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  • 宇航服

    宇航服是保障航天员的生命活动和工作能力的个人密闭装备。可防护空间的真空、高低温太阳辐射微流星等环境因素对人体的危害。在真空环境中,人体血液中含有的氮气会变成气体,使体积膨胀。如果人不穿加压气密的航天服,就会因体内外的压差悬殊而发生生命危险。航天服是在飞行员密闭服的基础上发展起来的多功能服装。早期的航天服只能供航天员在飞船座舱内使用,后研制出舱外用的航天服。现代新型的舱外用航天服有液冷降温结构,可供航天员出舱活动或登月考察。2016年10月16日,新款航天员系列化服装的首次亮相。

    编辑摘要
    科学 +
    宇航服

    见面会上,景海鹏和陈冬两名航天员身着的新款航天员秋冬常服颇为引人注目,深邃、简雅,是人们对它的赞赏。[详细]

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 宇航服 英文名: spacesuit
    适用人群: 航天员 作用: 保障航天员的生命活动
    特点: 可防护空间的真空、高低温 组成: 压力服、头盔、手套和靴子

    目录

    发展历史/宇航服 编辑

    宇航服宇航服
    世界上第一个使用航天服装备的人是美国冒险家威利·波斯特。二十世纪30年代初,他驾驶“温尼妹号”单座机在向横越北美大陆飞行的挑战中,将飞机上升到同温层。当时波斯特身穿的高空飞行压力服,是用发动机的供压装置送出的空气压吹起来的气囊

    第一代

    近代的航天服是1961年在美国问世的。当年5月阿仑·谢泼德第一个成功地进行了美国最早的载人航天飞船计划——水星计划的亚轨道飞行。飞行所用的航天服,是由当时美海军的高性能战斗机飞行员穿着的MK-4型压力服加以改进的。这种航天服由氯丁橡胶涂在布上的防护层和经过氧化铝处理的强化尼龙的内绝热层叠合而成,肘和膝关节部分缝入了金属链,容易弯曲。但是,当内压提高时,航天员难以活动身体。

    第二代

    60年代中期在实施“双子星座”计划时,美国又开发了第二代航天服。这种航天服在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟纶混纺材料织成的网,即使空气压使航天服整体膨胀也容易弯曲。由于“双子星座”计划要求航天员进入太空在轨道上作会合或入坞的活动,所以这种航天服具有极佳的运动性。

    第三代

    第三代航天服是实施阿波罗计划时使用的航天服。月面活动与浮游在太空活动的情形不同,必须一边步行在遍地皆是岩石的月球表面,一边弯下身体采取岩石标本。再者,要求保护航天员能经受强烈的太阳光辐射,以及使从天而降的微小陨石砸在身上也不致破损。
    这种航天服在关节周围制成伸缩自如的褶皱,大大提高了运动性能。但是,必须穿着特殊的“内衣”。这种几乎盖住全身的网状内衣缝入了长达100米犹如意大利空心面条那么粗的盘成网状的管子,管内流过冷水,吸走航天员身上散发的热量,并排到宇宙空间,所以航天员穿上后感到十分舒适。穿在内衣外的航天服由内绝热层、压力层、限制层(抑制压力层的膨胀)几层重叠,最外面还蒙上聚四氟乙烯与玻璃纤维制成的保护层。再戴上强化树脂制成的盔帽、与航天服几乎一样多层的手套,穿上金属网眼的长统靴,就是完整的阿波罗航天服了。
    阿波罗航天服与过去的航天服相比,根本的差别是采用了便携式生命保障系统,即将生命保障系统固定在背上,以进行供氧、二氧化碳的净化和排除体热。

