出艙航天服“貨比三家”

文/宗合

▲ 美國(guó)航天服是上下分體的，中間用一個(gè)橢圓形的腰環(huán)連接。

作為目前世界上僅有的三個(gè)能夠獨(dú)立開(kāi)展載人航天活動(dòng)的國(guó)家，美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)都擁有自行研制的出艙航天服。這三家的航天服各自有什么特點(diǎn)？讓我們來(lái)一探究竟。

美國(guó)航天服：壽命長(zhǎng)達(dá)30年

美國(guó)航天服經(jīng)歷了“水星”計(jì)劃、“雙子星”計(jì)劃、“阿波羅”計(jì)劃中幾代航天服的發(fā)展，到航天飛機(jī)時(shí)期所使用的航天服是目前最先進(jìn)的出艙活動(dòng)航天服之一。它也是現(xiàn)在國(guó)際空間站上使用的航天服，由14層組成，主要結(jié)構(gòu)與服裝組件包括：尿烷涂層，尼龍加壓囊，直紋織物和涂鋁的聚脂薄膜防熱/微流星外套，玻璃纖維的硬式上衣，球軸承關(guān)節(jié)，液冷/通風(fēng)內(nèi)衣，聚碳酸脂頭盔和面罩，及其它模塊式部件，重約117千克。它的設(shè)計(jì)壽命非常高，在適當(dāng)維護(hù)下可使用30年。

美國(guó)航天服可以承受最長(zhǎng)7個(gè)小時(shí)的任務(wù)時(shí)間，工作壓力為29.647千帕。較低的工作壓力不僅使手部活動(dòng)比較靈活，而且由于關(guān)節(jié)部位保持恒定的容積，所以允許身體能在航天服內(nèi)很容易地活動(dòng)，從而給航天員提供了較大的活動(dòng)自由度。另外，它的航天手套的觸覺(jué)敏感性極好，所以美國(guó)航天員能夠完成的任務(wù)種類比較多。

美國(guó)的航天服是由不同標(biāo)準(zhǔn)的組件組合成的，通過(guò)不同的組合可以適合不同身材的航天員。航天服有5種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的硬式上衣，這是航天服的基礎(chǔ)。在軌道上可以有限地調(diào)節(jié)上肢的尺寸，但是要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。手套基本上是為每個(gè)航天員特制的。

美國(guó)航天服的生保系統(tǒng)具有冗余的氧氣系統(tǒng)、一臺(tái)致冷和清除水蒸氣的升華器、清除二氧化碳和臭氣的氫氧化鋰筒和報(bào)警系統(tǒng)，整個(gè)裝在航天服外部的背包內(nèi)，消耗品在軌道上可更換或可再裝填。

美國(guó)的航天服需要他人的幫助才能穿起來(lái)——雖然不用他人的幫助也是可以的，但是美國(guó)宇航局出于安全的考慮，由一名艙內(nèi)航天員幫助2名出艙活動(dòng)航天員穿脫航天服。首先需要穿上液冷/通風(fēng)服，它基本上是一種布有兩種塑料管的長(zhǎng)內(nèi)衣。航天員穿上后，冷水和空氣就通過(guò)塑料管流動(dòng)。然后穿上比較柔軟的下肢部分。穿航天服過(guò)程中的第一個(gè)困難是鉆進(jìn)放在穿衣架上，離地面0.9米的硬式上衣中。鉆進(jìn)去的方法有點(diǎn)特別，航天員先把胳膊伸上去插入衣袖中，同時(shí)設(shè)法把頭向上伸入該裝置內(nèi)，這個(gè)動(dòng)作通過(guò)練習(xí)還是比較容易做到的。為了便于各種操作，美國(guó)航天服的上衣部分是非常合體的。鉆進(jìn)上衣之后，借助褲子腰部?jī)蓚?cè)的兩個(gè)手柄將褲子向上拉，再把航天服的上下兩部分連接起來(lái)。這是穿航天服過(guò)程中最困難的一步。因?yàn)檠h(huán)不是圓形的，而是橢圓形的，要將它們調(diào)到適當(dāng)?shù)奈恢眯枰欢ǖ募记伞Ｈ缓?，在頭部戴上帶有通話器和送話器的載波通信裝置和黑白“窺視帽”，再戴上手套。手套是最容易連接的，這主要是因?yàn)楹教靻T可以看得見(jiàn)自己正在做的事情。最后，在他人幫助下戴上頭盔，并開(kāi)始向航天服加壓。

