首批航天服材料將登陸火星

NASA詹森航天中心的高級航天服設計師艾米·羅斯與航天服Z-2的樣品站在一起。

圖片來源：NASA

在一次問答環節中，航天服設計師艾米·羅斯（Amy Ross）解釋了在7月30日發射的毅力號（Perseverance）火星車上，航天服的五片樣品（包括一枚頭盔面罩）將如何進行測試。

美國航空航天局（NASA）正準備將第一位女性和第二位男性送上月球，而更為宏大的目標，則是將第一批太空人送上火星表面。但是在到達紅色星球之前，太空人將面臨一個非常重要的問題：在大氣極為稀薄、受太陽和宇宙射線的輻射更強的火星上，他們應該穿什麼？

艾米·羅斯正在尋找這一問題的答案。她來自NASA位於休斯敦的詹森航天中心（Johnson Space Center in Houston），是一名高級航天服設計師，正在為月球和火星開發新的航天服。因此，羅斯急切地等待著前不久剛發射的毅力號火星探測器登上火星，它攜帶著史上首批送去紅色星球的航天服材料樣本。

毅力號火星車在探索傑澤羅隕石坑（Jezero Crater）的時候，將會收集火星上的巖石和土壤樣本，以供將來的火星任務將它們返回地球。與此同時，毅力號上一個名為「夏洛克」[ SHERLOC，全稱「宜居環境有機物和化學物質拉曼與螢光掃描探測儀」（ScanningHabitable Environments with Raman & Luminescence for Organics &Chemicals）]的儀器，將對五小塊航天服材料進行研究。航天服材料中包括一塊頭盔面罩，都被嵌入了「夏洛克」的校準目標中，緊挨著一塊名為SAU 008的火星巖石碎片。SAU 008是科學家用來確保儀器設置正確的基準，方法則是將火星上的讀數與在地球上得到的基準讀數進行對比較準。

在這裡，羅斯通過問答的形式，分享了有關所選航天服材料的信息以及月球航天服和火星航天服之間的差異。想了解「夏洛克」和毅力號火星車的更多信息，請訪問https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7666。

這張圖的左側展示了航天服樣品，右下方則是校準目標中的5種航天服材料樣品，隨校準目標一同安裝在毅力號火星車上的「夏洛克」儀器中。「夏洛克」會觀察這些樣品在火星表面強烈的輻射中將作何反應。

圖片來源：NASA

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為什麼選擇這幾種特定的材料嵌入在「夏洛克」的校準目標上？

羅斯：我們最需要花心思的材料應該是航天服的外層，因為這些材料受到的輻射最多。有一種正交織物（ortho-fabric），我們曾多次使用在航天服的外層中，它是三種材料合而為一的，包括諾梅克斯（Nomex，俗稱防火纖維），一種在消防員服裝中常用的阻燃材料；戈爾特斯（Gore-Tex），戈爾公司發明的一種既能防水又能透氣的材料；以及用於防彈背心的凱夫拉（Kevlar，品牌名，材料原名為聚對苯二甲醯對苯二胺）。

我們也正在單獨測試維克特拉（Vectran，一種聚芳酯纖維）的樣本，目前用於航天服手套的手掌部分。它具有防切割的性質，在國際空間站（International Space Station）上非常有用：微流星體（Micrometeoroids）在撞擊空間站外側欄杆的時候，形成了帶有鋒利邊緣的凹坑，會劃破航天服手套。

我們還了選擇了特氟龍（Teflon，聚四氟乙烯）樣本，這種材料在航天服中已經使用了很長時間，作為太空人防護手套和手套背面的一部分。就像有特氟龍塗層的不粘鍋一樣，它很光滑，也就很難被抓住和撕裂。除此之外，我們還選擇了帶有防塵塗層的特氟龍樣品。

最後，還有一塊聚碳酸酯材料，我們將其用於球型頭盔和護目鏡中，因為它能幫助降低紫外線強度。它有一個好處就是不會破碎，如果受到衝擊，它不會破裂碎開而是會彎曲變形，並且依然保有良好的光學性能。

「夏洛克」將如何檢查這些樣品？

羅斯：在火星上，輻射會破壞材料的化學成分，從而削弱樣品的拉伸強度。我們想弄清楚這些材料在火星上能維持多長時間。我們是否需要開發新的材料？還是說這些材料能堅持下去？

