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設計要點

編輯

據美國《心理牙線》雜志4月2日報道，如果沒有航天服的保護，宇航員根本無法在環境惡劣的太空中生存。從概念到原型再到后投入使用，與航天服有關的很多東西可能是你不知道的。為了幫助讀者了解航天服，《心理牙線》雜志采訪了美國宇航局*航天中心*航天服設計團隊的航天服工程師林賽-艾奇遜，披露了航天服設計過程中的一系列秘密。

1.設計師需具備一系列技能

艾奇遜表示航天服設計師需要具備一系列技能，尤其是創造力和批判性思維。她說：“你需要關注細節，提出非常精細的測試計劃。在與人類測試人員合作時，你不得不設計一種測試，獲得測試者對你的設計的具有建設性的反饋，例如舒適度。如何定義舒適度?你必須站在工程學的角度考慮這個問題，設計和制作穿著舒適的航天服。”航天服需要具有創造性，將不同領域的技術融合在一起。

2.按任務要求設計

艾奇遜表示設計一款新型航天服時，宇航局的工程師必須回答兩個問題，即“要去哪里?”和“要做什么?”，幫助他們確定航天服的結構。工程師的設計工作首先著眼于宇航員將要前往的太空區域。目標區域分為兩種，一個是微引力區域，一個是行星環境。工程師根據目標區域的具體環境決定航天服賦予宇航員擁有多大的機動能力。此外，工程師還要考慮宇航員將要面臨的輻射水平、溫差以及微流星體風險。

接下來，工程師必須考慮宇航員將從事何種任務這個因素。例如，是否要用手移動身體?是否會處在微重力環境下?是否用腳行走?是否要登陸行星表面?是否使用工具進行挖掘?是否使用工具帶攜帶各種工具和利用上肢執行任務?是否需要具備自治能力?艾奇遜表示：“如果你要登陸行星表面并且是距離地球很遠的星球，你需要研發更多技術，讓航天服具備自治能力，允許宇航員具備艙外活動能力。如果是在空間站，你會與飛行控制人員進行大量直接接觸。在這種情況下，我們可以放棄一些信息技術，讓飛行控制人員幫助我們。”

3.新航天服需要新靴子

人們熟悉的航天服可能要屬艙外機動套裝(EMU)。這款航天服在設計上用于微重力環境，允許宇航員用雙手完成各項任務。為了讓宇航員具備維修空間站、太空望遠鏡和進行太空行走的能力，EMU航天服在設計上讓宇航員的肩膀、雙手和手臂部位擁有很大的機動能力。艾奇遜表示：“你利用航天服的下半部分穩定身體，讓你在機械臂末端上時擁有一個穩定的工作平臺。如果身體搖搖晃晃，你干不了任何工作。”

包括Z-2在內的新航天服針對行星環境設計。艾奇遜和其他設計師用了很長時間設計腕部和胯關節以及靴子。她說：“這是‘阿波羅’號任務后我們*次設計靴子。在不同于地球的引力環境下，你的行走方式會發生變化。現在，我們正在設計適于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU采用的是硬底靴，新航天服的靴子與之截然不同。”

為了確定何種靴子較適合新航天服，艾奇遜在2008年對不同靴子進行了大量行走測試。她說：“我們在不同重力環境下測試靴子。測試就像在跑步機上行走一樣，由于索具支撐航天服的重量，你會覺得自己就像在重力為地球3/8或者1/6的表面行走一樣。”。研究小組在航天服下肢部分安裝一系列運動捕捉標記，分析足部、腳踝以及臀部在不同重力環境下如何移動。她說：“我們在測試中發現人們在不同重力環境下行走時往往臀部搖擺，就像飛跑一樣。通過對此進行研究分析，你能夠確定靴底柔軟度和硬度需要達到怎樣的程度才能降低行走難度。”目前，研究小組仍在對設計進行評估，關注焦點是一款適于徒步旅行的靴底。艾奇遜說：“這種靴底的前足部位較硬，中足部位較為柔軟，適于需要跪下才能完成的任務。”

4.減輕重量是目標

EMU的重量達到驚人的300磅(約合136公斤)。不過，身處微重力環境下的宇航員并不會感受到這一重量。艾奇遜表示包括背包在內的阿波羅航天服在地球上重180磅(約合82公斤)，但在月球上只有30磅(約合14公斤)。穿上這種航天服時，宇航員的行動受限。新航天服的目標是讓宇航員在擁有很大行動能力的同時減輕重量。她說：“提高行動能力時，我們需要增加軸承等硬件，軸承很適于加壓服，但會增加重量。我們正在研究如何在添加硬件的同時保持航天服低重量的方式。目前，我們將目光聚焦鈦材料，這種材料能夠讓軸承的重量減少大約30%。此外，我們也考慮采用新型合成材料，用于上肢、臀部以及較短部位。”艾奇遜表示新型航天服Z-2的重量將比EMU少大約20磅(約合9公斤)，并不算太輕。“不過，我們讓下肢擁有全部功能，這是以往的航天服所不具備的。”

