简述国际市场上航天服的开发关键与发展方向

一、前言 

航天员进行太空飞行必须穿着特殊材料、选用特殊工艺、经过特殊加工和特殊技术制成的航天服，有的航天服造价可达上千万美元，航天服是世界上最为昂贵的衣服，它是保障航天员生命安全的最重要的个人救生设备。早在1961年4月12日，前苏联宇航员尤里·加加林身着“CK-1”舱内航天服一飞冲天，成为第一个进入太空的人。1965年3月18日，宇航员阿列克谢·列昂诺夫在“金雕”舱外航天服的保护下，在飞船外空间活动约24分钟，实现了世界上第一次太空行走。9月24日上午，中国载人航天工程新闻发言人、中国载人航天工程办公室副主任王兆耀向媒体透露，这次神舟七号飞行任务中，两名中国航天员将分别穿着国产“飞天”舱外航天服和俄罗斯“海鹰”舱外航天服实施首次出舱活动。

   二、穿宇航服的关键作用

在人类太空飞行的过程中，由于不穿航天服，曾经发生过的悲剧。上世纪60年代末到70年代初，为赶超美国人设计的两座舱飞船，前苏联设计师将原有的两座舱“联盟”号飞船改为3座舱。航天员杜博罗沃里斯基和他的两位战友要“挤进”这个窄小的飞船，放弃了占用很大空间的航天服。1971年6月30日，杜博罗沃里斯基、沃尔果夫和巴查耶夫在“礼炮”号轨道空间站完成了3个多星期的工作后，进入“联盟－11”运载飞船返回地球。飞船即将进入大气层时，座舱中与外界连接的通风安全阀忽然松开了。气压阀松动后，飞船上的通气小窗快速地一开一合，舱内的空气迅速地向太空中散去，舱内气压在20秒钟内从900毫米汞柱降到了500毫米汞柱，1分钟后降至170毫米汞柱！飞船出现漏气4秒钟后，杜博罗沃里斯基每分钟的吸气次数达到了48次，而正常人应为16次，此时杜博罗沃里斯基几乎进入了濒死状态，半分钟后，死亡降临。尸检时发现，3位宇航员的濒死症状几乎完全相同，他们都有脑溢血、肺部充血、耳鼓膜破损的迹象。如果他们当时穿上宇航服，这个悲剧是完全可以避免的。

   三、世界上最昂贵最复杂的航天服展示 

航天服一般由压力舱、头盔、手套和靴子组成。其结构可分为软式、硬式和软硬混合式的，按着用途航天服可分为舱内航天服和舱外航天服两大类。

      1.舱内航天服

舱内航天服是航天员在航天器内使用的航天服，如果飞船在发射、轨道运行和返回过程中发生舱内漏气等事故的时候，穿上舱内航天服，就可以保证航天员的生命安全。航天服的大小是为每一个航天员量体裁衣。舱内航天服一般由航天头盔、压力服、通风和供氧软管、手套、靴子以及相关附件组成。一般重20～30千克，再套上降落伞，重量可达40多千克。 　　航天头盔一般带有密闭的启闭机构和球面形状的全景面窗。压力服是航天服的主体，一般为上下身连接在一起的连接式，压力服必须具备非常好的密封性，能够在充气和加压的情况下，仍然保持密封状态，同时，压力服还必须保证人的四肢可以在一定范围内活动。航天员既可以航天手套戴在压力服的袖口上，并保证其密封性，也可以将手套脱掉。靴子，有与压力服连接在一起构成整体的靴子，不单独使用。也有具有断接器的可以脱的密封靴子，还有可穿在压力服限制层的套靴。航天服通风供氧软管与舱内通风供氧装置连接在一起，在正常情况下，能够给穿着航天服的航天员提供全身的通风，使得航天员处于比较舒适的环境中；当座舱出现压力急剧下降的时候，给航天服通风的风机会自动关闭，使航天服处于密封供氧状态，应急供氧装置通过服装软管将氧气送入航天服内，一部分氧气将进入头盔内供航天员呼吸及头部散热，然后由压力调节器排出。

