航天服創(chuàng)新的腦洞

文/錢衛(wèi)

除了美國宇航局，美國的不少商業(yè)企業(yè)已經(jīng)在自發(fā)推動(dòng)新一代航天服的研制。其中不少設(shè)計(jì)充滿了靈感。比如為了給即將來到的星際線飛船載人飛行做好準(zhǔn)備，波音公司也推出了自己的起降航天服，這種藍(lán)色的航天服據(jù)說比“南瓜套裝”輕4.54千克。然而這些都算不上奇思妙想，下面，我們來看看真正的腦洞。

▲波音為星際航線飛船研制的起降航天服

亞軌道旅游航天服

當(dāng)前，“亞軌道飛行”的概念越來越熱。隨著幾家美國太空旅游公司的業(yè)務(wù)推進(jìn)，亞軌道旅游的前景越來越明朗了。除了旅游，還有一些研究機(jī)構(gòu)打算派人乘坐亞軌道飛行器，利用它穿過電離層的短暫瞬間來研究一些高層大氣現(xiàn)象，比如極光和夜光云等。這就要求乘客必須穿著起降航天服來操作探測(cè)設(shè)備。相比之下，軌道飛行的發(fā)射和返回過程中，航天員都是被安全帶捆在座椅上，不用穿著航天服做什么科研工作。因此，亞軌道飛行所需要的起降航天服，顯然不能沿用美、俄的現(xiàn)有型號(hào)。

在2017年的9月，就有一家叫做最終前沿設(shè)計(jì)公司的企業(yè)推出了新型航天服，由一位叫做潘地亞的女工程師穿著它，搭載微重力試驗(yàn)飛機(jī)做了試驗(yàn)。試驗(yàn)的內(nèi)容看上去很簡單，微重力飛機(jī)會(huì)做一個(gè)拋物線飛行，當(dāng)它向地面俯沖的時(shí)候，可以為乘客們提供18秒的微重力體驗(yàn)時(shí)間。潘地亞必須在這18秒內(nèi)，穿著航天服找到自己的座位，然后坐進(jìn)去扣上五點(diǎn)式安全帶。

外骨骼

美國宇航局新款航天服xEMU雖然比阿波羅計(jì)劃的航天服輕許多，但依然不夠輕。要繼續(xù)減重看來是不太可能了，于是供應(yīng)商考慮反其道而行之：航天服太重，就意味著航天員要付出很大體力才能運(yùn)動(dòng)，那么，如果航天服能幫著用勁兒呢？

▲紐曼親自穿著生化航天服進(jìn)行演示

▲ 生化航天服的細(xì)節(jié)，臂章上是麻省理工的LOGO

這并不是什么新想法。在機(jī)器人領(lǐng)域，早就出現(xiàn)了所謂的外骨骼概念，也就是在人體外面套一個(gè)“傻”機(jī)器人，捆扎在軀干、胳膊和腿部。人類的關(guān)節(jié)和肢體怎么運(yùn)動(dòng)，它就用電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來發(fā)力。人類只要做出運(yùn)動(dòng)的姿勢(shì)就可以，真正干活的是這個(gè)“傻”機(jī)器人。據(jù)說士兵穿上外骨骼之后，可以輕松搬運(yùn)沉重的炮彈，連搬幾十發(fā)都不累；還可以扛著沉重的物資越野行走，自己幾乎不用出力。如果裝在艙外航天服的關(guān)節(jié)部位，那么即使再沉重一些也可以接受，還能降低航天員的體力消耗。當(dāng)然，要消耗一些電力。

然而，外星使用的航天服并不是地面上的工程樣機(jī)，如果發(fā)生故障，沒有機(jī)會(huì)拆開修理。所以美國宇航局更加傾向于簡化的設(shè)計(jì)，盡量不采用新穎卻沒有經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)。

機(jī)械加壓技術(shù)

其實(shí)外骨骼并不是最激進(jìn)的想法，有人甚至提出，航天服里就不要加壓了。但是，這不是謀殺嗎？

人如果處在過低的氣壓下，組織中的水和溶解氣體就無法保持，血液本身也會(huì)開始蒸發(fā)，幾分鐘內(nèi)就會(huì)死。不過有人提出，人是用頭部器官呼吸的，只要在頭部保持氣壓就可以了，至于身體的其他部分，可以用機(jī)械方式來施加壓力。

