宇航員新套裝

李忠東

Space X宇航服獨具魅力

2020年美國東部時間5月30日15時22分，美國佛羅里達州肯尼迪航天中心再度迎來航空史上的奇跡。美國太空探索技術公司（SpaceX）的一枚“獵鷹9號”火箭在39A發(fā)射臺升空，成功開啟了這次取名為“Demo-2”的試飛任務，高達23層的火箭可提供近200萬磅推力，足以讓該公司的載人“龍”飛船進入地球軌道。火箭升空約2分半鐘后，第一級火箭推進器熄滅并分離，并在發(fā)射約9分鐘后成功返回大西洋上的火箭接收臺。在火箭升空約12分鐘后，第二級火箭助推器熄滅并執(zhí)行分離任務，這一階段標志著載人“龍”飛船進入地球軌道。

在經(jīng)過近19小時飛行后，載人“龍”飛船與以7.8千米/秒速度環(huán)繞地球運行的國際空間站自動對接，美國宇航員鮑勃·本肯和道格·赫爾利順利進站。SpaceX設計的造型獨特的宇航服也成了此次試飛任務中的亮點之一，引起了世人的關注。

半個多世紀過去了，宇航服也幾次迭代升級。這款未來派宇航員套裝與佛羅里達州肯尼迪航天中心之前發(fā)射飛船時所見過的宇航服外觀迥異：上一代服裝看上去十分笨重，而SpaceX宇航服線條流暢，時尚極簡，貼身合體。配上前衛(wèi)的頭盔，著裝者就像是從科幻大片中走出來的一樣。宇航員套裝不只外形科幻，十分輕便，而且不失足夠的安全性。手套設有觸控層，兼顧觸屏操控，3D打印的頭盔和關節(jié)過渡段均經(jīng)過特殊設計，不僅可以靈活轉(zhuǎn)動，在艙內(nèi)失壓的突發(fā)狀態(tài)下還能保證良好密閉并充氣保壓，以保證宇航員的生命安全。

為了確保外觀足夠炫酷，SpaceX公司聘請了好萊塢電影服裝設計大師何塞·費爾南德斯領導的鐵頭工作室精心打造，由費爾南德斯本人監(jiān)制。鐵頭工作室的藝術家參與過很多好萊塢大片、漫威宇宙等服飾、配飾和道具的設計。與此同時，何塞·費爾南德斯還幫助解決了自阿波羅登月時代以來一直困擾NASA的問題，即宇航員由于戴著螺栓固定的頭盔而無法移動頭部，因此視野受到阻礙。鐵頭工作室設計的宇航服有一個裝有鉸接的頸部部件，讓頭盔可以轉(zhuǎn)動，為宇航員提供了更好的視野。

NASA宇航服別具一格

2019年10月15日，NASA對外公布了時隔40年后的2款新宇航服原型。其中一套宇航服是用于太空行走的“艙外探索機動裝置”，這是為宇航員在月球表面活動而設計的。為了應對飛船艙外的極端溫度，阻擋微隕石和其他小顆粒鞥太空碎片，它比在飛船內(nèi)穿的保壓服更厚重，類似于空間站宇航員進行太空行走時的著裝。這套紅、白、藍三色宇航服適配所有宇航員的體型，肩部移動性比以往的更靈活。另一套與Space X最新款宇航服相似的 “獵戶座飛船生存服”，是宇航員在發(fā)射和重返“獵戶座”飛船時穿著的，這款保障乘員生存的橙色套裝不能出倉，但可以在飛船遇到緊急情況時維持穿戴者6天的生命。

這2款新宇航服都將用于“阿爾忒彌斯”計劃，該計劃預計將宇航員送回月球，其中包括8個預定的發(fā)射點和2024年的月球軌道迷你站。“阿爾忒彌斯”計劃不只是在月球表面象征性地漫步，而是希望能借此在月球上建立一個可持續(xù)的人類存在點，并將其作為深入探索太陽系的起點。火星也排在未來的探索名單上。最初的月球任務是以“阿波羅-阿爾忒彌斯”的名字命名的，它是希臘神話中的雙胞胎妹妹，也是狩獵、荒野和月亮的女神。“阿爾忒彌斯 1”計劃在2020年完成月球任務。“阿爾忒彌斯 2”計劃在2022年左右發(fā)射航天器將一名船員送上太空，環(huán)繞地球運行。“阿爾忒彌斯 3”準備在2024年將一位女性宇航員和一位男性宇航員（也許是兩位女性宇航員）送上月球。NASA不僅計劃在月球上使用這些套裝，而且，它們經(jīng)過修改之后也可以應用于日后的火星任務。據(jù)航天服工程師透露，宇航員在月球上穿著這些宇航服工作的時間可長達8小時。

