航天服

航天服

航天服(spacesuit)是保障航天員的生命活動和工作能力的個人密閉裝備。可防護空間的真空、高低溫、太陽輻射和微流星等環境因素對人體的危害。在真空環境中,人體血液中含有的氮氣會變成氣體,使體積膨脹。如果人不穿加壓氣密的航天服,就會因體內外的壓差懸殊而發生生命危險。 航天服是在飛行員密閉服的基礎上發展起來的多功能服裝。早期的航天服隻能供航天員在飛船座艙內使用,後研製出艙外用的航天服。現代新型的艙外用航天服有液冷降溫結構,可供航天員出艙活動或登月考察。

  • 中文名稱
    宇航服
  • 外文名稱
    spacesuit
  • 適用人群
    航天員
  • 作用
    保障航天員的生命活動
  • 特點
    可防護空間的真空、高低溫
  • 組成
    壓力服、頭盔、手套和靴子
  • 成分
    耐高溫的防火聚酰胺纖維織物

發展歷程

世界上第一個使用航天服裝備的人是美國冒險家威利·波斯特。二十世紀30年代初,他駕駛“溫尼妹號”單座機在向橫越北美大陸飛行的挑戰中,將飛機上升到同溫層。當時波斯特身穿的高空飛行壓力服,是用發動機的供壓裝置送出的空氣壓吹起來的氣囊。

第一代

近代的航天服是1961年在美國問世的。當年5月阿侖·謝潑德第一個成功地進行了美國最早的載人航天飛船計畫——水星計畫的亞軌道飛行。飛行所用的航天服,是由當時美海軍的高性能戰鬥機飛行員穿著的MK-4型壓力服加以改進的。這種航天服由氯丁橡膠塗在布上的防護層和經過氧化鋁處理的強化尼龍的內絕熱層疊合而成,肘和膝關節部分縫入了金屬鏈,容易彎曲。但是,當內壓提高時,航天員難以活動身體​。

第二代

60年代中期在實施雙子星座計畫時,美國又開發了第二代航天服。這種航天服在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟綸混紡材料織成的網,即使空氣壓使航天服整體膨脹也容易彎曲。由于雙子星座計畫要求航天員進入太空在軌道上作會合或入塢的活動,所以這種航天服具有極佳的運動性。

第三代

第三代航天服是實施阿波羅計畫時使用的航天服。月面活動與浮遊在太空活動的情形不同,必須一邊步行在遍地皆是岩石的月球表面,一邊彎下身體採取岩石標本。再者,要求保護航天員能經受強烈的太陽光輻射,以及使從天而降的微小隕石砸在身上也不致破損。

海鷹型艙外航天服海鷹型艙外航天服

這種航天服在關節周圍製成伸縮自如的褶皺,大大提高了運動性能。但是,必須穿著特殊的“內衣”。這種幾乎蓋住全身的網狀內衣縫入了長達100米猶如義大利空心面條那麽粗的盤成網狀的管子,管內流過冷水,吸走航天員身上散發的熱量,並排到宇宙空間,所以航天員穿上後感到十分舒適。穿在內衣外的航天服由內絕熱層、壓力層、限製層(抑製壓力層的膨脹)幾層重疊,最外面還蒙上聚四氟乙烯與玻璃纖維製成的保護層。再戴上強化樹脂製成的盔帽、與航天服幾乎一樣多層的手套,穿上金屬網眼的長統靴,就是完整的阿波羅航天服了。

阿波羅航天服與過去的航天服相比,根本的差別是採用了攜帶型生命保障系統,即將生命保障系統固定在背上,以進行供氧、二氧化碳的凈化和排除體熱。

第四代

太空梭上的航天員使用的航天服可以說是第四代航天服了。在此之前,航天服是定做的,不僅開發和製作上耗費巨資和時間,而且一件航天服隻能用一次,已遠遠不能適應新的需要了。

航天服

太空梭用的航天服不是定做的,它是根據人體的造型把航天服分成幾部分,分別被規格化為“特大”到“特小”幾種尺寸,然後成批生產,加工成現成的服裝。航天員隻要從中選擇合身的各部分,重新加以組合就可得到一套滿意的航天服了。使用後,也不像過去那樣送進博物館,而是把航天服再分解,各部厘清掃後再次使用,計畫使用壽命是15年以上。

在阿波羅時代穿好一身航天服需要1小時,現穿太空梭用航天服(包括生命保障系統在內的艙外機動裝置)隻要10~15分鍾就足夠了。新的生命保障系統可在長達7個小時內向劇烈消耗體力的航天員供給必要的氧、冷卻水、電力。不僅如此,頭盔內側還可供給500毫升的飲料和少量的航天食品

至于大小便的處理,在進行艙外活動前,必須在艙內大便完畢,而小便可以在航天服中排泄,因為配備了尿抽吸裝置。還隻有供男性使用的裝置,女性用的(尿布型)正在開發之中。將來,女航天員也不用為排尿擔心了。

