艙內(nèi)航天服現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

陳樹剛， 席林斌， 李潭秋， 劉冀念， 劉磊剛

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094)

1 引言

載人航天任務(wù)中壓力應(yīng)急事件是對(duì)航天員生命安全的重大威脅，艙內(nèi)航天服是應(yīng)對(duì)這一威脅的必備救生裝備。 美國從早期研制的水星號(hào)、雙子星號(hào)、阿波羅號(hào)飛船使用的航天服以及航天飛機(jī)使用的發(fā)射再入服，均一直在進(jìn)行改進(jìn)[1-2]；星座計(jì)劃開展了航天服整體構(gòu)架系列設(shè)計(jì)[3]，雖然整體計(jì)劃中止，但是也形成了獵戶座航天服[4]；此外，美國商業(yè)航天服的研究也正蓬勃開展，太空探索(SpaceX)公司、波音(Boeing)公司、國際橡膠公司(International Latex Corporation， ILC)等多種艙內(nèi)服也紛紛亮相[5]。 俄羅斯一直對(duì)其應(yīng)用在聯(lián)盟飛船的雄鷹(Sokol)系列艙內(nèi)航天服不斷進(jìn)行改進(jìn)，2019 年在莫斯科航展上發(fā)布了新型載人飛船使用的雄鷹-M 型艙內(nèi)航天服，應(yīng)用了一系列新材料、新技術(shù)以改進(jìn)航天服性能[6]。 中國當(dāng)前在役的艙內(nèi)航天服自載人航天任務(wù)啟動(dòng)以來一直應(yīng)用至今，期間也對(duì)服裝進(jìn)行了適體性和工效性能的多次改進(jìn)，形成了較為完善的技術(shù)體系[7]。

隨著載人航天任務(wù)的發(fā)展，對(duì)艙內(nèi)航天服也提出了一系列新的需求。 此外，航天服相關(guān)的先進(jìn)材料體系、成型工藝等領(lǐng)域也在不斷進(jìn)步，為艙內(nèi)航天服的發(fā)展提供了支撐。 本文結(jié)合艙內(nèi)航天服的發(fā)展歷程進(jìn)行綜述，提出未來艙內(nèi)航天服應(yīng)當(dāng)針對(duì)長期壓力應(yīng)急的功能需求開展研究，并且應(yīng)針對(duì)多工況多目標(biāo)開展協(xié)同設(shè)計(jì)，提升工效性、舒適性和美學(xué)設(shè)計(jì)。

2 發(fā)展歷程

美國和俄羅斯針對(duì)不同的任務(wù)目標(biāo)和飛行器，開展了具有各自特色的艙內(nèi)航天服研制，形成了多代多系列的航天服體系。

2.1 美國航天服

2.1.1 水星號(hào)航天服

水星航天服是為應(yīng)對(duì)太空艙失壓的緊急情況而設(shè)計(jì)，僅在飛船艙內(nèi)穿著，于1959 年開始研制，并于1961 年至1963 年完成了6 次空間飛行任務(wù)[8]。 水星號(hào)航天服為全軟式艙內(nèi)航天服，由美海軍Mark IV 型飛行全壓服改進(jìn)而成。 水星航天服內(nèi)層是氯丁橡膠涂層尼龍，外層是鍍鋁尼龍，能抵抗太空紫外線和熱輻射；采用前開襟氣密拉鏈，增加了腰部橫向拉鏈，提升穿脫方便性；手套通過氣密拉鏈連接。 水星號(hào)航天服重約10 kg，工作壓力為25.5 kPa。

2.1.2 雙子座航天服

在以載人登月為目標(biāo)的阿波羅項(xiàng)目開始籌備的同時(shí)，作為積累經(jīng)驗(yàn)的雙子座計(jì)劃也同時(shí)啟動(dòng)。大衛(wèi)·克拉克公司(David Clark company)在X-15高超音速飛機(jī)飛行服的基礎(chǔ)上研發(fā)了由背部穿脫的G3C 艙內(nèi)航天服；在雙子座4 號(hào)任務(wù)中，基于G3C 型改進(jìn)得到的G4C 型航天服，兼具艙內(nèi)與艙外航天服雙重用途，于1962 年實(shí)現(xiàn)了美國首次出艙活動(dòng)；改進(jìn)型G5C 型航天服作為艙內(nèi)航天服，在1966 年雙子座7 號(hào)任務(wù)中使用[9]。

雙子座航天服工作壓力均為25.5 kPa，其壓力服組件重量為10.7～15.4 kg。 為了保證艙外活動(dòng)的工效性能，采用了Link-net 技術(shù)，在氣密層外罩一層用特氟綸混紡材料織成的網(wǎng)，限制航天服的過度膨脹。 采用后入式氣密拉鏈穿脫，頭盔及手套采用氣密軸承連接，保證活動(dòng)性和快速斷接。

