[科普中國]-航天服

發(fā)展歷史

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(zhàn)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(fā)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劃——水星計劃的亞軌道飛行。飛行所用的航天服，是由當時美海軍的高性能戰(zhàn)斗機飛行員穿著的MK-4型壓力服加以改進的。這種航天服由氯丁橡膠涂在布上的防護層和經(jīng)過氧化鋁處理的強化尼龍的內(nèi)絕熱層疊合而成，肘和膝關(guān)節(jié)部分縫入了金屬鏈，容易彎曲。但是，當內(nèi)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”計劃時，美國又開發(fā)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(wǎng)，即使空氣壓使航天服整體膨脹也容易彎曲。由于“雙子星座”計劃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劃時使用的航天服。月面活動與浮游在太空活動的情形不同，必須一邊步行在遍地皆是巖石的月球表面，一邊彎下身體采取巖石標本。再者，要求保護航天員能經(jīng)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。

這種航天服在關(guān)節(jié)周圍制成伸縮自如的褶皺，大大提高了運動性能。但是，必須穿著特殊的“內(nèi)衣”。這種幾乎蓋住全身的網(wǎng)狀內(nèi)衣縫入了長達100米猶如意大利空心面條那么粗的盤成網(wǎng)狀的管子，管內(nèi)流過冷水，吸走航天員身上散發(fā)的熱量，并排到宇宙空間，所以航天員穿上后感到十分舒適。穿在內(nèi)衣外的航天服由內(nèi)絕熱層、壓力層、限制層(抑制壓力層的膨脹)幾層重疊，最外面還蒙上聚四氟乙烯與玻璃纖維制成的保護層。再戴上強化樹脂制成的盔帽、與航天服幾乎一樣多層的手套，穿上金屬網(wǎng)眼的長統(tǒng)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，根本的差別是采用了便攜式生命保障系統(tǒng)，即將生命保障系統(tǒng)固定在背上，以進行供氧、二氧化碳的凈化和排除體熱。

第四代航天飛機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(fā)和制作上耗費巨資和時間，而且一件航天服只能用一次，已遠遠不能適應(yīng)新的需要了。

航天飛機用的航天服不是定做的，它是根據(jù)人體的造型把航天服分成幾部分，分別被規(guī)格化為“特大”到“特小”幾種尺寸，然后成批生產(chǎn)，加工成現(xiàn)成的服裝。航天員只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。使用后，也不像過去那樣送進博物館，而是把航天服再分解，各部分清掃后再次使用，計劃使用壽命是15年以上。

在阿波羅時代穿好一身航天服需要1小時，現(xiàn)穿航天飛機用航天服(包括生命保障系統(tǒng)在內(nèi)的艙外機動裝置)只要10～15分鐘就足夠了。新的生命保障系統(tǒng)可在長達7個小時內(nèi)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(nèi)側(cè)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(nèi)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。還只有供男性使用的裝置，女性用的(尿布型)正在開發(fā)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(fā)新的航天服。盡管建造空間站穿著航天飛機用的航天服也可以，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(nèi)呆上大約12個小時，然后再呼吸純氧40分鐘，目的是將體內(nèi)的氮排出，同時使身體適應(yīng)低壓環(huán)境。如果不做這樣的準備工作，由于航天服內(nèi)只有0．3個大氣壓，體內(nèi)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(yīng)今后在太空中頻繁活動的需要。據(jù)美國航宇局預(yù)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，外觀上有明顯的不同，全身是金屬鎧甲那樣的剛性結(jié)構(gòu)，僅關(guān)節(jié)部分是可折皺的軟結(jié)構(gòu)。這種航天服的內(nèi)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(nèi)壓提高使這種新航天服變得笨拙，運動性差。已試制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(zhì)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。

航天服的制造和發(fā)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!