▲美國(guó)的兩名女航天員正在穿上航天服，準(zhǔn)備進(jìn)行首次全女性太空行走

美國(guó)航天服面罩的視野較好，垂直可以看160°的范圍，水平可以看170°的范圍。進(jìn)行艙外活動(dòng)的航天員可以通過(guò)腕部的鏡子觀察胸前的控制器和通過(guò)頭盔上的透鏡來(lái)觀察液晶顯示器，以獲得報(bào)警系統(tǒng)的信息。

俄羅斯“海鷹”航天服：穿起來(lái)簡(jiǎn)單

蘇聯(lián)/俄羅斯曾先后研制出10種型號(hào)的出艙活動(dòng)航天服，但僅有6種曾在載人航天中使用過(guò)，而且主要使用的是其中的4種，即“海鷹-D”“海鷹-DM”“海鷹-DMA”和“海鷹-M”。國(guó)際空間站上使用的是“海鷹-M”。它由硬的胸甲和軟的織物構(gòu)成。服裝背部有背包，背包里是生命保障系統(tǒng)，同時(shí)又是進(jìn)入服裝的入口和密封蓋。硬的胸甲由1毫米厚的鋁合金制成。胸甲上還裝有帶玻璃面窗的頭盔。服裝的軟體部分由 10層織物構(gòu)成。這10層織物從外向里分別是：1.用耐熱尼龍制作的外防護(hù)層；2.用多層織物制成的隔熱和防流星體層；3.外限制層，用聚酯纖維織物制成，限制下面的氣囊在加壓時(shí)向外膨脹；4.主加壓氣囊層；5.輔助加壓氣囊層；6.加壓層的襯里；7.氧氣輸送管道；8.氣體循環(huán)空間；9.液冷服；10.耐穿襯衫。整套服裝包括各種消耗品重110多千克。

▲ 目前在國(guó)際空間站上使用的俄羅斯“海鷹”航天服

“海鷹”航天服的工作壓力為39.989千帕。雖然具有較高的工作壓力，但還是可以容易或比較容易地完成一些操作的。較高的工作壓力可以減少航天員出艙前用于吸氧排氮的時(shí)間。但較高的工作壓力會(huì)導(dǎo)致戴“海鷹”航天服的手套時(shí)，手指活動(dòng)比較困難。

由于俄羅斯航天服要在軌道上使用很多年，供不同的航天員穿用，所以它有一個(gè)很精巧的系統(tǒng)，使之能在軌道上快速地調(diào)節(jié)尺寸。內(nèi)藏的繩和滑輪系統(tǒng)使航天服的袖子和褲腿可以伸縮。穿“海鷹”航天服，航天員需選擇適合自己的型號(hào)，現(xiàn)有適應(yīng)165～190 厘米身高的幾種型號(hào)，且袖長(zhǎng)和褲長(zhǎng)可調(diào)整，但手套卻要按人定制。

俄羅斯航天服的生保系統(tǒng)所采用的技術(shù)在很大程度上跟美國(guó)航天服是相同的。但是與整個(gè)裝在一個(gè)外部背包內(nèi)的美國(guó)系統(tǒng)不同，俄羅斯的生保系統(tǒng)放置在從后面進(jìn)入的航天服加壓空間內(nèi)。其部件伸出來(lái)，容易用手摸到，因而便于在軌道上進(jìn)行維修。

▲ 俄羅斯航天員身著“海鷹”航天服進(jìn)行太空行走

俄羅斯的航天服是“自穿”式的，鋁制上衣的背后有一個(gè)門。航天員從后門鉆進(jìn)去，關(guān)上門后開(kāi)始加壓，穿衣的過(guò)程比較簡(jiǎn)單，在幾分鐘內(nèi)就能完成。與穿美國(guó)航天服相比，穿俄羅斯航天服就簡(jiǎn)單多了。首先要將航天服放在裝有輪子的穿衣架上，然后像打開(kāi)冰箱門一樣地打開(kāi)航天服后面的門，并抓住門的頂部，將身體向上拉起，就像抓住單杠做引體向上那樣。然后向下將腿伸進(jìn)褲筒內(nèi)，將手臂向下伸進(jìn)袖筒中，手指伸進(jìn)手套里。為了關(guān)上航天服上衣后面的門，航天員要用一只手拉服裝前面的一根短金屬棒內(nèi)的一個(gè)環(huán)，環(huán)再拉動(dòng)航天服內(nèi)的一根金屬線，將門關(guān)上。然后用姆指按下位于腰部的一個(gè)按鈕，將門鎖上。鎖定住意味著門已經(jīng)密封了，可以開(kāi)始加壓。

穿俄羅斯的航天服時(shí)，手臂和身體活動(dòng)的自由度很小，要付出很大努力才能將手臂放在胸前。然而,有些活動(dòng)還是比較容易實(shí)現(xiàn)的，特別是手臂上下運(yùn)動(dòng)，這很有現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)槎砹_斯航天員出艙活動(dòng)比較多的動(dòng)作是爬梯子和搖絞盤(pán)狀的裝置。