2.1.3 阿波羅航天服

阿波羅計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了載人登月，在登月任務(wù)中，存在艙內(nèi)應(yīng)急壓力防護(hù)、軌道出艙壓力防護(hù)和月面出艙壓力防護(hù)多種任務(wù)模式。 為此，國際橡膠公司于1960 年～1972 年研發(fā)了艙內(nèi)/艙外航天服系統(tǒng)[10](圖1)。 阿波羅航天服分為2 種:一種是指揮艙航天員穿著的CMP (Command Module Pilot)A7LB，用于座艙減壓和應(yīng)急模式的IVA(Intravehicular Activity)以及空間EVA(Extravehicular Activity)，艙載模式。 另一種是登月服，由指令長和登月艙航天員穿著的EV (Extravehicular)A7LB，主要用途是月面EVA。 航天服采用氣密拉鏈后入式穿脫結(jié)構(gòu)，其工作壓力為25.5 kPa，艙內(nèi)活動(dòng)壓力服組件重28 kg。

圖1 阿波羅航天服[10]Fig.1 The A7LB spacesuit used in Project Apollo[10]

這一系列的最初原型編號(hào)為A5L，又通過增加保溫設(shè)計(jì)進(jìn)化至A6L；A7L 提升了阻燃耐高溫性能，并且改進(jìn)了軟關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)；改進(jìn)型A7LB 附加液冷系統(tǒng)，優(yōu)化了穿脫方式，在液冷服模式下最長可使用115 h，或在非加壓模式下使用14 天。

2.1.4 航天飛機(jī)發(fā)射再入服

航天飛機(jī)系列任務(wù)中，大衛(wèi)·克拉克公司針對(duì)航天飛機(jī)發(fā)射、再入的艙內(nèi)壓力防護(hù)開發(fā)了系列航天服，主要包括發(fā)射再入服(Launch Entry Suit，LES) 和先進(jìn)乘員逃生服(Advanced Crew Escape Suit，ACES)[1](圖2)。 發(fā)射/再入服在1987 年至1995 年的任務(wù)中使用，是一套19 kPa 的半壓防護(hù)服，在穿著者的身體和航天服外層之間加入了充氣的雙壁氣囊，在充氣時(shí)為身體提供直接的機(jī)械反壓力。 軀干組件約束層采用了Gore-Tex 和Nomex 織帶，以提高活動(dòng)性。

圖2 先進(jìn)乘員逃生服(ACES)[1]Fig.2 The advanced crew escape suit (ACES)[1]

先進(jìn)乘員逃生服是一款全壓服，從1990 年應(yīng)用至今，采用氣密拉鏈后入式結(jié)構(gòu)，其工作壓力為24 kPa，它的設(shè)計(jì)提高了舒適性和整體性能，有助于減少乘員的壓力和疲勞。 先進(jìn)乘員逃生服上身和上肢使用Link-net 系統(tǒng)作為限制層，下肢進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用Nomex 織物作為限制層和外罩；通過平褶結(jié)構(gòu)對(duì)手套進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，結(jié)合透氣材料，減少熱負(fù)荷，提高舒適度，減少局部壓力和疲勞。

2.1.5 星座計(jì)劃航天服系統(tǒng)

星座計(jì)劃航天服系統(tǒng)項(xiàng)目(Constellation Spacesuit System， CSSS)目標(biāo)是建立一個(gè)具有較強(qiáng)適應(yīng)性的航天服系統(tǒng)，通過改變航天服系統(tǒng)的部組件，航天服可以適應(yīng)3 個(gè)不同的任務(wù)階段[11](圖3):第1 階段是一套發(fā)射、再入和中止壓力服，可支持應(yīng)急艙外活動(dòng)和臍帶系統(tǒng)，具備IVA 和微重力EVA 能力，在發(fā)射、入軌、座艙失壓和需要到飛船外部應(yīng)急維修時(shí)穿著；第2 階段是在此基礎(chǔ)上研制登月服，既能適應(yīng)最初7～10 天月面停留的短期需求，又能滿足后期建造月球前哨站長達(dá)6 個(gè)月的多次出艙需要；第3 階段是對(duì)登月服進(jìn)行改進(jìn)研制火星服，以支持載人火星探測(cè)。

圖3 星座計(jì)劃航天服系統(tǒng)[11]Fig.3 The constellation spacesuit system[11]

2006 年，NASA 支持大衛(wèi)·克拉克公司改進(jìn)先進(jìn)乘員逃生服，形成活動(dòng)增強(qiáng)型先進(jìn)乘員逃生服(Enhanced mobility ACES，EM-ACES)[12]。 這代表了星座計(jì)劃航天服的第一種配置，支持發(fā)射、再入和應(yīng)急艙外活動(dòng)。 EM-ACES 不同于以前的乘員逃生航天服，在30 kPa 的壓力下工作，其改進(jìn)的活動(dòng)性系統(tǒng)既可支持艙外活動(dòng)，也可以在發(fā)射艙內(nèi)緊急事件時(shí)提供有效的人員逃生和救援。

