美國航空航天局新型Z系列艙外航天服

（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

1 Z－1艙外航天服

Z－1艙外航天服款式

為實現(xiàn)探測火星的新目標，NASA于1992年決定更新艙外航天服。他們用了20年時間研制出新型Z－1艙外航天服，又稱為便攜式生命支持系統(tǒng)2.0樣機。NASA于2012年公布完成了Z－1艙外航天服樣機的測試，它采用白色和綠色兩種顏色，帶有巨大的半球形透明圓頂設(shè)計，與動畫片《玩具總動員》中巴斯光年身上的服裝非常相似。

酷似巴斯光年的Z－1艙外航天服

Z－1艙外航天服的設(shè)計要求要達到能抗擊一定速度的空間碎片撞擊，同時還必須滿足長時間太空行走的防輻射和調(diào)節(jié)溫度的功能，以確保更好的密閉性和安全性。計劃到21世紀30年代，登陸火星的航天員將身穿Z－1艙外航天服登上火星。

Z－1艙外航天服特點

Z－1艙外航天服與以往設(shè)計的航天服完全不同，其設(shè)計的一個亮點就是它采用背入式設(shè)計，即在服裝的背后設(shè)計有“入口”，能夠方便航天員更輕松地進入，而不像現(xiàn)在穿上航天服需要近1h。而且，當(dāng)航天員從太空中回到航天飛機或空間站時，背后的開口還可以被當(dāng)作是氣閘。這樣，當(dāng)航天員完全進入艙室，背后的開口就剛好卡在了艙門入口處。

另外，雖然這套Z－1艙外航天服采用了多種硬性元素物質(zhì)，但是它表面的聚氨酯涂層尼龍和聚酯層能有效地控制航天服內(nèi)的壓力，對腿部、腳踝、臀部和腰部有更好的保護，免去了調(diào)壓花費的時間。而安裝在關(guān)節(jié)處的軸承可以保證航天員在外太空的靈活運動，讓航天員的腰、臀、大腿、腳踝等部位活動程度更大。

此外，Z－1艙外航天服的能源由其巨大的生命保障系統(tǒng)—背包提供，該背包將為航天員提供所有在出艙活動中所需要的支持，包括氧氣、通風(fēng)設(shè)備以及相關(guān)的電子設(shè)備等。航天員在穿航天服時不再需要一個氣閘來控制可能會被浪費掉的氧氣。同時，Z－1艙外航天服在制冷和去除二氧化碳技術(shù)上也有所突破，它帶有一個薄膜蒸發(fā)冷卻設(shè)備，以吸收多余的熱量，保持航天服中的適宜溫度，能夠幫助航天員避免在極熱或者極寒的條件下受到傷害。

Z－1艙外航天服采用背入式設(shè)計

但是Z系列艙外航天服還只是樣機，尚不具備出艙條件，NASA正在繼續(xù)研制改進型的Z－2產(chǎn)品。NASA于2013年與其艙外航天服和工程薄膜及織物產(chǎn)品設(shè)計和制造商ILC Dover公司簽訂了一份18個月的合同，旨在設(shè)計、制造和測試NASA下一代Z－2艙外航天服。新式航天服的設(shè)計目標是增強艙外活動能力，比以前的航天服具有更高的壓力水平，這將極大地提高探索工作的效率。

2 Z－2艙外航天服

繼推出Z－1艙外航天服樣機2年后，NASA于2014年公布了全新的Z－2艙外航天服設(shè)計概念圖，NASA表示Z－1航天服是此款Z－2艙外航天服的原型。

Z－2艙外航天服款式

Z－2艙外航天服有三款設(shè)計，最大的特點是背部的生命保障系統(tǒng)與頭盔相連接。這三款Z－2艙外航天服有一些相似之處，即都采用了仿生技術(shù)，如果天體表面環(huán)境較為昏暗，就可以進行照明。但是每一款航天服都裝有不同的電致元件防護層，因此，都有著相對獨特的發(fā)光模式。

三款Z－2艙外航天服

航天服的防護層對地面模擬實驗將起到重要作用，能在實驗階段避免其下一層受到磨損和劃傷，防護層也將使航天服看起來更加美觀。太空行走時，防護層也將起到一些重要作用，例如輻射保護、高低溫保護，并且對于微流星具有一定的抗沖擊作用。

（1）“仿生款”Z－2艙外航天服

“仿生款”的設(shè)計靈感來源于與太空有著同等惡劣條件的環(huán)境，即海底世界。在人們想象不到的海底深處，有一些水生生物具有獨特的發(fā)光能力和魚的鱗狀表層，并且世界上有一些爬行動物也是如此，這恰恰反應(yīng)了地球上處于惡劣環(huán)境的生物自我保護的能力。