    第四代

    航天飞机上的航天员使用的航天服可以说是第四代航天服了。在此之前,航天服是定做的,不仅开发和制作上耗费巨资和时间,而且一件航天服只能用一次,已远远不能适应新的需要了。
    航天飞机用的航天服不是定做的,它是根据人体的造型把航天服分成几部分,分别被规格化为“特大”到“特小”几种尺寸,然后成批生产,加工成现成的服装。航天员只要从中选择合身的各部分,重新加以组合就可得到一套满意的航天服了。使用后,也不像过去那样送进博物馆,而是把航天服再分解,各部分清扫后再次使用,计划使用寿命是15年以上。
    在阿波罗时代穿好一身航天服需要1小时,现穿航天飞机用航天服(包括生命保障系统在内的舱外机动装置)只要10~15分钟就足够了。新的生命保障系统可在长达7个小时内向剧烈消耗体力的航天员供给必要的氧、冷却水、电力。不仅如此,头盔内侧还可供给500毫升的饮料和少量的航天食品。
    至于大小便的处理,在进行舱外活动前,必须在舱内大便完毕,而小便可以在航天服中排泄,因为配备了尿抽吸装置。还只有供男性使用的装置,女性用的(尿布型)正在开发之中。将来,女航天员也不用为排尿担心了。
    为了迎接空间站时代的到来,美国航宇局正在致力开发新的航天服。尽管建造空间站穿着航天飞机用的航天服也可以,不过进入太空活动前,航天员还先要做准备工作。即必须呼吸纯氧4个小时,或在气压为0.69毫米汞柱的舱内呆上大约12个小时,然后再呼吸纯氧40分钟,目的是将体内的氮排出,同时使身体适应低压环境。如果不做这样的准备工作,由于航天服内只有0.3个大气压,体内氮因急骤减压而形成气泡,会使航天员患与潜水员一样的沉箱病。显然,这种航天服难以适应今后在太空中频繁活动的需要。据美国航宇局预测,太空时代,每个航天员每年需在太空中工作1000小时,为此要求航天服不但耐用,而且要大幅度降低成本。
    与过去的航天服相比,外观上有明显的不同,全身是金属铠甲那样的刚性结构,仅关节部分是可折皱的软结构。这种航天服的内压可提高到0.54个大气压,所以航天员穿这种新航天服进入太空之前不需要准备过程,也不用再为沉箱病担心。但是,内压提高使这种新航天服变得笨拙,运动性差。已试制成的这种航天服重达90千克,穿在身上根本无法在地面上行走。所幸的是,在太空中,重力变小了,宇航员不用费很大的力气。不过,重力变小了,质量还是没变具有和原来一样的惯性,所以宇航员不能快速移动。
    航天服的制造和发展时间还相当短,未来的航天服将更适合人类航天和在太空生活的需要!

    未来

    美国国家航空航天局(NASA)公布了下一代宇航服Z-1的原型设计,该宇航服以白色和绿色为主色调,头罩采用了半球形透明设计,看上去酷似动画片《玩具总动员》中的主角巴斯。
    新宇航服有望在未来几年投入使用,相对于上代宇航服,Z-1的最大改进是对各个接头和材料进行了重新设计,宇航员穿戴宇航服时更为方便,不到一小时就能完成穿戴。此外,Z-1的气闸也得到改进,节省了调整气压的时间。[1]
    火星太空服
    2014年5月,美国宇航局NASA公布了宇航员登陆火星时可能穿着的太空服设计原型,这套称为Z--2系列的太空服和过去的设计大相径庭。虽然这只是设计原型,但是其中的许多设计和配件将实际运用在登陆火星太空服的制作上。[2]

    原理/宇航服 编辑

    宇航服是保护宇航员在太空不受低温,射线等的侵害并提供人类生存所需的氧气的保护服
    宇航服的:氧气罐为太空人提供氧气。而排出的二氧化碳则由氢氧化锂(lithium hydroxide)所吸收。宇航服的表层有阻隔辐射的功用。太空人的体温则由一套贴身内衣调节,这件内衣布满水管,水泵不断把水循环,把太空人身体所发出的热力带走,而水则由升华器(sublimator)所冷却。宇航服最后一个重要功用,是为太空人提供所需的气压(约等于半个标准大气压力52kpa);如果气压过低,人体血液及身体组织内的气体会离开,令太空人患上类似潜水员常有的潜水病(在真空的情况下,太空人更会由于血液瞬间“沸腾”而死亡)。

    功能/宇航服 编辑

    宇航服宇航服
    航天服从功能上看,航天服有舱内航天服和舱外航天服两种;美国和俄罗斯使用的都是软硬结合式的航天服。无论哪种航天服都由多层组成,它们互相连接形成一个整体服装,但要求各层的质量要高、要轻、不能过厚,以避免影响航天员的行动。以舱内使用的低压航天服为便,其基本结构与功能是这样的;由最贴身的里层往外数,第一层为内衣裤,选用纯棉布或棉麻布制服。第二层是保暖层,它和内衣裤结合,选用羊毛制品或合成纤维片制成,起保温和隔热的作用。第三层为通风散热层,其结构比较独特,是由很长的微细管道连接在衣服上而制成的,在人体与外界隔绝的情况下,它可以把人体产生的热、水和气味带出去。第四层是气密加压限制层,它既要充气加压,使身体有足够的压力,不能漏气,又不能使服装过于膨胀,防止外界的磨损,还要使各关节活动自如。所以这一层结构的选材和设计都比较难,是航天服装的关键层。第五层为隔热层,也叫真空隔热层。舱内航天服可以不加这一层。例如,美国阿波罗号飞船、航天飞机上用的航天服都没有这层,而苏联的上升号飞船和俄罗斯的联盟号飞船中使用的舱内航天服就有这一层。这是由5~7层涂铝的聚脂薄膜构成,各膜之间用网络物隔开,贴在一起形成屏蔽。它有良好的隔热和防辐射作用,舱外航天服必须有这层。最外边一层是外罩层。这个外套要求防磨损力强、耐高温,除能防护内部各层不受损坏外,还要注意到颜色,一般用白色或金黄色为好。
    整体上看,有以下五个功能:保持宇航员体温;保持压力平衡(使太空人承受的压力与在地球上的相似);阻挡强而有害的辐射(如来自太阳的辐射);处理宇航员的排泄物;提供氧及抽去二氧化碳。

