一款航天服設(shè)計

EMU航天服　　

據(jù)美國《心理牙線》雜志日前報道，如果沒有航天服的保護(hù)，宇航員根本無法在環(huán)境惡劣的太空中生存。從概念到原型再到最后投入使用，與航天服有關(guān)的很多東西可能是你不知道的。為了幫助讀者了解航天服，《心理牙線》雜志采訪了美國宇航局約翰遜航天中心先進(jìn)航天服設(shè)計團(tuán)隊的航天服工程師林賽-艾奇遜，披露了航天服設(shè)計過程中的一系列秘密。

1.設(shè)計師需具備一系列技能

艾奇遜表示航天服設(shè)計師需要具備一系列技能，尤其是創(chuàng)造力和批判性思維。她說：“你需要關(guān)注細(xì)節(jié)，提出非常精細(xì)的測試計劃。在與人類測試人員合作時，你不得不設(shè)計一種測試，獲得測試者對你的設(shè)計的具有建設(shè)性的反饋，例如舒適度。如何定義舒適度?你必須站在工程學(xué)的角度考慮這個問題，設(shè)計和制作穿著舒適的航天服。”航天服需要具有創(chuàng)造性，將不同領(lǐng)域的技術(shù)融合在一起。

2.按任務(wù)要求設(shè)計

艾奇遜表示設(shè)計一款新型航天服時，宇航局的工程師必須回答兩個問題，即“要去哪里?”和“要做什么?”，幫助他們確定航天服的結(jié)構(gòu)。工程師的設(shè)計工作首先著眼于宇航員將要前往的太空區(qū)域。目標(biāo)區(qū)域分為兩種，一個是微引力區(qū)域，一個是行星環(huán)境。工程師根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的具體環(huán)境決定航天服賦予宇航員擁有多大的機(jī)動能力。此外，工程師還要考慮宇航員將要面臨的輻射水平、溫差以及微流星體風(fēng)險。

接下來，工程師必須考慮宇航員將從事何種任務(wù)這個因素。例如，是否要用手移動身體?是否會處在微重力環(huán)境下?是否用腳行走?是否要登陸行星表面?是否使用工具進(jìn)行挖掘?是否使用工具帶攜帶各種工具和利用上肢執(zhí)行任務(wù)?是否需要具備自治能力?艾奇遜表示：“如果你要登陸行星表面并且是距離地球很遠(yuǎn)的星球，你需要研發(fā)更多技術(shù)，讓航天服具備自治能力，允許宇航員具備艙外活動能力。如果是在空間站，你會與飛行控制人員進(jìn)行大量直接接觸。在這種情況下，我們可以放棄一些信息技術(shù)，讓飛行控制人員幫助我們。”

3.新航天服需要新靴子

人們最熟悉的航天服可能要屬艙外機(jī)動套裝(EMU)。這款航天服在設(shè)計上用于微重力環(huán)境，允許宇航員用雙手完成各項任務(wù)。為了讓宇航員具備維修國際空間站、太空望遠(yuǎn)鏡和進(jìn)行太空行走的能力，EMU航天服在設(shè)計上讓宇航員的肩膀、雙手和手臂部位擁有很大的機(jī)動能力。艾奇遜表示：“你利用航天服的下半部分穩(wěn)定身體，讓你在機(jī)械臂末端上時擁有一個穩(wěn)定的工作平臺。如果身體搖搖晃晃，你干不了任何工作。”

包括Z-2在內(nèi)的新航天服針對行星環(huán)境設(shè)計。艾奇遜和其他設(shè)計師用了很長時間設(shè)計腕部和胯關(guān)節(jié)以及靴子。她說：“這是‘阿波羅’號任務(wù)后我們第一次設(shè)計靴子。在不同于地球的引力環(huán)境下，你的行走方式會發(fā)生變化?，F(xiàn)在，我們正在設(shè)計適于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU采用的是硬底靴，新航天服的靴子與之截然不同。”