新款服裝2016年10月16日，執(zhí)行神舟十一號載人飛行任務(wù)的航天員景海鵬、陳冬，身著新款航天員秋冬常服，這是航天員系列化服裝的首次亮相。

新款航天員服裝在設(shè)計中充分考慮了服裝的穿著場合、功能、美觀、舒適和工效學要求，從藝術(shù)設(shè)計、材料選用等方面進行了多次論證，較好展示了航天員良好形象和職業(yè)特點。

航天員穿著的秋冬常服主色采取航天傳統(tǒng)的藍色系，不同深淺藍色系的組合設(shè)計源于天際線和太空的色調(diào)元素。胸前藍色“V”形圖案，寓意著每一次任務(wù)的圓滿成功，展示了航天員威武莊重的氣質(zhì)。秋冬常服采用中厚型毛紡面料，折皺恢復(fù)性好，適合常服穿著的外觀要求。1

未來服裝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(shè)計，該宇航服以白色和綠色為主色調(diào)，頭罩采用了半球形透明設(shè)計，看上去酷似動畫片《玩具總動員》中的主角巴斯。

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(shè)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(jié)省了調(diào)整氣壓的時間。2

火星太空服

2014年5月，美國宇航局NASA公布了宇航員登陸火星時可能穿著的太空服設(shè)計原型，這套稱為Z--2系列的太空服和過去的設(shè)計大相徑庭。雖然這只是設(shè)計原型，但是其中的許多設(shè)計和配件將實際運用在登陸火星太空服的制作上。3

原理宇航服是保護宇航員在太空不受低溫，射線等的侵害并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(nèi)衣調(diào)節(jié)，這件內(nèi)衣布滿水管，水泵不斷把水循環(huán)，把太空人身體所發(fā)出的熱力帶走，而水則由升華器（sublimator）所冷卻。宇航服最后一個重要功用，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(nèi)的氣體會離開，令太空人患上類似潛水員常有的潛水?。ㄔ谡婵盏那闆r下，太空人更會由于血液瞬間“沸騰”而死亡）。4

功能整體上看，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。

航天服從功能上看，航天服有艙內(nèi)航天服和艙外航天服兩種；美國和俄羅斯使用的都是軟硬結(jié)合式的航天服。無論哪種航天服都由多層組成，它們互相連接形成一個整體服裝，但要求各層的質(zhì)量要高、要輕、不能過厚，以避免影響航天員的行動。4

分類航天服按功能分為艙內(nèi)用應(yīng)急航天服和艙外用航天服。

從服裝內(nèi)壓上看，有低壓航天服和高壓航天服之分；

從其結(jié)構(gòu)上看，可分為軟式、硬式和軟硬結(jié)合航天服。

艙外用艙外用的航天服除有艙內(nèi)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(yè)或在月球與其它星體表面活動時，不受艙外環(huán)境過熱、過冷的侵襲，又可防止服裝內(nèi)部的熱量散失。二是液冷服，它是將艙內(nèi)航天服的通風散熱層管內(nèi)的氣體改為液體而成。航天員在艙外作業(yè)有時長達幾個小時，身體產(chǎn)生的熱量多，靠氣體散熱達不到散熱要求，而液態(tài)冷卻工質(zhì)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(nèi)部各層的功能外，還要有防太陽輻射的功能和連接其它裝具的接口。例如，與航天員艙外活動時的臍帶連接，與身背攜帶式生保環(huán)境裝備、太空機動飛行機構(gòu)的連接等。

航天服的頭盔由頭盔殼、面窗結(jié)構(gòu)和頸圈等組件構(gòu)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(zhuǎn)動式二種。軟式頭盔大多數(shù)作為艙內(nèi)航天服的組件。轉(zhuǎn)動式頭盔在其頸圈上有氣密活動軸承，但密封環(huán)節(jié)增多會降低氣密性與結(jié)構(gòu)可靠性，增加設(shè)計難度。