對於毅力號任務的科學家想要研究的火星巖石，「夏洛克」能夠獲取它們的光譜，或者說組成；對於這些航天服材料當然也可以。我們已經在地球上對這些材料進行了測試：將樣品浸入到輻射之中，然後分析它們的光譜。這些測試於NASA馬歇爾航天飛行中心（Marshall Space Flight Center）的紫外線真空室內完成，相應的結果將與我們在火星上看到的結果進行比較。

火星塵埃會成為考驗嗎？

羅斯：當然了，這是一項工程上的考驗，但是我們沒有理由設計不出在塵埃中也能運轉的機器。我們已經在開發像密封物一類的東西，用於防止塵埃進入軸承。航天服的肩膀、手腕、臀部、大腿上部和腳踝處都設有軸承，它們為太空人提供了移動的靈活性，讓他們能完成行走、跪下，以及靠近巖石或維持在居住地所需的其他動作。

你要明白，我們的航天服會膨脹鼓起，每平方英寸的壓力在4磅（約28千帕，即0.27個標準大氣壓）以上。這個壓力大小並不是非常可怕，但也會讓人感到相當困難，當你把一個人的身體綁在氣球裡然後讓他們移動，他們會很難做到，氣球就像鼓面一樣緊繃。因此，我們需要對軸承進行密封處理，以免塵埃積聚糊住航天服。

我們正在尋找其他方法，希望能在長期任務中保護航天服免受火星塵埃的侵襲。我們知道，塗層或薄膜材料比編織材料更好，因為編織材料的織線結構之間留有空間。這兩種特氟龍樣品還能讓我們探查一下防塵塗層的性能。

空間站、月球和火星航天服在設計上有多大的不同呢？

羅斯：航天服的設計取決於你要去的地方和所做的事情。國際空間站的航天服專為微重力而設計。如果要進行太空行走，實際上並不是真的在走路，而是各種使用你的雙手，下半身的作用只是為上身提供穩定和平衡。空間站航天服還會暴露在兩種環境降解源中：太陽輻射和原子氧。原子氧不同於我們呼吸的氧氣，它具有很強的反應活性，能使航天服材料降解。

月球沒有原子氧的問題，但在輻射方面比火星的情況還差。在月球上你距離太陽更近，而又沒有像火星上那樣將紫外線輻射散射掉的大氣環境。月球是阿耳忒彌斯（Artemis）計劃的重要試驗平臺，雖然月球和火星的環境並不完全相同，但是耐用性考驗，也就是對航天服材料在低大氣壓、高塵埃環境中的長時間耐受能力的考驗，是相似的。

在火星上你距離太陽相對更遠，並且至少有一層稀薄的大氣可以散射紫外線，但火星上的暴露時間仍會是個問題。你必須設想在火星上的大部分時間都暴露在火星表面，因此火星航天服會更類似我們用於月球探索的航天服，而不那麼像國際空間站所使用的。我正在嘗試讓月球航天服儘可能地類似於火星航天服。

有關毅力號任務的更多信息

毅力號是一位體重不到2 300磅（1 043公斤）的「機器人科學家」。這輛漫遊車的天體生物學任務將是尋找曾經的微生物生活的跡象，它將對火星的氣候和地質進行表徵，收集火星樣品以供將來返回地球，並為未來人類探索這顆紅色星球鋪平道路。在7月30日成功發射之後，它將於2021年2月18日降落在火星的傑澤羅隕石坑。

NASA噴氣推進實驗室（JetPropulsion Laboratory）從屬於加州理工學院（Caltech），負責為NASA科學任務理事會（Science Mission Directorate）管理火星2020「毅力」號漫遊車任務。這項任務是一項包括了載人登月在內的更大計劃的一部分，以此為人類對紅色星球的探索做準備。到2024年，NASA將負責送太空人重返月球；到2028年，NASA將通過阿耳忒彌斯月球探測計劃在月球及其周圍建立持久的人類存在。

mars.nasa.gov/mars2020/

nasa.gov/perseverance

參考來源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-perseverance-rover-will-carry-first-spacesuit-materials-to-mars