2006 年，國際橡膠公司開展了星座航天服系統(tǒng)項(xiàng)目[13]。 延續(xù)前期的工作，ILC 研制了第4 代I-Suit 航天服樣機(jī)，該樣機(jī)為后入式航天服，其特點(diǎn)在于配備了ILC 公司的反轉(zhuǎn)壓力面窗，并具備發(fā)射、再入和中止航天服以及應(yīng)急艙外活動(dòng)所必要的特點(diǎn)。 2007 年研制了第5 代I-Suit 航天服，其特點(diǎn)是配備了全軟式軀干和肩部，采用拉鏈腰入式穿脫結(jié)構(gòu)。 I-Suit 適應(yīng)于航天飛機(jī)的生命保障系統(tǒng)，其工作壓力為30 kPa。

由于多種原因，星座計(jì)劃航天服項(xiàng)目于2010年10 月終止，僅保留了第1 階段的艙內(nèi)防護(hù)系統(tǒng)，形成了獵戶座航天服。

2.1.6 獵戶座航天服

獵戶座飛船設(shè)計(jì)目的是將航天員送往月球軌道和其他近地軌道以遠(yuǎn)的目的地，完成發(fā)射、上升、穿越深空和重返地球任務(wù)，設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)間為21 天或更長。 航天服不僅要在發(fā)射、再入發(fā)生短時(shí)間壓力應(yīng)急時(shí)保護(hù)乘員，而且可以在深空飛行期間發(fā)生緊急狀況返回地球的途中使用。 大衛(wèi)·克拉克公司和NASA 共同設(shè)計(jì)和開發(fā)了新型艙內(nèi)航天服，作為乘員救生系統(tǒng)(Orion Crew Survival System， OCSS)的一部分[14](圖4)。 獵戶座航天服由高級(jí)乘員逃生服S1035 ACES 演變而來，根據(jù)新需求進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。 由外罩、頭盔、手套、靴子和各種輔助設(shè)備組成，壓力服包含氣密層和高強(qiáng)度、低伸長率的限制層，適應(yīng)短時(shí)55 kPa/長期29 kPa 的壓力制度，可以在獵戶座閉環(huán)環(huán)控生保系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)使用；針對(duì)短時(shí)55 kPa 和觸屏功能兩個(gè)要求，手套經(jīng)過了重新設(shè)計(jì)，并同時(shí)保留了手套的活動(dòng)性、靈巧性和觸覺性；維持了原通信頭戴的配置，但改進(jìn)了通信頭戴和頭盔結(jié)構(gòu)。

圖4 獵戶座艙內(nèi)航天服[14]Fig.4 The Orion spacesuit[14]

2.1.7 其他商業(yè)航天服

1)SpaceX 艙內(nèi)服。 太空探索公司的艙內(nèi)航天服屬于載人龍飛船的乘員裝備，面向近地軌道天地往返任務(wù)[15]。 頭盔為3D 打印而成，并且集成了開關(guān)遮光罩、通風(fēng)降溫系統(tǒng)、耳機(jī)麥克風(fēng)通信等功能；外罩層由Nomex 芳綸和聚四氟乙烯織物組成，具有阻燃抗污功能；設(shè)計(jì)了右大腿隱藏式面板，將生保系統(tǒng)、供電與通信等外部接口集成；精細(xì)設(shè)計(jì)的手套具備觸屏功能，與龍飛船內(nèi)部界面相適應(yīng)(圖5)。

圖5 SpaceX 艙內(nèi)航天服[15]Fig.5 The SpaceX spacesuit[15]

2)Pathfinder 艙內(nèi)航天服。 國際橡膠公司開發(fā)了用于演示和測(cè)試的商用航天服，其最新代表為Pathfinder 航天服[16]。 Pathfinder 航天服采用軟式頭盔，在領(lǐng)口處采用氣密拉鏈密封。 航天服樣機(jī)已通過各種測(cè)試，包括舒適性評(píng)估、加壓活動(dòng)性、座椅接口、通風(fēng)供氧和熱集成測(cè)等。

3)波音公司艙內(nèi)服。 波音公司航天服屬于星際航線飛船的乘員裝備，也是面向近地軌道任務(wù)[17]。 該航天服由大衛(wèi)·克拉克公司設(shè)計(jì)，采用全軟式結(jié)構(gòu)，氣密拉鏈背入式穿脫；航天服在限制層腰部設(shè)置了拉鏈，以便在座椅或站立時(shí)適應(yīng)服裝形態(tài)；頭盔和面窗與服裝連成一體，替代了傳統(tǒng)航天飛機(jī)航天服的可拆卸式頭盔；采用了觸摸屏手套；整套航天服重量約9 kg，配有通信頭戴等組件。

