一種艙內(nèi)/月面兼用登月航天服總體概念設(shè)計

桑婉霞，劉燦明

（東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051）

0 引言

航天服是一種保障航天員生命安全的系統(tǒng)，要求其既能保護航天員免受極端溫度、輻射、微流星體等惡劣太空環(huán)境的侵害，又能提供良好生存環(huán)境；且在太空作業(yè)時，需具備通信及手動操作等方面的支持能力。航天服是由高空航空服演變而來，其最初設(shè)計目標是維持人體在高空條件下的正常生理功能[1]；隨著人類對外太空探索的不斷深入及航天任務(wù)的多樣化，各航天國家設(shè)計了可滿足不同功能需求的航天服，如艙內(nèi)航天服、艙外航天服、太空艙內(nèi)/艙外兼用航天服、航天飛機用發(fā)射/返回/逃生航天服、艙外活動裝置（EMU）以及商業(yè)航天服等[1-10]。20 世紀60 年代，“阿波羅”（Apollo）計劃[1]中，美國在登月航天服生命保障背包中增加“太空升華器”，并在服裝內(nèi)加入了采用液體運輸熱量的液冷服層，用于應(yīng)對航天員月球表面作業(yè)時間長、熱負荷大的散熱需求。2020 年，美國推出“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃[3,11]并研制了新型航天服——探索式艙外活動單元（exploration Extravehicular Mobility Unit, xEMU）。該航天服外形雖與用于國際空間站太空行走的宇航服相似，但通過增加一系列防塵部件并重構(gòu)便攜式生命支撐系統(tǒng)（portable life support system, PLSS）提升了其安全性，使用先進材料和技術(shù)增強了其靈活性，改進了通信系統(tǒng)，通過組件模塊化設(shè)計和可升級，使其能適用于多個空間探測目的地[12]。另外，目前美國各研究機構(gòu)也在開展未來宇航服的設(shè)計，包括Trotti 工作室與麻省理工大學(xué)合作設(shè)計的“生物裝”宇航服，目的是增強航天員探月或探火時的機動性。蘇聯(lián)研制過軟式、半硬式登月服及艙外航天服[5-8]；俄羅斯已經(jīng)具備成熟的登月航天服研制技術(shù)，隨著火星探測的升溫，俄羅斯星星公司（Star）也在進行火星任務(wù)航天服的研制工作[9]。

隨著我國一系列載人航天工程的成功實施，我國的航天地位迅速提升。2008 年9 月27 日，航天員翟志剛身穿國產(chǎn)“飛天”艙外航天服圓滿完成了中國人的首次太空漫步。2021 年7 月和11 月，先后各有2 名航天員身著中國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服成功走出空間站核心艙執(zhí)行任務(wù)。經(jīng)過不斷優(yōu)化，我國“飛天”艙外航天服目前在軌操作的可達域、精細度和靈活性等方面都有所提高[13]。如何使航天服既功能完備又可體現(xiàn)出我國獨特的文化魅力是值得思考的問題。后續(xù)載人探月工程任務(wù)的規(guī)劃和設(shè)想逐漸提上日程，對我國自主設(shè)計登月航天服提出了更高要求。

本文針對我國月球探測任務(wù)，主要從服裝工藝設(shè)計的角度給出登月航天服的總體概念設(shè)計：采用基于模型的系統(tǒng)工程方法（MBSE），利用SysML（Systems Modeling Language）[14]搭建了登月航天服模型，著眼于功能和月面環(huán)境適應(yīng)性，對其頭盔、軀干服裝、手套、靴子、生命保障背包以及安全性可靠性設(shè)計進行逐一說明，旨在為我國航天服的設(shè)計改進提供參考。

1 月面環(huán)境特點及對航天服的影響

登月任務(wù)航天器在往返地月之間經(jīng)歷高真空、宇宙射線和微流星體等環(huán)境，著陸后的月面環(huán)境[12]相比地球表面環(huán)境更為惡劣，主要還涉及極端高低溫、月塵以及月面微重力等。