現(xiàn)以固定式全透明的鐘罩式頭盔為例，介紹其結(jié)構(gòu)組成。頭盔殼是頭盔的主體，其材料應(yīng)具有強度大、抗沖擊和足夠的耐熱性等優(yōu)點。在其面窗部位上有良好的光學性能。頭盔內(nèi)腔壁有硬襯墊和軟襯墊，襯墊上鑲有細管道，它兼有減震、隔熱、消聲、通風和供氧等功能。其內(nèi)腔要適于戴通訊頭盔，允許頭在里面左右轉(zhuǎn)動，尺寸要與穿戴者的頭形相適應(yīng)。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。

除上述各種要求外，面窗還應(yīng)有良好的光學性能和廣闊的視野。頭殼的面窗部分除應(yīng)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(nèi)的溫度也會下降。當降到空氣露點以下時面窗上就會結(jié)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(wù)的執(zhí)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(wù)。

頸圈是連接服裝與頭盔的關(guān)鍵部件，分上、下兩圈，在穿戴服裝與頭盔時，先將上下圈連接上，再連接頭盔與服裝。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(gòu)，便于及時與頭盔或服裝斷開或連接。

艙內(nèi)用艙內(nèi)航天服用于飛船座艙發(fā)生泄漏，壓力突然降低時，航天員及時穿上它，接通艙內(nèi)與之配套的供氧、供氣系統(tǒng)，服裝內(nèi)就會立即充壓供氣，并能提供一定的溫度保障和通信功能，讓航天員在飛船發(fā)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。

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接。頭盔上的面窗平時可隨意啟閉，緊急時可在數(shù)秒鐘內(nèi)自動或手動關(guān)鎖。艙外用的航天服由外罩、真空隔熱層、氣密限制層、通風結(jié)構(gòu)和液冷服組成。手套與衣袖通過腕部斷接器連結(jié)，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。

航天服的另外兩個部件是可隨時連接的手套和靴子。手套與服裝通過腕圈接連，是服裝壓力層的延續(xù)。它要符合穿戴者手型，能快速穿脫戴，在各手指關(guān)節(jié)部分有波紋結(jié)構(gòu)，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制層的延續(xù)。通常將踝部活動關(guān)節(jié)設(shè)計在壓力靴上，并與壓力服相連接。航天服內(nèi)部還設(shè)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(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)層數(shù)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(gòu)成適于宇航員生活的人體小氣候。它在結(jié)構(gòu)上分為6層：

①內(nèi)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(nèi)衣，故選用質(zhì)地柔軟、吸濕性和透氣性良好的棉針織品制做。

②保暖層：在環(huán)境溫度變化范圍不大的情況下，保暖層用以保持舒適的溫度環(huán)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(fā)熱量。若人體產(chǎn)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。通風服和水冷服多采用抗壓、耐用、柔軟的塑料管制成，如聚氯乙烯管或尼龍膜等。

④氣密限制層：在真空環(huán)境中，只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。因此氣密層采用氣密性好的涂氯丁尼龍膠布等材料制成。限制層選用強度高、伸長率低的織物，一般用滌綸織物制成。由于加壓后活動困難，各關(guān)節(jié)部位采用各種結(jié)構(gòu)形式：如網(wǎng)狀織物形式、波紋管式、桔瓣式等，配合氣密軸承轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)以改善其活動性。

⑤隔熱層：也叫真空隔熱層。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并在各層之間夾以無紡織布制成。各膜之間用網(wǎng)絡(luò)物隔開，貼在一起形成屏蔽。它有良好的隔熱和防輻射作用，艙外航天服必須有這層。

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制成。這個外套要求防磨損力強、耐高溫，除能防護內(nèi)部各層不受損壞外，還要注意到顏色，一般用白色或金黃色為好。

