NASA新一代航天服由自研改“租用”

文/石曉龍

▲ 目前國際空間站上，使用的美國航天服（EMU）

探索艙外活動服務（xEVAS）是一份在2021年9月29日由美國宇航局（NASA）對外發布的招標合同。該招標在2022年12月1日已完成，合同價值約為35億美元。

探索艙外活動服務目的旨在從民間公司提供的方案中選出可以成為美國新一代航天服的方案。新一代航天服將不僅僅用來替換部署在國際空間站上，已經盡顯老態的艙外機動單元（EMU）航天服，還將被用在美國的阿爾忒彌斯計劃中，成為航天員在登月任務中使用的航天服，并為載人登火做好準備。

美國宇航局放棄自研航天服

成功中標探索艙外活動服務的公司可以與美國宇航局共享技術與實驗數據。美國宇航局希望以這種方式鼓勵商業航天的發展，因為這些中標的公司也可以將自己研制的航天服用在太空旅游等有前景的項目上。而這份招標的放出也意味著，美國宇航局已經正式放棄了自研新型航天服的努力。

美國宇航局曾經有一個自研的下一代艙外機動單元（xEMU）航天服項目，這個項目早在美國進行星座計劃時就已經存在，并且該項目的航天服樣品在2019年還進行了一次公開演示。相比于現有EMU，它的驚人靈活性令人印象深刻。但是在這次演示之后，美國宇航局認為其研制進度將無法趕上阿爾忒彌斯計劃所給定的時間節點，項目進展過于緩慢，并且項目組始終沒有給出能夠進行測試的航天服。

因此，雖然xEMU項目已經消耗了大量的資源，美國宇航局還是決定放棄該項目，而選擇以民間招標的方式來解決自身對航天服的需要。2022年6月1日，美國宇航局宣布，在本次招標中，柯林斯宇航團隊和公理航天團隊兩家投出的方案成功中標，兩家公司的團隊將為美國宇航局設計和制造新一代航天服。而美國宇航局將以購買服務的方式來使用這兩個團隊的航天服，可以理解為美國宇航局將會以“租用”這些航天服的方式來給未來的航天員們使用。

柯林斯團隊方案浮出水面

2022年12月9日，美國宇航局發表聲明，美國宇航局正式向美國柯林斯宇航公司下了一份價值9720萬美元的訂單，用以由柯林斯宇航團隊設計、制造和演示其新型航天服。該訂單中提到的新型航天服將取代現有的從航天飛機時代就開始使用，直到現在還在用于國際空間站太空行走的EMU。該訂單要求，在2024年1月前，柯林斯宇航團隊設計制造的新型航天服要在模擬太空環境和地面環境中完成測試。這份訂單是柯林斯宇航團隊在2022年6月在中標探索艙外活動服務（簡稱xEVAS）后得到的第一份訂單。

目前，柯林斯宇航團隊由3個公司組成：柯林斯宇航公司、ILC多佛公司、海洋工程公司空間系統部門。

柯林斯宇航公司是美國雷神科技公司的一家子公司。雷神科技公司是世界上最大的航空航天和國防產品供應商之一，從導彈到雷達、發動機到航空航天電子設備、情報偵查到人工智能；從民用到軍用，其涉及的領域極其廣泛。而柯林斯宇航公司則主要負責雷神公司的航空航天技術方面，世界上絕大部分民用客機都裝載有柯林斯宇航公司生產的電子設備。在接受采訪時，柯林斯公司高層表示，“我們的新一代航天服是為航天員打造的，柯林斯先進的航天服技術將用于國際空間站，我們將能夠繼續確保航天員能完成任務——無論任務是什么。”

▲ 美國宇航局自研的下一代航天服（xEMU）在2019年發布會上的展示

▲ 發布會上，xEMU展示了其關節的靈活性

ILC多佛公司是一家專注于航空航天、特種材料、醫藥制造的公司。這家公司名氣不大，本身體量也不大。但是ILC多佛公司長期以來都在為美國宇航局制造航天服并為各類航天器研發材料。比如美國阿波羅計劃和天空實驗室時期，航天員們所穿著的A7L型、A7LB型航天服，全部由ILC多佛公司制造，如今在國際空間站上服役的EMU的身體部分也由該公司設計制造，而EMU的維生系統則由柯林斯宇航公司開發。ILC多佛公司還開發了火星車“勇氣號”和“機遇號”所使用的氣囊著陸材料。ILC多佛公司首席執行官科里·沃克表示，“ILC多佛公司為自己能與世界一流的團隊合作，為國際空間站設計和制造下一代航天服而感到自豪。利用數十年來為阿波羅任務和國際空間站設計航天服的經驗，我們最新的航天服將可以應付從國際空間站到月球表面及更遠地方的各種任務。”