月面宇宙射線輻射強度是空間站軌道高度的2～3 倍，且太空中有大量微流星體撞擊月面，要求月面航天服具有足夠的抗輻射和防撞擊性能。

月面晝夜溫度約在-180～120 ℃之間劇烈變化[15]。對航天服的隔熱保溫性能要求更高，外層要防止輻射熱量進入，內(nèi)層要防人體熱量過度散失，并保持材料在高低溫交變下的完整性和耐久性。

月塵粒徑僅約為幾十μm，由于靜電、微重力等因素，可能在登月航天服表面沉積，進而對服裝造成磨損，甚至滲透進航天服內(nèi)層，導(dǎo)致密封失效[16]。月塵對航天服的危害主要有：1）吸附在頭盔面窗，會影響航天員的視線，如果航天員在艙外活動過程中進行擦拭，還可能造成面窗及手套的永久磨損；2）沉積在登月服外層，會增加服裝材料的磨損，加速材料老化；3）侵入壓力服表面，可能侵入外防護層、隔熱和防微流星層、氣密限制服之間，導(dǎo)致軸承和關(guān)節(jié)的活動力矩增大、磨損及密封失效等問題；4）侵入服裝內(nèi)部后會污染生命保障系統(tǒng)。

此外，月球表面重力為地球重力的1/6。穿著登月航天服的航天員會感受到服裝的重量。為保證舒適性和操控靈活性，較近地軌道艙外航天服而言，登月航天服還須滿足一定的輕量化要求。

2 中國登月航天服總體概念設(shè)計

2.1 登月航天服總體設(shè)計

結(jié)合我國載人登月的目標，登月航天服的基本要求是保證航天員在軌飛行期間、月面短期出艙進行科學(xué)探索時的生命安全，以及工作的舒適性和便捷性。雖然登月航天服與飛船、著陸器等航天器相比，其體積和質(zhì)量都相對較小，但作為最小的載人航天器，登月航天服除須具備基本的壓力控制、氧氣供應(yīng)、極端熱環(huán)境防護、人體平衡控制、服內(nèi)微環(huán)境的通風凈化、測控與通信保障、電源供應(yīng)、航天員視覺防護與保障，以及具有良好活動性能的關(guān)節(jié)系統(tǒng)和應(yīng)急供氧等功能外，還須有防輻射、防微流星體、防月塵等功能[17]，并盡可能輕質(zhì)化。由此梳理出包括艙內(nèi)服和艙外服（含生命保障背包）的登月航天服的總體設(shè)計原則為：

1）充分考慮航天服的月面環(huán)境適應(yīng)性，采取高安全高可靠性設(shè)計，確保航天員的生命安全；

2）艙內(nèi)服部分采用獨立的便攜生保技術(shù)[18]，可以與航天器通過臍帶連接；

3）采用非再生環(huán)控生保技術(shù)，生命保障背包在滿足小型化、輕量化要求的前提下，滿足月面航天員獨立出艙活動時間要求；

4）滿足航天員月面活動的舒適性與靈活性；

5）存儲體積小、重量輕，滿足航天器空間布局要求及重量要求。

基于以上原則開展了艙內(nèi)/月面兼用登月航天服設(shè)計。此登月航天服分為艙內(nèi)服部分與艙外月面服部分（含生命保障背包）。航天員身著艙內(nèi)服部分乘飛船，艙外月面服部分隨著陸器由運載火箭分別發(fā)射入軌，這樣可減輕飛船系統(tǒng)的發(fā)射重量。載人飛船與著陸器在軌交會對接形成組合體后，航天員由載人飛船轉(zhuǎn)移至著陸器[19]。航天員出艙登月前身著艙內(nèi)服從艙外服的后背進入，然后將生命保障背包通過斷接系統(tǒng)安裝于登月航天服的后背。根據(jù)月面任務(wù)需求在生命保障背包內(nèi)配置包括氧氣和飲用水在內(nèi)的相應(yīng)數(shù)量的消耗品，消耗品可更換。