中國(guó)“飛天”航天服：重而不笨行動(dòng)靈活

中國(guó)自行研制的“飛天”艙外航天服，質(zhì)量為120 千克，單套價(jià)值達(dá) 3000萬(wàn)元人民幣，可靠系數(shù)為0.997，可支持至少4 小時(shí)的艙外活動(dòng)，能重復(fù)使用5 次以上，服裝氣體泄漏率不大于2升/分鐘；應(yīng)急供氧時(shí)間不小于30分鐘；平均散熱量為300 瓦。

為滿足航天員在太空活動(dòng)的需要，“飛天”和美俄的艙外航天服一樣，具有供氧、溫控、二氧化碳吸收等環(huán)境控制、生命保障與安全防護(hù)功能，具備信息采集傳輸、通信能力，同時(shí)能滿足人機(jī)工效要求。

該艙外航天服采用了整體擬人形態(tài)半硬式密封結(jié)構(gòu)，即從腰部以上的軀干是硬式結(jié)構(gòu)，四肢為軟式結(jié)構(gòu)，采用后背鉸鏈門式穿脫機(jī)構(gòu)。

該艙外航天服最高能達(dá)到2 米，配有1.30米高的生命保障系統(tǒng)背包。服裝通體純白，從上到下依次是頭盔、上肢、軀干、下肢、壓力手套、靴子。

它從內(nèi)到外分為6 層：由特殊防靜電處理過(guò)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(guò)熱反射來(lái)實(shí)現(xiàn)隔熱的隔熱層、最外面的外防護(hù)層。軀干達(dá)到7層，最厚的是掛包有20層。服裝的四肢裝有調(diào)節(jié)帶，通過(guò)調(diào)節(jié)上臂、小臂和下肢的長(zhǎng)度，身高1.60～1.80米的人都能穿上這套衣服。

重而不笨、行動(dòng)靈活是“飛天”艙外航天服的一大特點(diǎn)。設(shè)計(jì)師們?cè)谏现募纭⒅?、腕和下肢的膝、踝等關(guān)節(jié)處，使用了氣密軸承。在軸承的作用下，航天員的手腳可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)能嚴(yán)格保證氣密性。其上肢關(guān)節(jié)巧妙地利用仿生結(jié)構(gòu)，使關(guān)節(jié)活動(dòng)更加自如。在手腕處裝有一面小鏡子，航天員可以通過(guò)它隨時(shí)察看自己身上的各種開(kāi)關(guān)。

高1.3米的背包是航天服穿脫(進(jìn)出)口的密封門，在背包殼體內(nèi)安裝了艙外航天服生保設(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(guò)拉緊鋼索和操作關(guān)閉手柄完成。

“飛天”頭盔的視野比其他同類產(chǎn)品要大，頭盔還有攝像頭，可拍攝航天員出艙操作；兩側(cè)各有1 個(gè)照明燈，可照亮服裝胸前部分，方便航天員在陰暗面操作；兩側(cè)有報(bào)警指示燈，一旦服裝出現(xiàn)泄露報(bào)警燈閃，同時(shí)還有語(yǔ)言報(bào)警。它的面窗有4 層，其中2 層為充壓結(jié)構(gòu)，外面是防護(hù)面窗，最外層是鍍金的濾光面窗，對(duì)太陽(yáng)光折射率低，迎著光照面可拉下它，太陽(yáng)光線就不會(huì)直接照到人眼睛上去。

出艙活動(dòng)主要靠手完成操作和“行走”，所以艙外航天服的手套必須靈活?！帮w天”的手套外層為纖維織物，有 2 層氣密，使用特殊隔熱橡膠材料，能耐受高溫到 100℃。指尖部分只有 1 層氣密層，以保持觸覺(jué)。該手套是用國(guó)際上先進(jìn)的“三維數(shù)字掃描”技術(shù)，為每位航天員量身定做的。手套可握住25 毫米的鉛筆粗細(xì)的東西。

穿“飛天”艙外航天服時(shí)需要先把雙腿伸進(jìn)航天服的下肢，臀部放在航天服的背包沿上，然后關(guān)閉背包門，把自己裹在龐大的艙外航天服中。這個(gè)過(guò)程也就 1～2 分鐘，但之前的準(zhǔn)備工作需要花不少時(shí)間：1.穿上貼身內(nèi)衣；2.穿一件能夠測(cè)量心跳、體溫的生理背心；3.穿防靜電的連體內(nèi)衣；4.穿給人體散熱的液冷服；5.戴上通信裝備。

▲ 我國(guó)自主研制的空間站“飛天”水下訓(xùn)練服