5.設計工作從老型號著手

一旦確定“要去哪里?”和“要做什么?”這兩個問題的答案，工程師便開始設計工作。*航天服設計團隊擁有至少30年的航天服設計經驗，包括航天飛機航天服以及阿波羅計劃的航天服。艾奇遜表示：“我們從測試這些航天服開始，了解不同的特征。通過測試，我們得以確定不同肩部設計適于何種運動，了解不同的臀部和靴子設計以及穿著方式。是否需要拉鏈?諸如此類的事情。”通過測試老航天服，工程師能夠設計出滿足特定任務需要的航天服。

“阿波羅”號宇航員所穿的航天服

Z-2航天服

麻省理工學院研制的機械反壓服

6.宇航局負責設計 私營公司負責制作

航天服的設計和測試工作由宇航局的科學家在實驗室進行。完成這些工作后，航天服進入制造階段。宇航局將他們的設計送交私營公司，由他們負責制作。艾奇遜指出：“我們提出總體設想和具體要求，讓他們了解我們需要制造怎樣的航天服。我們與一系列私營公司合作，讓他們按照我們提供的規格制造。”工程師一次只設計一款航天服。2005年“星座”計劃開始后，他們每3到5年便設計一款原型。

7.確定部位手工縫合

在阿波羅時代，航天服進行手工縫合。你可能認為隨著技術的不斷進步，這種做法已成為歷史，但實際情況并非如此。航天服的內層被稱之為“氣囊”，就像一個內充空氣的氣球，使用機器密封和縫合。氣囊上方是約束層，賦予氣囊強度和結構。艾奇遜表示：“約束層確保氣囊處于特定位置，承受航天服的所有負載，防止氣囊在宇航員彎曲肘部或者施壓時承受太大壓力。”

約束層仍需要手工縫合。艾奇遜說：“我們有一個房間，里面都是縫紉工，操作不同類型的縫紉機，具體取決于需要縫合航天服的哪一個部位。手工縫合的精確度*，某些部位的精確度可達到1/16英寸(約合1.6毫米)，精確度之高令人難以置信。”在縫合確定部位時，縫紉工使用特定的縫線，具體取決于這個部位是否需要更大強度或者彈性。

8.采用技術

工程師采用3D激光掃描儀和3D打印機設計Z-2航天服。這在歷*還是*次。

9.航天服允許漏氣

航天服允許漏氣，但只是少量漏氣。艾奇遜指出整套航天服允許的大漏氣量為100 SCCM(標準狀態毫升/分)。為了確保航天服不漏氣，在制作時必須滿足設計師提出的各種要求，各部位還要接受嚴格測試。縫份使用尺子測量，樣品被故意毀壞，以確定是否滿足強度方面的要求。艾奇遜說：“測試人員會使用一臺機器拉扯縫合部位或者織物本身。”

拿到全套航天服后，設計師也會親自測試。艾奇遜說：“我們進行結構和泄露測試，對航天服進行充氣，使其壓力達到正常操作壓力的1.5倍——太空行走時的壓力是4.3 PSI——以測試結構的穩固性，確定縫合部位是否存在任何漏洞或者出現漏氣現象。在此之后，我們進行結構測試，讓壓力回到正常操作壓力，而后再次進行泄露測試。”

10.沒有定制航天服

為每一名宇航員定制航天服顯然不具有成本效益。航天服的制作采用一個模塊系統，這是導致航天服笨重的部分原因。艾奇遜表示：“在將所有組件組裝在一起時，后的航天服的尺寸往往超過各個組件的簡單之和，適于更多人群。從小號、中號到大號，我們會制作一系列組件，根據宇航員的體型選擇組件并進行組裝。這種方式有助于空間站的后勤保障工作。”目前，空間站上的組件可以組裝4套EMU航天服，此外還有大量備用組件。模塊系統也便于航天服的維護。如果一個組件發生破損，工程師只需進行替換，無需制造一套新的航天服。

