从“海鹰”到“飞天”
按照中央批准的《关于实施载人航天工程第二步任务第一阶段研制建设工作的意见》，工程第二步第一阶段的任务是，发射神舟七号飞船，突破和掌握航天员出舱技术，此后再开展空间交会对接试验，掌握相关技术。
出舱是载人航天工程需要突破的三大技术之一。掌握了这项技术，就可以为下一步建造空间站、在轨维护航天器、开展外太空试验，以及未来载人登月等，奠定重要的技术基础。
要想实现出舱，神舟七号任务首先要突破和攻克舱外航天服的研制。
舱外航天服顾名思义就是专门为航天员出舱活动设计的航天服，主要作用是避免出舱过程中的一些危险因素，服装内要给出舱活动的航天员提供大气压力、氧气供给、温湿度控制等；出舱后，不能出现泄漏，还要耐受高低温的骤变，并对宇宙辐射和空间碎片的撞击具有防护功能。可以说，舱外航天服是浓缩了的舱外生命保障系统，相当于一个小型太空舱。
按照最初的计划，中国在2007年发射神舟七号飞船，从俄罗斯引进“海鹰”舱外航天服来完成首次太空出舱活动。然而，很多老一代专家得知这一消息后，却表达出了另一种呼声。他们说，舱外航天服技术是出舱活动的关键技术，如果无法突破，就等于是说在出舱活动这个领域，我们没有任何进步。而且，这与我国载人航天工程立足于自我研制、自我发展的整体思路和战略背离，不利于工程的长远发展。专家们的意见都对，但如果采用我国自行研制的舱外航天服实施出舱，就面临任务进度紧张与技术攻克困难的尖锐矛盾，怎么办？难题摆在了新任工程总设计师周建平的面前。
周建平经过与大家的再三斟酌与论证，最终决定，航天员穿中国自己研制的舱外服进行“太空漫步”。
2004年9月23日，由航天员系统提交的《舱外航天服系统研制总体技术方案》通过了专家评审。方案明确了几个要点：中国的舱外航天服采用软硬混合结构，形态呈拟人态，高2米左右，其中背包高度为1.3米，服装四肢可调节，适合1.6—1.8米的航天员穿着；在地面上自行穿脱需2—3分钟，在太空从开始准备到完全穿好约需15分钟；加注状态下约重120千克；出舱活动期间采用40千帕的纯氧压力制度，抗压能力为120千帕；外层耐温控制在±110℃之间；可独立工作4—6小时；可靠性指标为0.997；造价约3000万元。
王永志、周建平等在载人航天工程研制一线调研
2005年3月，航天员系统完成了舱外航天服的系统总体方案设计和各分系统方案设计。中国载人航天工程办公室对外宣布：2007年，中国要实现航天员出舱，在太空行走。工程有关领导在向中央专委汇报时表示，2007年11月可以具备发射神舟七号的条件。中央领导同志并没有马上批准这个方案，而是对工程负责同志说，研制工作不要抢进度，一切服从质量。如果2007年有困难，发射时间可以推迟。根据中央领导的指示，工程总体决定，将神舟七号的发射时间从原定的2007年调整到2008年。
为稳妥起见，进行“太空漫步”时，采用“一中一俄”的模式，也就是说，出舱活动任务由一名航天员穿中国的舱外航天服执行，另一名航天员则穿俄罗斯的舱外航天服进行协助和支持。
舱外航天服的研制主要有4项关键技术和3个技术难点需要突破。4项关键技术分别为舱外航天服关节技术、舱外手套技术、水升华器技术和风机小型化技术；3个技术难点分别为外防护层织物材料技术、静态水气分离技术和二氧化碳传感器技术。研制工作又下设了本体结构、环控生保、医监遥测和控制显示4个分系统，调动了全国相关领域的最优秀资源，吸纳了顶尖专家的意见。
舱外航天服的研制，每项技术都是空白、每个难点都关系着任务的成败。航天员系统总指挥、总设计师陈善广专门安排航天员系统副总指挥刘新民和舱内航天服的主任设计师李潭秋来负责立项及方案设计，工作随即展开。
