宇航員新套裝

李忠東

Space X宇航服獨(dú)具魅力

2020年美國(guó)東部時(shí)間5月30日15時(shí)22分，美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心再度迎來(lái)航空史上的奇跡。美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的一枚“獵鷹9號(hào)”火箭在39A發(fā)射臺(tái)升空，成功開啟了這次取名為“Demo-2”的試飛任務(wù)，高達(dá)23層的火箭可提供近200萬(wàn)磅推力，足以讓該公司的載人“龍”飛船進(jìn)入地球軌道。火箭升空約2分半鐘后，第一級(jí)火箭推進(jìn)器熄滅并分離，并在發(fā)射約9分鐘后成功返回大西洋上的火箭接收臺(tái)。在火箭升空約12分鐘后，第二級(jí)火箭助推器熄滅并執(zhí)行分離任務(wù)，這一階段標(biāo)志著載人“龍”飛船進(jìn)入地球軌道。

在經(jīng)過(guò)近19小時(shí)飛行后，載人“龍”飛船與以7.8千米/秒速度環(huán)繞地球運(yùn)行的國(guó)際空間站自動(dòng)對(duì)接，美國(guó)宇航員鮑勃·本肯和道格·赫爾利順利進(jìn)站。SpaceX設(shè)計(jì)的造型獨(dú)特的宇航服也成了此次試飛任務(wù)中的亮點(diǎn)之一，引起了世人的關(guān)注。

半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，宇航服也幾次迭代升級(jí)。這款未來(lái)派宇航員套裝與佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心之前發(fā)射飛船時(shí)所見過(guò)的宇航服外觀迥異：上一代服裝看上去十分笨重，而SpaceX宇航服線條流暢，時(shí)尚極簡(jiǎn)，貼身合體。配上前衛(wèi)的頭盔，著裝者就像是從科幻大片中走出來(lái)的一樣。宇航員套裝不只外形科幻，十分輕便，而且不失足夠的安全性。手套設(shè)有觸控層，兼顧觸屏操控，3D打印的頭盔和關(guān)節(jié)過(guò)渡段均經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，不僅可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在艙內(nèi)失壓的突發(fā)狀態(tài)下還能保證良好密閉并充氣保壓，以保證宇航員的生命安全。

為了確保外觀足夠炫酷，SpaceX公司聘請(qǐng)了好萊塢電影服裝設(shè)計(jì)大師何塞·費(fèi)爾南德斯領(lǐng)導(dǎo)的鐵頭工作室精心打造，由費(fèi)爾南德斯本人監(jiān)制。鐵頭工作室的藝術(shù)家參與過(guò)很多好萊塢大片、漫威宇宙等服飾、配飾和道具的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，何塞·費(fèi)爾南德斯還幫助解決了自阿波羅登月時(shí)代以來(lái)一直困擾NASA的問(wèn)題，即宇航員由于戴著螺栓固定的頭盔而無(wú)法移動(dòng)頭部，因此視野受到阻礙。鐵頭工作室設(shè)計(jì)的宇航服有一個(gè)裝有鉸接的頸部部件，讓頭盔可以轉(zhuǎn)動(dòng)，為宇航員提供了更好的視野。

NASA宇航服別具一格

2019年10月15日，NASA對(duì)外公布了時(shí)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“艙外探索機(jī)動(dòng)裝置”，這是為宇航員在月球表面活動(dòng)而設(shè)計(jì)的。為了應(yīng)對(duì)飛船艙外的極端溫度，阻擋微隕石和其他小顆粒鞥太空碎片，它比在飛船內(nèi)穿的保壓服更厚重，類似于空間站宇航員進(jìn)行太空行走時(shí)的著裝。這套紅、白、藍(lán)三色宇航服適配所有宇航員的體型，肩部移動(dòng)性比以往的更靈活。另一套與Space X最新款宇航服相似的 “獵戶座飛船生存服”，是宇航員在發(fā)射和重返“獵戶座”飛船時(shí)穿著的，這款保障乘員生存的橙色套裝不能出倉(cāng)，但可以在飛船遇到緊急情況時(shí)維持穿戴者6天的生命。