        2. 舱外航天服

　　舱外航天服主要由外套、气密限制层、头盔、手套、靴子、液体冷却通风服和被包装置等设备组成。国外已经使用的舱外航天服的重量大约有250磅，舱外航天服除具备舱内航天服所具有的功能外，还增加了预防宇宙射线辐射、防热、防止微小陨石撞击、放紫外线等功能。为了保证人体的热平衡，还增加了液体冷却系统，航天服的后背上还安装了一个大包子，里边装有航天员所需的生命保障系统。舱外航天服的上身是坚硬的，装有手臂和生命保障系统，头盔与身上连接在一起，头盔无法随航天员的头部一起活动，必须与身上一起活动。航天员的四肢活动是通过气密轴承和一个可以活动的关节连接来保证四肢各关节的活动性能。 　　外套是由多层防护材料组成的真空隔热屏障层，具有放辐射、隔热、防火、放微小陨石撞击等功能。气密限制层是舱外航天服最重要的部分，选用重量轻、无毒、抗压强度高、伸长率小的材料制成，其作用是保证航天服绝对密封，限制航天服膨胀、使航天员的四肢可以在一定范围内活动。液体冷却通风服穿在气密限制层内，在航天服的躯干和四肢部位都设置了许多塑料细管，液体通过的时候，可以将热量带走。此外，还装有通风管。头盔有两种，均通过颈圈与航天服连接，一种面窗可以随意开启和关闭的，在应急减压时候，可以自动和人工手动开启和关闭，另一种是平时不戴，必要的时候再戴，头盔外还安装了防护罩和保护眼睛的遮阳装置。手套、靴子与服装限制层相连接。背包装置，主要由氧气瓶和供氧供气调压组件、水升华器和水冷却循环装置、空气净化组件、通风组件、通信设备、应急供氧分系统、控制组件和电源、报警分系统、遥测分系统等组成，它能够为航天员提供生命所需的氧气、控制航天服内的气压、调节航天服内的温度、清除航天服内的二氧化碳、臭味和微量污染。当航天员出舱活动时，将背包装置和航天服配套使用，可以保证航天员在舱外活动8～9个小时。同时，如果舱内生命保障系统发生故障，航天员可的大气压力之中，这样，即使飞船发生了泄漏事故，舱内空气溜走，依靠航天服也能在人体周围创造出一个适宜人生存的微小环境，可以有效地防止低压环境对航天员的危害，所以，能在一定时间内保证航天员的生命安全。舱外航天服是航天员走出舱外进入宇宙空间作业的时候所必须穿戴的防护装置，从一定意义上来说，舱外航天服是最小的航天器。由于航天服具有气密性，转动头部和手腕均不会漏气，使得航天服穿着起来非常费劲。一个航天员是无法完成的，升空的时候可以由服务人员帮忙，而返回的时候，如果是几个航天员同时飞行，可以相互帮忙，一个航天员则需要等相关人员的到来。航天员穿衣服可以说是最复杂的穿衣服了，在地面航天员穿衣服都要费那么大的劲，在太空失重的情况下就更是一件不容易的事情了，为此，航天员在地面上需要练几十次。由于航天服的设计是不同的，因此，穿脱航天服，美国和前苏联/俄罗斯是不同的。俄罗斯的舱外航天服是后开门的形式，采用坚硬的躯干，与头盔结合成一个整体，而四肢为软的囊，航天员从航天服的背部的一个铰链门进入航天服。美国的舱外航天服是分体式，是硬的上躯干，软的下躯干及袖子、手套、裤腿和靴子。手套按人定做，头盔可拆卸。便携式生命保障系统安装在硬躯干的后面，手动控制和显示器安装在前面，航天服的上下躯干由一个腰部断接器连接，航天员穿航天服时，从腰环进入，先穿下身，然后穿上身，一个人完成起来很困难，通常需要别人帮助。相比之下，大多数航天员认为，俄罗斯的航天服非常耐用，结构简单，具有灵巧方便的特点。