與宇航服配套的還有頭盔、手套、靴子等。

系統(tǒng)組成艙內(nèi)航天服采用頭與軀干肢體服裝連為一體的“軟式”類型結(jié)構(gòu)和開放式通風供氧方式，它由壓力服裝、頭盔與手套、應(yīng)急供氧和通風管路等組成。
（1）壓力服裝
壓力服裝由軀干肢體服、壓力調(diào)節(jié)器、壓力表及頸部防水隔膜組成。其中軀干肢體服與頭盔盔殼是由氣密層和限制層組成，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(tài)不變；壓力表則放置在航天服的左前臂，用于指示服裝內(nèi)壓力。通常在座艙正常壓力下，航天員穿著服裝，關(guān)閉面窗進行呼吸時，保證能呼吸到外面的空氣。壓力調(diào)節(jié)器在飛船壓力應(yīng)急條件下，控制艙內(nèi)航天服內(nèi)規(guī)定的絕對壓力。在常壓下可通過手動關(guān)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(guī)定的壓力時，能自動放氣。
在壓力服裝的研制過程中，關(guān)鍵技術(shù)是氣密性，要防止在工作壓力下，總漏氣量≤1升/分鐘，服裝的穿脫口處的氣密拉鏈是關(guān)鍵技術(shù)。
（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里面的是通風襯墊，具有隔熱和消聲作用。
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(nèi)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(shè)計為等壁厚的橢球面結(jié)構(gòu)。面窗啟閉結(jié)構(gòu)采用手動、雙自鎖、保險式機械結(jié)構(gòu)，內(nèi)表涂覆長效防霧劑，連同頭盔通風結(jié)構(gòu)，防止面窗結(jié)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制掌部加壓后鼓脹的掌部限制組件和采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(guān)節(jié)組成。腕部斷接器和舒適手套都有其特殊的作用。
（3）應(yīng)急供氧通風組件
通風組件采用管道式結(jié)構(gòu)，通風氣體從軟管經(jīng)風量分配盤進入服裝，風量按比例送至頭部和四肢末端，經(jīng)周身各處后，匯流到腹部，最后由壓力調(diào)節(jié)器流出服裝。
在飛船座艙壓力應(yīng)急時，提供通風供氧組件對頭盔內(nèi)供氧氣，用以保障航天員呼吸用氧和壓力服內(nèi)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(fā)射、軌道壓力應(yīng)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的通信帽套以及保證可聽聲壓級的語音放大器組成。5

穿著步驟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。我們這里以美國航天飛機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(lián)結(jié)裝置。在這種裝置上有測量航天員心率的傳感器和與外界進行通話聯(lián)絡(luò)的電子設(shè)備。

④ 一些小的操作程序，包括在頭盔面窗里面涂上防霧霜，在服裝左側(cè)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，最后是將通訊帽與生物電子聯(lián)結(jié)裝置聯(lián)結(jié)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(guān)節(jié)，為航天員彎腰和轉(zhuǎn)身提供方便。

⑥ 穿服裝的上半身。在穿上半身之前，應(yīng)先將氣閘艙的冷卻臍帶管插入服裝胸前的顯示控制盒的接口上，以便向服裝內(nèi)提供冷卻水、氧氣和電力。因為航天飛機氣閘艙內(nèi)僅有2.0米高，直徑1.6米，兩名航天員在里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，采取一種跳水運動員跳水的姿勢鉆進服裝內(nèi)。服裝上下身穿好以后，將密封環(huán)聯(lián)接在一起，然后將各種供應(yīng)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后，航天員就不能呼吸氣閘艙內(nèi)的空氣，而是通過臍帶呼吸從航天飛機軌道器提供的氧氣。

⑧ 向服裝加壓，并由航天員對服裝進行測試，目的是保證服裝不漏氣，而且內(nèi)部壓力穩(wěn)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(nèi)的氮氣排除，目的是預(yù)防減壓病。