陈善广明白这不是一场轻易可以打赢的战役，一个很重要的原因，就是时间不足。根据美、俄两国的经验，在技术储备缺乏的情况下，即便是拥有世界一流的研发力量，研制舱外航天服也至少要8—10年。但这时距离神舟七号发射的预定时间只剩下不到4年。之所以确定4年，是根据国际上的经验和教训，如果一个国家间隔时间太长没有进行载人飞行，就会出现资源闲置和人才流失，甚至影响未来的战略目标。对正在建设中的中国载人航天工程来说，4年已是极限。可用不足4年的时间跨越美俄几十年的研发水平，挑战无疑是巨大的。
针对这个问题，陈善广提出了“时间倍增器”的概念，时间还是那么多，但工作量要成倍统筹地增加，效率要突飞猛进地提高。李潭秋更是想尽一切办法争取时间，加快速度，他对大家说：“我们就是倒也要倒在终点上。”
为了实现承诺，李潭秋打破常规的研制节奏，采用并行迭代的工作模式，凭借“863计划”预研的少量成果和几张图纸，开始了背水一战的攻关。研制初期，刘新民和李潭秋遇到的最大难题是，尽管进行了前期预研，但舱外航天服大到整体结构和外形，小到元器件、原材料的性能指标，每一个都是难点，一针一线都需要从头设计，所需的设施、设备也要边研制边建设。在方案、初样、正样三个阶段，产品设计、工艺设计、生产制造，每一阶段研制成熟后，就分出一部分人员先期进行下一阶段的攻关。就是在这样的并行组织和统筹管理下，方案研制一般需要3—4年，他们仅用了两年多；初样研制一般需要3年，他们仅用了13个月；正样研制一般需要一年半至两年，他们只花了7个月。
舱外航天服的躯干是一个跟人体附形的铝合金薄壁硬体结构，设计壁厚仅1.5毫米，虽然薄如蝉翼却要求极高，抗压能力要超过120千帕，还要经得起地面运输、火箭发射时的震动，连接服装的各个部位要能够承受整套服装120千克的重量。躯干结构还有6个接口，焊接起来很容易变形，火箭总装厂、卫星制造厂和全国各行业最好的焊接技师集体攻关两年之久才攻克了这一难题。
航天员出舱活动的目的是到舱外进行维修、安装等活动，所以，舱外航天服的上肢部分非常重要，既要保证气密性和强度，又要让关节灵活自如。这个难题曾经让李潭秋苦恼不已，经过了无数次的论证、推翻，再论证、再推翻，但还是一筹莫展。一天吃饭时，工艺师李智望着盘中的大虾，突然闪过一个想法，虾的全身也是硬壳，可为什么就能行动自如呢？他拿起一只大虾，仔细观察它的身体构造，发现虾的随动结构之所以好，是因为层叠的虾壳给了它很大的灵活性。李智灵机一动，如果把虾壳的结构搬到舱外航天服上肢的部位，那航天员的活动会不会自如得多呢？
第二天，李智把想法告诉了李潭秋，李潭秋立即组织人员仿照虾的构造试着做了一个套接式的关节结构。曾经看似矛盾的两个要求迎刃而解，这个独特的“滚、旋、套、叠”结构的活动关节成为舱外航天服的创新亮点之一，而利用仿生学原理来设计舱外航天服的结构，也成为世界航天史上的首创。
舱外航天服手套是航天员舱外活动时最重要的装备，是人体移动、设备操作和取回有效载荷的关键部件，既要具有良好的操作灵活性和触感，又要具有长时间抓握±50℃、短时间抓握±110℃物体的防护性能，还要具有良好的气密性和抗压性。所以，这双手套既不能太薄太软，又不能太厚太硬。为了挑选出合适的材料，李潭秋和研制人员跑遍全国所有具备技术能力的单位，仅橡胶材料这一项就进行了半年多、上百次的筛选试验。通过对比材料的拉伸强度、定伸应力、拉断伸长率等性能后，确定了最终的材料配方，集合了12种织物、8种橡胶、7种金属材料。
为了使手套符合每位航天员的手形，他们采用白光扫描技术对全部航天员的手进行了三维扫描，提取了手部的数字特征，获得了精度达到微米级的三维手形数据，经航天员试戴后，可满足全部航天员的要求，总体技术达到了世界先进水平。同样，舱外航天服的最外层使用的防护材料是国内最昂贵的服装面料，可以在±100℃的温差范围内保持良好的强度。同样，整套服装既有硬结构也有软结构，既有机械工艺也有纺织工艺，经过全国数十家配套单位的齐心协力、分头攻关，终于攻克了这一个个科技堡垒。
