七號出艙任務中應用的飛天艙外航天服，此次使用的是第二代產品。
新一代艙外服的優勢是各身體部位關節更靈活，艙外航天服手套甚至可以抓握0。5釐米直徑的物體，出艙自主保障時間達到了8小時。航天員身高適應範圍也由飛天一代的1。65m至1。8m放寬至1。6m至1。8m。
劉伯明穿著新一代飛天艙外航天服
與神舟七號短短數十分鐘的出艙任務不同，天宮空間站首次出艙就是七個多小時（包括進出氣閘艙時間），空間站組合體繞地球一圈大約是90分鐘，在整個出艙任務中航天員需要在陰影區累計待上幾個小時，因此二代艙外航天服加裝了照明元件，同時還有高畫質攝像機元件。
執行空間站首次出艙任務的航天員是02號劉伯明與03號湯洪波，指令長01號聶海勝坐鎮核心艙機械臂操控臺提供支援。
坐鎮核心艙的聶海勝
在出艙任務序列中劉伯明是航天員a，穿著帶有紅色條帶的艙外服。湯洪波則是航天員b，穿著帶有藍色條帶的艙外服。
艙外服揹包門上都寫上了自己的名字
航天員進出太空都需要經過氣閘艙（節點艙）這個交通樞紐，天和一號核心艙分為大柱段、小柱段、節點艙三部分，大柱段主要是工作區，小柱段則是生活區，節點艙雖然身段最小但功能強大，它不僅可以用於對接神舟與天舟兩型飛船，還可以靠泊兩個22噸級大型實驗艙，同時節點艙也兼職氣閘艙，航天員就是由此進出太空。
氣閘艙（節點艙）出艙口
天宮空間站總計有三個氣閘艙，天和一號節點氣閘艙只是其一，明年將要發射的問天實驗艙Ⅰ還有一個人員專用氣閘艙，與天和一號對接後，以問天實驗艙氣閘艙為主氣閘艙，同時兩個氣閘艙互為備份。夢天實驗艙Ⅱ也將於明年發射，它也有一個貨物專用氣閘艙，作為實驗載荷進出空間站的通道。
問天號實驗艙Ⅰ人員專用氣閘艙出艙口（模擬模型）
兩名航天員從氣閘艙進入太空需要“三關一開”，即關閉神舟十二號與核心艙相連的軌道艙艙門、核心艙小柱段與氣閘艙之間的雙向承壓艙門，以及艙外航天服揹包門，並開啟出艙艙門。
關閉三道門之後，兩名出艙航天員身著艙外服在氣閘艙內進行大流量沖洗與吸氧排氮。
所謂大流量沖洗指的是“航天服大流量氧氣沖洗模式”，就是將航天服內空氣轉變為純氧環境，吸氧排氮則是為了預防航天員體內氮氣在艙外服內0。4個大氣壓下溢位，降低減壓病風險。
大流量沖洗期間需要航天員適當活動身體
在完成各艙門密封性檢查與大流量沖洗後，氣閘艙進入洩壓程式。與十三年前神舟七號氣閘艙將空氣直接排入太空不同，天和核心艙氣閘艙選擇的是迴圈複用模式。就是將氣閘艙空氣轉移至核心艙臨近艙段的氣瓶內，待航天員完成出艙任務返回時再將空氣迴流氣閘艙。
這樣做的好處是，除了可以節省寶貴的氣體資源，還可以消除類似神舟七號氣閘艙向太空釋放氣體導致的航天器姿態擾動問題。
神舟七號氣閘艙球形復壓氣瓶
出艙航天員待在氣閘艙內的大部分時間是透過“臍帶”為艙外航天服提供電能、供氧通風、溫控液冷等功能支援，待出艙準備工作一切就緒後，劉伯明使用艙門鑰匙開啟位於氣閘艙第三象限的出艙艙門。
艙門鑰匙安裝位置的改進
十三年前神舟七號實施我國首次太空出艙任務時由於氣閘艙內外壓差的原因導致艙門開啟過程非常坎坷，翟志剛事後披露，我是玩命地在那兒開門拉那個艙門，那真是全力，那咋拉也拉不開，那勁太大了，當我用撬棍把這個艙門撬開一條縫的時候，就是一個成語“心花怒放”。