為了迎接空間站時代的到來,美國航宇局正在致力開發新的航天服。盡管建造空間站穿著太空梭用的航天服也可以,不過進入太空活動前,航天員還先要做準備工作。即必須呼吸純氧4個小時,或在氣壓為0.69毫米汞柱的艙內呆上大約12個小時,然後再呼吸純氧40分鍾,目的是將體內的氮排出,同時使身體適應低壓環境。如果不做這樣的準備工作,由于航天服內隻有0.3個大氣壓,體內氮因急驟減壓而形成氣泡,會使航天員患與潛水員一樣的沉箱病。顯然,這種航天服難以適應今後在太空中頻繁活動的需要。據美國航宇局預測,太空時代,每個航天員每年需在太空中工作1000小時,為此要求航天服不但耐用,而且要大幅度降低成本。

與過去的航天服相比,面板上有明顯的不同,全身是金屬鎧甲那樣的剛性結構,僅關節部分是可折皺的軟結構。這種航天服的內壓可提高到0.54個大氣壓,所以航天員穿這種新航天服進入太空之前不需要準備過程,也不用再為沉箱病擔心。但是,內壓提高使這種新航天服變得笨拙,運動性差。已試製成的這種航天服重達90千克,穿在身上根本無法在地面上行走。所幸的是,在太空中,重力變小了,宇航員不用費很大的力氣。不過,重力變小了,質量還是沒變具有和原來一樣的慣性,所以宇航員不能快速移動。

航天服的製造和發展時間還相當短,未來的航天服將更適合人類航天和在太空生活的需要!

新一代

NASA新一代宇航服美國國家航空航天局(NASA)公布了下一代宇航服Z-1的原型設計,該宇航服以白色和綠色為主色調,頭罩採用了半球形透明設計,看上去酷似卡通片《玩具總動員》中的主角巴斯。

航天服航天服 NASA公布火星太空服 像極"巴斯光年"NASA公布火星太空服 像極"巴斯光年"

新宇航服有望在未來幾年投入使用,相對于上代宇航服,Z-1的最大改進是對各個接頭和材料進行了重新設計,宇航員穿戴宇航服時更為方便,不到一小時就能完成穿戴。此外,Z-1的氣閘也得到改進,節省了調整氣壓的時間。

火星太空服

2014年5月,美國宇航局NASA公布了宇航員登入火星時可能穿著的太空服設計原型,這套稱為Z--2系列的太空服和過去的設計大相徑庭。雖然這隻是設計原型,但是其中的許多設計和配件將實際運用在登入火星太空服的製作上。

類別劃分

航天服按功能分為艙內用應急航天服和艙外用航天服。從服裝內壓上看,有低壓航天服和高壓航天服之分;從其結構上看,可分為軟式、硬式和軟硬結合航天服。艙內航天服用于飛船座艙發生泄漏,壓力突然降低時,航天員及時穿上它,接通艙內與之配套的供氧、供氣系統,服裝內就會立即充壓供氣,並能提供一定的溫度保障和通信功能,讓航天員在飛船發生故障時能安全返回。飛船軌道飛行時,航天員一般不穿航天服。

身著航天服的宇航員身著航天服的宇航員

艙外用

艙外用的航天服除有艙內航天服的所有各層外,還有三層:一是真空隔熱層,用于保護航天員在艙外作業或在月球與其它星體表面活動時,不受艙外環境過熱、過冷的侵襲,又可防止服裝內部的熱量散失。二是液冷服,它是將艙內航天服的通風散熱層管內的氣體改為液體而成。航天員在艙外作業有時長達幾個小時,身體產生的熱量多,靠氣體散熱達不到散熱要求,而液態冷卻工質就可很好把熱散掉。三是最外層,它除要有防高熱、防磨損和保護內部各層的功能外,還要有防太陽輻射的功能和連線其它裝具的接口。例如,與航天員艙外活動時的臍帶連線,與身背攜帶式生保環境裝備、太空機動飛行機構的連線等。

航天服航天服

航天服的頭盔由頭盔殼、面窗結構和頸圈等組件構成。在載人航天中使用的頭盔有軟式與硬式兩種,其中硬式頭盔又分為固定式和轉動式二種。軟式頭盔大多數作為艙內航天服的組件。轉動式頭盔在其頸圈上有氣密活動軸承,但密封環節增多會降低氣密性與結構可靠性,增加設計難度。

現以固定式全透明的鍾罩式頭盔為例,介紹其結構組成。頭盔殼是頭盔的主體,其材料應具有強度大、抗沖擊和足夠的耐熱性等優點。在其面窗部位上有良好的光學性能。頭盔內腔壁有硬襯墊和軟襯墊,襯墊上鑲有細通路,它兼有減震、隔熱、消聲、通風和供氧等功能。其內腔要適于戴通訊頭盔,允許頭在裏面左右轉動,尺寸要與穿戴者的頭形相適應。還要留有安裝生理測試部件、有利于排出人體呼出的二氧化碳和水汽的空間。