2005年4月至2006年4月，舱外航天服的4项关键技术和3个技术难点的技术攻关和样机研制不仅全部完成，还并行完成了舱外航天服配套单机模样产品的设计和生产。
2006年4月，舱外航天服的研制即将进入方案末期时，由于材料和制造工艺不成熟，躯干结构制造过程中发生破损问题，工程总体要求躯干材料需要重新调整。舱外航天服的整体结构多由航天企业制造，此时，其他产品已完成模样研制，唯独等着躯干列入总装平台。面对这一突发情况，李潭秋和设计师、工艺师们全部自动留守加班，集中到现场，又经过上万次的尺寸测算，重新设计出了200多份高质量的图纸。3个月后，全新的躯干模样研制成功，模装舱外航天服配套单机产品齐套并交付总装。5月31日，模装舱外航天服通过了验收。这是我国第一套经过系统集成和调试的舱外航天服，虽然整体上还不够完善，但实现了零的突破。
8月31日，舱外航天服的研制转入初样阶段。这是一个承上启下的关键阶段，对研制队伍来说，也是工作最繁重、考验最严峻的阶段。在不到一年半的时间里，不仅要完成结构服、环试服、电性服等5套初样舱外航天服的总装、改装和试验，还要完成低压试验服和2套常压训练服的研制。产品生产、服装总装、系统试验，以及试验设计与试验平台建设等过程始终处于交叉并行的状态。面对这些任务，既要按研制的客观规律办事，把风险控制在最低限度，又要千方百计地争分夺秒抢进度，最大限度地利用时间资源，确保各个环节紧密衔接。
2006年10月至2007年1月，初样状态舱外航天服的结构服完成总装，并通过了力学环境试验、常压综合测试和工效学测试。2007年1月至6月，舱外航天服完成了环试服、电性服总装，并进行了力学环境试验、常压综合测试、低压综合测试、接口匹配试验、电磁兼容性试验和安全性验证试验。5月至10月，结构服的热控服改装和强度服改装完成，并分别进行了系统热平衡试验和系统强度试验。10月，第一套舱外航天服的初样出炉亮相。
10月31日，舱外服的研制转入正样阶段，这是经受试验考核的最终环节。2007年年底到2008年年初，第一套舱外航天服及各项配套产品陆续交付。2008年3月，正样低压训练服开始总装，并完成了无人低压舱试验，具备了交付航天员进行低压舱训练的条件。
中国自主研制的舱外航天服被命名为“飞天”。
神舟七号任务要攻克的第二项关键技术是气闸舱的改造。气闸舱也叫“气压过渡舱”，它的作用是支持航天员在气密舱与外太空之间的过渡，从而完成出舱活动。它的功能类似于长江三峡大坝的船闸，不同的是船闸用来调节水位，气闸舱用来调节气压。航天员出舱前，气闸舱快速泄出空气，使舱内压力接近真空状态下的零气压；航天员返回后，气闸舱又快速将压力恢复至一个标准大气压。
国外的载人航天器有专门的气闸舱。我国的飞船专家也打算为神舟七号量身定制一个气闸舱。因为有神舟五号、神舟六号的技术基础，气闸舱的研制曾被认为难度不会太大。在方案论证的时候，张柏楠准备重新造一个气闸舱，但想法一提出，就引起了不小的争议。赞成的人认为，我们完全有能力、人力和物力来实现这一要求；反对的人觉得，我们虽然有能力、物力和人力，但时间却十分有限。如果增加一个气闸舱，整个飞船的构造就要重新设计。他们建议在轨道舱的基础上进行改造。
权衡了专家们的建议后，张柏楠改变了初衷。如果在轨道舱的基础上进行改造，整个船体的改动就不会太大，无论是在方案设计上，还是在实际操作中，都会减少很多麻烦，节省大量时间。张柏楠的想法渐渐地偏向了后者，他和尚志商量后，决定在神舟六号飞船基础上进行改造，在保留轨道舱原有功能的基础上，添加气闸舱功能，实现气闸舱和生活舱一体化的设计。这种一物多用、投入少、效益高的做法，是中国航天不同于发达国家的最大特色，也对张柏楠他们的想象力和创造力提出了巨大考验。
