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21世纪的太空装设计(图)

2018-3-31 18:38| 发布者: dymodel| 查看: 97| 评论: 0|原作者: dymodel

摘要: 人类在过去50年的太空探索行动中,包括太空服装在内的太空技术日臻成熟。从1935-1936由美国热气球专家马克·瑞吉(MarkRidge)发明的第一个全压力高空服-“马克瑞吉服”(Mark RidgeSuit),到1958-1959年美国空军测 ...
人类在过去50年的太空探索行动中,包括太空服装在内的太空技术日臻成熟。从1935-1936由美国热气球专家马克·瑞吉(Mark
Ridge)发明的第一个全压力高空服-“马克瑞吉服”(Mark Ridge
Suit),到1958-1959年美国空军测试太空船外和月球表面行动服装,这个测试结果导致了后来更为精致的设计和成功用于月球登陆的RX系列,直到最近出现的全新概念的“生物装”(BioSuit),显示人类在太空装设计上的长足进步。



以机械反压力达到紧身设计的新型太空服-“生物装”示意图。(图片来源:Astronautix.com)
太空服的设计要求
外太空的环境是没有大气压力与氧气的,太空人必须穿着太空衣以维持生命。虽然在太空梭(shuttle)内可维持一定的大气压力,因此并不需要太空衣,但为了在太空梭外工作,就需要太空衣的保护。自海平面以上1200公尺的高度,大气是由20%的氧气和80%的氮气所组成。而在5500公尺处,大气的组成密度只有地表的一半。在高度12000公尺处,空气已是非常稀薄,氧气也非常稀少,配带氧气罩已不足以维生。大约到19000公尺,人必需穿着太空衣来提供呼吸的氧气,同时保持恒压状态使体液处于液态,再越往高处,周围压力极速降低将会造成体液内出现沸腾现象。
美制太空衣被加压了在0.30巴(相当于30% 地球海平面压力),但因为在太空衣内是百分之百的氧气,而不是正常的百分之二十的氧气,
人在太空衣内可呼吸的氧气量比在高度3000公尺时没有穿着太空衣的情况更多。就美制太空衣里的气压而言,在进入太空执行任务之前,
宇航员必须呼吸几个小时的纯氧,然后才可进入太空中,这个做法是必要的,为的是避免氮气溶化在体液里而不至于导致当气压减少时会产生气体,一般这种现象称为潜水夫病。俄国和未来美国航空航天局衣服被加压至0.56巴,并且缩短纯氧呼吸时间至半小时。
太空环境除了有超低温、强辐射和高真空等特点外,还有高速运动的尘埃、微流星体和流动星体,太空衣需具备保护太空人免受撞击和保持恒温的功能。同时,因太空中没有大气阻挡强烈的太阳,其温度可高达摄氏120度;在黑暗的地方,又可以降低至摄氏负160度。在阻挡外在的高、低温的同时,太空衣维生系统必需移除太空人过热的体温与水份,通常做法是用凉水环绕太空人穿的内衣周边,第一次上太空的苏联日出号(Voskhod)
和美国的双子星号(Gemini)太空船的计划中,太空衣内过热的情况曾导致许多危机。
新太空计划对太空服的新要求
早期的美国太空装是改自为高空军机与飞行实验的飞行员设计的减压装。最早的设计是1960年代美国的A7L和苏联的Krechet太空装,其设计的目的是为了能在月球表面漫步,并使太空人能在太空船和太空站外工作。
但是由于人类下一步的太空探索行动与往日有极大不同,主要侧重于进行月球或火星表面的探索研究,为了达到能在无重力环境下,太空人能在火星表面探勘的目的,目前太空装的设计势必寻求改良进步。
对于一个进行月球或火星表面探勘的太空人,他(她)是否还能穿着目前太空科学家为太空梭或太空站微重力环境设计的太空服装?答案是否定的。作为未来月球或火星表面探险的太空人的服装,它并不是只为了抵御外太空的恶劣环境而设计的,它还要必须具有能使太空人活动自如、进行适当科学勘探活动的功能。
目前使用的太空装显然不能达到这个目标。就以美国国家航天航空局(NASA)现在所使用的太空装来说,其设计的重点并不是在于太空人在太空舱和航空站工作时的活动能力,而是为了在太空微重力状态下,太空人在环绕轨道飞行的太空船内漂浮而设计。目前宇航服的设计满足不了太空人最终外出到月亮表面去挖掘石头或到火星表面筛选泥土以获取是否有水存在讯息的要求。