    分类/宇航服 编辑

    航天服按功能分为舱内用应急航天服和舱外用航天服。从服装内压上看,有低压航天服和高压航天服之分;从其结构上看,可分为软式、硬式和软硬结合航天服。舱内航天服用于飞船座舱发生泄漏,压力突然降低时,航天员及时穿上它,接通舱内与之配套的供氧、供气系统,服装内就会立即充压供气,并能提供一定的温度保障和通信功能,让航天员在飞船发生故障时能安全返回。飞船轨道飞行时,航天员一般不穿航天服。

    舱外用

    舱外用的航天服除有舱内航天服的所有各层外,还有三层:一是真空隔热层,用于保护航天员在舱外作业或在月球与其它星体表面活动时,不受舱外环境过热、过冷的侵袭,又可防止服装内部的热量散失。二是液冷服,它是将舱内航天服的通风散热层管内的气体改为液体而成。航天员在舱外作业有时长达几个小时,身体产生的热量多,靠气体散热达不到散热要求,而液态冷却工质就可很好把热散掉。三是最外层,它除要有防高热、防磨损和保护内部各层的功能外,还要有防太阳辐射的功能和连接其它装具的接口。例如,与航天员舱外活动时的脐带连接,与身背携带式生保环境装备、太空机动飞行机构的连接等。
    航天服的头盔由头盔壳、面窗结构和颈圈等组件构成。在载人航天中使用的头盔有软式与硬式两种,其中硬式头盔又分为固定式和转动式二种。软式头盔大多数作为舱内航天服的组件。转动式头盔在其颈圈上有气密活动轴承,但密封环节增多会降低气密性与结构可靠性,增加设计难度。
    现以固定式全透明的钟罩式头盔为例,介绍其结构组成。头盔壳是头盔的主体,其材料应具有强度大、抗冲击和足够的耐热性等优点。在其面窗部位上有良好的光学性能。头盔内腔壁有硬衬垫和软衬垫,衬垫上镶有细管道,它兼有减震、隔热、消声、通风和供氧等功能。其内腔要适于戴通讯头盔,允许头在里面左右转动,尺寸要与穿戴者的头形相适应。还要留有安装生理测试部件、有利于排出人体呼出的二氧化碳和水汽的空间。
    除上述各种要求外,面窗还应有良好的光学性能和广阔的视野。头壳的面窗部分除应有透光良好外,还要有防雾、去湿的措施,因为航天员出舱活动时会遇上-150℃的低温,面窗内的温度也会下降。当降到空气露点以下时面窗上就会结雾,妨碍航天员的视线。已用的方法有通风去湿法、双层面窗法、电热面窗法和化学防雾剂等,以保障面窗的透明度。否则,影响航天任务的执行。例如,1966年美国双子星座9号飞船的航天员,在太空用载人机动装置进行飞行时,因面窗起雾而看不清外边的情景,未能完成太空行走中的特定航天任务。
    颈圈是连接服装与头盔的关键部件,分上、下两圈,在穿戴服装与头盔时,先将上下圈连接上,再连接头盔与服装。它要求穿脱方便,具有良好的气密性和加接强度。在紧急情况下,要有使穿戴者本人能快速断、接、锁紧操作的机构,便于及时与头盔或服装断开或连接。

    舱内用

    航天服由头盔、服装、手套和靴子组成。头盔通过颈圈与服装连接。头盔上的面窗平时可随意启闭,紧急时可在数秒钟内自动或手动关锁。舱外用的航天服由外罩、真空隔热层、气密限制层、通风结构和液冷服组成。手套与衣袖通过腕部断接器连结,脱戴很方便。靴子有的与服装连成整体有的与服装分开穿着。全套航天服重约30~40千克。
    航天服的另外两个部件是可随时连接的手套和靴子。手套与服装通过腕圈接连,是服装压力层的延续。它要符合穿戴者手型,能快速穿脱戴,在各手指关节部分有波纹结构,便于操作。航天靴由压力靴和舱外热防护套靴组成,其中压力靴是服装气密加压限制层的延续。通常将踝部活动关节设计在压力靴上,并与压力服相连接。航天服内部还设有废物收集装置,用于在紧急情况下收集、贮存和输送大小便用。