為了確定何種靴子最適合新航天服，艾奇遜在2008年對不同靴子進(jìn)行了大量行走測試。她說：“我們在不同重力環(huán)境下測試靴子。測試就像在跑步機(jī)上行走一樣，由于索具支撐航天服的重量，你會覺得自己就像在重力為地球3/8或者1/6的表面行走一樣。”。研究小組在航天服下肢部分安裝一系列運(yùn)動捕捉標(biāo)記，分析足部、腳踝以及臀部在不同重力環(huán)境下如何移動。她說：“我們在測試中發(fā)現(xiàn)人們在不同重力環(huán)境下行走時往往臀部搖擺，就像飛跑一樣。通過對此進(jìn)行研究分析，你能夠確定靴底柔軟度和硬度需要達(dá)到怎樣的程度才能降低行走難度。”目前，研究小組仍在對設(shè)計進(jìn)行評估，現(xiàn)在的關(guān)注焦點是一款適于徒步旅行的靴底。艾奇遜說：“這種靴底的前足部位較硬，中足部位較為柔軟，適于需要跪下才能完成的任務(wù)。”

4.減輕重量是目標(biāo)

EMU的重量達(dá)到驚人的300磅(約合136公斤)。不過，身處微重力環(huán)境下的宇航員并不會感受到這一重量。艾奇遜表示包括背包在內(nèi)的阿波羅航天服在地球上重180磅(約合82公斤)，但在月球上只有30磅(約合14公斤)。穿上這種航天服時，宇航員的行動受限。新航天服的目標(biāo)是讓宇航員在擁有很大行動能力的同時減輕重量。她說：“提高行動能力時，我們需要增加軸承等硬件，軸承很適于加壓服，但會增加重量。我們正在研究如何在添加硬件的同時保持航天服低重量的方式。目前，我們將目光聚焦鈦材料，這種材料能夠讓軸承的重量減少大約30%。此外，我們也考慮采用新型合成材料，用于上肢、臀部以及較短部位。”艾奇遜表示新型航天服Z-2的重量將比EMU少大約20磅(約合9公斤)，并不算太輕。“不過，我們讓下肢擁有全部功能，這是以往的航天服所不具備的。”

5.設(shè)計工作從老型號著手

一旦確定“要去哪里?”和“要做什么?”這兩個問題的答案，工程師便開始設(shè)計工作。先進(jìn)航天服設(shè)計團(tuán)隊擁有至少30年的航天服設(shè)計經(jīng)驗，包括航天飛機(jī)航天服以及阿波羅計劃的航天服。艾奇遜表示：“我們從測試這些航天服開始，了解不同的特征。通過測試，我們得以確定不同肩部設(shè)計適于何種運(yùn)動，了解不同的臀部和靴子設(shè)計以及穿著方式。是否需要拉鏈?諸如此類的事情。”通過測試?yán)虾教旆?，工程師能夠設(shè)計出滿足特定任務(wù)需要的航天服。

“阿波羅”號宇航員所穿的航天服

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Z-2航天服

麻省理工學(xué)院研制的機(jī)械反壓服　　

6.宇航局負(fù)責(zé)設(shè)計 私營公司負(fù)責(zé)制作

航天服的設(shè)計和測試工作由宇航局的科學(xué)家在實驗室進(jìn)行。完成這些工作后，航天服進(jìn)入制造階段。宇航局將他們的設(shè)計送交私營公司，由他們負(fù)責(zé)制作。艾奇遜指出：“我們提出總體設(shè)想和具體要求，讓他們了解我們需要制造怎樣的航天服。我們與一系列私營公司合作，讓他們按照我們提供的規(guī)格制造。”工程師一次只設(shè)計一款航天服。2005年“星座”計劃開始后，他們每3到5年便設(shè)計一款原型。

7.確定部位手工縫合

在阿波羅時代，航天服進(jìn)行手工縫合。你可能認(rèn)為隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種做法已成為歷史，但實際情況并非如此。航天服的最內(nèi)層被稱之為“氣囊”，就像一個內(nèi)充空氣的氣球，使用機(jī)器密封和縫合。氣囊上方是約束層，賦予氣囊強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。艾奇遜表示：“約束層確保氣囊處于特定位置，承受航天服的所有負(fù)載，防止氣囊在宇航員彎曲肘部或者施壓時承受太大壓力。”