⑩ 關(guān)閉氣閘艙的內(nèi)艙門，氣閘艙進行減壓。當氣閘艙內(nèi)的壓力降低到零時，打開氣閘艙的外艙門，同時航天員應(yīng)將服裝與氣閘艙的所有聯(lián)結(jié)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(shè)計要點據(jù)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(huán)境惡劣的太空中生存。從概念到原型再到最后投入使用，與航天服有關(guān)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》雜志采訪了美國宇航局約翰遜航天中心先進航天服設(shè)計團隊的航天服工程師林賽-艾奇遜，披露了航天服設(shè)計過程中的一系列秘密。

1.設(shè)計師需具備一系列技能

艾奇遜表示航天服設(shè)計師需要具備一系列技能，尤其是創(chuàng)造力和批判性思維。她說：“你需要關(guān)注細節(jié)，提出非常精細的測試計劃。在與人類測試人員合作時，你不得不設(shè)計一種測試，獲得測試者對你的設(shè)計的具有建設(shè)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(shè)計和制作穿著舒適的航天服?！焙教旆枰哂袆?chuàng)造性，將不同領(lǐng)域的技術(shù)融合在一起。

2.按任務(wù)要求設(shè)計

艾奇遜表示設(shè)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“要去哪里?”和“要做什么?”，幫助他們確定航天服的結(jié)構(gòu)。工程師的設(shè)計工作首先著眼于宇航員將要前往的太空區(qū)域。目標區(qū)域分為兩種，一個是微引力區(qū)域，一個是行星環(huán)境。工程師根據(jù)目標區(qū)域的具體環(huán)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平、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(wù)這個因素。例如，是否要用手移動身體?是否會處在微重力環(huán)境下?是否用腳行走?是否要登陸行星表面?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(zhí)行任務(wù)?是否需要具備自治能力?艾奇遜表示：“如果你要登陸行星表面并且是距離地球很遠的星球，你需要研發(fā)更多技術(shù)，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，你會與飛行控制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(shù)，讓飛行控制人員幫助我們?！?/p>

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(shè)計上用于微重力環(huán)境，允許宇航員用雙手完成各項任務(wù)。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(shè)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(wěn)定身體，讓你在機械臂末端上時擁有一個穩(wěn)定的工作平臺。如果身體搖搖晃晃，你干不了任何工作?！?/p>

包括Z-2在內(nèi)的新航天服針對行星環(huán)境設(shè)計。艾奇遜和其他設(shè)計師用了很長時間設(shè)計腕部和胯關(guān)節(jié)以及靴子。她說：“這是‘阿波羅’號任務(wù)后我們第一次設(shè)計靴子。在不同于地球的引力環(huán)境下，你的行走方式會發(fā)生變化?，F(xiàn)在，我們正在設(shè)計適于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU采用的是硬底靴，新航天服的靴子與之截然不同?！?/p>

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(huán)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(huán)境下如何移動。她說：“我們在測試中發(fā)現(xiàn)人們在不同重力環(huán)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?！蹦壳?，研究小組仍在對設(shè)計進行評估，關(guān)注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(wù)?！?/p>

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(huán)境下的宇航員并不會感受到這一重量。艾奇遜表示包括背包在內(nèi)的阿波羅航天服在地球上重180磅(約合82公斤)，但在月球上只有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件，軸承很適于加壓服，但會增加重量。我們正在研究如何在添加硬件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，我們也考慮采用新型合成材料，用于上肢、臀部以及較短部位?！卑孢d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)，并不算太輕?！安贿^，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(shè)計工作從老型號著手

一旦確定“要去哪里?”和“要做什么?”這兩個問題的答案，工程師便開始設(shè)計工作。先進航天服設(shè)計團隊擁有至少30年的航天服設(shè)計經(jīng)驗，包括航天飛機航天服以及阿波羅計劃的航天服。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(shè)計適于何種運動，了解不同的臀部和靴子設(shè)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(shè)計出滿足特定任務(wù)需要的航天服。