    结构组成/宇航服 编辑

    结构层数

    宇航服宇航服
    航天过程中保护宇航员生命安全的个人防护救生装备,又称宇宙服或航天服。宇航服能构成适于宇航员生活的人体小气候。它在结构上分为6层:
    ①内衣舒适层:宇航员在长期飞行过程中不能洗换衣服,大量的皮脂、汗液等会污染内衣,故选用质地柔软、吸湿性和透气性良好的棉针织品制做。
    ②保暖层:在环境温度变化范围不大的情况下,保暖层用以保持舒适的温度环境。选用保暖性好、热阻大、柔软、重量轻的材料,如合成纤维絮片、羊毛和丝绵等。
    ③通风服和水冷服(液冷服):在宇航员体热过高的情况下,通风服和水冷服以不同的方式散发热量。若人体产热量超过350大卡/小时(如在舱外活动),通风服便不能满足散热要求,这时即由水冷服降温。通风服和水冷服多采用抗压、耐用、柔软的塑料管制成,如聚氯乙烯管或尼龙膜等。
    ④气密限制层:在真空环境中,只有保持宇航员身体周围有一定压力时才能保证宇航员的生命安全。因此气密层采用气密性好的涂氯丁尼龙胶布等材料制成。限制层选用强度高、伸长率低的织物,一般用涤纶织物制成。由于加压后活动困难,各关节部位采用各种结构形式:如网状织物形式、波纹管式、桔瓣式等,配合气密轴承转动结构以改善其活动性。
    ⑤隔热层:宇航员在舱外活动时,隔热层起过热或过冷保护作用。它用多层镀铝的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜并在各层之间夹以无纺织布制成。
    ⑥外罩防护层:是宇航服最外的一层,要求防火、防热辐射和防宇宙空间各种因素(微流星、宇宙线等)对人体的危害。这一层大部分用镀铝织物制成。
    与宇航服配套的还有头盔、手套、靴子等。

    系统组成

    舱内航天服采用头与躯干肢体服装连为一体的“软式”类型结构和开放式通风供氧方式,它由压力服装、头盔与手套、应急供氧和通风管路等组成。
    (1)压力服装
    压力服装由躯干肢体服、压力调节器、压力表及颈部防水隔膜组成。其中躯干肢体服与头盔盔壳是由气密层和限制层组成,它具有可操作性能,用来维持服装的气密、承受服装压力、保持人体形态不变;压力表则放置在航天服的左前臂,用于指示服装内压力。通常在座舱正常压力下,航天员穿着服装,关闭面窗进行呼吸时,保证能呼吸到外面的空气。压力调节器在飞船压力应急条件下,控制舱内航天服内规定的绝对压力。在常压下可通过手动关闭,对服装进行加压,以便检查服装的气密性。当服装压力超过规定的压力时,能自动放气。
    在压力服装的研制过程中,关键技术是气密性,要防止在工作压力下,总漏气量≤1升/分钟,服装的穿脱口处的气密拉链是关键技术。
    (2)头盔和手套
    航天员在航天飞行中所戴的头盔,不仅能隔音、隔热和防碰撞,而且具有减震好、重量轻的性能。头盔为软盔壳,与压力服装连成一体,紧贴在航天员头盔盔壳里面的是通风衬垫,具有隔热和消声作用。
    头盔面部的面窗是为了给航天员提供良好的视野,以便可以看到飞船内外的景象。为了扩大面窗左右视野,增加人面部盔腔空间,提高面窗防雾效果和观察舒适,面窗设计为等壁厚的椭球面结构。面窗启闭结构采用手动、双自锁、保险式机械结构,内表涂覆长效防雾剂,连同头盔通风结构,防止面窗结雾。
    航天员戴的手套由压力手套、腕部断接器和舒适手套组成。其中压力手套又由用于承受掌部张力和限制掌部加压后鼓胀的掌部限制组件和采用织物手套双面浸天然乳胶成型的掌指压力手套以及腕关节组成。腕部断接器和舒适手套都有其特殊的作用。
    (3)应急供氧通风组件
    通风组件采用管道式结构,通风气体从软管经风量分配盘进入服装,风量按比例送至头部和四肢末端,经周身各处后,汇流到腹部,最后由压力调节器流出服装。
    在飞船座舱压力应急时,提供通风供氧组件对头盔内供氧气,用以保障航天员呼吸用氧和压力服内头、颈部通风散热、清除或稀释呼出气体排出的水分及CO2。当飞船座舱压力正常情况下,航天员穿着压力服待命时,全身通入座舱空气,用以供氧、清除CO2和水分以及通风散热。
    (4)通信头戴
    通信头戴通俗地讲起到对讲机的作用。提供航天员穿着压力服时,在飞船发射、轨道压力应急和返回过程中的通话。同时,具有很好的保护航天员听觉器官免受噪声危害的功能。
    通信头戴装置由防噪声耳罩、坚固耐用的送话器、网状结构的通信帽套以及保证可听声压级的语音放大器组成。
    穿着步骤编辑
    航天员穿戴舱外航天服有一套严格的步骤和顺序,而且不同型号的航天服穿脱的顺序也不一样。我们这里以美国航天飞机舱外航天服为例进行介绍。整个穿衣过程共分10个步骤完成:
    ①穿强力吸尿裤。
    ②穿液冷通风服。
    ③带上生物电子联结装置。在这种装置上有测量航天员心率的传感器和与外界进行通话联络的电子设备。
    ④一些小的操作程序,包括在头盔面窗里面涂上防雾霜,在服装左侧袖子的手腕处装上一块小的反光镜,在服装上身前胸部位装上一个小食品袋和一个饮水袋,在头盔上装上照明灯和电视摄像头,最后是将通讯帽与生物电子联结装置联结在一起。上述四步都是穿服装前的准备工作。
    ⑤穿服装的下半身。下半身有不同尺寸,可供不同身材的航天员选用。下半身服装的腰部有一个大的带轴承的关节,为航天员弯腰和转身提供方便。
    ⑥穿服装的上半身。在穿上半身之前,应先将气闸舱的冷却脐带管插入服装胸前的显示控制盒的接口上,以便向服装内提供冷却水、氧气和电力。因为航天飞机气闸舱内仅有2.0米高,直径1.6米,两名航天员在里面穿航天服显得非常拥挤,因此航天服的上半身是挂在气闸舱壁的支架上。这样一来当航天员要穿服装上半身时,必须蹲下身体,手臂向上伸,采取一种跳水运动员跳水的姿势钻进服装内。服装上下身穿好以后,将密封环联接在一起,然后将各种供应管线与服装相接。
    ⑦戴上通讯帽、头盔和手套。一旦戴上头盔和手套以后,航天员就不能呼吸气闸舱内的空气,而是通过脐带呼吸从航天飞机轨道器提供的氧气。
    ⑧向服装加压,并由航天员对服装进行测试,目的是保证服装不漏气,而且内部压力稳定。测试的重点是气体流量、冷却水和电池的功率。
    ⑨开始呼吸纯氧,进行吸氧排氮。即将体内的氮气排除,目的是预防减压病。
    ⑩关闭气闸舱的内舱门,气闸舱进行减压。当气闸舱内的压力降低到零时,打开气闸舱的外舱门,同时航天员应将服装与气闸舱的所有联结断开,将安全带的挂钩勾在舱外的固定杆上,这时航天员即可出舱进行太空行走。