這2款新宇航服都將用于“阿爾忒彌斯”計(jì)劃，該計(jì)劃預(yù)計(jì)將宇航員送回月球，其中包括8個(gè)預(yù)定的發(fā)射點(diǎn)和2024年的月球軌道迷你站?！鞍栠瘡浰埂庇?jì)劃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個(gè)可持續(xù)的人類存在點(diǎn)，并將其作為深入探索太陽(yáng)系的起點(diǎn)?；鹦且才旁谖磥?lái)的探索名單上。最初的月球任務(wù)是以“阿波羅-阿爾忒彌斯”的名字命名的，它是希臘神話中的雙胞胎妹妹，也是狩獵、荒野和月亮的女神。“阿爾忒彌斯 1”計(jì)劃在2020年完成月球任務(wù)?！鞍栠瘡浰?2”計(jì)劃在2022年左右發(fā)射航天器將一名船員送上太空，環(huán)繞地球運(yùn)行。“阿爾忒彌斯 3”準(zhǔn)備在2024年將一位女性宇航員和一位男性宇航員（也許是兩位女性宇航員）送上月球。NASA不僅計(jì)劃在月球上使用這些套裝，而且，它們經(jīng)過(guò)修改之后也可以應(yīng)用于日后的火星任務(wù)。據(jù)航天服工程師透露，宇航員在月球上穿著這些宇航服工作的時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)。

在20世紀(jì)六七十年代的太空任務(wù)中，“阿波羅號(hào)”宇航員在月球漫步時(shí)會(huì)摔倒。因此，新套裝需要能夠滿足宇航員屈膝，且能將物體舉過(guò)頭頂并完全旋轉(zhuǎn)手臂的條件。NASA的一名航天服設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)場(chǎng)展示了在壓力下穿上“探索艙外機(jī)動(dòng)裝置”（xEMU）宇航服的情景。與此同時(shí)，試穿者還展示了擺動(dòng)手指、蹲下來(lái)?yè)炱鸬匕迳系氖^等能力。新一代宇航服的靈感來(lái)自于“水星”宇航服，也被稱為“海軍4號(hào)”，是NASA在1958年為實(shí)施“水星”計(jì)劃而研發(fā)的?，F(xiàn)在宇航服設(shè)計(jì)工程師對(duì)“探索艙外機(jī)動(dòng)裝置”的安全性和機(jī)動(dòng)性方面都進(jìn)行了革新，支持模塊化設(shè)計(jì)，比如可以快速更換頭盔上的防護(hù)面罩，而非更換整個(gè)頭盔。豐富的擴(kuò)展性也可以讓一套宇航服同時(shí)適應(yīng)月球與火星的地表環(huán)境。

為了確保這次登月行動(dòng)最終能到達(dá)月球南極并建立月球基地，新一代的宇航服套裝必須能夠保證宇航員操作活動(dòng)的靈活性。宇航服全身、頭盔和冷卻服都將采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以承受約-150°C的低溫，也可以承受70°C的高溫，滿足在月球的南北兩極以及赤道區(qū)域使用。“艙外探索機(jī)動(dòng)裝置”的便攜式生命支持系統(tǒng)也得到了改進(jìn)，小型化的電子系統(tǒng)讓宇航服的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步升級(jí)，增加了可以進(jìn)行太空行走的時(shí)間。

從安全性的角度來(lái)看，月壤對(duì)宇航員最大的威脅來(lái)自于微小的沙礫碎片。因此，新型宇航服搭載了一套具有防塵功能的生命支持系統(tǒng)。從機(jī)動(dòng)性方面來(lái)看，“探索艙外機(jī)動(dòng)裝置”的下半身結(jié)構(gòu)包括關(guān)節(jié)軸承、具有彈性鞋底的遠(yuǎn)足式靴子、允許臀部彎曲和旋轉(zhuǎn)以及增加膝蓋彎曲程度的部件。上半身結(jié)構(gòu)除了更新了肩膀位置外，其他新增的肩膀功能還使宇航員終于能夠自由地移動(dòng)手臂，輕松地將物體舉過(guò)頭頂或自主穿上加壓服，或輕松地接觸到宇航服前部。