我國太空出艙第一人翟志剛
吸取前次任務教訓，天和一號氣閘艙的艙門鑰匙沒有像神舟七號那樣設定在艙門中心位置，而是設定在一側，同時增加了助力手柄，因此艙門開啟得非常順利，甚至用“輕鬆”一詞形容都是貼切的。
天和核心艙氣閘艙出艙艙門助力手柄
打開出艙艙門
就在出艙航天員進行準備工作的同時，停靠於核心艙小柱段外壁的天和機械臂也開始運作，並最終將機械臂一端的末端執行器運動至腳限位器安裝點。
天和機械臂運動軌跡
天和機械臂運動至腳限位器安裝點
劉伯明打開出艙艙門後，先是給艙門套上保護罩，目的是避免艙門剮蹭破壞艙外航天服與艙門自身的氣密性。
氣閘艙出艙口艙門套上艙門保護罩
爾後劉伯明單手舉著腳限位器，另一隻手扶著出艙口環形扶手探出了身體，並將腳限位器對接安裝於機械臂末端執行器的一側。緊接著，就是將用於掛載裝置工具的艙外操作檯安裝在腳限位器的一側。
劉伯明出艙後的第一句話：哇，這外面太漂亮了
劉伯明將腳限位器安裝在機械臂末端執行器側面
完成腳限位器安裝後地面飛控中心發出指令“請02抓好環形扶手，組合體將進行姿態控制”。
航天員手抓環形扶手，組合體進行姿態控制期間
談到姿態控制就需要提到稍早前航天員在氣閘艙內進行出艙前準備工作時，空間站就實施了一次較大幅度的姿態控制，即由“連續偏航飛行”轉“三軸對地穩定”。
天宮空間站通常以連續偏航模式飛行，該模式下空間站組合體可以隨時調整自身飛行姿態，快速靈活地以最佳角度接受太陽的照射，從而最大限度獲取充足的電能供應。
空間站組合體轉三軸對地穩定模式
執行出艙任務之所以轉換為三軸對地穩定模式，是因為當太陽入射向量與軌道面的夾角小於一定角度後，需要轉換飛行姿態以保證空間站組合體能源平衡與安全飛行。
熱控管理與安全飛行密切相關，尤其是神舟十二號載人飛船的熱控管理，因為執行出艙任務期間節點艙處於真空狀態，軌道艙艙門關閉，無通風管道與神舟飛船相連。此種情況如果繼續以連續偏航模式飛行，神舟載人飛船的熱控管理壓力將更大。
天宮空間站採用的是無推進劑消耗的姿態控制方案，在核心艙大柱段前錐段有6個控制力矩陀螺，每個陀螺裡都有高速旋轉的轉子，透過改變轉子的旋轉軸輸出力矩，進而實現空間站的姿態控制，只消耗電能不消耗推進劑。
在空間站組合體進行姿態控制的同時，坐鎮核心艙的聶海勝提醒劉伯明開啟艙外服面罩，此時空間站已經執行至陰影區。
聶海勝所說的“面罩”指的就是艙外服面窗4層結構最外層的“濾光面窗”，其作用類似太陽眼鏡，主要在陽照區使用，在陰影區則需要開啟。
金色的濾光面窗
艙外服面窗四層結構依次是，濾光面窗、防護面窗、壓力面窗、壓力面窗。
防護面窗可以在軌更換，用於防止剮蹭擠壓破壞面窗結構，兩層壓力面窗中間充氮氣，效用是隔熱與防結霧。
開啟濾光面窗後露出防護面窗
艙外航天服在太空如同獨立的航天器，也需要完備的防護能力，尤其是在200攝氏度溫差環境下確保航天員的安全是出艙任務的重中之重，透過多層防熱結構為主的被動熱控手段，加上以水昇華器為主的主動熱控手段，艙外航天服透過多種技術手段合力形成了真空防護、高低溫防護、輻射防護的全要素防護能力。