其實(shí)，美國宇航局在上世紀(jì)50年代就嘗試過用泡沫塑料和松緊帶制造機(jī)械式壓力服了。這種壓力服龐大笨重，穿脫不便，但行動(dòng)能力還不錯(cuò)，而且機(jī)械式壓力服安全性不錯(cuò)。充氣式壓力服一旦破個(gè)小口子，就會(huì)漏氣漏水，威脅航天員生命。機(jī)械式壓力服就不用擔(dān)心這種事，最多是勒得航天員皮下出血而已。

這還不算完，2014年，麻省理工學(xué)院的一位女教授達(dá)瓦·紐曼提出了所謂的“生化航天服”概念。她是航空、天文和工程系統(tǒng)教授?！吧教旆笔且环N采用鈦鎳記憶合金制成的緊身衣。首先用鈦鎳金屬絲編制成一件非常緊的衣服，然后加熱到450攝氏度左右，然后再冷卻。在室溫下，生化航天服能很容易地彎曲或拉伸。但如果加熱到65攝氏度，它就會(huì)恢復(fù)到冷卻時(shí)的形狀。紐曼后來轉(zhuǎn)職到美國宇航局擔(dān)任副局長，希望能推動(dòng)這種航天服的研制，制造出一種能使用的型號(hào)。不過很快她又回到了麻省理工，此事也就作罷。

▲ 生化航天服試圖給航天員提供靈巧的活動(dòng)能力

▲ 生化航天服的頭盔

▲ 生化航天服的生保系統(tǒng)更加簡潔

到2007年，一位名叫泰德·薩爾瑟恩的藝術(shù)家再次提出了機(jī)械壓力服。他參加了美國宇航局舉辦的航天服手套挑戰(zhàn)賽。薩爾瑟恩與一名叫做尼古拉·莫伊瑟夫的俄國人合作，贏得了比賽第二名，還獲得了最終前沿設(shè)計(jì)公司提供的10萬美元獎(jiǎng)金。根據(jù)他倆的設(shè)計(jì)，最終前沿設(shè)計(jì)公司拿到了美國宇航局的一份合同，研制一種機(jī)械加壓手套。據(jù)說這種手套更輕，手指運(yùn)動(dòng)更靈活，也不會(huì)出現(xiàn)手套和手指較勁的現(xiàn)象。

這種手套的主要材料是彈力纖維和彈力充氣海綿塊，后者一般用在掌心位置。后來，這家公司還拿到了研制手臂部分的樣機(jī)合同，如果研制成功，再研制腿部乃至整套航天服。不過到目前為止，這種全新概念的航天服還沒有最終研制出來。

新航天服還考慮了月塵的影響。在阿波羅計(jì)劃期間，月塵跑進(jìn)了航天服的縫隙處，導(dǎo)致了一些故障。新航天服用合成革粘纖維取代了金屬，電子設(shè)備、過濾器和壓力控制系統(tǒng)也得到了改進(jìn)。為了適應(yīng)不同體量的航天員，在胸部和腰部設(shè)置了可以伸縮的模塊化部件。

夢(mèng)幻航天服

雖然連新款航天服都還沒有研制出來，但這并不妨礙工程師們暢想未來航天服應(yīng)該是什么樣的。嚴(yán)格來說，人們現(xiàn)在也只能提出幾個(gè)簡單的要素而已。不過，有夢(mèng)想才有未來，而且很多能夠用于未來航天服的技術(shù)已經(jīng)在研發(fā)之中。

▲電影《火星救援》中的火星航天服

▲ 人們已經(jīng)對(duì)火星航天服做了大量研究和測(cè)試

月球是距離我們最近的外星球，而載人深空任務(wù)要比月球任務(wù)困難得多。僅以火星為例，設(shè)計(jì)師們需要考慮多少燃料才能經(jīng)濟(jì)地往返火星，如何在長期空間飛行中保護(hù)乘組免受宇宙射線的影響。實(shí)際上，人類在2020～2030年能不能發(fā)起遠(yuǎn)距離深空探索都是個(gè)問題。但無論如何，人類都要向這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)，因此需要為航天員研制一套能夠應(yīng)對(duì)各種環(huán)境的航天服，適應(yīng)從小行星表面到火星沙塵暴的惡劣環(huán)境。這需要工程師們研制出多種新材料，每種材料都具備新的能力。因此，科學(xué)家和工程師們提出了未來航天服的一些設(shè)想。

在航天服的各部位，都會(huì)鋪設(shè)納米材料導(dǎo)線和電活性高分子材料，它們能靠航天員的肢體運(yùn)動(dòng)發(fā)電。頭盔的透明面罩同時(shí)也是顯示器，為航天員顯示地圖和路徑，航天員用語音就能控制顯示內(nèi)容的切換。生命體征傳感器可以測(cè)量航天員的心率、呼吸、血壓等參數(shù)，通過計(jì)算，指揮生命保障系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電力和空氣的供應(yīng)。在一切可能的部位，都要采用機(jī)械加壓設(shè)計(jì)，來取代充氣加壓技術(shù)，例如手套部位。