航天服航天服

除上述各種要求外,面窗還應有良好的光學性能和廣闊的視野。頭殼的面窗部分除應有透光良好外,還要有防霧、去濕的措施,因為航天員出艙活動時會遇上-150℃的低溫,面窗內的溫度也會下降。當降到空氣露點以下時面窗上就會結霧,妨礙航天員的視線。已用的方法有通風去濕法、雙層面窗法、電熱面窗法和化學防霧劑等,以保障面窗的透明度。否則,影響航天任務的執行。例如,1966年美國雙子星座9號飛船的航天員,在太空用載人機動裝置進行飛行時,因面窗起霧而看不清外邊的情景,未能完成太空行走中的特定航天任務。

頸圈是連線服裝與頭盔的關鍵部件,分上、下兩圈,在穿戴服裝與頭盔時,先將上下圈連線上,再連線頭盔與服裝。它要求穿脫方便,具有良好的氣密性和加接強度。在緊急情況下,要有使穿戴者本人能快速斷、接、鎖緊操作的機構,便于及時與頭盔或服裝斷開或連線。

艙內用

航天服由頭盔、服裝、手套和靴子組成。頭盔通過頸圈與服裝連線。頭盔上的面窗平時可隨意啓閉,緊急時可在數秒鍾內自動或手動關鎖。艙外用的航天服由外罩、真空隔熱層、氣密限製層、通風結構和液冷服組成。手套與衣袖通過腕部斷接器連結,脫戴很方便。靴子有的與服裝連成整體有的與服裝分開穿著。全套航天服重約30~40千克。

航天服航天服

航天服的另外兩個部件是可隨時連線的手套和靴子。手套與服裝通過腕圈接連,是服裝壓力層的延續。它要符合穿戴者手型,能快速穿脫戴,在各手指關節部分有波紋結構,便于操作。航天靴由壓力靴和艙外熱防護套靴組成,其中壓力靴是服裝氣密加壓限製層的延續。通常將踝部活動關節設計在壓力靴上,並與壓力服相連線。航天服內部還設有廢物收集裝置,用于在緊急情況下收集、貯存和輸送大小便用。

結構組成

6層結構

航天過程中保護宇航員生命安全的個人防護救生裝備,又稱宇宙服或航天服。宇航服能構成適于宇航員生活的人體小氣候。它在結構上分為6層:

艙外航天服艙外航天服

①內衣舒適層:宇航員在長期飛行過程中不能洗換衣服,大量的皮脂、汗液等會污染內衣,故選用質地柔軟、吸濕性和透氣性良好的棉針織品製做。

②保暖層:在環境溫度變化範圍不大的情況下,保暖層用以保持舒適的溫度環境。選用保暖性好、熱阻大、柔軟、重量輕的材料,如合成纖維絮片、羊毛和絲綿等。

③通風服和水冷服(液冷服):在宇航員體熱過高的情況下,通風服和水冷服以不同的方式散發熱量。若人體產熱量超過350大卡/小時(如在艙外活動),通風服便不能滿足散熱要求,這時即由水冷服降溫。通風服和水冷服多採用抗壓、耐用、柔軟的塑膠管製成,如聚氯乙烯管或尼龍膜等。

航天服航天服

④氣密限製層:在真空環境中,隻有保持宇航員身體周圍有一定壓力時才能保證宇航員的生命安全。因此氣密層採用氣密性好的塗氯丁尼龍膠布等材料製成。限製層選用強度高、伸長率低的織物,一般用滌綸織物製成。由于加壓後活動困難,各關節部位採用各種結構形式:如網狀織物形式、波紋管式、桔瓣式等,配合氣密軸承轉動結構以改善其活動性。

⑤隔熱層:宇航員在艙外活動時,隔熱層起過熱或過冷保護作用。它用多層鍍鋁的聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜並在各層之間夾以無紡織布製成。

⑥外罩防護層:是宇航服最外的一層,要求防火、防熱輻射和防宇宙空間各種因素(微流星、宇宙線等)對人體的危害。這一層大部分用鍍鋁織物製成。

與宇航服配套的還有頭盔、手套、靴子等。

系統組成

艙內航天服採用頭與軀幹肢體服裝連為一體的“軟式”類型結構和開放式通風供氧方式,它由壓力服裝、頭盔與手套、應急供氧和通風管路等組成。

宇航員在艙外工作宇航員在艙外工作

(1)壓力服裝

壓力服裝由軀幹肢體服、壓力調節器、壓力表及頸部防水隔膜組成。其中軀幹肢體服與頭盔盔殼是由氣密層和限製層組成,它具有可操作性能,用來維持服裝的氣密、承受服裝壓力、保持人體形態不變;壓力表則放置在航天服的左前臂,用于指示服裝內壓力。通常在座艙正常壓力下,航天員穿著服裝,關閉面窗進行呼吸時,保證能呼吸到外面的空氣。壓力調節器在飛船壓力應急條件下,控製艙內航天服內規定的絕對壓力。在常壓下可通過手動關閉,對服裝進行加壓,以便檢查服裝的氣密性。當服裝壓力超過規定的壓力時,能自動放氣。

在壓力服裝的研製過程中,關鍵技術是氣密性,要防止在工作壓力下,總漏氣量≤1升/分鍾,服裝的穿脫口處的氣密拉鏈是關鍵技術。

(2)頭盔和手套

航天員在航天飛行中所戴的頭盔,不僅能隔音、隔熱和防碰撞,而且具有減震好、重量輕的性能。頭盔為軟盔殼,與壓力服裝連成一體,緊貼在航天員頭盔盔殼裏面的是通風襯墊,具有隔熱和消聲作用。

