穿上了“小型宇宙飞船”！舱外航天服不断升级以应对复杂任务
穿上了“小型宇宙飞船”！舱外航天服不断升级以应对复杂任务
随着太空探索活动的日益频繁，舱外航天服作为保障航天员生命安全的关键设备，其重要性不言而喻。从最初的简单防护到如今的"小型宇宙飞船"，舱外航天服经历了怎样的技术演进？本文将为您详细解析舱外航天服的功能、价值及其未来发展方向。
航天服的功能和分类
首先，航天服作为保障航天员生命的关键设备，它应当具备以下几个方面的功能：
- 生命支持系统：航天员在太空中需要氧气、水和食物等基本物质来支持他的生命活动，生命支持系统负责满足这些需求。
- 通信与导航系统：航天员必须随时和地面以及其他航天员保持联系，通讯非常重要，导航系统也同样会起到很大的作用。
- 气密系统：空气泄漏对于航天员来说是一场灾难，因此气密性也是非常重要的。
- 热控系统：太空里面的气温非常极端，热控系统可以通过对航天服内外表层的温度控制系统和保护措施来维持航天员的体温。
- 运动控制系统：航天员在太空中需要各种活动，因此需要航天服提供一些辅助装备来帮助其进行移动和操作。
航天服根据要执行的任务和所处环境的不同，一般来说可以分为以下几类：
- 轨道航天服（舱内和舱外）：这类航天服用在航天员在轨道进行工作的时候，主要特点是轻薄，重力状况下活动空间大。
- 行星表面航天服：这一类顾名思义就是用在行星表面工作和探索的时候，设计主要是重型，带有保护和支援系统。
- 带有自主移动功能的航天服：这一类主要在不同太空环境下用于探索，这套航天服有独立的移动能力和完整的支援系统。可以保护航天员正常执行工作。
了解了航天服的种类和所需功能，我们就可以知道这件“衣服”的生产并不是那么容易的，要比大家想象的还复杂得多。
舱外航天服的功能与价值
随着太空探索活动越来越频繁，克服潜在风险的需求也越来越迫切。为了抵御宇宙空间中的极端温度、无数碎片、高能辐射等威胁，航天员在缺乏严密保护的舱外工作时必须穿上特殊服装，这就是舱外航天服。
舱外航天服必须能够在极端的太空环境下维持航天员的生命功能。太空的真空环境缺乏氧气和压力，舱外航天服通过内部的氧气供应系统和压力调节器，为航天员提供所需的氧气和合适的压力。此外，航天服还具备保温和隔热功能，以抵御太空中极低的温度和高强度的辐射。
舱外航天服还为航天员提供了便携式的工具和装备，以支持他们在太空中的任务。航天服上配备了各种功能齐全的口袋和固定点，可以存放物品、工具和样品。这些工具和装备包括太空行走所需的手持推进器、电池包和通讯设备等。航天员可以利用这些工具来完成各种操作，如修复设备、收集样品和进行实验等。
舱外航天服还具备自给自足的生命支持系统。它集成了废水和废气处理系统，能够将航天员排出的废水和废气进行过滤和再利用，从而延长航天员在太空生活的时间。此外，航天服还可以通过太阳能电池板获取能量，并储存起来供航天员使用。
舱外航天服还提供了一定的生命保护和事故预防功能。它采用了防撞设计和防烧伤材料，以保护航天员免受撞击和火灾等危险。舱外航天服还装备了紧急救援系统，可以在事故发生时，提供快速的救援和撤离手段。
最后，舱外航天服还具备良好的人机工程学设计，以提高任务的执行效率。航天服的外形和重量分布经过精心设计，以确保航天员可以自如地进行活动和操作。航天服还配备了触摸屏和声控系统，使航天员能够轻松地操作各种仪器和设备，而不受外部环境的影响。
穿戴“小型宇宙飞船”
形象地比喻，舱外航天服不仅是衣服，更像是“小型宇宙飞船”，时时刻刻维持着航天员身体健康，还不能严重降低他们的活动效率，又要减轻身体负担。而且后两点在舱外航天服的发展过程中越来越重要。
载人航天早期，航天员不会冒险出舱，穿着舱内航天服即可。而且，舱内航天服需要具备基本的救生功能，如应急供氧系统、水上着陆浮力系统、通信系统等，所以苏联航天员也称之为“救生服”。
在研发航天服方面，美国推进“水星计划”时有些“偷懒”，直接将海军战斗机飞行员的压力服修改后使用，不具备救生功能。不料，曾有飞船着陆时发生故障，航天员被迫在海面上艰难求生。
美国新一代舱外航天服注重提升航天员下半身活动能力
于是，20世纪60年代中期，美国推进“双子座计划”，兼顾舱室内外环境的航天服研制工作更受重视。1965年，“双子座4号”任务完成了美国首次、全球第二次太空行走，新一代航天服保障了航天员安全。不过，航天员返回后建议增强舱外航天服的“活动性”，尤其是提升手臂、肩部部位和手套穿戴后的灵活性。