Z-2航天服

11.工程師一次只研發一款航天服

鑒于航天服設計和測試工作的復雜性和嚴格性，工程師一次只研發一款航天服。艾奇遜說：“我們希望了解哪些設計有用，哪些設計沒用，而后開始下一階段的工作。”從概念到設計再到原型和測試，制作一款新航天服需要很長時間，通常超過一年時間。Z-2航天服的制作將于3月開始，8月結束，而后開始測試工作。

12.穿航天服之前需要穿很多層衣物

在科幻大片《地心引力》中，桑德拉-布洛克飾演的宇航員脫下EMU航天服時身上只穿著緊身背心裝和短褲。這顯然與真實情況不符，被航天服包裹的宇航員實際上穿著很多層衣物，其中包括所謂的大吸收量衣物(MAG)。艾奇遜表示：“MAG基本上就是一個尿布，但吸收量遠遠超過普通尿布。它是你的廢物管理系統。MAG外面是舒適的內衣，剪裁合身的長內衣褲，讓宇航員在佩戴液體冷卻衣物情況下仍十分舒適。艾奇遜說：“液體冷卻衣物在宇航員身穿航天服工作時保持皮膚涼爽。我們可不希望宇航員出一身汗。為此，我們給航天服安裝了很多管子，里面有涼水流動，吸收皮膚的熱量并將熱量排放到太空。”

13.加壓服制作方式很多

任何前往太空的人都需進行加壓，以保持身體機能正常。保持身體機能正常的低氣壓要求是2.5 PSI，例如肺部膨脹和血液流動。艾奇遜指出略高于這一氣壓的效果更好。為了做到這一點，宇航員需要穿加壓服，例如宇航局宇航員所穿的加壓服，或者利用機械反壓的衣服，例如麻省理工學研制的機械反壓服。艾奇遜說：“你可以把機械反壓服理解成緊身濕式潛水服，通過向皮膚施壓達到所需的壓力水平。”

上世紀70年代，宇航局的保羅-韋伯博士曾研制機械壓力服，被稱之為“太空活動服”。雖然這款加壓服性能出色，但需要很長時間并且在多人的幫助下才能穿上。除了這個缺陷外，機械壓力服還有其他缺陷。艾奇遜說：“有一件事情是你必須考慮的，那就是確保身體各部位的皮膚承受的壓力均勻分布。凹陷部位或者從扁平變成凹陷的部位——手掌、肘背、膝蓋和腹股溝——會在宇航員移動時改變形狀。你需要研發性能可靠的材料，置于這些部位并隨著它們外形變化相應做出移動。在研發幫助我們在未來5到10年進行太空探索的技術時，我們面臨很多挑戰。加壓服能夠幫助我們探索太空。”

14.Z-2航天服尺寸很小

Z-2航天服是迄今為止研制的尺寸小的航天服之一。艾奇遜表示：“Z-1航天服采用13英寸(約合33厘米)的圓頂設計。這種設計適合體型較大的男宇航員，但對體型較小的女宇航員來說顯得過大。因此，必須對這款航天服進行瘦身。我們對當前的宇航員隊伍進行了分析，試圖設計一款適合體型處在底部40%這一范圍的所有宇航員。”Z-2航天服的目標是適合從處在第5個百分位的女性到處在第99個百分位的男性的所有宇航員。很顯然，這是一個巨大的跨度。

15.公眾可為喜歡的設計投票

宇航局的上一款航天服設計Z-1讓人聯想到《玩具總動員》中的巴斯光年。艾奇遜表示：“圍繞這個話題展開的討論很多。我們希望利用這一點激發人們的興趣，促使人們進一步了解航天服。為了收到更好的效果，我們創建了一個投票站，讓網民為自己喜歡的航天服投票。”

宇航局工程師與費城大學的服裝設計系學生合作，設計航天服的外觀。整個設計過程與工程師*以來習慣的方式存在巨大差異。艾奇遜說：“他們采取了一種不同以往的方式，讓服裝設計系的學生參與其中。我們需要讓航天服表達一系列主題，例如愛國主題、傳統主題或者科學和技術主題。我們初步選擇了12個主題，后將從中挑選出能代表我們的主題。”基于這一點，工程師和學生設計師挑選了3個主題，即仿生、科技和社會趨勢主題。

目前，這些設計還*處于美學范疇。艾奇遜認為生物發光技術可用于仿生主題航天服。她說：“在登陸其他行星之后，如果我們所處的工作環境日/夜周期恒定，這可能是人員識別的一個理想方式。現在，我們在織物的兩側和上臂位置添加條紋，為每一名宇航員選擇不同的顏色，便于辨認。生物發光技術是一種有效的識別方式，能夠讓登陸行星表面的宇航員受益。”