據(jù)此特點，該款航天服模仿深海某些魚類或爬行動物的表皮，在褶皺處部位安裝了仿生照明線，如肩部、肘部、髖部、膝蓋，以及硬上軀干上的電致發(fā)光線，使航天服在暗處清晰可見。

（2）“科技款”Z－2艙外航天服

“科技款”的設(shè)計集上一代航天服優(yōu)點與未來設(shè)計為一體。該款設(shè)計使用了發(fā)光線和發(fā)光板，有助于更準確地識別隊友，從而使其在太空行走方面邁出了堅定的一步。

“科技款”Z－2艙外航天服3D模型

“仿生款”Z－2艙外航天服3D模型

該設(shè)計在航天服的一些部位上特別加以應(yīng)用，包括上下軀干、暴露旋轉(zhuǎn)式軸承、用于活動的折疊處褶皺以及下軀干的抗磨損面板。

（3）“社會潮流款”Z－2艙外航天服

“社會潮流款”是基于一種將來日常生活中穿著的想法而設(shè)計的。這款航天服配有個性化電致發(fā)光元件和明亮色彩設(shè)計，運動感最強，并融入了可穿戴技術(shù)元素。

此款設(shè)計特別之處在于其全身褶皺處縫以補襠，同時為了突出靈活性，在航天服的上下軀干處都使用了多樣化的暴露旋轉(zhuǎn)式軸承和電致發(fā)光元件。

Z－2艙外航天服特點

Z－2艙外航天服是NASA打造的新一代Z系列艙外航天服的最新樣機，它朝著最終的具有飛行能力的設(shè)計又邁進了一步。NASA稱此艙外航天服具有里程碑式的意義，因其采用了很多創(chuàng)新式設(shè)計。與Z－1相比，Z－2艙外航天服還做了一些關(guān)鍵性的改進。最顯著的一點區(qū)別是 Z－1艙外航天服采用了軟上軀干結(jié)構(gòu)，Z－2艙外航天服則首次結(jié)合航天服氣閘艙概念，采用硬上軀干結(jié)構(gòu)。在航天服的上下軀干系統(tǒng)上應(yīng)用先進的抗腐蝕復(fù)合材料，這將滿足長期出艙活動所必需的耐用性要求?；诖饲皩－1艙外航天服進行的為期2年的評估，Z－2艙外航天服的肩部及臀部的軸承設(shè)計也有明顯的改進，從而優(yōu)化了這些關(guān)節(jié)的靈活性。此外，航天靴的設(shè)計也更加利于太空行走，而且Z－2艙外航天服的材料也能與全真空環(huán)境相兼容。

“社會潮流款”Z－2艙外航天服3D模型

Z－2將是迄今為止打造的最適體的、可調(diào)節(jié)的硬上軀干航天服，在開發(fā)和調(diào)整階段都首次采用3D打印技術(shù)。它還是首次在全真空中進行檢測，并用于特定行星探索的航天服。

Z－2艙外航天服使用計劃

NASA將與ILC Dover公司和費城大學(xué)共同合作生產(chǎn)此款艙外航天服，計劃于2014年11月打造第一套選定的該艙外航天服樣機并進行模擬測試。

除了對適體性和靈活性評估以外，目前NASA正計劃對Z－2艙外航天服進行一次綜合測試，包括一系列的全真空測試，模擬太空失重。還需要在模擬太空失重環(huán)境的中性浮力水槽中驗證密封性能。之后，該航天服還要在約翰遜航天中心模擬火星巖石環(huán)境中進行進一步的測試，這將有助于評估航天服的靈活性、舒適性和工效。到2017年，Z－2艙外航天服將在“國際空間站”上進行測試。

4 結(jié)束語

N A S A下一步的工作重點是開辟火星探索之路，目前已經(jīng)開始研發(fā)航天員在火星上生活和工作的相關(guān)技術(shù)。Z－2艙外航天服具備可在其他天體，比如火星、月球以及小行星上行走的能力，這3個探索目標是NASA未來深空探測的主要方向。屆時，Z－2艙外航天服將面臨新的挑戰(zhàn)。Z系列艙外航天服的每一次重新開發(fā)都有助于提升航天服技術(shù)，將來第一批登陸火星的人類穿著的服裝可能應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。

此外，NASA還計劃研制改進型Z－3艙外航天服產(chǎn)品，Z－2艙外航天服相關(guān)的測試結(jié)果最終都將用于指導(dǎo)Z－3航天服的設(shè)計。據(jù)悉，Z－3航天服將于2017年問世。

除艙外航天服以外，NASA正在研發(fā)新的運輸系統(tǒng)，包括乘員艙、重型火箭飛行器，來拓展人類的空間探索，利用創(chuàng)新的、先進的技術(shù)來實現(xiàn)對太陽系范圍內(nèi)的其他星球和小行星的探測。