尽管是改造，但“牵一发而动全身”，有两个条件必须保证。一是确保密封；二是要有泄复压功能，把“小隔间”内的局部环境变为空间环境和恢复为载人环境。其中，舱体的密封是成熟技术的继承，很容易解决。但泄复压的成功与否直接决定航天员能否按计划出舱。泄压并不是简单地把空气排放到太空，而是需要通过大量的分析计算和地面试验来找到最佳速度和压力控制点。这个过程复杂而漫长，不能有一丝一毫的疏忽。因此，泄复压系统的设计是改造工作的重心和支点。
气闸舱上有两个门，一个通向舱内，一个通向舱外。打得开、关得上、密封可靠这三个最重要的环节是舱门研制最重要的攻关点。这扇舱门虽然只有20千克重，却有170多个零部件，设计人员画了80多张图纸，进行了10多项改进。
航天员出舱时，舱外航天服充压后体积会增大，神舟七号舱门的通径自然要比神舟六号有所增加，最宽处由原来的75厘米增加到85厘米。但研制新的舱门不仅仅是宽度更改这么简单。在真空和低温条件下，舱门能否打开？是向内开，还是向外开？开到多大角度？……一系列问题都需要解决。为了获得舱门在太空环境中的数据，飞船系统专门研制了一个真空罐，把温度拉偏到零下45℃和零上45℃。把舱门放在罐子中间，一边抽成真空，另一边有大气，用机械手臂模拟航天员开关舱门的动作。经过长达半年的试验，研制人员发现，门如果向外开，虽然不占用舱内空间，但真空压力会影响门的密封；相反，门如果向内开，虽然相对安全，但要占用舱内空间。经过比较，舱门向内开启100度成为权衡之下的最佳选择。
开关舱门时，航天员转动开关手柄，力量通过机件传到中心主轴线上，再通过机件放大传到门框的压紧锁块上，从而实现舱门的开关。如果气闸舱泄压不充分，舱内压力差过大，舱门就打不开。为此，科研人员在压紧锁块上专门设计了一些突出物，当航天员把手柄转到60°时，突出物会把舱门顶起一条肉眼看不到的缝隙，等空气泄尽后，再继续旋转手柄，舱门就可以打开了。万一采用这个办法后舱门仍不能打开，舱内还备有一根L形的辅助工具，协助航天员打开舱门。
最终，将航天员的生活舱“一舱两用”改成气闸舱这一难题在所有科研人员的努力下，圆满解决并成为了我国载人航天的独创之举。神舟七号飞船的研制节点又向前跨进了一大步。
经过这样的一系列系统改造，神舟七号飞船实际上已经是一个全新的航天器了。
神舟七号任务要突破和攻克的第三项关键技术是航天员的选拔和训练。神舟七号最耀眼的亮点就是出舱，虽然舱内、舱外只有一步之遥，但对中国人来说，却是开天辟地头一回。因此，人们对于出舱的期待绝不亚于当年杨利伟的首飞。
神舟七号任务中，将有三名航天员飞向太空，是“神舟”飞船的第一次满员飞行。针对太空出舱的训练，国外主要有两种方式：一是利用失重飞机；二是依靠失重水槽。真正的出舱活动需要几个小时，而失重飞机在进行抛物线飞行时，产生失重的时间只有短短30秒，因此不适合作为出舱活动的训练手段。为此，航天员系统专门在北京航天城内建造了一座亚洲最大、世界第三的中性浮力水槽。航天员浸入水中，通过增减配重和漂浮器使人体的重力和浮力相等，产生失重的感觉。虽然，水下并不能完全消除重力对人体的影响，但在其中进行模拟试验，可以检验飞船的气闸舱舱门、扶手、固定器等部件在失重环境下，是否能够正常工作、性能是否可靠、运动特性是否符合要求。在水槽中进行的舱外作业程序，包括正常情况下的出舱程序、舱外活动操作程序，异常情况下的返回气闸舱程序，故障情况下对飞行器的维修程序，以及大型空间结构的对接和组装等。美国就曾通过水槽试验发现了“天空实验室”太阳能帆板的设计问题。此外，美国航天飞机的外部支架结构也是先进行中性浮力试验后才被送入轨道的。
神舟七号飞船的椭圆轨道和近圆轨道
中性浮力水槽曾一度是我国航天环境模拟设备的空白项目，无论研制和使用都没有现成的经验。在做设计方案时，陈善广明确了一条原则：立足国内水平自主创新，比国际水平做得更好。我国的水槽采用了圆柱体结构，直径23米，深10米，与俄罗斯加加林中心的规模相当，但比日本筑波航天员中心的要大，光水就有4000多吨。水槽的槽体选用厚度为8—12毫米的不锈钢板，采用现场焊接方式制造。在距离槽底4.6米处均匀布置了12个直径460毫米的由双层石英玻璃制成的圆形照明窗；在距离槽底7.6米处均匀布置了12个直径600毫米的有机玻璃观察窗；在槽体外侧的各个照明窗处都配置了1000瓦的照明灯，为水槽补光。此外，槽体内部还安装了供潜水员出入的平台、爬梯和摄像机安装孔。