目前，宇航服中使用的頭戴式耳機(jī)被稱為“史努比帽”，存在著會(huì)使宇航員產(chǎn)生悶熱感，且麥克風(fēng)并不總是與宇航員的動(dòng)作保持一致的弊端。有鑒于此，NASA在頭盔內(nèi)部重新設(shè)計(jì)了通信系統(tǒng)。新的音頻系統(tǒng)需要在宇航員上身內(nèi)部放置多個(gè)嵌入式聲控麥克風(fēng)。當(dāng)與其他太空行走者、網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)組人員或地面控制中心的任務(wù)控制人員通話時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)拾取宇航員的聲音。新套裝還設(shè)計(jì)有可互換的零件，這些零件可配置用于微重力環(huán)境中或行星表面的太空行走。

智能手套更勝一籌

無(wú)論艙內(nèi)宇航服還是艙外宇航服，手套都是宇航服重要的組成部分。同時(shí)，航天手套也是宇航員進(jìn)行操作活動(dòng)的重要終端，直接影響著他們?cè)趬毫?yīng)急狀態(tài)下或航天器艙外活動(dòng)中的工作能力。航天手套由壓力手套、腕部斷接器和舒適手套組成。其中，壓力手套又由用于承受掌部張力和限制掌部加壓后鼓脹的掌部限制組件、采用織物雙面浸天然乳膠成型的掌指壓力手套和腕關(guān)節(jié)組成。腕部斷接器和舒適手套都有其特殊的作用。航天手套與服裝本體之間依靠腕部斷接器實(shí)現(xiàn)連接，該裝置是航天手套的關(guān)鍵技術(shù)。腕部斷接器采用特殊設(shè)計(jì)的自密封軸承結(jié)構(gòu)，既保證了航天手套的氣密性，又提供了手腕靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，通過(guò)一個(gè)特別的自鎖型分離式機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)手套的快速脫戴。

最近，歐洲航天局展示了一款名叫“Power Glove”的手套。它除了具備航天手套的一般功能外，還使宇航員能夠通過(guò)手背上的面板控制無(wú)人機(jī)或月球車，從而省去了攜帶單獨(dú)遙控器的麻煩。 “Power Glove”的手指上相較以往多了3個(gè)小配件：第一個(gè)小配件用于手勢(shì)控制，讓宇航員通過(guò)揮手遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)或月球車;第二個(gè)小配件是用于定位和測(cè)距的內(nèi)置激光;第三個(gè)小配件用于顯示宇航服狀態(tài)和消耗品剩余量?？茖W(xué)家表示，用來(lái)制造這款航天手套的材料有可能使未來(lái)的宇航服擁有自我修復(fù)能力，并且還能通過(guò)能量收集來(lái)提高工作效率。

NASA的科學(xué)家也開發(fā)了一款新的智能航天手套，同樣只需通過(guò)宇航員的手勢(shì)便能熟練地?zé)o線控制無(wú)人機(jī)或其他機(jī)器人設(shè)備。智能航天手套的工作原理在于可以探測(cè)到非常微妙的手部以及手指的運(yùn)動(dòng)，然后把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同類型的指令，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接詈椒械囊苿?dòng)設(shè)備上，再由這些移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸給無(wú)人機(jī)或其他機(jī)器人設(shè)備。這樣的智能航天手套可增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)性和可用性。2019年夏天，NASA在加拿大北極地區(qū)德文島上使用無(wú)人機(jī)對(duì)這款智能航天手套進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果令人滿意。測(cè)試者成功地遠(yuǎn)程操縱了傳統(tǒng)的四旋翼無(wú)人機(jī)。當(dāng)然，由于大氣和重力水平不同，在大氣層比較稀薄的月球或火星上飛行的無(wú)人機(jī)可能需要推進(jìn)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)的難度會(huì)更高。

隨著時(shí)間的推移，未來(lái)宇航服的敏捷性和舒適性有望持續(xù)改善，而智能航天手套是創(chuàng)造下一代宇航服的第一步。越來(lái)越先進(jìn)的智能手套將幫助宇航員更好地探索新環(huán)境。