宇航员新套装

时间:2020-09-09 栏目:科学24小时

李忠东

Space X宇航服独具魅力

2020年美国东部时间5月30日15时22分,美国佛罗里达州肯尼迪航天中心再度迎来航空史上的奇迹。美国太空探索技术公司(SpaceX)的一枚“猎鹰9号”火箭在39A发射台升空,成功开启了这次取名为“Demo-2”的试飞任务,高达23层的火箭可提供近200万磅推力,足以让该公司的载人“龙”飞船进入地球轨道。火箭升空约2分半钟后,第一级火箭推进器熄灭并分离,并在发射约9分钟后成功返回大西洋上的火箭接收台。在火箭升空约12分钟后,第二级火箭助推器熄灭并执行分离任务,这一阶段标志着载人“龙”飞船进入地球轨道。

在经过近19小时飞行后,载人“龙”飞船与以7.8千米/秒速度环绕地球运行的国际空间站自动对接,美国宇航员鲍勃·本肯和道格·赫尔利顺利进站。SpaceX设计的造型独特的宇航服也成了此次试飞任务中的亮点之一,引起了世人的关注。

半个多世纪过去了,宇航服也几次迭代升级。这款未来派宇航员套装与佛罗里达州肯尼迪航天中心之前发射飞船时所见过的宇航服外观迥异:上一代服装看上去十分笨重,而SpaceX宇航服线条流畅,时尚极简,贴身合体。配上前卫的头盔,着装者就像是从科幻大片中走出来的一样。宇航员套装不只外形科幻,十分轻便,而且不失足够的安全性。手套设有触控层,兼顾触屏操控,3D打印的头盔和关节过渡段均经过特殊设计,不仅可以灵活转动,在舱内失压的突发状态下还能保证良好密闭并充气保压,以保证宇航员的生命安全。

为了确保外观足够炫酷,SpaceX公司聘请了好莱坞电影服装设计大师何塞·费尔南德斯领导的铁头工作室精心打造,由费尔南德斯本人监制。铁头工作室的艺术家参与过很多好莱坞大片、漫威宇宙等服饰、配饰和道具的设计。与此同时,何塞·费尔南德斯还帮助解决了自阿波罗登月时代以来一直困扰NASA的问题,即宇航员由于戴着螺栓固定的头盔而无法移动头部,因此视野受到阻碍。铁头工作室设计的宇航服有一个装有铰接的颈部部件,让头盔可以转动,为宇航员提供了更好的视野。

NASA宇航服别具一格

2019年10月15日,NASA对外公布了时隔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“舱外探索机动装置”,这是为宇航员在月球表面活动而设计的。为了应对飞船舱外的极端温度,阻挡微陨石和其他小颗粒鞥太空碎片,它比在飞船内穿的保压服更厚重,类似于空间站宇航员进行太空行走时的着装。这套红、白、蓝三色宇航服适配所有宇航员的体型,肩部移动性比以往的更灵活。另一套与Space X最新款宇航服相似的 “猎户座飞船生存服”,是宇航员在发射和重返“猎户座”飞船时穿着的,这款保障乘员生存的橙色套装不能出仓,但可以在飞船遇到紧急情况时维持穿戴者6天的生命。

这2款新宇航服都将用于“阿尔忒弥斯”计划,该计划预计将宇航员送回月球,其中包括8个预定的发射点和2024年的月球轨道迷你站。“阿尔忒弥斯”计划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个可持续的人类存在点,并将其作为深入探索太阳系的起点。火星也排在未来的探索名单上。最初的月球任务是以“阿波罗-阿尔忒弥斯”的名字命名的,它是希腊神话中的双胞胎妹妹,也是狩猎、荒野和月亮的女神。“阿尔忒弥斯 1”计划在2020年完成月球任务。“阿尔忒弥斯 2”计划在2022年左右发射航天器将一名船员送上太空,环绕地球运行。“阿尔忒弥斯 3”准备在2024年将一位女性宇航员和一位男性宇航员(也许是两位女性宇航员)送上月球。NASA不仅计划在月球上使用这些套装,而且,它们经过修改之后也可以应用于日后的火星任务。据航天服工程师透露,宇航员在月球上穿着这些宇航服工作的时间可长达8小时。

