NASA公布新一代太空衣,最大特點是「更靈活」

2020-11-22 知識就是力量

本文轉載自「科普中國」

上個月，NASA公布了兩款用於執行2024年「Artemis」載人登月計劃的最新一代太空衣——登月太空衣（XEMU）和獵戶座飛行服（Orion suit）。

太空衣是一種個人防護裝備，是為了讓航天員能夠在太空中抵禦外界惡劣環境的危害，給太空人提供必要的氧氣、壓力、溫度等生存條件。從功能上看，航天服可以大致分為艙外航天服（EVA）和艙內航天服（IVA）兩種。

艙外航天服實際上是艙內航天服的升級版；艙內航天服一般只需提供壓力、供氧功能，是在緊急情況使用；而艙外航天服還需要具備隔熱、防輻射等功能，並且需要獨立的生命維持系統，是一個可移動的個人太空艙。

01

艙外航天服（EVA）

艙外航天服，主要用於出艙活動，它具有獨立的生命維持系統，為太空人提供水和氧氣，還能夠保護太空人不受外界環境的危害，包括極端溫度（-150℃~+120℃）、低壓、輻射、微流星等，艙外航天服就是一個小型的載人太空飛行器。

此次NASA公布的XEMU就屬於艙外航天服，英文全稱Exploration Extravehicular Mobility Unit，即艙外探索機動單元，用於太空人在月球表面行走時穿著。XEMU由艙外壓力服和生命維持系統（白色背包）兩部分組成，艙外壓力服包括頭盔、硬上衣、下衣和冷卻服。

頭盔提供面部的保護，並且顯示航天服的當前狀態；硬上衣將太空衣內部和生命維持系統連接起來，並且連接手臂、手套、下衣等組件，它結實且輕巧；下衣由太空衣褲子，靴子和腰封的下半部分組成，腰部支撐零件可以幫助太空人移動和轉動，金屬密封扣將下衣與堅硬的上衣相連；冷卻服由液冷管道和彈性氨綸材料編織成的，它具有降溫和排汗的功能；太空衣的柔性衣服由16層材料組成，每一層具有不同的功能，從內到外大約可以分為以下幾個功能層——冷卻服（冷卻排汗）、氣密限制層（加壓）、抗撕裂層、隔熱層（隔熱防輻射）、外罩層（防火耐高溫）等。

XEMU採用了很多新設計。首先，XEMU在外觀上採用紅、藍、白三色搭配，不同於以前純白色的設計；其次，XEMU的新式通信系統採用嵌入式的方式，揚聲器和麥克風安裝在硬上衣和頭盔的多個區域，並且不再使用通信頭戴，解決了通信頭戴出汗不舒服以及麥克風總是不能與太空人動作一致、收聲不便的問題；再次，XEMU的新款上衣安裝了多個支撐軸承，增強了手臂和肩部的活動功能，太空人可以將手臂舉過頭頂，這是以前的登月太空衣無法做到的，還設計了後入口，可以方便太空人爬入太空衣。最重要的，XEMU的下衣使用最先進的材料，並設計了多個關節軸承，與上衣連接處也採用了軸承裝置，使太空人可以在臀部彎曲，腰部旋轉，膝蓋處增加彎曲，能夠做出更大幅度、更靈活的扭腰以及轉身等動作，這意味著太空人未來在月球表面採樣工作時動作會更加靈活；並且採用了具有彈性鞋底的遠足式靴子，可以提供更大範圍的月球行走能力。

新款的太空衣使用了很多新的設計技術。一是為應對月球的特殊土壤環境（由微小的玻璃狀碎片組成），新款太空衣具備防塵功能，可有效防止月球塵埃被吸入或汙染太空衣和生命支撐系統，並且對新增的精密設備腰部軸承裝置做了全密封處理，能夠有效阻止塵埃的入侵。二是為了方便快速更換和適應更長時間的探月活動，新式太空衣採用模塊化設計，所有的太空衣組件都像汽車的零部件一樣可被更換，比如頭盔上的防護面罩，如果破損或刮傷，只要將其更換，太空衣可繼續使用。三是在太空衣人體工學設計時採用3D掃描設計，通過不同姿勢的模擬，最大程度減少太空衣與身體的摩擦，增加舒適度。

但是出艙行走還是得穿著強力吸尿褲，太空人們依然會小小地不情願一下；之後經過穿冷卻服，穿下衣，連接冷卻臍帶，鑽進硬上衣，背上能夠提供8小時呼吸的生命維持系統，戴好具有加熱功能的手套，密封加壓吸氧等很多步驟後，就可以去月球上歡快地探索了。

XEMU太空衣和硬上衣人體工學3D適應性設計

02

艙內航天服（IVA）

艙內航天服，可以分為艙內壓力服和艙內工作服。

艙內工作服是航天員在飛船入軌後正常飛行時，脫去艙內壓力服後穿的衣服，艙內工作服一般來講造型簡潔，易於航天員在狹小的空間內穿梭，方便在艙內的活動和工作。

艙內壓力服主要用於飛船的發射和重返階段，以及高風險變軌任務期間保護太空人，比如近月任務和高速返回地球時。當飛船座艙發生洩漏，壓力突然降低時，艙內與之配套的供氧、供氣系統會啟動工作，航天服內就會立即充壓供氣，並能提供一定的溫度保障和通信功能，讓太空人在飛船發生故障時能安全返回。它區別於艙外航天服，不需要獨立生命維持系統，由飛船提供氧氣等，由柔性上衣和下衣組成。

Orion suit就是屬於艙內壓力服，全稱Orion Crew Survival System Suit，即獵戶座太空人生存系統服。Orion suit選擇了亮眼的橙色，更容易被辨認，它具有輕巧、強度更高、尺碼量身定製、更舒適等特點。它能提供純氧模式，能夠讓太空人立即投入工作；當飛船失壓時，太空人可以在於太空衣中安全生存6天。Orion suit還在持續性改進，它將執行Artemis登月任務並為火星探索任務做準備。

Orion suit示意圖

從上世紀70年代阿波羅計劃中的初代太空衣到現在，NASA首次對太空衣進行大升級，更新之後最大的特點就是：「更加靈活」。不禁讓人憧憬：下一代太空衣又會是什麼樣的呢？

撰文/馬原野（中國航天科工二院二部北京仿真中心，助理工程師）

審稿/錢航（中國運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師）

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