6.宇航局負責設(shè)計 私營公司負責制作

航天服的設(shè)計和測試工作由宇航局的科學家在實驗室進行。完成這些工作后，航天服進入制造階段。宇航局將他們的設(shè)計送交私營公司，由他們負責制作。艾奇遜指出：“我們提出總體設(shè)想和具體要求，讓他們了解我們需要制造怎樣的航天服。我們與一系列私營公司合作，讓他們按照我們提供的規(guī)格制造?！惫こ處熞淮沃辉O(shè)計一款航天服。2005年“星座”計劃開始后，他們每3到5年便設(shè)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(shù)的不斷進步，這種做法已成為歷史，但實際情況并非如此。航天服的最內(nèi)層被稱之為“氣囊”，就像一個內(nèi)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(jié)構(gòu)。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?！?/p>

約束層仍需要手工縫合。艾奇遜說：“我們有一個房間，里面都是縫紉工，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?！痹诳p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.采用最新技術(shù)

工程師采用3D激光掃描儀和3D打印機設(shè)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，但只是少量漏氣。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(tài)毫升/分)。為了確保航天服不漏氣，在制作時必須滿足設(shè)計師提出的各種要求，各部位還要接受嚴格測試?？p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：“測試人員會使用一臺機器拉扯縫合部位或者織物本身?！?/p>

拿到全套航天服后，設(shè)計師也會親自測試。艾奇遜說：“我們進行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，確定縫合部位是否存在任何漏洞或者出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。在此之后，我們進行結(jié)構(gòu)測試，讓壓力回到正常操作壓力，而后再次進行泄露測試?！?/p>

10.沒有定制航天服

為每一名宇航員定制航天服顯然不具有成本效益。航天服的制作采用一個模塊系統(tǒng)，這是導(dǎo)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，最后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，我們會制作一系列組件，根據(jù)宇航員的體型選擇組件并進行組裝。這種方式有助于空間站的后勤保障工作?！蹦壳?，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。模塊系統(tǒng)也便于航天服的維護。如果一個組件發(fā)生破損，工程師只需進行替換，無需制造一套新的航天服。

11.工程師一次只研發(fā)一款航天服

鑒于航天服設(shè)計和測試工作的復(fù)雜性和嚴格性，工程師一次只研發(fā)一款航天服。艾奇遜說：“我們希望了解哪些設(shè)計有用，哪些設(shè)計沒用，而后開始下一階段的工作?！睆母拍畹皆O(shè)計再到原型和測試，制作一款新航天服需要很長時間，通常超過一年時間。Z-2航天服的制作將于3月開始，8月結(jié)束，而后開始測試工作。

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航天服時身上只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(tǒng)。MAG外面是舒適的內(nèi)衣，剪裁合身的長內(nèi)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，里面有涼水流動，吸收皮膚的熱量并將熱量排放到太空。”

13.加壓服制作方式很多

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，例如麻省理工學研制的機械反壓服。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平?！?/p>

上世紀70年代，宇航局的保羅-韋伯博士曾研制機械壓力服，被稱之為“太空活動服”。雖然這款加壓服性能出色，但需要很長時間并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(fā)性能可靠的材料，置于這些部位并隨著它們外形變化相應(yīng)做出移動。在研發(fā)幫助我們在未來5到10年進行太空探索的技術(shù)時，我們面臨很多挑戰(zhàn)。加壓服能夠幫助我們探索太空?！?/p>

14.Z-2航天服尺寸很小

Z-2航天服是迄今為止研制的尺寸最小的航天服之一。艾奇遜表示：“Z-1航天服采用13英寸(約合33厘米)的圓頂設(shè)計。這種設(shè)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，試圖設(shè)計一款適合體型處在底部40%這一范圍的所有宇航員?！盳-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(shè)計投票

宇航局的上一款航天服設(shè)計Z-1讓人聯(lián)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(fā)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，我們創(chuàng)建了一個投票網(wǎng)站，讓網(wǎng)民為自己喜歡的航天服投票?！?/p>