約束層仍需要手工縫合。艾奇遜說：“我們有一個房間，里面都是縫紉工，操作不同類型的縫紉機(jī)，具體取決于需要縫合航天服的哪一個部位。手工縫合的精確度極高，某些部位的精確度可達(dá)到1/16英寸(約合1.6毫米)，精確度之高令人難以置信。”在縫合確定部位時，縫紉工使用特定的縫線，具體取決于這個部位是否需要更大強(qiáng)度或者彈性。

8.采用最新技術(shù)

工程師采用3D激光掃描儀和3D打印機(jī)設(shè)計Z-2航天服。這在歷史上還是第一次。

9.航天服允許漏氣

航天服允許漏氣，但只是少量漏氣。艾奇遜指出整套航天服允許的最大漏氣量為100 SCCM(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分)。為了確保航天服不漏氣，在制作時必須滿足設(shè)計師提出的各種要求，各部位還要接受嚴(yán)格測試?？p份使用尺子測量，樣品被故意毀壞，以確定是否滿足強(qiáng)度方面的要求。艾奇遜說：“測試人員會使用一臺機(jī)器拉扯縫合部位或者織物本身。”

拿到全套航天服后，設(shè)計師也會親自測試。艾奇遜說：“我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)和泄露測試，對航天服進(jìn)行充氣，使其壓力達(dá)到正常操作壓力的1.5倍——太空行走時的壓力是4.3 PSI——以測試結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，確定縫合部位是否存在任何漏洞或者出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。在此之后，我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)測試，讓壓力回到正常操作壓力，而后再次進(jìn)行泄露測試。”

10.沒有定制航天服

為每一名宇航員定制航天服顯然不具有成本效益。航天服的制作采用一個模塊系統(tǒng)，這是導(dǎo)致航天服笨重的部分原因。艾奇遜表示：“在將所有組件組裝在一起時，最后的航天服的尺寸往往超過各個組件的簡單之和，適于更多人群。從小號、中號到大號，我們會制作一系列組件，根據(jù)宇航員的體型選擇組件并進(jìn)行組裝。這種方式有助于空間站的后勤保障工作。”目前，國際空間站上的組件可以組裝4套EMU航天服，此外還有大量備用組件。模塊系統(tǒng)也便于航天服的維護(hù)。如果一個組件發(fā)生破損，工程師只需進(jìn)行替換，無需制造一套新的航天服。

Z-1航天服

Z-2航天服　　

11.工程師一次只研發(fā)一款航天服

鑒于航天服設(shè)計和測試工作的復(fù)雜性和嚴(yán)格性，工程師一次只研發(fā)一款航天服。艾奇遜說：“我們希望了解哪些設(shè)計有用，哪些設(shè)計沒用，而后開始下一階段的工作。”從概念到設(shè)計再到原型和測試，制作一款新航天服需要很長時間，通常超過一年時間。Z-2航天服的制作將于3月開始，8月結(jié)束，而后開始測試工作。

12.穿航天服之前需要穿很多層衣物

在科幻大片《地心引力》中，桑德拉-布洛克飾演的宇航員脫下EMU航天服時身上只穿著緊身背心裝和短褲。這顯然與真實情況不符，被航天服包裹的宇航員實際上穿著很多層衣物，其中包括所謂的最大吸收量衣物(MAG)。艾奇遜表示：“MAG基本上就是一個尿布，但吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通尿布。它是你的廢物管理系統(tǒng)。MAG外面是舒適的內(nèi)衣，剪裁合身的長內(nèi)衣褲，讓宇航員在佩戴液體冷卻衣物情況下仍十分舒適。艾奇遜說：“液體冷卻衣物在宇航員身穿航天服工作時保持皮膚涼爽。我們可不希望宇航員出一身汗。為此，我們給航天服安裝了很多管子，里面有涼水流動，吸收皮膚的熱量并將熱量排放到太空。”