航天服航天服

頭盔面部的面窗是為了給航天員提供良好的視野,以便可以看到飛船內外的景象。為了擴大面窗左右視野,增加人面部盔腔空間,提高面窗防霧效果和觀察舒適,面窗設計為等壁厚的橢球面結構。面窗啓閉結構採用手動、雙自鎖、保險式機械結構,內表塗覆長效防霧劑,連同頭盔通風結構,防止面窗結霧。

航天員戴的手套由壓力手套、腕部斷接器和舒適手套組成。其中壓力手套又由用于承受掌部張力和限製掌部加壓後鼓脹的掌部限製組件和採用織物手套雙面浸天然乳膠成型的掌指壓力手套以及腕關節組成。腕部斷接器和舒適手套都有其特殊的作用。

(3)應急供氧通風組件

通風組件採用通路式結構,通風氣體從軟管經風量分配盤進入服裝,風量按比例送至頭部和四肢末端,經周身各處後,匯流到腹部,最後由壓力調節器流出服裝。

航天服航天服

在飛船座艙壓力應急時,提供通風供氧組件對頭盔內供氧氣,用以保障航天員呼吸用氧和壓力服內頭、頸部通風散熱、清除或稀釋呼出氣體排出的水分及CO2。當飛船座艙壓力正常情況下,航天員穿著壓力服待命時,全身通入座艙空氣,用以供氧、清除CO2和水分以及通風散熱。

(4)通信頭戴

通信頭戴通俗地講起到對講機的作用。提供航天員穿著壓力服時,在飛船發射、軌道壓力應急和返回過程中的通話。同時,具有很好的保護航天員聽覺器官免受噪聲危害的功能。

通信頭戴裝置由防噪聲耳罩、堅固耐用的送話器、網狀結構的通信帽套以及保證可聽聲壓級的語音放大器組成。

功能介紹

航天服也稱宇宙服、宇航服,是在載人航天中航天員穿的一種服裝系統。實際上它是航天員必備的個人防護救生裝備。從功能上看,航天服有艙內航天服和艙外航天服兩種;

宇航員宇航員

美國和俄羅斯使用的都是軟硬結合式的航天服。無論哪種航天服都由多層組成,它們互相連線形成一個整體服裝,但要求各層的質量要高、要輕、不能過厚,以避免影響航天員的行動。以艙內使用的低壓航天服為便,其基本結構與功能是這樣的;由最貼身的裏層往外數,第一層為內衣褲,選用純棉布或棉麻布製服。第二層是保暖層,它和內衣褲結合,選用羊毛製品或合成纖維片製成,起保溫和隔熱的作用。第三層為通風散熱層,其結構比較獨特,是由很長的微細通路連線在衣服上而製成的,在人體與外界隔絕的情況下,它可以把人體產生的熱、水和氣味帶出去。第四層是氣密加壓限製層,它既要充氣加壓,使身體有足夠的壓力,不能漏氣,又不能使服裝過于膨脹,防止外界的磨損,還要使各關節活動自如。所以這一層結構的選材和設計都比較難,是航天服裝的關鍵層。第五層為隔熱層,也叫真空隔熱層。艙內航天服可以不加這一層。例如,美國阿波羅號飛船、太空梭上用的航天服都沒有這層,而蘇聯的上升號飛船和俄羅斯的聯盟號飛船中使用的艙內航天服就有這一層。這是由5~7層塗鋁的聚脂薄膜構成,各膜之間用網路物隔開,貼在一起形成禁止。它有良好的隔熱和防輻射作用,艙外航天服必須有這層。最外邊一層是外罩層。這個外套要求防磨損力強、耐高溫,除能防護內部各層不受損壞外,還要註意到顏色,一般用白色或金黃色為好。

整體上看,有以下五個功能:保持宇航員體溫;保持壓力平衡(使太空人承受的壓力與在地球上的相似);阻擋強而有害的輻射(如來自太陽的輻射);處理宇航員的排泄物;提供氧及抽去二氧化碳。

保護原理

宇航服是保護宇航員在太空不受低溫,射線等的侵害並提供人類生存所需的氧氣的保護服。

宇航服的:氧氣罐為太空人提供氧氣。而排出的二氧化碳則由氫氧化鋰(lithium hydroxide)所吸收。宇航服的表層有阻隔輻射的功用。太空人的體溫則由一套貼身內衣調節,這件內衣布滿管,水泵不斷把水迴圈,把太空人身體所發出的熱力帶走,而水則由升華器(sublimator)所冷卻。宇航服最後一個重要功用,是為太空人提供所需的氣壓(約等于半個標準大氣壓力52kpa);如果氣壓過低,人體血液及身體組織內的氣體會離開,令太空人患上類似潛水員常有的潛水病(在真空的情況下,太空人更會由于血液瞬間“沸騰”而死亡)。

穿衣方法

航天員穿戴艙外航天服有一套嚴格的步驟和順序,而且不同型號的航天服穿脫的順序也不一樣。我們這裏以美國太空梭艙外航天服為例進行介紹。整個穿衣過程共分10個步驟完成:

① 穿強力吸尿褲。

② 穿液冷通風服。

③ 帶上生物電子聯結裝置。在這種裝置上有測量航天員心率的感測器和與外界進行通話聯絡的電子設備。

④ 一些小的操作程式,包括在頭盔面窗裏面塗上防霧霜,在服裝左側袖子的手腕處裝上一塊小的反光鏡,在服裝上身前胸部位裝上一個小食品袋和一個飲水袋,在頭盔上裝上照明燈和電視攝像頭,最後是將通訊帽與生物電子聯結裝置聯結在一起。上述四步都是穿服裝前的準備工作。

⑤ 穿服裝的下半身。下半身有不同尺寸,可供不同身材的航天員選用。下半身服裝的腰部有一個大的帶軸承的關節,為航天員彎腰和轉身提供方便。

⑥ 穿服裝的上半身。在穿上半身之前,應先將氣閘艙的冷卻臍帶管插入服裝胸前的顯示控製盒的接口上,以便向服裝內提供冷卻水、氧氣和電力。因為太空梭氣閘艙內僅有2.0米高,直徑1.6米,兩名航天員在裏面穿航天服顯得非常擁擠,因此航天服的上半身是掛在氣閘艙壁的支架上。這樣一來當航天員要穿服裝上半身時,必須蹲下身體,手臂向上伸,採取一種跳水運動員跳水的姿勢鑽進服裝內。服裝上下身穿好以後,將密封環聯接在一起,然後將各種供應管線與服裝相接。

⑦ 戴上通訊帽、頭盔和手套。一旦戴上頭盔和手套以後,航天員就不能呼吸氣閘艙內的空氣,而是通過臍帶呼吸從太空梭軌道器提供的氧氣。

⑧ 向服裝加壓,並由航天員對服裝進行測試,目的是保證服裝不漏氣,而且內部壓力穩定。測試的重點是氣體流量、冷卻水和電池的功率。

⑨ 開始呼吸純氧,進行吸氧排氮。即將體內的氮氣排除,目的是預防減壓病。

⑩ 關閉氣閘艙的內艙門,氣閘艙進行減壓。當氣閘艙內的壓力降低到零時,開啟氣閘艙的外艙門,同時航天員應將服裝與氣閘艙的所有聯結斷開,將安全帶的掛鉤勾在艙外的固定桿上,這時航天員即可出艙進行太空行走

設計秘密

據美國《心理牙線》雜志4月2日報道,如果沒有航天服的保護,宇航員根本無法在環境惡劣的太空中生存。從概念到原型再到最後投入使用,與航天服有關的很多東西可能是你不知道的。為了幫助讀者了解航天服,《心理牙線》雜志採訪了美國宇航局約翰遜航天中心先進航天服設計團隊的航天服工程師林賽-艾奇遜,披露了航天服設計過程中的一系列秘密。

1.設計師需具備一系列技能

艾奇遜表示航天服設計師需要具備一系列技能,尤其是創造力和批判性思維。她說:“你需要關註細節,提出非常精細的測試計畫。在與人類測試人員合作時,你不得不設計一種測試,獲得測試者對你的設計的具有建設性的反饋,例如舒適度。如何定義舒適度?你必須站在工程學的角度考慮這個問題,設計和製作穿著舒適的航天服。”航天服需要具有創造性,將不同領域的技術融合在一起。

2.按任務要求設計

艾奇遜表示設計一款新型航天服時,宇航局的工程師必須回答兩個問題,即“要去哪裏?”和“要做什麽?”,幫助他們確定航天服的結構。工程師的設計工作首先著眼于宇航員將要前往的太空區域。目標區域分為兩種,一個是微引力區域,一個是行星環境。工程師根據目標區域的具體環境決定航天服賦予宇航員擁有多大的機動能力。此外,工程師還要考慮宇航員將要面臨的輻射水準、溫差以及微流星體風險。

接下來,工程師必須考慮宇航員將從事何種任務這個因素。例如,是否要用手移動身體?是否會處在微重力環境下?是否用腳行走?是否要登入行星表面?是否使用工具進行挖掘?是否使用工具帶攜帶各種工具和利用上肢執行任務?是否需要具備自治能力?艾奇遜表示:“如果你要登入行星表面並且是距離地球很遠的星球,你需要研發更多技術,讓航天服具備自治能力,允許宇航員具備艙外活動能力。如果是在空間站,你會與飛行控製人員進行大量直接接觸。在這種情況下,我們可以放棄一些信息技術,讓飛行控製人員幫助我們。”

3.新航天服需要新靴子

人們最熟悉的航天服可能要屬艙外機動套裝(EMU)。這款航天服在設計上用于微重力環境,允許宇航員用雙手完成各項任務。為了讓宇航員具備維修國際空間站、太空望遠鏡和進行太空行走的能力,EMU航天服在設計上讓宇航員的肩膀、雙手和手臂部位擁有很大的機動能力。艾奇遜表示:“你利用航天服的下半部分穩定身體,讓你在機械臂末端上時擁有一個穩定的工作平台。如果身體搖搖晃晃,你幹不了任何工作。”