宇航局工程師與費城大學的服裝設(shè)計系學生合作，設(shè)計航天服的外觀。整個設(shè)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：“他們采取了一種不同以往的方式，讓服裝設(shè)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(tǒng)主題或者科學和技術(shù)主題。我們初步選擇了12個主題，最后將從中挑選出最能代表我們的主題?！被谶@一點，工程師和學生設(shè)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(shè)計還完全處于美學范疇。艾奇遜認為生物發(fā)光技術(shù)可用于仿生主題航天服。她說：“在登陸其他行星之后，如果我們所處的工作環(huán)境日/夜周期恒定，這可能是人員識別的一個理想方式。現(xiàn)在，我們在織物的兩側(cè)和上臂位置添加條紋，為每一名宇航員選擇不同的顏色，便于辨認。生物發(fā)光技術(shù)是一種有效的識別方式，能夠讓登陸行星表面的宇航員受益?！?

代表產(chǎn)品飛天航天服名稱簡介 飛天航天服

重量：120公斤

主要顏色：白色

造價：約3000萬人民幣

組成：用料軟硬結(jié)合，從上到下依次是頭盔、上肢、軀干、下肢、壓力手套、靴子

適用：四肢裝有調(diào)節(jié)帶，通過調(diào)節(jié)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，并可重復(fù)使用5次

上肢關(guān)節(jié)：巧妙地利用仿生結(jié)構(gòu)，使關(guān)節(jié)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(guān)。

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(nèi)安裝艙外航天服生保設(shè)備，背包殼體下端安裝有掛包、備用氧瓶等。背包關(guān)閉通過拉緊鋼索和操作關(guān)閉手柄完成。

頭盔

經(jīng)過科研攻關(guān)，“飛天”航天服頭盔的視野比其他同類產(chǎn)品要大。

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(cè)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(cè)有報警指示燈，一旦服裝出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，2層之間充高純氮氣，防結(jié)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，只有一層氣密層，保持觸覺。手指背部位內(nèi)有兩層真空屏蔽隔熱層。

手心 在手心握物部位設(shè)置有凸粒狀橡膠，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(guān)節(jié)活動性。

手表

專門設(shè)計的航天手表，材料適合航天特殊環(huán)境。

外觀 它比一般手表表盤大，實現(xiàn)功能也比普通手表多，上有三個小表盤，分別是小時、分鐘、秒。可以讀北京時間和飛行時間，另外可以轉(zhuǎn)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(guī)律與地球同步，不至于打亂生物鐘。

衣料

航天服須真空屏蔽隔熱，所用織物要多種織法結(jié)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(zhì)地的備份氣密層、復(fù)合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過熱反射來實現(xiàn)隔熱的隔熱層、最外面的外防護層。軀干達到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(jù)推測，宇航服以前的主人是太空犬Belka和Strelka，它們曾在蘇聯(lián)Korabl-2人造衛(wèi)星的培訓(xùn)課程中穿過它。這件太空犬宇航服預(yù)估可拍賣約8000歐元。7

這件系帶宇航服配有一根供氧管，由棉、尼龍、鋁和橡膠制成，規(guī)格為28厘米×10厘米21厘米。專家推斷這件宇航服曾被穿過，只有少數(shù)的太空犬宇航服在穿過后能夠保存下來，而這一件屬于保存較好的。

蘇聯(lián)太空犬Belka和Strelka曾參與蘇聯(lián)Korabl-2人造衛(wèi)星的培訓(xùn)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(lián)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，在太空中待了一天后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死后，它們的遺體皆被保存，Belka在莫斯科展覽而Strelka則在世界各地巡回展覽。

Z-2宇航服2014年3月，美國宇航局公布未來宇航服的樣子，新式的美國宇航局宇航服采用仿生設(shè)計，大約在2017年投入使用。8