2007年年底，这项庞大的研制工程宣告竣工。从制造到验收只用了3年时间，而国外同类项目所需要的周期一般是7—8年。
2008年春节过后，水槽正式投入使用。这时神舟七号的发射时间日渐临近，留给航天员训练的时间仅剩下不到半年了。
出舱是一项超大负荷活动，上肢力量和手指力量一直很好的航天员翟志刚并没有过多的担忧，然而，几天的舱外航天服训练下来，事实颠覆了他的想象。
水槽失重和太空失重状态有很大的区别，训练服要与地面保持30度角，通过高难度的平衡技术使重力和浮力平衡。这样一来，航天员的视野就小了很多，活动范围自然会受到限制，两只手握在一起，只能将手尖对上，手抬到眉毛处就再高不了了。在这样的状态下，翟志刚穿着250千克重的水下训练服，每一次训练都要3个多小时，体力消耗很大。训练过后，他吃饭时连筷子都拿不起来。
在水槽训练中，轻装下水的翟志刚还遭遇了一次险情。当他慢慢潜入水池底部时，突然听到身后的氧气瓶发出一声金属敲击般的清脆声音。同在池中的潜水员发现后，马上把应急气嘴塞到他的嘴里，这才带着他安全地脱离危险、浮上水面。氧气瓶漏气，这个看似并不严重的故障，造成的后果却一点也不轻。如果当时不能及时吸到氧气，或者被水呛住，翟志刚很可能因为影响了肺部功能而无缘神舟七号乘组的选拔。
神舟七号载人航天飞行任务全过程示意图
航天员在执行出舱活动任务前，先要在气闸舱中做足够的准备，返回后也需要在气闸舱做相应的恢复操作。为此，航天员中心专门研制了一台用于出舱活动程序训练的模拟器，这也是航天员进行出舱活动训练的又一个试验设备。由于常压服是处于悬吊状态的，而且要保证上下左右低阻尼运动，这种运动方式放在气闸舱狭小的环境空间内，实现起来非常困难。因此，在出舱活动程序训练模拟器中，气闸舱采用了开放式的结构：与出舱活动相关的设备布局真实一致，舱门及附近的设备集中在一起，各设备间的相对距离保持不变。真实的气闸舱是需要泄压和复压的，而模拟的气闸舱无法真正进行泄压、复压。航天员在出舱时，除了身体能够感受到泄压、复压外，另一个获取信息的方法是依靠舱门的压力表。真实的压力表是通过传感器机械驱动指针，而在模拟器中，只要用计算机图像显示技术就可以实时绘制出图像模拟压力表的数值，根据仿真的压力值来驱动压力表指针，就可以给航天员足够的信息。
舱外航天服试验舱是航天员进行出舱活动训练的第三大试验设备。舱外航天服试验舱又叫低压舱，是航天员穿着舱外航天服进行太空适应训练的设备。它能够模拟外太空的真空环境，让航天员具备低压环境下的身体和心理感受。同时，低压舱也是舱外航天服进行试验的模拟设备。
2002年10月，舱外航天服试验舱的立项论证工作开始后，航天员系统在环境模拟设备专家的培训和指导下，历时两年完成了《舱外航天服试验舱可行性研究报告》。2005年7月，《舱外活动中心基建委托设计要求》通过评审后，试验大楼开始破土动工。2007年，舱体和紧急复压管路、粗抽系统、循环水系统、服装氧源与冷源等各大系统陆续出厂验收。12月25日，舱外航天服试验舱热真空部分通过了验收测试。
随着模拟失重水槽、出舱活动程序模拟器、舱外航天服试验舱这三大训练设施的相继落成，中国航天员中心已完全囊括了航天员出舱活动训练所需的各项设备，具备了全部功能。
在神舟七号飞船和舱外航天服研制的同时，航天员们也开始了新一轮的选拔。2008年5月，航天员选评委员会确定由翟志刚、刘伯明、景海鹏三人组成执行神舟七号任务的飞行乘组。其中，翟志刚为出舱岗位航天员、刘伯明为轨道舱岗位航天员、景海鹏为返回舱岗位航天员。