2.2 俄羅斯航天服

2.2.1 SK 系列航天服

1961 年4 月12 日，蘇聯(lián)尤里·加加林乘坐東方1號(hào)宇宙飛船進(jìn)入太空，他穿著的是星星公司(NPP Zvezda)研制的SK-1 艙內(nèi)航天服。 SK-1作為第一款真正進(jìn)入太空的航天服，為全軟式結(jié)構(gòu)，只配備了最簡單的生命維持系統(tǒng)和加壓設(shè)計(jì)，但是這款航天服的設(shè)計(jì)奠定了未來航天服的基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路[18]。

之后在SK 系列航天服基礎(chǔ)上優(yōu)化尺寸改進(jìn)設(shè)計(jì)，研發(fā)了兼具艙內(nèi)與出艙活動(dòng)功能的金雕型(Berkut) 航天服，于1965 年完成了世界首次出艙活動(dòng)[19]。 金雕航天服第一次使用了備份氣密層，研發(fā)了真空環(huán)境熱防護(hù)系統(tǒng)，并采用40.6 kPa和27.4 kPa 兩種壓力模式，發(fā)展了開放式生命維持系統(tǒng)，背后的2 L 氧氣瓶能保證航天員工作45 min(氧流量1.2～1.5 kg/h)。 真空屏蔽外層可以保護(hù)航天服內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受輻射和機(jī)械損傷，采用了雙層可拆卸式面窗，但航天服沒有考慮到服裝充壓膨脹，完成太空行走的航天員差點(diǎn)卡在艙門口，不得不通過放氣才返回。

2.2.2 雄鷹系列航天服

蘇聯(lián)/俄羅斯基于聯(lián)盟(Soyuz)飛船座艙應(yīng)用研制了雄鷹系列航天服(Sokol， 1973 年至今)[20]。 雄鷹航天服在航空壓力服的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取“胚胎”姿勢(shì)與飛船減震座椅相匹配，稱為Sokol-K 型航天服(圖6)。 航天服為全軟式結(jié)構(gòu)，氣密層采用捆扎式結(jié)構(gòu)，限制層為拉鏈結(jié)構(gòu)，重量為9～10 kg，配有1 個(gè)軟的固定頭盔，采用開放式通風(fēng)/供氧系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工作時(shí)間2 h。

圖6 坐在座椅上的sokol 航天服“胚胎”式姿態(tài)[20]Fig.6 The “embryonic posture” wearing sokol spacesuit in spacecraft seat[20]

雄鷹航天服的改進(jìn)一直在持續(xù)進(jìn)行，如Sokol-kv 航天服改變了壓力調(diào)節(jié)器的位置，簡化了航天服增壓過程且包含液冷系統(tǒng)；Sokol-kv-2航天服限制層采用了V 形拉鏈穿脫口，于1980年首次使用，直至今天仍在執(zhí)行任務(wù)；2019 年俄羅斯對(duì)外發(fā)布了新一代艙內(nèi)航天服Sokol-M，為俄羅斯新型載人登月飛船設(shè)計(jì)[6]。 新型航天服氣密層使用了氣密拉鏈，穿脫速度更快、更方便；可以根據(jù)航天員的身材大小進(jìn)行調(diào)整定制，適體性更好；使用了新的材料技術(shù)，如聚氨酯氣密層等，可多次重復(fù)使用。

2.2.3 其他俄羅斯艙內(nèi)航天服

蘇聯(lián)/俄羅斯還開發(fā)了其他艙內(nèi)/艙外航天服[21]。 在登月計(jì)劃中開展了軟式鷲型(Oriol)航天服的研制，該系統(tǒng)主體由織物和橡膠構(gòu)成，包括可拆卸的硬質(zhì)頭盔和生保背包，同時(shí)具備艙內(nèi)作業(yè)和出艙活動(dòng)能力，艙外活動(dòng)能力10 h；在暴風(fēng)雪號(hào)(Buran)航天飛機(jī)計(jì)劃中開展雨燕(Strizh)航天服研制，它是在雄鷹航天服的基礎(chǔ)上研制，要求在座艙失壓條件下，在44 kPa 的壓力下閉環(huán)工作12 h。這兩項(xiàng)任務(wù)雖然都沒有投入實(shí)際使用，但是為后續(xù)艙外航天服的研制積累了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 中國艙內(nèi)航天服