    设计要点/宇航服 编辑

    宇航服宇航服
    据美国《心理牙线》杂志4月2日报道,如果没有航天服的保护,宇航员根本无法在环境恶劣的太空中生存。从概念到原型再到最后投入使用,与航天服有关的很多东西可能是你不知道的。为了帮助读者了解航天服,《心理牙线》杂志采访了美国宇航局约翰逊航天中心先进航天服设计团队的航天服工程师林赛-艾奇逊,披露了航天服设计过程中的一系列秘密。
    1.设计师需具备一系列技能
    艾奇逊表示航天服设计师需要具备一系列技能,尤其是创造力和批判性思维。她说:“你需要关注细节,提出非常精细的测试计划。在与人类测试人员合作时,你不得不设计一种测试,获得测试者对你的设计的具有建设性的反馈,例如舒适度。如何定义舒适度?你必须站在工程学的角度考虑这个问题,设计和制作穿着舒适的航天服。”航天服需要具有创造性,将不同领域的技术融合在一起。
    2.按任务要求设计
    艾奇逊表示设计一款新型航天服时,宇航局的工程师必须回答两个问题,即“要去哪里?”和“要做什么?”,帮助他们确定航天服的结构。工程师的设计工作首先着眼于宇航员将要前往的太空区域。目标区域分为两种,一个是微引力区域,一个是行星环境。工程师根据目标区域的具体环境决定航天服赋予宇航员拥有多大的机动能力。此外,工程师还要考虑宇航员将要面临的辐射水平、温差以及微流星体风险。
    接下来,工程师必须考虑宇航员将从事何种任务这个因素。例如,是否要用手移动身体?是否会处在微重力环境下?是否用脚行走?是否要登陆行星表面?是否使用工具进行挖掘?是否使用工具带携带各种工具和利用上肢执行任务?是否需要具备自治能力?艾奇逊表示:“如果你要登陆行星表面并且是距离地球很远的星球,你需要研发更多技术,让航天服具备自治能力,允许宇航员具备舱外活动能力。如果是在空间站,你会与飞行控制人员进行大量直接接触。在这种情况下,我们可以放弃一些信息技术,让飞行控制人员帮助我们。”
    3.新航天服需要新靴子
    人们最熟悉的航天服可能要属舱外机动套装(EMU)。这款航天服在设计上用于微重力环境,允许宇航员用双手完成各项任务。为了让宇航员具备维修国际空间站、太空望远镜和进行太空行走的能力,EMU航天服在设计上让宇航员的肩膀、双手和手臂部位拥有很大的机动能力。艾奇逊表示:“你利用航天服的下半部分稳定身体,让你在机械臂末端上时拥有一个稳定的工作平台。如果身体摇摇晃晃,你干不了任何工作。”
    包括Z-2在内的新航天服针对行星环境设计。艾奇逊和其他设计师用了很长时间设计腕部和胯关节以及靴子。她说:“这是‘阿波罗’号任务后我们第一次设计靴子。在不同于地球的引力环境下,你的行走方式会发生变化。现在,我们正在设计适于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU采用的是硬底靴,新航天服的靴子与之截然不同。”
    为了确定何种靴子最适合新航天服,艾奇逊在2008年对不同靴子进行了大量行走测试。她说:“我们在不同重力环境下测试靴子。测试就像在跑步机上行走一样,由于索具支撑航天服的重量,你会觉得自己就像在重力为地球3/8或者1/6的表面行走一样。”。研究小组在航天服下肢部分安装一系列运动捕捉标记,分析足部、脚踝以及臀部在不同重力环境下如何移动。她说:“我们在测试中发现人们在不同重力环境下行走时往往臀部摇摆,就像飞跑一样。通过对此进行研究分析,你能够确定靴底柔软度和硬度需要达到怎样的程度才能降低行走难度。”研究小组仍在对设计进行评估,关注焦点是一款适于徒步旅行的靴底。艾奇逊说:“这种靴底的前足部位较硬,中足部位较为柔软,适于需要跪下才能完成的任务。”
    4.减轻重量是目标
