科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
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宇航服是宇航員在太空飛行中穿的加壓服裝。它是為了保護(hù)宇航員免受太空中潛在對(duì)身體威脅。宇航服也被稱為艙外機(jī)動(dòng)裝置(EMU)，當(dāng)宇航員在空間站外行走時(shí)，它們也被用作機(jī)動(dòng)輔助裝置。宇航服由眾多定制組件組成，這些組件由各種制造商生產(chǎn)，最終由美國(guó)國(guó)家
宇航服是宇航員在太空飛行中穿的加壓服裝。它是為了保護(hù)宇航員免受太空中潛在對(duì)身體威脅。宇航服也被稱為艙外機(jī)動(dòng)裝置 (EMU)，當(dāng)宇航員在空間站外行走時(shí)，它們也被用作機(jī)動(dòng)輔助裝置。
宇航服由眾多定制組件組成，這些組件由各種制造商生產(chǎn)，最終由美國(guó)國(guó)家航空航天局 在其位于休斯頓的總部組裝。第一套宇航服是在1950年開(kāi)始進(jìn)行太空探索時(shí)推出的。隨著時(shí)間的推移，宇航服的設(shè)計(jì)變得更加實(shí)用和復(fù)雜，造價(jià)也變得越來(lái)越高。
宇航服產(chǎn)生背景
人類在地球上生活時(shí)，大氣層為我們提供了生存所需的環(huán)境條件，例如供人類呼吸的空氣、防止太陽(yáng)輻射、溫度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的壓力。在太空中，這些保護(hù)都不存在。例如，沒(méi)有穩(wěn)定的壓力環(huán)境，沒(méi)有可呼吸的氧氣。此外，太空中的溫度低至-273° C。人類要在太空中生存，就必須重新塑造這些保護(hù)條件。
宇航服旨在重現(xiàn)地球大氣層的環(huán)境條件，它提供了生命支持的基本必需品，例如氧氣、溫度控制、加壓外殼、二氧化碳去除以及免受陽(yáng)光、太陽(yáng)輻射和微小的微流星體的影響。宇航服是為在地球大氣層外工作的宇航員提供的生命支持系統(tǒng)。
太空服已經(jīng)被用于太空中許多重要任務(wù)，包括協(xié)助有效載荷部署、軌道設(shè)備的檢修、軌道器的外部檢查和維修，以及拍攝令人驚嘆的照片。
宇航服的發(fā)展歷史
隨著材料、電子和纖維領(lǐng)域的技術(shù)改進(jìn)，宇航服自然而然不斷發(fā)生著改進(jìn)。在太空計(jì)劃的早期，太空宇航服是為每位宇航員量身定做的。這些比今天的宇航服要簡(jiǎn)單得多。
事實(shí)上，艾倫·謝潑德（Alan Shepard在美國(guó)第一個(gè)亞軌道上所穿的防護(hù)服只不過(guò)是從美國(guó)海軍高空噴氣式飛機(jī)壓力服改變而來(lái)。這套宇航服只有兩層，飛行員的胳膊和腿都很難動(dòng)。
緊接著，新升級(jí)的宇航服主要為了防止宇航員在軌道航天器中的減壓。然而，穿著這些宇航服的太空行走仍然是不可能的，因?yàn)樗鼈儾荒艿钟盏膼毫迎h(huán)境。這些宇航服只有五層，最里面的一層是一件白色的棉質(zhì)內(nèi)衣，上面有生物醫(yī)學(xué)裝置附件。第四層是提供舒適感的藍(lán)色尼龍層。第三層是加壓的黑色氯丁橡膠涂層尼龍層，這在機(jī)艙壓力失效的情況下可以提供氧氣。第二層是特氟龍層，用于在加壓時(shí)保持宇航服的形狀。最外層是白色尼龍材料，可以反射陽(yáng)光并防止意外損壞。
1965年，第一次在太空行走， 宇航服使用了七層防護(hù)服來(lái)提供額外保護(hù)。額外的層由鍍鋁聚酯薄膜組成，它提供了更多的熱保護(hù)和對(duì)微流星體的保護(hù)。這些宇航服的總重量為15公斤。雖然它們是足夠的安全，但也存在著一些問(wèn)題。例如，頭盔上的面罩很容易起霧，導(dǎo)致視力受阻。此外，氣體冷卻系統(tǒng)也不夠用，因?yàn)樗荒芸焖俚厝コ^(guò)多的熱量和水分。
阿波羅任務(wù)使用更復(fù)雜的宇航服解決了其中一些問(wèn)題。對(duì)于月球行走，宇航員穿著七層衣服和一個(gè)生命支持背包，總重量約為26公斤。對(duì)于航天飛機(jī)任務(wù)，NASA開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了艙外機(jī)動(dòng)裝置 (EMU)，這是一種專為太空行走而設(shè)計(jì)的宇航服，不需要連接到軌道器。
