艙外航天服設(shè)計：怎一個“難”字了得

文/松堂

▲ 阿波羅11號使用的艙外航天服，關(guān)節(jié)處相當(dāng)臃腫

美國第一次研制艙外活動用的航天服，是在1965年。當(dāng)時美國決定在雙子星飛船的飛行中實現(xiàn)一次艙外行走，具體執(zhí)行者是艾德·懷特?？茖W(xué)家們把航空飛行用的飛行服加厚到21層。氧氣設(shè)備并不是裝在航天服里的，而是裝在飛船上，用一根管子通向航天服。

阿波羅計劃啟動之后，這種航天服顯然是不能勝任的。于是美國宇航局開始研制一種能在外星上穿著的航天服。也正是從阿波羅計劃開始，形成了艙外航天服的設(shè)計原則。

復(fù)雜的艙外航天服設(shè)計

航天服本身就是一個小的飛船，具有氣壓控制、氧氣供應(yīng)、小便收集能力，還要具備比較大的強(qiáng)度，免得被異物刺穿。因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一些在地球上看起來很簡單的事情，涉及到航天服，就變得極為困難。在阿波羅計劃中，航天員不但要在月面上蹦跳，還要開著月球車四處溜達(dá)。僅是為了讓他們能坐下，就對航天服設(shè)計做了大量的修改。

即使如此，阿波羅計劃的登月航天服仍然相當(dāng)笨重。關(guān)節(jié)部分是橡膠做的，電纜是金屬做的，從胯部到肩膀有一條長長的拉鏈。橡膠會讓人感覺皮膚干燥，金屬電纜會斷裂，而拉鏈一旦出了問題就會致命。雖然這些情況都沒有真的發(fā)生，但美國宇航局一直為此提心吊膽。

阿波羅時代暴露出來的這些問題，也迫使美國宇航局考慮航天服的重復(fù)使用問題。因此，航天服的主要部位，包括手臂、腿、軀干，都是單獨的模塊。到了航天飛機(jī)時代，航天服的設(shè)計就有了很大改進(jìn)，用新的塑料材料取代了橡膠，換用了新型號的拉鎖，還把生命保障系統(tǒng)的續(xù)航能力從6小時提高到了8小時。不過艙外航天服的穿脫還是一件極為麻煩的事情。穿著它干活同樣很麻煩。

改進(jìn)后的航天服讓航天員們滿意了嗎？一點都沒有。

穿著一點都不舒服

或許很少有人知道，艙外航天服穿起來一點都不舒服，行動也很麻煩。

艙外航天服內(nèi)的氣壓大概只有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的三分之一。這是為了讓航天服在出艙的時候不會膨脹得太厲害，把自己卡在艙門上。這是有歷史教訓(xùn)的。為了適應(yīng)這樣的低壓，航天員必須在出艙前呼吸純氧，排出血液中的氮氣，以避免發(fā)生低壓病，這個過程叫做預(yù)呼吸。但宇宙里是真空，因此一出飛船的艙門，航天服就鼓起來了。航天員們紛紛表示，自己就像在一個氣球里運動一樣。如果人們還是不能理解，不妨找一個長棍式的氣球，把它吹成和人手臂差不多的尺寸，用力彎折。然而，我們只要一松手，它就會彈回去，變成原來的樣子。要想讓它保持彎折，就必須一直用力。這就是穿著航天服出艙的體驗。

▲ 阿波羅16號任務(wù)期間，航天員在月面活動

▲ 航天飛機(jī)艙外航天服的標(biāo)準(zhǔn)照

▲ 雙子星4號的艙內(nèi)照片

▲ 未來月球基地的建設(shè)需要大量航天員在艙外操作

航天員們抱怨說，“無論干啥，都好像有人在往回推”。哪怕航天服正合身，干活也不順手。無論在艙外開展實驗，還是執(zhí)行修理任務(wù)，航天員們都會出現(xiàn)不同程度的軟組織挫傷和肌腱炎，被橡膠手套掀了指甲蓋的事情更是屢見不鮮。

曾經(jīng)執(zhí)行過出艙行走任務(wù)的美國航天員提姆·庫帕拉說，“太空行走其實讓人身心疲憊。一天下來，手、胳膊，整個身體都非常疲勞”。

美國宇航局在上世紀(jì)80年代委托一家叫做ILC丹佛公司的企業(yè)設(shè)計過一種三分之二大氣壓的航天服，打算用在空間站上。航天服內(nèi)如果保持較高的氣壓，航天員就不需要做什么預(yù)呼吸了。不過這也會帶來問題，壓力越大，出艙后變成氣球的程度就越嚴(yán)重，移動起來更困難。尤其是航天服的胳膊和腿部，它們在氣壓作用下總是保持著伸直的趨勢，要想彎胳膊、彎腿，就要和它較勁，活動起來非常費力，因此美國宇航局并沒有采用它。后來這種航天服更名為“馬克三型零預(yù)呼吸航天服”，美國宇航局經(jīng)常用它來做些評測工作。

致命的進(jìn)水問題

受傷還是小事，航天服進(jìn)水是會要命的?；蛟S有人會奇怪，在太空里怎么會進(jìn)水？在太空里，航天服外面確實沒有水，但航天服生命保障系統(tǒng)里是有飲用水的。2013年，盧卡·帕爾米塔諾在太空行走的時候就遇到了這種情況，水從生保系統(tǒng)里漏出來，直接跑進(jìn)了頭盔。然后，他的耳朵、眼睛、鼻子、嘴里都是水。在失重環(huán)境下，還不能指望水自己流走。他趕緊撤回氣閘艙才免于一死。到了2016年，蒂姆·科普拉也遇到了類似的險情，不過漏水量比較小。于是美國宇航局在航天服上做了改進(jìn)，用一根長吸管從面罩通向生保系統(tǒng)。這根管子不是拿來喝水的，而是用來吸氧的。

說到這里，人們或許會發(fā)現(xiàn)，航天員的工作還真是挺辛苦的。要穿這么不舒服的厚衣服在宇宙里干活，而且一干就是好幾個小時。難道以前的航天人都非常笨，不知道把航天服設(shè)計得合理一些嗎？實際上，這就是合理的設(shè)計。在載人航天的早期，人類擁有的分析設(shè)計工具和工程材料都相當(dāng)有限，只能盡最大努力設(shè)計一種可堪使用的航天服。雖然地球上的技術(shù)在不斷發(fā)展，但是它們能不能用來設(shè)計和制造新的航天服？進(jìn)入太空之后安全不安全？這都是不能輕易下結(jié)論的事情。而且，航天飛機(jī)設(shè)計于上世紀(jì)70年代，國際空間站設(shè)計于上世紀(jì)90年代。以當(dāng)時的需求，航天飛機(jī)的艙外航天服還是可以滿足要求的。航天員們并不需要穿著它去某個外星球上走路，只要能在太空里安全漂浮就足夠了，但登月就完全不同了。

▲ 今天的艙外航天服顯得非常臃腫