中國當(dāng)前在用的艙內(nèi)航天服自任務(wù)啟動(dòng)一直延續(xù)至今，其功能組成、工作原理、整體構(gòu)型等與俄羅斯雄鷹艙內(nèi)航天服類似。 艙內(nèi)航天服為頭盔與軀干肢體服連為一體的密閉擬人形態(tài)軟式結(jié)構(gòu)，采用開放式通風(fēng)供氧。 由航天頭盔、壓力服裝、航天手套、通風(fēng)供氧組件等組成。 頭盔面窗可通過啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全可靠的開啟和關(guān)閉，并保證氣密性；壓力服裝由限制層和氣密層組成，穿脫口設(shè)置在胸前；手套可通過腕部斷接器實(shí)現(xiàn)快速脫戴；壓力調(diào)節(jié)器能夠自動(dòng)維持服裝內(nèi)具有規(guī)定的絕對(duì)工作壓力，為航天員創(chuàng)造合適的氣壓、氣體成分等生存條件，保證航天員的生命安全；通風(fēng)供氧組件與環(huán)控生保分系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)航天服的通風(fēng)供氧[7](圖7)。

圖7 神舟飛船艙內(nèi)航天服[22]Fig.7 The spacesuit of Shenzhou spacecraft[22]

2.4 艙內(nèi)航天服設(shè)計(jì)要素分析

從上述艙內(nèi)航天服發(fā)展的歷程看，艙內(nèi)航天服針對(duì)任務(wù)背景以及運(yùn)載器的約束進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括使用方式、壓力制度、循環(huán)方式和著陸方式，并進(jìn)行持續(xù)性改進(jìn)升級(jí)，形成了系列化的多代航天服，具體情況如表1 所示。

1)使用方式。 早期任務(wù)中，美國和俄羅斯的壓力服設(shè)計(jì)均為軟式結(jié)構(gòu)，通常選用艙內(nèi)和出艙任務(wù)通用的壓力防護(hù)體系，這種方案對(duì)于艙外活動(dòng)整體的活動(dòng)性能限制明顯；后續(xù)研制中、美、俄均將艙內(nèi)和艙外航天服分開，采用不同的壓力服系統(tǒng)，其中艙內(nèi)壓力保留軟式結(jié)構(gòu)，同時(shí)盡可能提高加壓工效及穿脫方便性；深空探測(cè)任務(wù)中，受限于高昂的發(fā)射運(yùn)輸成本和技術(shù)限制，嚴(yán)格的減重要求以及長期壓力應(yīng)急功能需求要求二者應(yīng)能夠通過模塊化方式兼容，這也在星座計(jì)劃中有所體現(xiàn)[23]。

2)壓力制度。 針對(duì)任務(wù)需求，壓力服的設(shè)計(jì)首先需要選擇合適的工作壓力。 如表1 所示，美國早期飛船的乘員艙采用低壓(34.5 kPa)純氧模式，航天服選用較低的工作壓力(24.1 ～27.6 kPa)，發(fā)射前預(yù)吸氧3 h，在壓力應(yīng)急中不會(huì)出現(xiàn)減壓病[24]；航天飛機(jī)壓力制度為1 atm，發(fā)射/再入服選用的壓力制度也較低(19～24 kPa)，存在一定的減壓病風(fēng)險(xiǎn)，但是綜合考慮航天飛機(jī)狀態(tài):多艙段容積大，減壓率慢；機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可以迅速返航；有2 套EMU(Extravechicular Mobility Unit)，穿著者可以對(duì)其他乘員進(jìn)行救護(hù)以及降低飛行成本(機(jī)上人員多，資源占用大，且座艙失壓是小概率事件)，其航天服一直延續(xù)較低的壓力制度[25]。 但隨著任務(wù)需求的變化，綜合考慮到應(yīng)急出艙活動(dòng)需求，新型航天服EM-ACES 及OCSS的壓力制度也有所提升。

表1 艙內(nèi)壓力服使用模式與壓力制度Table 1 Usage patterns and pressure regimes of IVA spacesuit

俄羅斯飛船的乘員艙采用1 atm 氮氧混合壓力制度，為了避免減壓病，航天服采用了雙壓力制度，正常工作模式下為40 kPa，進(jìn)行必要操作時(shí)選用較低的工作壓力29 kPa，且時(shí)間較短，降低了減壓病概率[26]。

3)循環(huán)方式。 艙內(nèi)航天服包含開放式和閉式循環(huán)2 類。 閉式循環(huán)艙內(nèi)航天服在早期運(yùn)用較多，適用于較低的艙壓，同時(shí)兼顧短期的艙外活動(dòng)需求。 整個(gè)飛行過程中航天員均穿著航天服，將座艙和航天服內(nèi)氣體的溫濕度控制和凈化相結(jié)合，在較長時(shí)間的壓力應(yīng)急工作條件下，航天員相對(duì)比較舒適，氧的消耗量也比較小。 當(dāng)前使用的艙內(nèi)航天服均為開放式通風(fēng)供氧，系統(tǒng)組成簡單，壓力應(yīng)急飛行時(shí)，服裝耗氧量比較大；如果壓力應(yīng)急飛行狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長，航天員的舒適度也比較差。