空間站艙外操作檯安裝後，機械臂緊接著移動至“上臂點”，爾後劉伯明登上機械臂末端執行器側面安裝的腳限位器上，隨後向地面報告“已站上機械臂，目前與艙體沒有任何連線”。
劉伯明站上機械臂
隨後機械臂繼續移動至“接裝置點”，站上機械臂的劉伯明將在此處固定緊急裝置主體，並測試緊急制動裝置，該裝置的操作按鈕非常顯眼，就在艙外操作檯上。
艙外操作檯上的急停裝置
與此同時地面向03航天員湯洪波也發出了指令“請03出艙，並進行艙外自主轉移”。
兩名航天員此次出艙的實際作業任務是對全景攝像機a進行抬升，該攝像機位於核心艙第四象限大柱段與小柱段之間的控制力矩陀螺附近。
與劉伯明透過機械臂轉移方式不同，湯洪波是透過主路徑扶手自主爬行至作業點。
03航天員湯洪波出艙
兩名航天員兵分兩路，轉移方式的難點各有不同，機械臂轉移考驗心理調控能力，自主爬行轉移則對體能要求更高。
湯洪波首先從跨艙段（氣閘艙與小柱段）長扶手出發，然後透過縱向扶手轉移至小柱段第四象限，再之後透過一系列橫向扶手轉移至作業點，空間站外表面的每一個扶手都有自己的編號，航天員艙外自主轉移過程中始終有一個防漂掛鉤繫於扶手，以確保絕對安全。
每一個艙外扶手都有編號
自主轉移路徑上的每一處關鍵位置都有節點艙（氣閘艙）方位路標，這是為了確保航天員在遭遇突發危險狀況時可以快速判斷方位，從而回到氣閘艙這個唯一的救生通道。
節點艙（氣閘艙）箭頭指示路標
理論上人們都會認為乘坐機械臂轉移的02航天員劉伯明會率先到達作業點，實際上卻是自主爬行轉移的03航天員湯洪波先到達作業點。
這是因為機械臂輔助航天員大範圍轉移功能首次啟用，在引數設定上出於安全考慮偏保守，只用到了設計轉移速度的五分之一。
03航天員湯洪波到達作業點附近
湯洪波到達作業點後與站在機械臂上的劉伯明相互招手致意，此時天和機械臂也已經運動至中間點3，劉伯明距離到達作業點也僅有“一步之遙”，在這裡他將操作檯轉移至身體左側，為到達作業點做好了準備。
機械臂運動至中間點3時兩名艙外航天員招手致意
天和一號核心艙被認為是人類近十幾年來發射的最大規模的單體航天器，那麼它究竟有多大？
正所謂百聞不如一見，自入軌以來鮮有第三視角畫面可以展現其大，而此時劉伯明身著的艙外航天服攝像機為我們提供了一窺核心艙之大的機會。
在艙外航天服a攝像機畫面中可以看到薄如蟬翼的四象限核心艙太陽翼，以及小柱段與大柱段。
小柱段是航天員用於睡眠的休息區，同時還有太空衛生間、太空跑臺，艙外則有中繼通訊天線、測控天線等設施，畫面中顯示的大柱段則是航天員在軌工作的主要場所。
劉伯明艙外服攝像機鏡頭中的天和一號核心艙（區域性）
劉伯明抵達作業點之際，全景攝像機a也執行了斷電操作，為抬升支架作業做好準備。
機械臂轉移途中腕部相機記錄下了另一幕壯麗畫面，在寬闊的核心艙太陽翼之上，粗壯的天和機械臂託舉著劉伯明，更遠處則是深邃的太空。
天和機械臂肘部相機拍攝畫面