    EMU的重量达到惊人的300磅(约合136公斤)。不过,身处微重力环境下的宇航员并不会感受到这一重量。艾奇逊表示包括背包在内的阿波罗航天服在地球上重180磅(约合82公斤),但在月球上只有30磅(约合14公斤)。穿上这种航天服时,宇航员的行动受限。新航天服的目标是让宇航员在拥有很大行动能力的同时减轻重量。她说:“提高行动能力时,我们需要增加轴承等硬件,轴承很适于加压服,但会增加重量。我们正在研究如何在添加硬件的同时保持航天服低重量的方式。目前,我们将目光聚焦钛材料,这种材料能够让轴承的重量减少大约30%。此外,我们也考虑采用新型合成材料,用于上肢、臀部以及较短部位。”艾奇逊表示新型航天服Z-2的重量将比EMU少大约20磅(约合9公斤),并不算太轻。“不过,我们让下肢拥有全部功能,这是以往的航天服所不具备的。”
    5.设计工作从老型号着手
    一旦确定“要去哪里?”和“要做什么?”这两个问题的答案,工程师便开始设计工作。先进航天服设计团队拥有至少30年的航天服设计经验,包括航天飞机航天服以及阿波罗计划的航天服。艾奇逊表示:“我们从测试这些航天服开始,了解不同的特征。通过测试,我们得以确定不同肩部设计适于何种运动,了解不同的臀部和靴子设计以及穿着方式。是否需要拉链?诸如此类的事情。”通过测试老航天服,工程师能够设计出满足特定任务需要的航天服。
    6.宇航局负责设计 私营公司负责制作
    航天服的设计和测试工作由宇航局的科学家在实验室进行。完成这些工作后,航天服进入制造阶段。宇航局将他们的设计送交私营公司,由他们负责制作。艾奇逊指出:“我们提出总体设想和具体要求,让他们了解我们需要制造怎样的航天服。我们与一系列私营公司合作,让他们按照我们提供的规格制造。”工程师一次只设计一款航天服。2005年“星座”计划开始后,他们每3到5年便设计一款原型。
    7.确定部位手工缝合
    在阿波罗时代,航天服进行手工缝合。你可能认为随着技术的不断进步,这种做法已成为历史,但实际情况并非如此。航天服的最内层被称之为“气囊”,就像一个内充空气的气球,使用机器密封和缝合。气囊上方是约束层,赋予气囊强度和结构。艾奇逊表示:“约束层确保气囊处于特定位置,承受航天服的所有负载,防止气囊在宇航员弯曲肘部或者施压时承受太大压力。”
    约束层仍需要手工缝合。艾奇逊说:“我们有一个房间,里面都是缝纫工,操作不同类型的缝纫机,具体取决于需要缝合航天服的哪一个部位。手工缝合的精确度极高,某些部位的精确度可达到1/16英寸(约合1.6毫米),精确度之高令人难以置信。”在缝合确定部位时,缝纫工使用特定的缝线,具体取决于这个部位是否需要更大强度或者弹性。
    8.采用最新技术
    工程师采用3D激光扫描仪和3D打印机设计Z-2航天服。这在历史上还是第一次。
    9.航天服允许漏气
    航天服允许漏气,但只是少量漏气。艾奇逊指出整套航天服允许的最大漏气量为100 SCCM(标准状态毫升/分)。为了确保航天服不漏气,在制作时必须满足设计师提出的各种要求,各部位还要接受严格测试。缝份使用尺子测量,样品被故意毁坏,以确定是否满足强度方面的要求。艾奇逊说:“测试人员会使用一台机器拉扯缝合部位或者织物本身。”
    拿到全套航天服后,设计师也会亲自测试。艾奇逊说:“我们进行结构和泄露测试,对航天服进行充气,使其压力达到正常操作压力的1.5倍——太空行走时的压力是4.3 PSI——以测试结构的稳固性,确定缝合部位是否存在任何漏洞或者出现漏气现象。在此之后,我们进行结构测试,让压力回到正常操作压力,而后再次进行泄露测试。”
    10.没有定制航天服
    为每一名宇航员定制航天服显然不具有成本效益。航天服的制作采用一个模块系统,这是导致航天服笨重的部分原因。艾奇逊表示:“在将所有组件组装在一起时,最后的航天服的尺寸往往超过各个组件的简单之和,适于更多人群。从小号、中号到大号,我们会制作一系列组件,根据宇航员的体型选择组件并进行组装。这种方式有助于空间站的后勤保障工作。”目前,国际空间站上的组件可以组装4套EMU航天服,此外还有大量备用组件。模块系统也便于航天服的维护。如果一个组件发生破损,工程师只需进行替换,无需制造一套新的航天服。
    11.工程师一次只研发一款航天服