4)著陸方式。 根據(jù)航天器著陸方式的不同，艙內(nèi)航天服所需面對(duì)的著陸沖擊防護(hù)要求也有所不同。 俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船、美國阿波羅飛船均采用載人座艙著陸，這種條件下過載沖擊較大，需要進(jìn)行特殊的抗沖擊設(shè)計(jì)，如俄羅斯雄鷹航天服采用“胚胎”姿勢(shì)與減震座椅姿態(tài)相匹配。 美國水星號(hào)/雙子星號(hào)飛船、蘇聯(lián)東方號(hào)飛船采用彈射座椅著陸，對(duì)應(yīng)的G3C 航天服、SK 航天服設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注彈射時(shí)的熱防護(hù)以及頭盔防護(hù)設(shè)計(jì)。 航天飛機(jī)采用水平降落方式，過載沖擊較小，其體態(tài)設(shè)計(jì)直立性更強(qiáng)。 此外，考慮到水上降落的可能性，各類航天服均設(shè)計(jì)有漂浮裝備。

5)結(jié)構(gòu)特征。 壓力應(yīng)急航天服通常為軟式結(jié)構(gòu)，通常包含氣密層和限制層，前者保證服裝的氣密性，通常由橡膠或聚氨酯膠布制成；后者起到主要的承力作用，限制氣密層的過度膨脹，保證基本的人體賦型[27]。 美國航天服采用Link-net 結(jié)構(gòu)作為限制結(jié)構(gòu)，外部再附加一層外罩層，這與俄羅斯航天服不同。 穿脫結(jié)構(gòu)是另一個(gè)影響使用的重要因素。 俄羅斯雄鷹航天服采用捆扎式穿脫口，美國航天服通常采用密封拉鏈實(shí)現(xiàn)。 在適體性設(shè)計(jì)上，航天服通常具有幾種不同型號(hào)尺碼，并可按照身高進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。 在關(guān)節(jié)部位通常設(shè)置平褶或波紋關(guān)節(jié)，保障彎曲、扭轉(zhuǎn)等關(guān)節(jié)活動(dòng)性。

3 工作模式及功能需求

當(dāng)前載人航天活動(dòng)主要集中于近地軌道天地往返，僅有美國阿波羅任務(wù)進(jìn)行過登月探索。 隨著人類探索領(lǐng)域的不斷拓展，未來的任務(wù)將逐漸由近地軌道駐留走向深空探測(cè)，對(duì)壓力應(yīng)急艙內(nèi)航天服的功能要求也逐漸提升。

3.1 工作模式

為了保證人員安全，艙內(nèi)航天服通常在待發(fā)段、發(fā)射段、交會(huì)對(duì)接段以及返回再入段使用，以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的座艙失壓事件。 近地軌道飛行應(yīng)急返回時(shí)間主要與應(yīng)急返回軌道設(shè)計(jì)有關(guān)，通常為2～6 h，未來深空探測(cè)中可能包含長期壓力應(yīng)急(大于數(shù)天)的工況。 根據(jù)任務(wù)剖面與功能需求分析，艙內(nèi)服航天的工作模式通常包括以下狀態(tài):

1)出征狀態(tài)。 航天員出發(fā)，乘車到發(fā)射區(qū)，進(jìn)入飛船。 該階段艙內(nèi)航天服應(yīng)保證直立體位的服裝適體性、非加壓下關(guān)節(jié)活動(dòng)性和通風(fēng)循環(huán)的熱舒適性。

2)準(zhǔn)備狀態(tài)。 指進(jìn)入飛船準(zhǔn)備發(fā)射到入軌、交會(huì)對(duì)接及分離過程、準(zhǔn)備返回到著陸出艙。 該狀態(tài)下航天員進(jìn)入座椅，通過座艙進(jìn)行通風(fēng)。 該階段艙內(nèi)航天服與座椅賦型匹配，需要保證適體性、加壓/非加壓下關(guān)節(jié)活動(dòng)性、通風(fēng)循環(huán)及熱舒適性。 航天員將經(jīng)歷力學(xué)和噪聲環(huán)境，艙內(nèi)航天服還需配合航天器提供噪聲防護(hù)、超重防護(hù)和著陸沖擊防護(hù)等功能。

3)工作狀態(tài)。 指座艙失壓時(shí)的工作狀態(tài)。飛船在上升、返回、變軌或交會(huì)對(duì)接階段航天員穿著航天服，一旦發(fā)生失壓，環(huán)控生保系統(tǒng)立刻進(jìn)入工作狀態(tài)，服裝由通風(fēng)時(shí)的余壓狀態(tài)變成供氧加壓狀態(tài)，為航天員頭頸部通風(fēng)供氧。