天和機械臂支援航天員艙外作業只是小試牛刀，航天員加上艙外作業裝置的重量滿打滿算也不會超過0。5噸，而該機械臂可以承載重達25噸的航天器，並且在移動速度與精度等指標上居於世界領先水平，同時具備包括艙外狀態監視、轉位實驗艙、捕獲懸停飛行器、轉移貨運飛船載荷、輔助航天員活動、艙表狀態檢查、輔助航天員轉移核心艙太陽翼、與實驗艙機械臂級聯組合等一系列多樣化功能。
末端執行器與目標介面卡
上述功能都離不開機械臂透過首尾兩端的末端執行器與艙表分佈的目標介面卡對接與分離過程中實現的“艙表爬行轉移”這一核心功能。
機械臂與目標介面卡分離
機械臂對接分離機構與飛船對接分離機構一樣，麻雀雖小但五臟俱全，其對接過程如下：
近距離透過末端執行器側面安裝的雙目攝像機對目標介面卡標靶進行高精度視覺測量，然後在視覺位姿引導下，機械臂緩緩接近目標介面卡，完成捕獲後末端執行器裡有一個拖動機構將兩器拉緊，同時有定位銷限位，整個對接過程分為粗定位與精定位，透過這兩個過程逐步絞緊，進而消除機械、資訊、供電介面的偏差，最終實現4個鎖緊機構的完全鎖緊。
末端執行器與目標介面卡對接（機械臂腕部攝像機拍攝）
此次出艙任務中協助02航天員劉伯明進行大範圍轉移的天和機械臂就是從大柱段爬行至小柱段目標介面卡。
由於機械臂載貨量更大，所以此次出艙作業大部分維修工具與裝置由02航天員劉伯明攜帶與操作。
兩名航天員到達作業點後隨即開始進行全景攝像機a抬升作業，具體作業辦法是，安裝艙外通用把手將全景攝像機a基座抬升，在這個過程中航天員用到的唯一電動工具就是“電動螺絲刀”。
用於抓取轉移裝置的艙外通用把手
電動螺絲刀用於拆裝艙外裝置的安裝螺釘，能夠適應艙外真空冷黑環境，具有定力矩、正反轉功能，配備加長杆，適應不同高度裝置的維修。
艙外唯一電動工具：電動螺絲刀
為了適應艙外航天服抓握能力，電動螺絲刀體型較為碩大，重量約10公斤，在太空中重量並不是問題。
艙外電動螺絲刀地面實物
航天員在艙外工具的研製中提出了很多具有建設性的意見，比如電動螺絲刀的旋鈕設計，航天員提出旋鈕應該有一個凸出結構，這樣在旋擰的過程中可以感知旋鈕的旋轉，設計方最終也採納了航天員的建議。
航天員提出的旋鈕改進設計（艙外電動螺絲刀）
另外，如果電動螺絲刀出現故障，還有備用工具“艙外扳手”替換。
艙外電動螺絲刀的備用工具“艙外扳手”
經過擰螺絲上螺絲的一系列操作後全景攝像機a完成了抬升，兩名艙外航天員的身姿都在該攝像機的鏡頭中得到了完美展現。
全景攝像機a抬升前後對比
關於艙外全景攝像機a也有幾個問題：
1。全景攝像機a為什麼要抬升？因為該攝像機安裝在核心艙大柱段四象限控制力矩陀螺外側，受長征5B火箭整流罩尺寸限制，安裝高度受限，需要抬升擴充套件視野；
2。為什麼不設計成自動抬升？首先是因為控制力矩陀螺附近空間有限，再就是單獨為一臺攝像機配置抬升電機得不償失；
抬升後的全景攝像機a
3。全景攝像機給出的畫面為什麼有拼接痕跡？因為這是一款由4個鏡頭組合實現360°視野的全景攝像機；
4。為什麼全景攝像機不能設計成單鏡頭可由電機控制轉動？艙外活動部件越少越可靠，單鏡頭快速反應能力也不及4鏡頭同時作業。
抬升後的全景攝像機a鏡頭畫面