    鉴于航天服设计和测试工作的复杂性和严格性,工程师一次只研发一款航天服。艾奇逊说:“我们希望了解哪些设计有用,哪些设计没用,而后开始下一阶段的工作。”从概念到设计再到原型和测试,制作一款新航天服需要很长时间,通常超过一年时间。Z-2航天服的制作将于3月开始,8月结束,而后开始测试工作。
    12.穿航天服之前需要穿很多层衣物
    在科幻大片《地心引力》中,桑德拉-布洛克饰演的宇航员脱下EMU航天服时身上只穿着紧身背心装和短裤。这显然与真实情况不符,被航天服包裹的宇航员实际上穿着很多层衣物,其中包括所谓的最大吸收量衣物(MAG)。艾奇逊表示:“MAG基本上就是一个尿布,但吸收量远远超过普通尿布。它是你的废物管理系统。MAG外面是舒适的内衣,剪裁合身的长内衣裤,让宇航员在佩戴液体冷却衣物情况下仍十分舒适。艾奇逊说:“液体冷却衣物在宇航员身穿航天服工作时保持皮肤凉爽。我们可不希望宇航员出一身汗。为此,我们给航天服安装了很多管子,里面有凉水流动,吸收皮肤的热量并将热量排放到太空。”
    13.加压服制作方式很多
    任何前往太空的人都需进行加压,以保持身体机能正常。保持身体机能正常的最低气压要求是2.5 PSI,例如肺部膨胀和血液流动。艾奇逊指出略高于这一气压的效果更好。为了做到这一点,宇航员需要穿加压服,例如宇航局宇航员所穿的加压服,或者利用机械反压的衣服,例如麻省理工学研制的机械反压服。艾奇逊说:“你可以把机械反压服理解成紧身湿式潜水服,通过向皮肤施压达到所需的压力水平。”
    上世纪70年代,宇航局的保罗-韦伯博士曾研制机械压力服,被称之为“太空活动服”。虽然这款加压服性能出色,但需要很长时间并且在多人的帮助下才能穿上。除了这个缺陷外,机械压力服还有其他缺陷。艾奇逊说:“有一件事情是你必须考虑的,那就是确保身体各部位的皮肤承受的压力均匀分布。凹陷部位或者从扁平变成凹陷的部位——手掌、肘背、膝盖和腹股沟——会在宇航员移动时改变形状。你需要研发性能可靠的材料,置于这些部位并随着它们外形变化相应做出移动。在研发帮助我们在未来5到10年进行太空探索的技术时,我们面临很多挑战。加压服能够帮助我们探索太空。”
    14.Z-2航天服尺寸很小
    Z-2航天服是迄今为止研制的尺寸最小的航天服之一。艾奇逊表示:“Z-1航天服采用13英寸(约合33厘米)的圆顶设计。这种设计适合体型较大的男宇航员,但对体型较小的女宇航员来说显得过大。因此,必须对这款航天服进行瘦身。我们对当前的宇航员队伍进行了分析,试图设计一款适合体型处在底部40%这一范围的所有宇航员。”Z-2航天服的目标是适合从处在第5个百分位的女性到处在第99个百分位的男性的所有宇航员。很显然,这是一个巨大的跨度。
    15.公众可为喜欢的设计投票
    宇航局的上一款航天服设计Z-1让人联想到《玩具总动员》中的巴斯光年。艾奇逊表示:“围绕这个话题展开的讨论很多。我们希望利用这一点激发人们的兴趣,促使人们进一步了解航天服。为了收到更好的效果,我们创建了一个投票网站,让网民为自己喜欢的航天服投票。”
    宇航局工程师与费城大学的服装设计系学生合作,设计航天服的外观。整个设计过程与工程师长久以来习惯的方式存在巨大差异。艾奇逊说:“他们采取了一种不同以往的方式,让服装设计系的学生参与其中。我们需要让航天服表达一系列主题,例如爱国主题、传统主题或者科学和技术主题。我们初步选择了12个主题,最后将从中挑选出最能代表我们的主题。”基于这一点,工程师和学生设计师挑选了3个主题,即仿生、科技和社会趋势主题。
    目前,这些设计还完全处于美学范畴。艾奇逊认为生物发光技术可用于仿生主题航天服。她说:“在登陆其他行星之后,如果我们所处的工作环境日/夜周期恒定,这可能是人员识别的一个理想方式。现在,我们在织物的两侧和上臂位置添加条纹,为每一名宇航员选择不同的颜色,便于辨认。生物发光技术是一种有效的识别方式,能够让登陆行星表面的宇航员受益。”