飛船在軌飛行期間，當(dāng)艙壓下降到預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出壓力警報(bào)信號(hào)，提示航天員迅速穿上航天服，在座椅上連接好服裝通風(fēng)供氧管，作好壓力應(yīng)急飛行準(zhǔn)備。 艙壓繼續(xù)下降，系統(tǒng)停止艙內(nèi)供氣，向航天服提供氧氣，建立壓力應(yīng)急飛行狀態(tài)。 壓力應(yīng)急飛行的持續(xù)時(shí)間與飛船飛行狀態(tài)以及所攜帶的氧氣資源量有關(guān)。飛船應(yīng)盡快返回地面，以確保航天員的生命安全。

3.2 功能需求

綜合以上任務(wù)目標(biāo)和工作模式，壓力應(yīng)急艙內(nèi)航天服應(yīng)當(dāng)具備以下功能:首先必須和飛行器配合，建立維持生命安全的服內(nèi)環(huán)境，包括服內(nèi)壓力和氧分壓，防止座艙低壓缺氧和快速減壓對(duì)人體的危害。 然后，必須具有必備的工效能力，主要包括具有關(guān)節(jié)活動(dòng)結(jié)構(gòu)，提供航天員必要的應(yīng)急操作活動(dòng)能力；為航天員提供必要的視覺與視野。其次，考慮到著陸過程防護(hù)需求，需具備與飛船座椅共同保障返回過載與著陸沖擊防護(hù)功能。 最后，艙內(nèi)壓力服應(yīng)當(dāng)具備穿著的適體性和舒適性。此外，在長期壓力應(yīng)急過程中，還應(yīng)當(dāng)考慮由于長期生活所帶來的著服加壓進(jìn)食飲水、大小便收集等功能需求。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 長期壓力應(yīng)急

未來載人航天任務(wù)相應(yīng)的在軌壓力應(yīng)急時(shí)間需求發(fā)生了巨大的變化。 例如載人登月任務(wù)中，假設(shè)發(fā)生座艙失壓險(xiǎn)情時(shí)，最嚴(yán)酷條件下，載人飛船完成地月轉(zhuǎn)移再繞月后進(jìn)入月地返回軌道直到返回地面大約需要6 天時(shí)間[28]，對(duì)當(dāng)前的壓力應(yīng)急方案，尤其是艙內(nèi)航天服提出了巨大的挑戰(zhàn)。在這長達(dá)6 天的壓力應(yīng)急飛行過程中，航天員需穿著艙內(nèi)壓力服進(jìn)行吃喝、睡眠等基本生活，這也就要求航天服具有壓力防護(hù)、冷熱防護(hù)、供氧及氣體凈化、通信、食品和水的供應(yīng)、大小便收集和處理等功能。

4.1.1 服裝循環(huán)模式

艙內(nèi)航天服要實(shí)現(xiàn)長期壓力應(yīng)急飛行，對(duì)服裝循環(huán)造成巨大影響，對(duì)供氧需求量大大增加，現(xiàn)有的開放式通風(fēng)供氧模式很難滿足資源需求，因而循環(huán)模式由開放式轉(zhuǎn)換為艙載的閉式循環(huán)系統(tǒng)；且可能存在失壓艙內(nèi)活動(dòng)及艙間轉(zhuǎn)移等需求，屬于艙內(nèi)艙外兼顧的航天服。 服裝仍然具有軟式結(jié)構(gòu)，采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，提升其加壓活動(dòng)性和長期穿著的舒適性，構(gòu)建實(shí)現(xiàn)各種功能的接口，保證長期壓力應(yīng)急飛行時(shí)人員的安全和耐受。

4.1.2 進(jìn)食飲水功能

長期壓力應(yīng)急飛行中為了保證航天員生存，需要提供進(jìn)食飲水功能。 當(dāng)前各類艙內(nèi)航天服由于應(yīng)急時(shí)間較短，通常未設(shè)置進(jìn)食飲水功能。 阿波羅登月任務(wù)中在頭盔部位設(shè)置了引水口，通過管路在航天服加壓條件進(jìn)行補(bǔ)充，但是任務(wù)總結(jié)中也提出其“食物和水的設(shè)置是不完善的”，存在著服裝密封性問題及液體泄漏的隱患[29]。 獵戶座航天服的設(shè)計(jì)也包含服裝加壓條件下的進(jìn)食，其樣機(jī)采用了與阿波羅航天服相同的接口設(shè)計(jì)方案，通過穿過頭盔的管道來進(jìn)行[30](圖8)。

圖8 獵戶座艙內(nèi)航天服進(jìn)食模式試驗(yàn)[30]Fig.8 The design of drink/feed port in Orion spacesuit[30]