13.加壓服制作方式很多

任何前往太空的人都需進(jìn)行加壓，以保持身體機(jī)能正常。保持身體機(jī)能正常的最低氣壓要求是2.5 PSI，例如肺部膨脹和血液流動。艾奇遜指出略高于這一氣壓的效果更好。為了做到這一點，宇航員需要穿加壓服，例如宇航局宇航員所穿的加壓服，或者利用機(jī)械反壓的衣服，例如麻省理工學(xué)研制的機(jī)械反壓服。艾奇遜說：“你可以把機(jī)械反壓服理解成緊身濕式潛水服，通過向皮膚施壓達(dá)到所需的壓力水平。”

上世紀(jì)70年代，宇航局的保羅-韋伯博士曾研制機(jī)械壓力服，被稱之為“太空活動服”。雖然這款加壓服性能出色，但需要很長時間并且在多人的幫助下才能穿上。除了這個缺陷外，機(jī)械壓力服還有其他缺陷。艾奇遜說：“有一件事情是你必須考慮的，那就是確保身體各部位的皮膚承受的壓力均勻分布。凹陷部位或者從扁平變成凹陷的部位——手掌、肘背、膝蓋和腹股溝——會在宇航員移動時改變形狀。你需要研發(fā)性能可靠的材料，置于這些部位并隨著它們外形變化相應(yīng)做出移動。在研發(fā)幫助我們在未來5到10年進(jìn)行太空探索的技術(shù)時，我們面臨很多挑戰(zhàn)。加壓服能夠幫助我們探索太空。”[!--empirenews.page--]

14.Z-2航天服尺寸很小

Z-2航天服是迄今為止研制的尺寸最小的航天服之一。艾奇遜表示：“Z-1航天服采用13英寸(約合33厘米)的圓頂設(shè)計。這種設(shè)計適合體型較大的男宇航員，但對體型較小的女宇航員來說顯得過大。因此，必須對這款航天服進(jìn)行瘦身。我們對當(dāng)前的宇航員隊伍進(jìn)行了分析，試圖設(shè)計一款適合體型處在底部40%這一范圍的所有宇航員。”Z-2航天服的目標(biāo)是適合從處在第5個百分位的女性到處在第99個百分位的男性的所有宇航員。很顯然，這是一個巨大的跨度。

15.公眾可為喜歡的設(shè)計投票

宇航局的上一款航天服設(shè)計Z-1讓人聯(lián)想到《玩具總動員》中的巴斯光年。艾奇遜表示：“圍繞這個話題展開的討論很多。我們希望利用這一點激發(fā)人們的興趣，促使人們進(jìn)一步了解航天服。為了收到更好的效果，我們創(chuàng)建了一個投票網(wǎng)站，讓網(wǎng)民為自己喜歡的航天服投票。”

宇航局工程師與費(fèi)城大學(xué)的服裝設(shè)計系學(xué)生合作，設(shè)計航天服的外觀。整個設(shè)計過程與工程師長久以來習(xí)慣的方式存在巨大差異。艾奇遜說：“他們采取了一種不同以往的方式，讓服裝設(shè)計系的學(xué)生參與其中。我們需要讓航天服表達(dá)一系列主題，例如愛國主題、傳統(tǒng)主題或者科學(xué)和技術(shù)主題。我們初步選擇了12個主題，最后將從中挑選出最能代表我們的主題。”基于這一點，工程師和學(xué)生設(shè)計師挑選了3個主題，即仿生、科技和社會趨勢主題。

目前，這些設(shè)計還完全處于美學(xué)范疇。艾奇遜認(rèn)為生物發(fā)光技術(shù)可用于仿生主題航天服。她說：“在登陸其他行星之后，如果我們所處的工作環(huán)境日/夜周期恒定，這可能是人員識別的一個理想方式?，F(xiàn)在，我們在織物的兩側(cè)和上臂位置添加條紋，為每一名宇航員選擇不同的顏色，便于辨認(rèn)。生物發(fā)光技術(shù)是一種有效的識別方式，能夠讓登陸行星表面的宇航員受益。”