海洋工程公司主要從事海底勘察、油田開發、潛水器開發等業務，其空間系統部門的辦公地點十分靠近休斯敦的約翰遜航天中心，已經為美國宇航局、美國國防部及其承包商和商業運載火箭供應商提供太空飛行所需硬件系統和設備超過35年。在接受采訪時，海洋工程公司高層表示，“我們為能成為柯林斯團隊的一員而感到自豪，這項工作能幫助美國的載人航天事業走得更遠，我們的員工為這項任務帶來了專業的系統工程和專業知識，便攜式維生系統技術和航天服子系統技術。”

目前柯林斯宇航團隊是在兩家團隊中公布原型航天服信息較多的一個，其原型航天服已經在去年10月份進行了十分詳細的展示。該團隊的研發分工為：ILC多佛負責制造航天服本體，柯林斯宇航和海洋工程負責維生系統研發。

▲ 柯林斯團隊航天服上體現的3家參與公司

▲ 柯林斯公司團隊展示的航天服

從現有公布的數據中看，其研制的航天服仍然采用了和EMU相同的上下半身分離，維生系統組件放在上半身背后的設計，而非使用像xEMU航天服、俄羅斯“海鷹”航天服和中國“飛天”航天服一樣的背后進入式設計，在穿脫流程上和EMU基本一致。而相比于EMU和更早之前由ILC多佛公司研發的A7L型航天服，該型航天服最大的升級就是關節的靈活度大為提升。

如何在保證內部氣壓能維持航天員生存的情況下，提升航天服在各個關節處的可彎折空間，一直以來都是一個難題。在阿波羅時代，登月的航天員們在移動時并不是像在地球上一樣走動，而是像兔子一樣跳著移動，這是因為航天服內部氣壓和航天服材料共同導致航天員難以彎折自己的腿部關節，只能以“兔子跳”這種滑稽的方式移動。而在撿拾物體時，航天員也只能依靠伸長夾子才能將物體放入袋子中，如果一不小心摔倒就只能用手撐地不停地前后移動來嘗試站起。而在拿起一些物體時，手臂和手部的動作依然十分困難，甚至連拿起乒乓球大小的物體都十分吃力。

演示中的這款航天服，在進行加壓后，穿著航天服的記者依然能夠十分靈活地擺動自己的手臂，移動雙腿，控制自己的手指，還能用手靈活地接住研發人員丟過來的球并拋回去。研發人員也演示了其在加壓后依然可以很輕松地蹲下，甚至還能趴在地上做俯臥撐。這一展示充分說明該型航天服所使用材料的柔軟性，與過去前代航天服相比有了很大的提升。

這款航天服采用了高科技服裝面料。航天服的面料從外到內，第一層即最外層面料是隔熱防微流星體層，這一層的作用是反射太陽光的熱量并在微流星體撞擊到航天服上時起到保護作用；第二層是熱量反射層，該層由數層鋁薄膜并夾入編織網組成，作用是反射航天員自身的體溫，讓航天服內能保持一定溫度以避免讓航天員感到寒冷；第三層是內襯層，主要是防止隔熱層與約束層之間相互摩擦造成破損；第四層是約束層，是一種沒有彈力的編織纖維，來保證壓力層不會在加壓后過度膨脹；第五層即最里層為壓力層，由一種特種橡膠制成。而在穿著航天服之前，航天員也需要穿著液冷服，這種液冷服由尼龍制成，全身穿有塑料管，可以通過維生系統中的水泵帶動管內的水以帶走身體的熱量，保障內部溫度舒適。

總的來說，柯林斯宇航團隊的這款航天服相比于現有的EMU型壓力服有以下優點：重量更輕，體積更小，提高了航天員的工作效率，提升了穿著的舒適度，可以適配大多數人男性與女性的體型。不過從采訪獲得的信息看，該航天服確實還相當的“原型”，缺少了很多重要部件，比如胸前可以調節各種航天服參數的控制臺，頭燈和內部顯示屏等設備也沒在該原型航天服上出現。這也意味著，各種計算機設備還沒有上航天服進行實驗，離真正可以投入使用的航天服還有相當的距離。

▲ 柯林斯航天服采用的是分體式設計

▲ 柯林斯航天服正在進行穿戴實驗

研發人員還提到，該型航天服大幅簡化了航天服的操作難度。以往的航天服需要專業航天員學習很長一段時間并進行很多訓練，才能比較好地穿著并進行工作，但是正在研發的這型新航天服使用起來要比之前的任何航天服都要簡易，一個幾乎沒有受過任何訓練的普通人也可以穿著自如運動。

隨著未來太空旅行的發展，越來越多的普通人也能獲得上太空的機會，而這給正在研發的這款航天服帶來了新的商機，這也是柯林斯宇航團隊努力降低航天服使用門檻的核心動力之一。目前柯林斯宇航團隊只是拿下了替換所有國際空間站上EMU的訂單，未來，他們也非常有可能通過自己過硬的產品獲得未來阿爾忒彌斯計劃中用于載人登月的航天服訂單。