在20世紀六七十年代的太空任務中，“阿波羅號”宇航員在月球漫步時會摔倒。因此，新套裝需要能夠滿足宇航員屈膝，且能將物體舉過頭頂并完全旋轉(zhuǎn)手臂的條件。NASA的一名航天服設計工程師現(xiàn)場展示了在壓力下穿上“探索艙外機動裝置”（xEMU）宇航服的情景。與此同時，試穿者還展示了擺動手指、蹲下來撿起地板上的石頭等能力。新一代宇航服的靈感來自于“水星”宇航服，也被稱為“海軍4號”，是NASA在1958年為實施“水星”計劃而研發(fā)的。現(xiàn)在宇航服設計工程師對“探索艙外機動裝置”的安全性和機動性方面都進行了革新，支持模塊化設計，比如可以快速更換頭盔上的防護面罩，而非更換整個頭盔。豐富的擴展性也可以讓一套宇航服同時適應月球與火星的地表環(huán)境。

為了確保這次登月行動最終能到達月球南極并建立月球基地，新一代的宇航服套裝必須能夠保證宇航員操作活動的靈活性。宇航服全身、頭盔和冷卻服都將采用創(chuàng)新設計，可以承受約-150°C的低溫，也可以承受70°C的高溫，滿足在月球的南北兩極以及赤道區(qū)域使用。“艙外探索機動裝置”的便攜式生命支持系統(tǒng)也得到了改進，小型化的電子系統(tǒng)讓宇航服的穩(wěn)定性得到了進一步升級，增加了可以進行太空行走的時間。

從安全性的角度來看，月壤對宇航員最大的威脅來自于微小的沙礫碎片。因此，新型宇航服搭載了一套具有防塵功能的生命支持系統(tǒng)。從機動性方面來看，“探索艙外機動裝置”的下半身結構包括關節(jié)軸承、具有彈性鞋底的遠足式靴子、允許臀部彎曲和旋轉(zhuǎn)以及增加膝蓋彎曲程度的部件。上半身結構除了更新了肩膀位置外，其他新增的肩膀功能還使宇航員終于能夠自由地移動手臂，輕松地將物體舉過頭頂或自主穿上加壓服，或輕松地接觸到宇航服前部。

目前，宇航服中使用的頭戴式耳機被稱為“史努比帽”，存在著會使宇航員產(chǎn)生悶熱感，且麥克風并不總是與宇航員的動作保持一致的弊端。有鑒于此，NASA在頭盔內(nèi)部重新設計了通信系統(tǒng)。新的音頻系統(tǒng)需要在宇航員上身內(nèi)部放置多個嵌入式聲控麥克風。當與其他太空行走者、網(wǎng)絡上的機組人員或地面控制中心的任務控制人員通話時，它們會自動拾取宇航員的聲音。新套裝還設計有可互換的零件，這些零件可配置用于微重力環(huán)境中或行星表面的太空行走。

智能手套更勝一籌

無論艙內(nèi)宇航服還是艙外宇航服，手套都是宇航服重要的組成部分。同時，航天手套也是宇航員進行操作活動的重要終端，直接影響著他們在壓力應急狀態(tài)下或航天器艙外活動中的工作能力。航天手套由壓力手套、腕部斷接器和舒適手套組成。其中，壓力手套又由用于承受掌部張力和限制掌部加壓后鼓脹的掌部限制組件、采用織物雙面浸天然乳膠成型的掌指壓力手套和腕關節(jié)組成。腕部斷接器和舒適手套都有其特殊的作用。航天手套與服裝本體之間依靠腕部斷接器實現(xiàn)連接，該裝置是航天手套的關鍵技術。腕部斷接器采用特殊設計的自密封軸承結構，既保證了航天手套的氣密性，又提供了手腕靈活轉(zhuǎn)動的自由度，通過一個特別的自鎖型分離式機械結構，可以實現(xiàn)手套的快速脫戴。

最近，歐洲航天局展示了一款名叫“Power Glove”的手套。它除了具備航天手套的一般功能外，還使宇航員能夠通過手背上的面板控制無人機或月球車，從而省去了攜帶單獨遙控器的麻煩。 “Power Glove”的手指上相較以往多了3個小配件：第一個小配件用于手勢控制，讓宇航員通過揮手遠程控制無人機或月球車;第二個小配件是用于定位和測距的內(nèi)置激光;第三個小配件用于顯示宇航服狀態(tài)和消耗品剩余量。科學家表示，用來制造這款航天手套的材料有可能使未來的宇航服擁有自我修復能力，并且還能通過能量收集來提高工作效率。

NASA的科學家也開發(fā)了一款新的智能航天手套，同樣只需通過宇航員的手勢便能熟練地無線控制無人機或其他機器人設備。智能航天手套的工作原理在于可以探測到非常微妙的手部以及手指的運動，然后把這些信號轉(zhuǎn)換成不同類型的指令，通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)接詈椒械囊苿釉O備上，再由這些移動設備實時傳輸給無人機或其他機器人設備。這樣的智能航天手套可增強運動性和可用性。2019年夏天，NASA在加拿大北極地區(qū)德文島上使用無人機對這款智能航天手套進行了試驗，結果令人滿意。測試者成功地遠程操縱了傳統(tǒng)的四旋翼無人機。當然，由于大氣和重力水平不同，在大氣層比較稀薄的月球或火星上飛行的無人機可能需要推進器來驅(qū)動，遠程操控無人機的難度會更高。

隨著時間的推移，未來宇航服的敏捷性和舒適性有望持續(xù)改善，而智能航天手套是創(chuàng)造下一代宇航服的第一步。越來越先進的智能手套將幫助宇航員更好地探索新環(huán)境。