美国舱外航天服迅速改进，典型成果就是A7L。1969年7月20日，阿姆斯特朗在月球上留言“个人的一小步，人类的一大步”时，就是穿着这款登月航天服。除了基本需求外，A7L登月航天服和之前的舱外航天服相比，最显著的特征是配备了便携式生命保障系统，可以用于供氧、降低二氧化碳浓度、排散身体热量等。可以说，A7L是美国第一代具备完善的自主生命保障功效的舱外航天服系统。
当然，受时代所限，“阿波罗计划”使用的登月航天服也有一些缺点，比如过于笨重、活动不便、无法重复利用等。这些不足之处也成为美国宇航局推动研发新一代舱外航天服的动力。
20世纪70年代，美国新一代舱外航天服研发工作启动，要求可重复使用，能适应不同身材的航天员，且能维持长时间的舱外活动。1983年，学名“舱外机动装置”的舱外航天服首次帮助航天员出舱活动，至今仍被国际空间站驻站人员使用。
“重返月球”要求更多
“舱外机动装置”已使用了40年，不论是从使用寿命还是从环境适应性、可维修性来看，都难以支撑美国宇航局当前的核心项目“阿尔忒弥斯计划”。因此，美国宇航局启动了新一代舱外航天服研发，学名叫做“探索舱外机动装置”，简称xEMU。
其实，早在2007年，美国宇航局就希望获得新一代航天服，但进度很慢。虽然先后有Z-1、Z-2、Z-2.5等试验品性质的航天服问世，却始终未能“更进一步”。为加快进度，美国宇航局不得不寻求外援，向公理太空公司、柯林斯航天公司等商业航天求助。
尽管内幕因素比较复杂，但美国宇航局对新型舱外航天服提出的设计指标更加苛刻，无疑是其研发不顺利的重要原因。
要求一，确保航天员拥有更高的出舱频率和更长的舱外活动时间。具体来说，在维持较高的人体代谢率的前提下，航天员单次出舱时间不小于8小时。过去的舱外航天服很难支持航天员出舱这么久，而且活动剧烈程度也比不上未来任务目标。
要求二，具备更出色的环境适应性。根据美国宇航局的计划，xEMU不仅能够适应近地轨道和月球表面的恶劣环境，未来实施改进后，还能支持航天员登陆火星。
这就意味着，新款舱外航天服既要适应近地轨道的微重力环境，又要及时调节系统，适应月球、火星等外星球上的不同重力环境，更要加强防护性能，抵御突然来袭的碎片、辐射以及可能带电、有毒的外星球尘埃。比如，月球表面近似真空绝压环境，火星表面存在微弱大气，舱外航天服怎样兼顾适应两种截然不同的外星球环境？显然是开发难点。
要求三，必须拥有更长的使用寿命。目前国际空间站驻站人员使用的舱外航天服依赖货运飞船的周期性补给，往往在轨使用2年后送回地面维修。考虑到外星球距离遥远，特别是未来航天员很可能在月球、火星上建立永久基地，与地球之间往返耗时，所以必须显著降低xEMU的维修和整备难度。比如，舱外航天服快速消耗的水、氧气等生命物资有必要实现在轨加注补充。当前，美国宇航局计划将xEMU的在轨使用寿命延长到8年。
要求四，实现更佳的机动性和灵活性。“阿波罗计划”结束后，舱外航天服主要用于近地轨道任务，设计侧重于保障航天员上半身的灵活性，毕竟在外太空飘荡环境中不需要“脚踏实地”。但要想登陆月球和火星，航天员必须穿戴让下半身活动更敏捷的舱外航天服，实现“全表面机动能力”，方便地跳、跑、弯腰、下蹲。此外，为了方便女性航天员参与深空探测，新一代舱外航天服也需要考虑女性的身体条件。
不难看出，美国宇航局希望xEMU能够满足多样化任务，适应不同环境。为此，美国宇航局决定先研发标准版xEMU，再根据任务环境变化，衍生出不同版本的xEMU。这个研发思路也要求xEMU具备模块化特色，主要的单机和功能模块都能实现便捷更换、在轨维修。
值得一提的是，尽管美俄航天合作逐渐分道扬镳，但美国研发xEMU仍然向俄罗斯“取经”，取消集成式便携式生命保障系统，计划采用独立的双风机和双泵结构。这样既可避免水侵入电气线路，又能降低对热控回路的供水压力。同时，它还计划设置3组独立电源，以便应对突发状况。
然而，这种分布式、冗余化设计也带来了麻烦，比如其总重可能超过183公斤，比上一代增重近50%，对航天员显然是沉重负担。由此，我们也不难理解为何新型舱外航天服迟迟难产了。
文章来源： 江湖连锁殿， 谈小言，中国航天报