新型太空服以机械反压力达到紧身设计
目前最新的“生物装”与现今太空服最大的不同是,它具有靠机械反压力使得该服装能够紧紧包裹在太空员身上的特点,类似‘紧身衣’的设计,而非像以前的太空服,当太空人穿到太空站外面时,气体压力会将它鼓胀而看起来臃肿不便。
但目前为止,美国国家航空航天局(NASA)尚未采用“生物装”担纲重返月球的任务,这项任务将在2009年开始试航,在接下来的十年内飞行到国际航天站上,在2020年左右返回到月球上。但“生物装”至少为航天局提供了一款全新太空服的外观设计,以及制造构想。
“生物装”的设计关键是完全贴身,当被问到如何达到这一步时,美国麻省理工学院航太与工程系统学科的航太学教授达娃·纽曼(Dava
Newman)回答道,他们能够达到极佳行动能力和灵活弹性,可以自在的弯腰、屈膝去捡十石头,所以在四肢关节处的灵活性上做了许多改进。
太空“服装设计师”
当然这里所指的“设计师”不是一般意义上的服装设计师,而是世界顶级的科学家,从事新一代太空服装的研究和开发。
航太学教授纽曼是目前全世界凤毛鳞角的太空服装“设计师”中的一位,她在麻省理工学院的团队一直在进行上述“生物装”的太空装研究计划。这套新型的太空装能使太空人移动自如,同时具有集人类最先进的信息技术于一体。
近日,纽曼告诉CNET News.com他们如何设计模型、剪裁太空装、如何从原型上升到实际宇航服,使太空人能运动自如:
问:您可以描述一下新型太空装以及您们团队开发这个太空装的目标吗?
纽曼:我们努力寻找在设计概念和制造技术上的突破,使得我们能够为未来十到二十年的长远航天活动带来革命性的太空装概念。我们认为未来必须为太空人提供的是压力服(pressure
suit)。目前传统的方法是气体加压的服装,这种设计也很棒,我对当前的系统称羡/赞赏,但现在我们已决定重回月球,登陆火星,那么传统的服装如何能够给我们提供行动上的方便和灵活?这个问题已经十分严重。它们在微重力环境下表现还不错,但现在我们需要的是登陆月球的能力,整个环境和任务均不同了。
问:重新设计太空装对您而言是最大的挑战吗?
纽曼:这决定于您采用什么方法。我们已经采用机械反压力(mechanical
counterpressure)的方式,这意味着皮肤直接承受压力。因此维持恒定的压力无疑是一个极大的技术挑战。我们可以继续使用美国国家航空航天局
(NASA)和俄国的太空装来完成太空站从事舱外作业,但它并不是一套星球表面的行动服装,穿着它,您无法行走、慢跑或跳跃。
问:既然“生物装”的设计是以贴身为主,但仍有巨大的头罩。请问有任何方法可以改进这个不成比例的头罩吗?
纽曼:我们认为这种头罩和通常见到的头罩是一样的,所以不能说它庞大。当然设备越轻便越好,但为了给太空人有更多的视野范围,它并不算庞大。若对整套太空装都是机械反压力的设计,虽然可以减小头罩的尺寸,但却没有任何益处,反而还有许多缺点。比如,在眼窝部份很难做得紧贴。所以,在头部没有必要做机械反压设计。故我们仍然采用传统的气体加压式头罩设计,这样比较舒适。
我们的贡献是使头罩能显示出更多的资讯。目前太空装并没有显示出本身相关资讯技术的地方,因此这正是我们研究的主题之一。对太空人需要显示何种资讯?我们如何达到?例如太空人自己的心跳速率、剩下多少氧气等等,又或者月球表面的地形如何?太空人要进行探勘的相关资料,都是值得研究的。
问:今天的太空装已经使用很长时间了,它们在能够为太空人服务的能力上是否已到饱和,考虑到即将进行的太空行动。
纽曼:是的,目前的太空装基本上是限制在太空穿梭器舱内使用的。对于在舱内来说,他是极佳的服装配备,而在太空站上,他的表现也同样卓越。当初设计的目标并不是在太空站上历时几个月的无重力空间使用,但在新的计划面前,它被改进后从航天飞机上转移用于太空站上。相对于美国航空航天局和俄国的太空装,“生物装”较灵活弹性,适合做出行走、跳跃的动作。


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