包括Z-2在內的新航天服針對行星環境設計。艾奇遜和其他設計師用了很長時間設計腕部和胯關節以及靴子。她說:“這是‘阿波羅’號任務後我們第一次設計靴子。在不同于地球的引力環境下,你的行走方式會發生變化。現在,我們正在設計適于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU採用的是硬底靴,新航天服的靴子與之截然不同。”

為了確定何種靴子最適合新航天服,艾奇遜在2008年對不同靴子進行了大量行走測試。她說:“我們在不同重力環境下測試靴子。測試就像在跑步機上行走一樣,由于索具支撐航天服的重量,你會覺得自己就像在重力為地球3/8或者1/6的表面行走一樣。”。研究小組在航天服下肢部分安裝一系列運動捕捉標記,分析足部、腳踝以及臀部在不同重力環境下如何移動。她說:“我們在測試中發現人們在不同重力環境下行走時往往臀部搖擺,就像飛跑一樣。通過對此進行研究分析,你能夠確定靴底柔軟度和硬度需要達到怎樣的程度才能降低行走難度。”目前,研究小組仍在對設計進行評估,關註焦點是一款適于徒步旅行的靴底。艾奇遜說:“這種靴底的前足部位較硬,中足部位較為柔軟,適于需要跪下才能完成的任務。”

4.減輕重量是目標

EMU的重量達到驚人的300磅(約合136公斤)。不過,身處微重力環境下的宇航員並不會感受到這一重量。艾奇遜表示包括背包在內的阿波羅航天服在地球上重180磅(約合82公斤),但在月球上隻有30磅(約合14公斤)。穿上這種航天服時,宇航員的行動受限。新航天服的目標是讓宇航員在擁有很大行動能力的同時減輕重量。她說:“提高行動能力時,我們需要增加軸承等硬體,軸承很適于加壓服,但會增加重量。我們正在研究如何在增加硬體的同時保持航天服低重量的方式。目前,我們將目光聚焦鈦材料,這種材料能夠讓軸承的重量減少大約30%。此外,我們也考慮採用新型合成材料,用于上肢、臀部以及較短部位。”艾奇遜表示新型航天服Z-2的重量將比EMU少大約20磅(約合9公斤),並不算太輕。“不過,我們讓下肢擁有全部功能,這是以往的航天服所不具備的。”

5.設計工作從老型號著手

一旦確定“要去哪裏?”和“要做什麽?”這兩個問題的答案,工程師便開始設計工作。先進航天服設計團隊擁有至少30年的航天服設計經驗,包括太空梭航天服以及阿波羅計畫的航天服。艾奇遜表示:“我們從測試這些航天服開始,了解不同的特征。通過測試,我們得以確定不同肩部設計適于何種運動,了解不同的臀部和靴子設計以及穿著方式。是否需要拉鏈?諸如此類的事情。”通過測試老航天服,工程師能夠設計出滿足特定任務需要的航天服。

“阿波羅”號宇航員所穿的航天服“阿波羅”號宇航員所穿的航天服 Z-2航天服Z-2航天服 麻省理工學院研製的機械反壓服麻省理工學院研製的機械反壓服

6.宇航局負責設計 私營公司負責製作

航天服的設計和測試工作由宇航局的科學家在實驗室進行。完成這些工作後,航天服進入製造階段。宇航局將他們的設計送交私營公司,由他們負責製作。艾奇遜指出:“我們提出整體構想和具體要求,讓他們了解我們需要製造怎樣的航天服。我們與一系列私營公司合作,讓他們按照我們提供的規格製造。”工程師一次隻設計一款航天服。2005年“星座”計畫開始後,他們每3到5年便設計一款原型。

7.確定部位手工縫合

在阿波羅時代,航天服進行手工縫合。你可能認為隨著技術的不斷進步,這種做法已成為歷史,但實際情況並非如此。航天服的最內層被稱之為“氣囊”,就像一個內充空氣的氣球,使用機器密封和縫合。氣囊上方是約束層,賦予氣囊強度和結構。艾奇遜表示:“約束層確保氣囊處于特定位置,承受航天服的所有負載,防止氣囊在宇航員彎曲肘部或者施壓時承受太大壓力。”

約束層仍需要手工縫合。艾奇遜說:“我們有一個房間,裏面都是縫紉工,操作不同類型的縫紉機,具體取決于需要縫合航天服的哪一個部位。手工縫合的精確度極高,某些部位的精確度可達到1/16英寸(約合1.6毫米),精確度之高令人難以置信。”在縫合確定部位時,縫紉工使用特定的縫線,具體取決于這個部位是否需要更大強度或者彈性。

8.採用最新技術

工程師採用3D雷射掃瞄器和3D印表機設計Z-2航天服。這在歷史上還是第一次。

9.航天服允許漏氣

航天服允許漏氣,但隻是少量漏氣。艾奇遜指出整套航天服允許的最大漏氣量為100 SCCM(標準狀態毫升/分)。為了確保航天服不漏氣,在製作時必須滿足設計師提出的各種要求,各部位還要接受嚴格測試。縫份使用尺子測量,樣品被故意毀壞,以確定是否滿足強度方面的要求。艾奇遜說:“測試人員會使用一台機器拉扯縫合部位或者織物本身。”

