出舱准备工作就绪，给节点舱泄压、航天员吸氧排氮、开展通信测试……8时11分，当舱内气压接近真空状态时，刘伯明打开节点舱上方的出舱口舱门，跃身来到浩瀚宇宙。“哇，这外面太漂亮啦！”刘伯明惊叹道。
在此之前，空间机械臂已经来到了出舱口，进入整臂待机制动状态，它将是航天员在舱外的移动工具和临时工作站。
刘伯明出舱后，汤洪波并没有紧随其后。接下来一段时间，他们要以一上一下的姿态，打好第一场配合战——在空间机械臂上安装脚限位器和操作台。就像地面建筑施工队似的，汤洪波负责“搬砖”，刘伯明负责“搭建”。刘伯明接过汤洪波从舱内递上来的脚限位器，将其安装在空间机械臂的一端。这是底座，也是用来固定航天员双脚的，航天员“站”在上面可以随机械臂“爬行”移动。舱内，汤洪波对操作台组件进行初步安装，随后用带挂钩的绳子传递给刘伯明，由刘伯明安装在脚限位器一侧。这就是舱外工作用的操作台。在刘伯明的腰间，还有一个微型工作台，这是他在舱内就已经戴好了的。最后传递上来的是此次舱外工作要用的把手、抬高支架和一些专用工具，刘伯明把它们一一挂在操作台上。至此，第一项舱外工作顺利完成。
这时，舱内的聂海胜准确指挥着机械臂缓缓移动，刘伯明“站”在脚限位器上，准备开展第二项工作。
11时左右，汤洪波跃身出舱，借助舱表扶手“爬行”，每走一步，都要把身上安全绳的另一端挂在扶手上，防止飘走。到达预定位置后，他拔掉全景摄像机的电缆插头，在汤洪波的配合下，刘伯明开始拆装工作，先是给全景摄像机装上把手、卸掉安装脚，小心翼翼把它取下来，随后，将一个圆柱形加长支架装在摄像机原来的位置，之后装摄像机、插电缆插头、拆把手。这样的动作，刘伯明在地面预演了很多次，早已熟记于心，但地面环境毕竟和太空有很大区别，在太空中操作还是相当困难的。
随着全景摄像机开始工作，地面的人们透过镜头看到，在白云的衬托下，蓝色的地球晶莹剔透，非常漂亮。
太空环境异常复杂，尽管科研人员设计了多种安全保障措施，但逃生技能仍是航天员的必修课。为此，第三项舱外工作就是应急返回演练。
汤洪波先是爬到了天和核心舱的最远处，接到撤离命令后，第一时间折回，以最快速度进入了节点舱。刘伯明随着机械臂的移动，也很快来到舱口，把工具一一取下来递给汤洪波，最后把操作台和脚限位器卸下来，在汤洪波的配合下，进行舱外工具箱和脚限位器的安装。
完成全部出舱任务后，刘伯明对着摄像机镜头挥手说：“感谢所有参研参试的科研人员，感谢全国人民的大力支持，后续我们还会出舱，还会飞得更高，空间站还会越建越大。”
8月20日，神舟十二号执行了第二次出舱任务。三位航天员调整了分工，由聂海胜和刘伯明出舱，汤洪波留在舱内进行指挥与协作。出舱前，他们对舱外航天服的尺寸进行了调节，并更换了手套型号。
8时38分，一切准备就绪，聂海胜开启舱门，与刘伯明先后出舱。他们的任务是安装舱外的热控扩展泵组、抬升舱外全景摄像机和组装舱外的工具箱。
在太阳光线的直射下，失去大气层保护的空间站表面温度可达150 ℃以上，背阳面最低可达零下100 ℃以下，在这样严酷的太空环境中，热控系统是保障空间站设备正常运行和航天员生活舒适的重要系统。它的核心之一是流体回路，均匀地包裹住空间站的重要部位，通过特殊**在管路内的往复循环，将舱内设备以及航天员产生的热量收集起来，通过回路带到相应的设备和结构中实现散热和补热，从而精确控制不同“房间”的温度，并保持均匀和稳定，就像是空间站的“中央空调”。核心舱发射入轨时，这套系统就已启动，为保证热控系统长期稳定运行，还需要在舱外安装一套备份用的扩展泵组。
神舟十二号航天员首次出舱组图（一）
神舟十二号航天员首次出舱组图（二）
两位航天员还是从空间站节点舱出舱，聂海胜拿着扩展机箱，乘坐机械臂从节点舱向后移动到资源舱。刘伯明通过爬行来到操作工位，协助聂海胜完成了两台热控流体回路循环泵的安装。之后，他们又乘坐机械臂返回到出舱口，将全景摄像机抬升。最后，他们在出舱口的旁边安装了两个装备，一个是脚限位器，另外一个是助力手柄，它们可以协助航天员在舱外打开舱门，为后续的试验任务做准备。
在航天员与地面指挥人员、工作人员的密切配合下，这次出舱活动经过了6个小时，聂海胜和刘伯明安全返回核心舱，整个过程比原计划提前完成了约1小时，可谓精彩完美。
空间站建造期间计划实施49项航天医学实验项目，神舟十二号将完成14项。天和核心舱搭载的人系统研究机柜就是其中很重要的一项。人系统研究机柜是空间站中首次应用的航天医学实验领域的主要设施。在轨期间，三名航天员首先对人系统机柜、太空医学样本储藏柜和离心机进行了解锁和充电测试。之后，每天一次医学询问通话，每周一次健康评估，每月一次综合评定，他们互相进行采血、化验、超声常规医学检查，地面人员会实时跟踪掌握他们的各项身体指标，使他们保持良好的健康状况。
2021年9月2日，央视《开学第一课》首次把课堂搬进了太空，通过天地连线，请三位航天员为同学们带来了一堂别开生面的“太空授课”。聂海胜教授了“巡天太极”的动作；汤洪波展示了用筷子夹水的技能；刘伯明则用毛笔写下了“理想”二字，激励同学们坚定理想，发愤图强。
夏去秋来，神舟十二号乘组已在空间站工作生活了90天，刷新了航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。太空动感单车、空间站折叠厨房……3个月来，他们用一系列新奇而有趣的“太空细节”，将遥远神秘的太空拉近到人们身边，展示了一个充满浪漫与奇幻的太空世界。
9月16日8时56分，神舟十二号载人飞船与天和核心舱实施分离，即将返航。与以往11次任务不同，这次返航的地点不再是过去的四子王旗着陆场，而是东风着陆场。东风着陆场同样在内蒙古自治区境内，位于巴丹吉林沙漠和戈壁带，这里地势辽阔、人烟稀少，非常适合飞船返回。
17日12时43分，北京航天飞行控制中心发出返回指令，神舟十二号返回舱和轨道舱成功分离，13时34分在预定区域着陆，落点近乎完美。这是东风着陆场迎回的第一艘载人飞船，伴随着“太空出差三人组”的如期返航，“东风”成为了载人飞船出发与回归的母港。
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