這些宇航服的一個(gè)主要區(qū)別是它們是為多名宇航員使用而設(shè)計(jì)的，而再像以前的宇航服那樣定制。在過(guò)去的20 年中，宇航服經(jīng)歷了穩(wěn)步的改進(jìn)，但它們看起來(lái)仍然與1981年航天飛機(jī)計(jì)劃開(kāi)始時(shí)一樣。目前，宇航服有14層保護(hù)，重量超過(guò)125公斤。
宇航服的制作原料
許多原材料用于制造太空宇航服，織物材料包括多種不同的合成聚合物。最內(nèi)層由尼龍經(jīng)編材料制成，另一層由彈性可穿戴聚合物氨綸組成。還有一層聚氨酯涂層的尼龍，它參與加壓。滌綸用于壓力抑制層，使用的其他合成織物包括氯丁橡膠（一種海綿橡膠）、鍍鋁聚酯薄膜、Gortex、Kevlar 和 Nomex。
除合成纖維外，其他原材料也發(fā)揮著重要作用。玻璃纖維是上軀干部分的主要材料。氫氧化鋰用于制造在太空行走期間去除二氧化碳和水蒸氣的過(guò)濾器。銀鋅混合物包含為宇航服供電的電池。塑料管被編織到織物中，以在整個(gè)套裝中輸送冷卻水，聚碳酸酯材料用于構(gòu)造頭盔的外殼，各種其他組件用于組成電子電路和套裝控制。
宇航服的獨(dú)特設(shè)計(jì)
單個(gè)EMU宇航服由80多家公司生產(chǎn)的各種定制組件構(gòu)成，零件的尺寸從八分之一英寸的墊圈到76.2 厘米長(zhǎng)的水箱不等。EMU由18個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目組成，下面我們簡(jiǎn)要介紹一些主要的宇航服組件。
生命支持系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的背包，配有氧氣供應(yīng)、二氧化碳去除過(guò)濾器、電源、通風(fēng)風(fēng)扇和通訊設(shè)備。它為宇航員提供了大部分生存所需，例如氧氣、空氣凈化、溫度控制和通信。這種宇航服的儲(chǔ)氣罐中可儲(chǔ)存多達(dá)7小時(shí)的氧氣，宇航服上還有一個(gè)輔助氧氣包，可以額外提供30分鐘緊急氧氣。
頭盔是一個(gè)大型塑料加壓氣泡，帶有頸環(huán)和通風(fēng)分配墊。它還有一個(gè)放氣閥，可以與二次氧氣包一起使用。在頭盔里，有一根吸管裝在一個(gè)飲料袋上，以防宇航員口渴，一個(gè)遮陽(yáng)板可以遮擋陽(yáng)光，還有一個(gè)攝像頭可以記錄宇航員的活動(dòng)。
由于太空行走一次可以持續(xù)超過(guò)七個(gè)小時(shí)，因此這種宇航服還配備了尿液收集系統(tǒng)。MSOR 組件連接到頭盔的外部，該設(shè)備（也稱為“史努比帽”）使用下巴帶卡入到位。它由耳機(jī)和麥克風(fēng)組成，用于雙向通信。它還有四個(gè)小“頭燈” 在需要的地方發(fā)光。遮陽(yáng)板是手動(dòng)調(diào)節(jié)的，以保護(hù)宇航員的眼睛。
為了保持溫度，在外衣下面穿一件液體冷卻和通風(fēng)的衣服。它由冷卻管組成，流體自由從其中流過(guò)。內(nèi)衣是由氨綸組成的網(wǎng)眼連體套裝，它有一個(gè)拉鏈，可以從前面進(jìn)入。它有超過(guò)300英尺的塑料管纏繞在一起，在其中循環(huán)冷水。通常，循環(huán)水的溫度保持在4.4-9.9° C。溫度由顯示控制面板上的閥門控制。
下半身總成由褲子、靴子、內(nèi)褲、膝、踝關(guān)節(jié)和腰部連接組成。它由聚氨酯涂層尼龍壓力氣囊組成。滌綸約束層和外層保暖衣組成由氯丁橡膠涂層尼龍制成。它還有五層鍍鋁 Mylar和一個(gè)由 Teflon、Kevlar 和 Nomex 組成的織物表層。這部分宇航服可以通過(guò)調(diào)整大腿和小腿部分的尺寸環(huán)來(lái)縮短或加長(zhǎng)。 靴子有一個(gè)隔熱的鞋頭，以提高保溫性，還穿保暖襪。儲(chǔ)尿裝置也位于宇航服的另一側(cè)，舊款宇航服最多可容納950毫升液體。
臂組件可調(diào)節(jié)，就像下軀干組件一樣。手套包含每個(gè)手指上都有微型電池供電的加熱器。該單元的其余部分由填充物和額外的保護(hù)層覆蓋。
堅(jiān)硬的上部軀干由玻璃纖維和金屬制成。它是大多數(shù)套裝部件連接的地方，包括頭盔、手臂、生命支持系統(tǒng)顯示器、控制模塊和下半身。它包括氧氣瓶、儲(chǔ)水罐、升華器、污染物控制盒、調(diào)節(jié)器、傳感器、閥門和通信系統(tǒng)。氧氣、二氧化碳和水蒸氣通過(guò)宇航員腳和肘部附近的通風(fēng)服離開(kāi)宇航服。上半身的一個(gè)飲料袋可容納多達(dá)907.2克的水。宇航員可以通過(guò)伸入頭盔的喉舌喝水。