    代表产品/宇航服 编辑

    飞天航天服

    名称简介 飞天航天服
    重量 120公斤
    颜色 白色
    造价 约3000万人民币
    组成 用料软硬结合,从上到下依次是头盔、上肢、躯干、下肢、压力手套、靴子
    适用 四肢装有调节带,通过调节上臂、小臂和下肢的长度,身高1.60米-1.80米的人都能穿上
    耐力 可支持4个小时舱外活动,并可重复使用5次
    上肢关节 巧妙地利用仿生结构,使关节活动更加自如。
    腕镜
    手腕处装有一面小镜子,航天员可以通过它随时察看自己身上的各种开关。
    背包
    高1.3米,是航天服穿脱(进出)口的密封门,在背包壳体内安装舱外航天服生保设备,背包壳体下端安装有挂包、备用氧瓶等。背包关闭通过拉紧钢索和操作关闭手柄完成。
    头盔
    经过科研攻关,“飞天”航天服头盔的视野比其他同类产品要大。
    摄像头头盔还有摄像头,可拍摄航天员出舱操作。
    照明灯两侧各一照明灯,可照亮服装胸前部分,方便航天员在阴暗面操作。
    报警指示灯 两侧有报警指示灯,一旦服装出现泄露报警灯闪。同时还有语言报警。
    面窗其面窗4层,2层充压结构,2层之间充高纯氮气,防结雾,外面是防护面窗,外层是滤光面窗,对太阳光折射率低,迎着光照面可拉下它。
    手套
    为每位航天员量身定做,看上去特别厚实,有点像拳击手套。
    外层热防护手套外层为纤维织物,有两层气密,使用特殊隔热橡胶材料,能耐受高温到100℃。
    指尖指尖部分,只有一层气密层,保持触觉。手指背部位内有两层真空屏蔽隔热层。
    手心在手心握物部位设置有凸粒状橡胶,主要为防滑。手套可握住25毫米的铅笔粗细的东西。
    热防护盖片在手背有可翻折的热防护盖片,用于覆盖手指部位,提高此部位的热防护能力和保证手指的关节活动性。
    手表
    专门设计的航天手表,材料适合航天特殊环境。
    外观它比一般手表表盘大,实现功能也比普通手表多,上有三个小表盘,分别是小时、分钟、秒。可以读北京时间和飞行时间,另外可以转动表盘记时。
    用途航天手表可让航天员在漆黑的太空中,清楚地知道地球的昼夜之分。保障航天员的生活规律与地球同步,不至于打乱生物钟。
    衣料
    航天服须真空屏蔽隔热,所用织物要多种织法结合起来才能达到强度要求。
    层次航天服6层:由特殊防静电处理过的棉布织成的舒适层、橡胶质地的备份气密层、复合关节结构组成的主气密层、涤纶面料的限制层、通过热反射来实现隔热的隔热层、最外面的外防护层。躯干达到7层,最厚的是挂包有20层。

    太空犬宇航服

    2014年9月13日,一件20世纪90年代的高科技宇航服将在德国柏林拍卖。据推测,宇航服以前的主人是太空犬Belka和Strelka,它们曾在苏联Korabl-2人造卫星的培训课程中穿过它。这件太空犬宇航服预估可拍卖约8000欧元。
    这件系带宇航服配有一根供氧管,由棉、尼龙、铝和橡胶制成,规格为28厘米×10厘米21厘米。专家推断这件宇航服曾被穿过,只有少数的太空犬宇航服在穿过后能够保存下来,而这一件属于保存较好的。
    苏联太空犬Belka和Strelka曾参与苏联Korabl-2人造卫星的培训课程,被用来测试重力和加速度对生物的影响。美国曾用黑猩猩做该类试验,而苏联用犬,这是因为犬更容易被驯服,能保持坐定很长时间。
    1960年8月19日,在太空中待了一天后Belka和Strelka搭乘史波尼克5号安全返回地球。成为英雄太空犬。Belka和Strelka死后,它们的遗体皆被保存,Belka在莫斯科展览而Strelka则在世界各地巡回展览。

    Z-2宇航服

    2014年3月,美国宇航局公布未来宇航服的样子,新式的美国宇航局宇航服采用仿生设计,大约在2017年投入使用。

    新款服装

    2016年10月16日上午,执行神舟十一号载人飞行任务的航天员景海鹏陈冬精神饱满,身着新款航天员秋冬常服,在酒泉卫星发射中心问天阁首次与媒体见面。这是航天员系列化服装的首次亮相。[3]

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2015-12-04
    [2]^引用日期:2015-12-04
    [3]^引用日期:2016-10-17

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