根據(jù)所訪問星球的不同，設(shè)計(jì)師們可以選用不同的部件。如果是探訪小行星，可以選用一種所謂的干燥吸附鞋底，它類似于壁虎的皮膚，幾乎在任何情況下都能附著在表面上，哪怕是引力微弱、快速旋轉(zhuǎn)的小天體表面。還有一種能安裝在手臂和腿部的陀螺穩(wěn)定器，可以安裝在航天服的手臂和腿上。它們會(huì)產(chǎn)生阻力，為航天員提供類似于地球引力的體驗(yàn)，免得他們無法控制自己的身體姿態(tài)。

火星探索還要面對(duì)獨(dú)特的問題。火星氣溫在-142.78℃到21.1℃之間變化。因此，美國宇航局正在考慮一種采用氣凝膠技術(shù)的航天服，它只有幾毫米厚，但卻可以抵御極端溫度變化。它的面料還具有自潔能力，可以防止航天員把火星沙塵帶入漫游車和基地內(nèi)部。人們還在研制納米結(jié)構(gòu)技術(shù)和粉末化合物來研制輕質(zhì)、柔性的防輻射層。

未來航天服應(yīng)該不再是加壓的，而是采用記憶合金來提供穩(wěn)定的機(jī)械壓力。構(gòu)成航天服的合金要經(jīng)過熱處理，才能完美貼合航天員的身體，又不影響他們的運(yùn)動(dòng)。

人們已經(jīng)研制出了一種叫做ALON的材料，比防彈玻璃更薄，但強(qiáng)度是后者的三倍。用它可以制成新型頭盔面罩，不但可以提供防護(hù)，還能用來顯示數(shù)據(jù)和圖像，通過光學(xué)設(shè)計(jì)，直接投射到航天員眼睛里。

在身體的凹處，可以用一種特殊的碳納米材料來提供保護(hù)。它通電之后就會(huì)發(fā)熱膨脹，如果預(yù)先設(shè)定好膨脹后的形狀，就可以完美地貼合住身體的凹處。

在如今的艙外航天服里，差不多有90米長的水冷管道。普渡大學(xué)的工程師們發(fā)明了一種新的方法，用玻璃纖維或者合成材料，外面包裹電熱納米晶體，既可以吸熱，還可以發(fā)電。

機(jī)械加壓如果發(fā)生故障，就會(huì)損傷人體器官。采用堅(jiān)硬的、完全加壓的外殼可以在不限制航天員運(yùn)動(dòng)的情況下提供保護(hù)。為了最大限度地減少體積，并保持軟硬材料之間的結(jié)合點(diǎn)舒適，每塊保護(hù)殼都將采用3D打印，以盡量貼合人體。

手套是艙外航天服上最容易損壞的部件。目前人們只能采用盡量耐磨結(jié)實(shí)的材料來制造手套。研制中的自修復(fù)材料投入使用后，就能創(chuàng)造新的手套理念。例如采用嵌入微膠囊化化學(xué)物質(zhì)的聚合物，當(dāng)膠囊破裂時(shí)，釋放出的化學(xué)物質(zhì)會(huì)起泡，并修復(fù)撕裂的面料。

由大約95%的空氣組成的二氧化硅氣凝膠，可以抵御劇烈的溫度波動(dòng)。根據(jù)一個(gè)研究小組的測(cè)試，一塊柔性聚合物上涂覆二氧化硅納米材料形成氣凝膠，可以在空間環(huán)境下具備足夠的耐久性和柔性。嵌入的氫元素也可以抵擋宇宙射線。

看到上面的這些新技術(shù)，讀者朋友們是不是心潮澎湃呢。按照美國宇航局的說法，新款航天服要先送到國際空間站接受試用，然后再考慮登月。按照美國宇航局的時(shí)間表，這還真是個(gè)如意算盤。2024年之后，美國政府就要砍掉對(duì)國際空間站的撥款，讓它轉(zhuǎn)為商業(yè)使用。在此之前完成重返月球，也算物盡其用了，只是特朗普給的撥款未必夠用。希望這位喜歡懟天懟地懟空氣的政治人物能把精力用到正道上來，給美國宇航局多尋找一點(diǎn)經(jīng)費(fèi)吧。

▲ 航天員身著xEMU進(jìn)行月面探索的想象圖