安裝在胸前的控制模塊讓宇航員可以監(jiān)控宇航服的狀態(tài)并連接到外部流體和電力來(lái)源。它包含所有機(jī)械和電氣操作控制以及一個(gè)可視顯示面板。工作電壓為17伏的銀鋅可充電電池用于為該套裝供電。該控制模塊與位于堅(jiān)硬的上半身的警告系統(tǒng)集成在一起，以確保宇航員了解宇航服所處環(huán)境的狀態(tài)。該宇航服通過(guò)臍帶線連接到軌道器，它在離開(kāi)氣閘之前斷開(kāi)。
這件白色套裝在地球上重約124.8公斤，產(chǎn)品預(yù)期壽命約為15年。它被加壓到每平方英寸1.95千克，可以通過(guò)直接連接到軌道器來(lái)充電。現(xiàn)有的生命維持系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的背包，配有氧氣供應(yīng)、二氧化碳去除過(guò)濾器、電源、換氣扇和通訊設(shè)備。
宇航服通常是模塊化的，多名宇航員共享一套宇航服。四個(gè)基本的可互換部分包括頭盔、堅(jiān)硬的上軀干、手臂和下軀干組件。這些部件是可調(diào)節(jié)的，并且可以調(diào)整大小以適應(yīng)超過(guò)95% 的宇航員。每組手臂和腿都有不同的尺寸，可以進(jìn)行微調(diào)以適合特定的宇航員。臂允許多達(dá)一英寸的調(diào)整。腿允許多達(dá)三英寸的調(diào)整。
穿上宇航服大約需要15分鐘。要將宇航服穿在宇航員身上，首先要穿上裝有液體冷卻和通風(fēng)系統(tǒng)的下衣。接下來(lái)穿上下部軀干組件，并連接靴子。接下來(lái)，宇航員滑入上部軀干單元，該單元與生命支持背包一起安裝在氣閘室的特殊連接器上。連接廢物環(huán)，然后戴上手套和頭盔。
宇航服的制造過(guò)程
宇航服的制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它可以分為兩個(gè)生產(chǎn)階段。首先生產(chǎn)各個(gè)組件，然后，這些組件在位于休斯頓的NASA總部組裝在一起。下面是宇航服的一般生產(chǎn)過(guò)程：
頭盔和面罩組件
將聚碳酸酯顆粒裝入注塑機(jī)中，它們被熔化并被壓入一個(gè)與頭盔大小和形狀大致相同的空腔中。當(dāng)空腔打開(kāi)時(shí)，頭盔的主要部件就被構(gòu)造出來(lái)了。在開(kāi)口端增加了一個(gè)連接裝置，這樣頭盔就可以固定在堅(jiān)硬的上半身上。在包裝和運(yùn)輸頭盔之前，通風(fēng)分配墊與吹掃閥一起添加。遮陽(yáng)板組件同樣配備了“前照燈”和通訊設(shè)備。
生命支持系統(tǒng)
控制模塊
降溫服
上軀干和下軀干
總裝
早在1974年，據(jù)報(bào)道，一件宇航服的價(jià)格在1500萬(wàn)到2200萬(wàn)美元之間，相當(dāng)于今天的8300萬(wàn)到1.22億美元。
宇航服質(zhì)量控制
各個(gè)供應(yīng)商在生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)步驟都進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制測(cè)試，確保每個(gè)部件都按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)制造，并且可以在極端的太空環(huán)境中發(fā)揮作用。NASA還對(duì)完全組裝的宇航服進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。他們檢查諸如漏氣、減壓或非功能性生命支持系統(tǒng)之類的測(cè)試。質(zhì)量控制測(cè)試至關(guān)重要，因?yàn)閱蝹€(gè)故障可能會(huì)對(duì)宇航員造成可怕的后果。
宇航服的未來(lái)發(fā)展
目前的宇航服設(shè)計(jì)是多年研發(fā)的成果。雖然它們是太空飛行的強(qiáng)大工具，但仍有許多改進(jìn)的可能。有人提出，未來(lái)的宇航服可能看起來(lái)與現(xiàn)在的宇航服截然不同，可以設(shè)計(jì)比目前EMU更高的壓力下運(yùn)行的宇航服。為了制造更高承受壓力的防護(hù)服，必須對(duì)防護(hù)服各部分的連接接頭進(jìn)行改進(jìn)。
另一個(gè)改進(jìn)是在軌道上調(diào)整宇航服的大小。目前，在腿部和手臂區(qū)域移除或添加擴(kuò)展插件需要花費(fèi)大量時(shí)間。另一項(xiàng)可能的改進(jìn)是宇航服的電子控制，現(xiàn)在需要復(fù)雜的命令代碼，將來(lái)只需按一個(gè)按鈕即可完成。
陳龍一