完成作業後地面向執行此次出艙行走任務的航天員表達了感謝：神舟十二號工作完成，非常好，地面也表達對你們的感謝。
神舟十二號航天員劉伯明對此有一個高情商的回覆：神舟十二號謝謝工作人員，你們更辛苦，感謝你們。
抬升後的全景攝像機a視野更佳，此時完成抬升工作的劉伯明也有了欣賞太空美景的空閒時間，他向地面報告：現在有白雲朵朵，還有成片的像海洋一樣的，還有像冰層一樣的，你們隨著我艙外服攝像機的全景跟隨我的步伐一起自由的飛翔吧。
站在機械臂上的02航天員劉伯明
就在大家欣賞太空美景的同時03航天員湯洪波卻在鏡頭中漸行漸遠，他接下來要執行另一項艙外任務——艙外航天員應急返回。
漸行漸遠的03航天員湯洪波
執行應急返回任務的湯洪波首先由全景攝像機a作業點自主爬行至大柱段靠近資源艙的位置，並從那裡開始應急返回流程，整個過程爬行速度要比正常爬行速度快1倍，目的是驗證艙外航天員遭遇突發險情的應急返回能力。
應急返回開始前三名航天員有一段簡短的對話：
劉伯明：03，我的機械臂開始擺動了。
聶海勝：出艙口見。
湯洪波：出艙口見。
湯洪波從此處開始應急返回（大柱段接近尾部資源艙的位置）
此時空間站組合體正執行在陰影區，黑暗深邃的太空中03航天員湯洪波看上去是那麼的孤單，然而有隊友的通力協作、地面工作人員的全力支援，以及背後億萬國人的期待，他的內心不會有“孤獨”一詞。
湯洪波應急返回途中
很快，在湯洪波嫻熟的爬行操作下，用比機械臂轉移用時更短的時間，他連續透過大柱段、小柱段，來到了節點艙出艙口。
此時劉伯明搭乘機械臂也來到了“中間點2”，在這裡透過他的艙外服攝像機可以看到正在進艙的湯洪波。同時節點艙第2象限的側向停泊口也首次呈現在國人眼前，明年另一個22噸級大型艙段“夢天號實驗艙Ⅱ”將永久停泊於此，與2象限對應的4象限停泊口則是“問天號實驗艙Ⅰ”的停泊位置。
劉伯明艙外服鏡頭中正在進艙的湯洪波
03航天員湯洪波在確認沒有多餘物之後開始進艙操作，在即將進艙前他向地面報告：03感謝所有科技工作者，祝福祖國的航天事業越來越強，03進艙。
03航天員湯洪波進艙
湯洪波回到氣閘艙（節點艙）
此時機械臂運動至中間點1，待03航天員湯洪波完成進艙後運動至接裝置點，劉伯明在這裡將維修工具由湯洪波傳遞轉移至節點艙內。
機械臂運動至接裝置點
完成維修裝置轉移後機械臂轉移至下臂點，劉伯明在這裡下機械臂。
劉伯明下機械臂
完成下臂後劉伯明還不能直接返回節點艙，而是要拆卸對接在機械臂末端執行器上的腳限位器與艙外操作檯，這部分艙外操作裝置起初是由節點艙內轉移至艙外，而在返回程式中它們將不再返回節點艙。
待機械臂轉移至“拆裝腳限點”後，劉伯明將其拆卸後安裝在節點艙外壁介面上，為下一次太空行走任務提供便利。
劉伯明將艙外操作檯安裝在節點艙外壁介面上
就在劉伯明準備將腳限位器安裝至節點艙外部介面時，地面突然傳來指令：02，請現在進艙，請將腳限位器在艙門口暫時放置，請02現在進艙，完畢。
暫時放置在艙門口的腳限位器
這一指令凸顯了太空出艙行走任務的高風險性，之所以突然傳來進艙指令，是因為地面監測到空間站遭遇了異常輻射，緊急進艙目的就是為了躲避異常輻射。