在20世紀六七十年代的太空任务中,“阿波罗号”宇航员在月球漫步时会摔倒。因此,新套装需要能够满足宇航员屈膝,且能将物体举过头顶并完全旋转手臂的条件。NASA的一名航天服设计工程师现场展示了在压力下穿上“探索舱外机动装置”(xEMU)宇航服的情景。与此同时,试穿者还展示了摆动手指、蹲下来捡起地板上的石头等能力。新一代宇航服的灵感来自于“水星”宇航服,也被称为“海军4号”,是NASA在1958年为实施“水星”计划而研发的。现在宇航服设计工程师对“探索舱外机动装置”的安全性和机动性方面都进行了革新,支持模块化设计,比如可以快速更换头盔上的防护面罩,而非更换整个头盔。丰富的扩展性也可以让一套宇航服同时适应月球与火星的地表环境。

为了确保这次登月行动最终能到达月球南极并建立月球基地,新一代的宇航服套装必须能够保证宇航员操作活动的灵活性。宇航服全身、头盔和冷却服都将采用创新设计,可以承受约-150°C的低温,也可以承受70°C的高温,满足在月球的南北两极以及赤道区域使用。“舱外探索机动装置”的便携式生命支持系统也得到了改进,小型化的电子系统让宇航服的稳定性得到了进一步升级,增加了可以进行太空行走的时间。

从安全性的角度来看,月壤对宇航员最大的威胁来自于微小的沙砾碎片。因此,新型宇航服搭载了一套具有防尘功能的生命支持系统。从机动性方面来看,“探索舱外机动装置”的下半身结构包括关节轴承、具有弹性鞋底的远足式靴子、允许臀部弯曲和旋转以及增加膝盖弯曲程度的部件。上半身结构除了更新了肩膀位置外,其他新增的肩膀功能还使宇航员终于能够自由地移动手臂,轻松地将物体举过头顶或自主穿上加压服,或轻松地接触到宇航服前部。

目前,宇航服中使用的头戴式耳机被称为“史努比帽”,存在着会使宇航员产生闷热感,且麦克风并不总是与宇航员的动作保持一致的弊端。有鉴于此,NASA在头盔内部重新设计了通信系统。新的音频系统需要在宇航员上身内部放置多个嵌入式声控麦克风。当与其他太空行走者、网络上的机组人员或地面控制中心的任务控制人员通话时,它们会自动拾取宇航员的声音。新套装还设计有可互换的零件,这些零件可配置用于微重力环境中或行星表面的太空行走。

智能手套更胜一筹

无论舱内宇航服还是舱外宇航服,手套都是宇航服重要的组成部分。同时,航天手套也是宇航员进行操作活动的重要终端,直接影响着他们在压力应急状态下或航天器舱外活动中的工作能力。航天手套由压力手套、腕部断接器和舒适手套组成。其中,压力手套又由用于承受掌部张力和限制掌部加压后鼓胀的掌部限制组件、采用织物双面浸天然乳胶成型的掌指压力手套和腕关节组成。腕部断接器和舒适手套都有其特殊的作用。航天手套与服装本体之间依靠腕部断接器实现连接,该装置是航天手套的关键技术。腕部断接器采用特殊设计的自密封轴承结构,既保证了航天手套的气密性,又提供了手腕灵活转动的自由度,通过一个特别的自锁型分离式机械結构,可以实现手套的快速脱戴。

最近,欧洲航天局展示了一款名叫“Power Glove”的手套。它除了具备航天手套的一般功能外,还使宇航员能够通过手背上的面板控制无人机或月球车,从而省去了携带单独遥控器的麻烦。 “Power Glove”的手指上相较以往多了3个小配件:第一个小配件用于手势控制,让宇航员通过挥手远程控制无人机或月球车;第二个小配件是用于定位和测距的内置激光;第三个小配件用于显示宇航服状态和消耗品剩余量。科学家表示,用来制造这款航天手套的材料有可能使未来的宇航服拥有自我修复能力,并且还能通过能量收集来提高工作效率。

NASA的科学家也开发了一款新的智能航天手套,同样只需通过宇航员的手势便能熟练地无线控制无人机或其他机器人设备。智能航天手套的工作原理在于可以探测到非常微妙的手部以及手指的运动,然后把这些信号转换成不同类型的指令,通过无线网络传输到宇航服中的移动设备上,再由这些移动设备实时传输给无人机或其他机器人设备。这样的智能航天手套可增强运动性和可用性。2019年夏天,NASA在加拿大北极地区德文岛上使用无人机对这款智能航天手套进行了试验,结果令人满意。测试者成功地远程操纵了传统的四旋翼无人机。当然,由于大气和重力水平不同,在大气层比较稀薄的月球或火星上飞行的无人机可能需要推进器来驱动,远程操控无人机的难度会更高。

随着时间的推移,未来宇航服的敏捷性和舒适性有望持续改善,而智能航天手套是创造下一代宇航服的第一步。越来越先进的智能手套将帮助宇航员更好地探索新环境。

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