拿到全套航天服後,設計師也會親自測試。艾奇遜說:“我們進行結構和泄露測試,對航天服進行充氣,使其壓力達到正常操作壓力的1.5倍——太空行走時的壓力是4.3 PSI——以測試結構的穩固性,確定縫合部位是否存在任何漏洞或者出現漏氣現象。在此之後,我們進行結構測試,讓壓力回到正常操作壓力,而後再次進行泄露測試。”

10.沒有定製航天服

為每一名宇航員定製航天服顯然不具有成本效益。航天服的製作採用一個模組系統,這是導致航天服笨重的部分原因。艾奇遜表示:“在將所有組件組裝在一起時,最後的航天服的尺寸往往超過各個組件的簡單之和,適于更多人群。從小號、中號到大號,我們會製作一系列組件,根據宇航員的體型選擇組件並進行組裝。這種方式有助于空間站的後勤保障工作。”目前,國際空間站上的組件可以組裝4套EMU航天服,此外還有大量備用組件。模組系統也便于航天服的維護。如果一個組件發生破損,工程師隻需進行替換,無需製造一套新的航天服。

Z-2航天服Z-2航天服

11.工程師一次隻研發一款航天服

鑒于航天服設計和測試工作的復雜性和嚴格性,工程師一次隻研發一款航天服。艾奇遜說:“我們希望了解哪些設計有用,哪些設計沒用,而後開始下一階段的工作。”從概念到設計再到原型和測試,製作一款新航天服需要很長時間,通常超過一年時間。Z-2航天服的製作將于3月開始,8月結束,而後開始測試工作。

12.穿航天服之前需要穿很多層衣物

在科幻大片《地心引力》中,桑德拉-布洛克飾演的宇航員脫下EMU航天服時身上隻穿著緊身背心裝和短褲。這顯然與真實情況不符,被航天服包裹的宇航員實際上穿著很多層衣物,其中包括所謂的最大吸收量衣物(MAG)。艾奇遜表示:“MAG基本上就是一個尿布,但吸收量遠遠超過普通尿布。它是你的廢物管理系統。MAG外面是舒適的內衣,剪裁合身的長內衣褲,讓宇航員在佩戴液體冷卻衣物情況下仍十分舒適。艾奇遜說:“液體冷卻衣物在宇航員身穿航天服工作時保持皮膚涼爽。我們可不希望宇航員出一身汗。為此,我們給航天服安裝了很多管子,裏面有涼水流動,吸收皮膚的熱量並將熱量排放到太空。”

13.加壓服製作方式很多

任何前往太空的人都需進行加壓,以保持身體機能正常。保持身體機能正常的最低氣壓要求是2.5 PSI,例如肺部膨脹和血液流動。艾奇遜指出略高于這一氣壓的效果更好。為了做到這一點,宇航員需要穿加壓服,例如宇航局宇航員所穿的加壓服,或者利用機械反壓的衣服,例如麻省理工學研製的機械反壓服。艾奇遜說:“你可以把機械反壓服理解成緊身濕式潛水服,通過向皮膚施壓達到所需的壓力水準。”

上世紀70年代,宇航局的保羅-韋伯博士曾研製機械壓力服,被稱之為“太空活動服”。雖然這款加壓服性能出色,但需要很長時間並且在多人的幫助下才能穿上。除了這個缺陷外,機械壓力服還有其他缺陷。艾奇遜說:“有一件事情是你必須考慮的,那就是確保身體各部位的皮膚承受的壓力均勻分布。凹陷部位或者從扁平變成凹陷的部位——手掌、肘背、膝蓋和腹股溝——會在宇航員移動時改變形狀。你需要研發性能可靠的材料,置于這些部位並隨著它們外形變化相應做出移動。在研發幫助我們在未來5到10年進行太空探索的技術時,我們面臨很多挑戰。加壓服能夠幫助我們探索太空。”

14.Z-2航天服尺寸很小

Z-2航天服是迄今為止研製的尺寸最小的航天服之一。艾奇遜表示:“Z-1航天服採用13英寸(約合33釐米)的圓頂設計。這種設計適合體型較大的男宇航員,但對體型較小的女宇航員來說顯得過大。因此,必須對這款航天服進行瘦身。我們對當前的宇航員隊伍進行了分析,嘗試設計一款適合體型處在底部40%這一範圍的所有宇航員。”Z-2航天服的目標是適合從處在第5個百分位的女性到處在第99個百分位的男性的所有宇航員。很顯然,這是一個巨大的跨度。

15.公眾可為喜歡的設計投票

宇航局的上一款航天服設計Z-1讓人聯想到《玩具總動員》中的巴斯光年。艾奇遜表示:“圍繞這個話題展開的討論很多。我們希望利用這一點激發人們的興趣,促使人們進一步了解航天服。為了收到更好的效果,我們建立了一個投票網站,讓網民為自己喜歡的航天服投票。”