在艙內躲避異常的輻射
異常輻射來自哪裡？在沒有更多公開訊息前，筆者不能給出定論。
受地球磁場保護來自宇宙空間的大部分輻射都會遮蔽掉，但是也存在穿過磁場保護帶的輻射。
另外，在地球的南大西洋地區存在異常輻射帶，名為“南大西洋異常區”，該區涵蓋整個巴西海岸線，由地球磁偶極子旋轉軸向北美傾斜11°，導致地球磁偶極子中心向西太平洋位移500公里，輻射帶向下延伸200公里距離而形成。
核心艙艙體有多層防護結構
針對這些輻射危險因素需要必要的規避防護措施，天宮空間站艙體有多層防護結構，可以遮蔽掉大部分危險輻射，所以在遭遇異常輻射時需要儘速回艙。
待異常輻射過後，劉伯明再次出艙將腳限位器安裝於節點艙外表面的裝置介面。
劉伯明再度出艙將腳限位器安裝於節點艙外壁
艙外操作檯與腳限位器在節點艙艙外的安裝位置
爾後在確認沒有多餘物後開始二次進艙，在進艙前他向地面報告：02作為空間站首次出艙航天員感謝所有參研參試的科研人員，感謝全國人民大力支援，後續我還會繼續出艙，還會飛的更高，空間站會建的更大，謝謝。
劉伯明的這番報告披露了，在神舟十二號乘組的第二次出艙任務中他還會繼續參加，按照操作規範空間站每一次出艙都必須有兩名航天員參與，在下次出艙任務中另一名航天員會是誰呢？
此前聶海勝在核心艙大柱段進行蹬車運動
聶海勝此前披露，神舟十二號3名航天員任意兩人組合可以完成任意需兩人協作完成的任務，也就是說他也可以執行太空出艙行走任務，作為我國第二位三上太空的航天員如果此次可以圓夢出艙，其航天員生涯可謂是大大的圓滿。
劉伯明與湯洪波進艙後連續完成了拆出艙艙門保護罩、關閉出艙口艙門、檢查艙門密封性等操作，緊接著就是節點氣閘艙的復壓。
當氣閘艙壓力達到艙外服額定工作壓力後，艙外服連線臍帶，由艙外服自主保障轉艙段保障。
當氣閘艙與艙外服壓力一致時，航天員可以脫去艙外航天服。
劉伯明與湯洪波先後脫下艙外航天服
當氣閘艙壓力與核心艙一致時，小柱段與氣閘艙相連的雙向承壓艙門開啟，出艙任務圓滿結束。
兩名出艙航天員在氣閘艙內脫去艙外航天服後，坐鎮核心艙大柱段操控臺的聶海勝急忙起身，然後縱身一躍飛到了雙向承壓艙門迎接兩位戰友回家。
聶海勝迎接兩位戰友回家
此時地面飛控中心也傳來了新的祝語：祝賀神舟十二號出色完成空間站首次出艙活動，預祝後續工作順利。聶海勝對此回覆：神舟十二號明白，感謝科技人員的支援，我們後續一定努力。
空間站首次出艙任務結束後三名航天員在核心艙
自去年以來天宮空間站關鍵技術驗證階段總計6次任務已經完成過半，連續成功實施長征五號B遙一首飛試驗、長征五號B遙二發射天和一號核心艙、長征七號遙三發射天舟二號貨運飛船、長征2F遙十二發射神舟十二號載人飛船，目前三艙組合體已經在軌穩定執行一月有餘。
明年我們將建成天宮空間站完整構型
不積跬步無以至千里。上述任務的實施充分檢驗了載人航天工程三步走規劃前兩步所獲得的諸如空間交會對接、推進劑在軌補加、航天員中期駐留等一系列核心技術能力。有繼承更有發展，尤其是空間站首次出艙行走任務之於神舟七號出艙行走任務的改進與完善，由此更進一步證明我國載人航天工程三步走規劃安排的科學性。