▲ 柯林斯航天服手套靈活性展示

▲ 柯林斯航天服腿部靈活性展示

神秘的公理航天團隊方案

2022年9月7日，美國宇航局發表聲明，在審查了兩家符合條件的航天服供應商的提案后，美國宇航局正式向公理航天公司下了一份價值2.285億美元的訂單，要求公理航天團隊為未來的“阿爾忒彌斯-3”任務準備登月航天服。這是公理航天團隊在2022年6月中標xEVAS后的第一份訂單。根據目前阿爾忒彌斯計劃的進度表，阿爾忒彌斯-3任務將會嘗試進行載人登月，而這份訂單則意味著，如果阿爾忒彌斯-3任務成功進行，從登月艙中走出來的航天員將會穿著公理航天團隊制造的航天服。

目前，公理航天團隊由數個公司組成：公理航天公司，KBR公司，戴維·克拉克公司，帕拉貢空間發展公司及其子公司氣閘公司，索菲克咨詢公司，APT研究公司。

公理航天公司是一家致力于太空基礎設施建設的企業。在接受采訪時，該公司CEO邁克爾·蘇弗雷迪尼表示，“我們團隊很榮幸獲得第一份制造新一代航天服的訂單。我們很高興能夠提供我們的專業知識來滿足美國宇航局的探索需求，我們現代化、可進化的航天服將可實現快速升級，隨著時間的推移，更好、更安全的技術將能夠應用在上面，確保我們的航天員始終能用上先進且耐用的航天服。我們十分期待為我們的航天員提供先進的工具，以推動人類在星際間的探索。同時我們也會為近地軌道上的客戶提供服務，并努力實現未來建成空間站的目標，從而實現規模化太空經濟。”同時，邁克爾·蘇弗雷迪尼也表示，未來還會繼續爭取將航天服送入國際空間站。

KBR公司主要為市場提供科學、技術與工程上的各類解決方案。KBR與美國宇航局關系頗深，早在水星計劃時就已經開始與美國宇航局合作。KBR在航天領域的業務包括任務規劃、航天員績效培訓、衛星管理、航天服維護服務、飛行操作、火箭發射用基礎設施、空間系統工程等，在休斯頓的任務控制中心，幾乎每個控制臺周圍都能看見KBR員工的身影。

戴維·克拉克公司是一家長期以來為美國空軍和美國宇航局制造壓力服的公司。

帕拉貢空間發展公司是一家專業提供熱控系統的公司，其產品在潛水服領域和航天器領域都有應用。該公司參與了獵戶座飛船的研發，為獵戶座飛船設計了維生系統的管路和各類型傳感器。該公司也參與了星座計劃的航天服的研發，為航天服的維生系統提供部件。

直到今年2月，該團隊也沒有進行原型航天服的展示。目前我們唯一看到的該團隊航天服的大致模樣，是2021年11月23日公理航天公司在其官方推特賬號上放出的一張渲染圖。這張渲染圖十分模糊，但是能看出該團隊原型航天服的一些特點：其面罩上部分可以安裝四個LED燈來作為照明工具；航天服上半身的結構十分像美國宇航局自研的xEMU，其胸口正前方，頭盔正下方，兩手臂之間的空間十分狹小，意味著其有著不俗的手臂可活動區域。而在這個中間區域我們也可以看出有一個設備，應該是用來操作無線電、控制體溫和調節氣壓等等的控制臺。值得注意的是，該渲染圖顯示，其原型航天服的背包高度超過了頭頂，這也許意味著公理空間團隊的航天服采用了和xEMU一樣的背后進入式設計，只需要打開由維生系統背包充當的“艙門”就可以直接穿好航天服。而公理航天公司也表示，該航天服將有望出現在公理空間站中，為商業客戶提供太空行走服務。這或許也意味著該航天服擁有和柯林斯航天服同樣的靈活性高、易操作等特點。

▲ 公理航天公司航天服設想圖

從以上兩家公司的方案分析可看出，未來航天服將會有靈活性高、易用性強、壽命長、信息化程度高、安全性高等特點。在太空旅行隨著進入太空成本降低而日益發展的情況下，幾乎每一家商業航天公司都想從中分一杯羹；商業太空旅行的發展，也讓航天服這種高精尖且價格不菲的小型載人航天器也開始有了商業潛力。而在xEVAS下，美國宇航局通過“租賃代替自研”的方式，在滿足自身需求的同時還鼓勵商業航天公司將先進的航天服投入到市場中。這也意味著，美國宇航局在未來也許會嘗試將更多部分領域的研發和制造工作交給商業公司，以節約開支。