宇航局工程師與費城大學的服裝設計系學生合作,設計航天服的面板。整個設計過程與工程師長久以來習慣的方式存在巨大差異。艾奇遜說:“他們採取了一種不同以往的方式,讓服裝設計系的學生參與其中。我們需要讓航天服表達一系列主題,例如愛國主題、傳統主題或者科學和技術主題。我們初步選擇了12個主題,最後將從中挑選出最能代表我們的主題。”基于這一點,工程師和學生設計師挑選了3個主題,即仿生、科技和社會趨勢主題。

目前,這些設計還完全處于美學範疇。艾奇遜認為生物發光技術可用于仿生主題航天服。她說:“在登入其他行星之後,如果我們所處的工作環境日/夜周期恆定,這可能是人員識別的一個理想方式。現在,我們在織物的兩側和上臂位置增加條紋,為每一名宇航員選擇不同的顏色,便于辨認。生物發光技術是一種有效的識別方式,能夠讓登入行星表面的宇航員受益。”

實例說明

檔案

名稱簡介飛天航天服
重量120公斤
顏色白色
造價約3000萬人民幣
組成用料軟硬結合,從上到下依次是頭盔、上肢、軀幹、下肢、壓力手套、靴子
適用四肢裝有調節帶,通過調節上臂、小臂和下肢的長度,身高1.60米-1.80米的人都能穿上
耐力可支持4個小時艙外活動,並可重復使用5次
上肢關節巧妙地利用仿生結構,使關節活動更加自如。

腕鏡

手腕處裝有一面小鏡子,航天員可以通過它隨時察看自己身上的各種開關。

背包

高1.3米,是航天服穿脫(進出)口的密封門,在背包殼體內安裝艙外航天服生保設備,背包殼體下端安裝有掛包、備用氧瓶等。背包關閉通過拉緊鋼索和操作關閉手柄完成。

頭盔

經過科研攻關,“飛天”航天服頭盔的視野比其他同類產品要大。

中國'飛天'艙外航天服中國'飛天'艙外航天服

攝像頭 頭盔還有攝像頭,可拍攝航天員出艙操作。

照明燈 兩側各一照明燈,可照亮服裝胸前部分,方便航天員在陰暗面操作。

報警指示燈 兩側有報警指示燈,一旦服裝出現泄露報警燈閃。同時還有語言報警。

面窗 其面窗4層,2層充壓結構,2層之間充高純氮氣,防結霧,外面是防護面窗,外層是濾光面窗,對太陽光折射率低,迎著光照面可拉下它。

手套

為每位航天員量身定做,看上去特別厚實,有點像拳擊手套

外層 熱防護手套外層為纖維織物,有兩層氣密,使用特殊隔熱橡膠材料,能耐受高溫到100℃。

指尖 指尖部分,隻有一層氣密層,保持觸覺。手指背部位內有兩層真空禁止隔熱層。

手心 在手心握物部位設定有凸粒狀橡膠,主要為防滑。手套可握住25毫米的鉛筆粗細的東西。

熱防護蓋片 在手背有可翻折的熱防護蓋片,用于覆蓋手指部位,提高此部位的熱防護能力和保證手指的關節活動性。

手表

專門設計的航天手表,材料適合航天特殊環境。

面板 它比一般手表表盤大,實現功能也比普通手表多,上有三個小表盤,分別是小時、分鍾、秒。可以讀台北時間和飛行時間,另外可以轉動表盤記時。

用途 航天手表可讓航天員在漆黑的太空中,清楚地知道地球的晝夜之分。保障航天員的生活規律與地球同步,不至于打亂生物鍾。

衣料

航天服須真空禁止隔熱,所用織物要多種織法結合起來才能達到強度要求。

層次 航天服6層:由特殊防靜電處理過的棉布織成的舒適層、橡膠質地的備份氣密層、復合關節結構組成的主氣密層、滌綸面料的限製層、通過熱反射來實現隔熱的隔熱層、最外面的外防護層。軀幹達到7層,最厚的是掛包有20層。

太空犬宇航服

2014年9月13日,一件20世紀90年代的高科技宇航服將在德國柏林拍賣。據推測,宇航服以前的主人是太空犬Belka和Strelka,它們曾在蘇聯Korabl-2人造衛星的培訓課程中穿過它。這件太空犬宇航服預估可拍賣約8000歐元。

這件系帶宇航服配有一根供氧管,由棉、尼龍、鋁和橡膠製成,規格為28釐米×10釐米21釐米。專家推斷這件宇航服曾被穿過,隻有少數的太空犬宇航服在穿過後能夠儲存下來,而這一件屬于儲存較好的。

蘇聯太空犬Belka和Strelka曾參與蘇聯Korabl-2人造衛星的培訓課程,被用來測試重力和加速度對生物的影響。美國曾用黑猩猩做該類試驗,而蘇聯用犬,這是因為犬更容易被馴服,能保持坐定很長時間。

1960年8月19日,在太空中待了一天後Belka和Strelka搭乘史波尼克5號安全返回地球。成為英雄太空犬。Belka和Strelka死後,它們的遺體皆被儲存,Belka在莫斯科展覽而Strelka則在世界各地巡回展覽。

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