   四、航天服不断开发的意义和关键技术  

完成载人宇宙活动需要广范围的技术，支撑长期载人宇宙活动“具备高度安全性和功能性的航天服”开发是急速解决的课题。航天服的历史大约已有半个世纪，但实用化的国家仅限于宇宙开发的先驱者美国和俄罗斯。航天服包括在所有场合共同的许多“要素技术”，是能够充分利用日本擅长的精致技术领域，可以在国际上进行高能力的展开。而且，作为“综合科学”评价的下一代航天服的研究开发，在美国和俄罗斯主导的宇宙开发领域，是可以提高日本存在感、对社会做出贡献的绝好对象，也能够开拓学际研究的新道路。面向载人月球探测和火星探测处于世界动向的今天，下一代航天服开发的时机正在成熟。充分利用日本风土，挑战新的研究开发，给与了日本研究技术人员“宇宙开发日本制造”的研究开发热情，可以引导较大的发展。对航天服开发进行特化的重要点是要协调和很好克服在严格的宇宙环境（真空、温度、微小重力、放射线、轨道上的岩屑碎石等）下，保障活动的航天员生理学安全性和舒适性，确保为了船外活动能够有效进行必要的移动和运动的机动性这种两立比较困难的两个技术课题。下一代航天服的研究开发，是以不仅在轨道上而且即使在月球上活动也有其功能的航天服为对象，必须进一步满足比在轨道上使用的航天服更高度的技术要求。例如，在轨道上的场合，手的活动自由度是重要的，而在行星探测中，包括膝盖和脚后跟的屈伸在内全身的运动自由度成为决定要素。因为在月球和火星存在重力，航天服重量的大幅度减轻也成为重要因素。另外，因为要长时间在船外停留，还需要寻求生命维持系统的高度化。月球表面的重力是地球的约1/6，为超高真空状态。在火星，有以1/100气压左右的CO2为主成分的大气。温度在低轨道和月球表面从-150℃以下的超低温到＋150℃的高温之间变化。在火星，低温侧为－140℃的超低温，高温侧与地球大致相同，为30℃。特别是在月球和火星上的活动，如果微粒的尘埃进入航天服间隙，有造成各种不舒服的可能性，需要其对策。在火星，因为有大气存在，对使用的航天服功能设计需要考虑与传统的不同，现在正在使用的利用向真空中的冰升华这种热交换系统等就不能够使用。

    五、航天服要求的基本要素  

　　在宇宙空间进行船外活动时，航天服必须使人能够“自由活动”，而且保障穿航天服的人“放心、安全”。所谓“自由活动”是基本上兼备能够不依靠人手而按照意思行动，可以进行情报信息的收集与发送。从“自由活动”研究，首先是穿用航天服的时候最好自己1人、而且在短时间内能够完成。而EMU的场合，1人不能进行衣服的穿、脱，需要别人的帮助。另外，衣服内部的气体因为是0.3气压的纯氧环境，为了除去溶解在血液中的氮气，需要长时间吸氧排氮。有紧急时在短时间内不能穿用航天服等制约。将运用压力为0.4气压的ORLAN场合，1人可以进行航天服的穿、脱，吸氧排氮时间也短到30分钟左右，但为了提高机动性，最好不要吸氧排氮时间。但是，因为航天服内部充满气体，由于气体压力，衣服的刚性增加。希望提高压力做成不需要吸氧排氮的，因为如果提高运用压力，衣服的刚性增加，所以一边动脚、一边弯曲上臂、活动手指的体力消耗增大。从能够按照意思行动的观点考虑，希望是富于运动性和活动性、灵活性的。在这方面，由于现在的航天服较重、灵活性差，要提高运动性能。航天服的重量有120kg左右，在地上几乎完全不能进行身体活动。在宇宙的无重量空间，其重量变无，但移动时的惯性质量大和在月球表面变为约20kg的重量，希望更轻量化。宇宙空间和月球表面为高真空状态，航天服表面为在面向太阳的地方为120℃的高温，而在阴影的地方处于－150℃的超低温这种严峻的温度环境。为此，由于这种高真空航天服必须具备为保护航天员的气密性、充分的强度和绝热性耐热性及由于宇宙灰尘和岩屑碎石等微粒子的碰撞、宇宙放射线的被曝等必须起到安全保护人体的作用。另外，在活动时间长的时候，还要求包括温度和湿度的自动调节等衣服穿用感觉的舒适性。作为在极限环境生命维持装置的航天服，为了放心使用，在各要素材料的耐久性以外，确保对于系统的多重防护功能、故障诊断、修复技术等可靠性也非常重要。

  六、结束语

将来的月球和火星探测中，在轨道上使用的下一代航天服，需要应对高度的技术要求，例如，在行星探测中，与轨道上不同，其全身的灵活运动性就成为决定性要素。而且，因为与在已程序化轨道上的船外活动不同，需要灵活应对各种各样的场面，航天服的穿、脱也希望在短时间内进行。进而，为了应对长时间的船外活动，生命维持系统的高度化和其他必须解决的问题有许多。现在的航天服在月球和火星探测中没有充分的功能。另外，因为简单的改良不能应对其要求，需要进行根据新概念的航天服开发。