4.1.3 大小便收集功能

長期壓力應(yīng)急飛行著服加壓狀態(tài)下大小便的收集處理是目前的一大難題。 阿波羅航天服采用尿液收集和轉(zhuǎn)移組件(Urine Collection ＆ Transfer Assembly， UCTA)[31]進(jìn)行小便排出，服內(nèi)最大貯存容積為950 ml。 尿收集后， 可通過右大腿處的斷接器排到廢水箱。 采用短褲式的糞便密封系統(tǒng)(Fecal Containment System， FCS)進(jìn)行大便收集，臀部處敷有吸濕良好的襯墊，可吸收大便中的濕氣，臭氣進(jìn)入航天服通風(fēng)循環(huán)回路后被消除[32]。

獵戶座艙內(nèi)航天服提出了進(jìn)行長時(shí)間的小便收集處理方案[33](圖9)，系統(tǒng)外部管路由一系列軟管和閥門組成，保證尿液穿出服裝后到達(dá)飛船應(yīng)急尿液收集裝置系統(tǒng)。 在外部管路中還設(shè)置有尿箱，用來調(diào)控服內(nèi)產(chǎn)生的尿液流，同時(shí)在使用者和真空環(huán)境之間提供可控的屏障。

圖9 獵戶座航天服小便排出設(shè)計(jì)[33]Fig.9 The design of urine removal in Orion spacesuit[33]

4.2 提升工效性能

艙內(nèi)航天服的使用涉及到非加壓與加壓、地面重力與失重、直立行走與座椅匹配等多種工況、多種狀態(tài)下的切換，其工效要求相互耦合，復(fù)雜多變，主要通過結(jié)構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行提升改進(jìn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含穿脫結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)以及頭盔、手套設(shè)計(jì)等。 以穿脫結(jié)構(gòu)為例，俄羅斯的雄鷹系列航天服采用捆扎式氣密層和V 型拉鏈限制層相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)胸前穿脫，美國的阿波羅航天服、航天飛機(jī)發(fā)射再入服系列均采用氣密拉鏈背部穿脫，新型的I-Suit 和D-Suit 航天服則采用腰部穿入的結(jié)構(gòu)，通過腰法蘭密封鎖閉。 不同的穿脫結(jié)構(gòu)適應(yīng)于不同的任務(wù)工況及飛行器。 關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)普遍采用平褶以及波紋關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，較少采用活動(dòng)軸承；手套設(shè)計(jì)則是越來越精細(xì)化，且逐漸引入主動(dòng)溫控、觸屏使用等功能。

材料方面則依賴于各種高性能材料的研究進(jìn)展。 美國的I-Suit 以及ACES 等航天服都采用了新型氣密層材料，利用疏水結(jié)構(gòu)將水蒸氣導(dǎo)出的同時(shí)保證氣密性，有助于服裝保持低濕度水平，提升穿著舒適性[34]。 俄羅斯新型雄鷹航天服采用聚氨酯替代橡膠材料，提升其壽命及使用性能，滿足航天服重復(fù)使用的要求。

4.3 提升美學(xué)設(shè)計(jì)

新型航天服的研制越來越注重外觀美學(xué)設(shè)計(jì)效果，尤其是國外商業(yè)航天服的設(shè)計(jì)[22]。 SpaceX公司的艙內(nèi)航天服外觀由好萊塢電影服裝設(shè)計(jì)大師旗下的工作室完成，追求時(shí)尚極簡，配上標(biāo)志性前衛(wèi)頭盔，充滿未來感與星戰(zhàn)風(fēng)。 波音公司航天服除了滿足NASA 對(duì)安全性和功能性的要求之外，也在追求簡化、減重以降低成本、提升舒適性，同時(shí)其“波音藍(lán)”的設(shè)計(jì)也與其飛船設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)，提升科技感、時(shí)尚感。

5 結(jié)語

艙內(nèi)航天服是應(yīng)對(duì)壓力應(yīng)急事件、保障航天員安全的關(guān)鍵裝備。 結(jié)合任務(wù)目的和飛行器特點(diǎn)，俄羅斯、美國和中國分別研制發(fā)展了聯(lián)盟飛船雄鷹航天服、航天飛機(jī)先進(jìn)乘員逃生服、神舟飛船艙內(nèi)航天服等各具特色的艙內(nèi)航天服裝備。 未來載人航天任務(wù)近地軌道往返常態(tài)化，深空探測(cè)逐步實(shí)施，對(duì)于艙內(nèi)航天服的發(fā)展也提出了新的要求，長期壓力應(yīng)急功能需求、多目標(biāo)工況下的協(xié)同設(shè)計(jì)、提升工效能力和美學(xué)設(shè)計(jì)將是后續(xù)發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。