為了滿足航天員月面活動的舒適性與靈活性，每套登月航天服是為航天員量身定制，版型緊湊，貼合身體。

根據(jù)熱防護需求，登月航天服主體顏色為白色；圖案除采用五星紅旗進行渲染外，又加入了中國傳統(tǒng)紋樣“海水江崖紋”（如圖1 所示）。“海水江崖紋”由“水波紋”與“山石”組合而成，象征福山壽海、國家穩(wěn)固統(tǒng)一。該紋樣整體色調(diào)為藍色，色彩靈感源于我國的青花瓷。紋樣分為上、中、下三個部分：上部用寶劍頭代替“山石”，寶劍頭的形態(tài)酷似直沖云霄的火箭；下部的“水波紋”酷似火箭噴射出的火焰；中部則選用符號化的“祥云紋”，即祥瑞之云氣，寓意吉祥、喜慶、成功的愿望以及對美好生活的向往。此定制紋樣不僅可以增加登月航天服的美觀度，也可以通過美好寓意的紋樣來寄托對祖國的祝福與載人登月成功的希冀。

圖1 登月航天服定制紋樣Fig. 1 Patterns of the designed lunar EVA spacesuit

2.2 航天服模型

登月航天服主要由頭盔、服裝、手套、靴子和艙外生命保障背包等組成。采用基于模型的系統(tǒng)工程方法（MBSE），利用SysML[14]搭建了登月航天服模型，如圖2 所示。

圖2 基于SysML 表述的航天服組成模型Fig. 2 Model of lunar EVA spacesuit in SysML language

登月航天服重量約束為90～120 kg，由于月球表面重力為地球重力的1/6，則其在月面的重量約為15～20 kg，此重量不宜繼續(xù)增加，否則會大大增加航天員的負荷，嚴重影響航天員月面活動的靈活性。

登月航天服主要與著陸器接口，而著陸器為航天員出艙提供保障，包括：為航天員穿脫航天服提供空間與輔助設(shè)施；航天員在艙內(nèi)著登月服時著陸器通過臍帶為服裝供氣、供水、供電、控溫和除濕；航天員在月面獨立活動時，著陸器與登月航天服進行信息交互，保障艙外活動順利開展。

3 登月航天服分部設(shè)計

3.1 頭盔

登月航天服頭盔采用3D 打印定制而成。為登月航天服配置了兩款頭盔：第一款采用仿生可折疊設(shè)計思路，仿穿山甲鱗片可收縮功能，節(jié)省儲存空間（如圖3(a)所示）；第二款采用360°全視場設(shè)計理念，大大增加了宇航員艙外作業(yè)的可視范圍（如圖3(b)所示）。頭盔配有面窗、溫度計、頭戴通信組件、自動導(dǎo)航系統(tǒng)和防窒息系統(tǒng)。

圖3 設(shè)計的兩款頭盔Fig. 3 Two kinds of helmet: bionic helmet and full-field-ofview helmet

頭盔面窗為4 層透鏡面窗：最外層鍍金透鏡可以減弱可見光、紫外線和紅外線能量；次外層透鏡能夠提供沖擊保護和熱控制；最內(nèi)兩層為壓力防護層。為防月塵，面窗采用耐磨涂層、耐磨材料等提高自身的耐磨性能；同時采用“易撕紙”技術(shù)，將多層薄膜黏貼在面窗表面，在月面活動期間，航天員可根據(jù)需要一層一層撕掉。為防止面窗出現(xiàn)嚴重磨損或因撞擊而損壞，面窗采用了可快速更換的設(shè)計，航天員可自行更換防護面窗后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。另外加大了面窗可透視面積，提高了頭盔向下的視野范圍。

頭盔內(nèi)嵌有通信組件和自動導(dǎo)航系統(tǒng)。對頭戴通信組件進行了冗余設(shè)計，有2 個耳機接收器和2 個柔性旋筒式麥克風，避免因某個耳機或麥克風失效而影響月面活動任務(wù)。頭盔兩側(cè)各有1 個照明燈以及報警指示燈，頭盔內(nèi)屏可根據(jù)需要顯示目的地路線，并可以語音播報。頭盔上設(shè)置有防窒息裝置，避免因通風管閥故障威脅航天員的生命安全。

頭盔內(nèi)部安裝有防沖擊內(nèi)襯：一是對航天員的頭部進行防沖擊保護；二是內(nèi)襯設(shè)置有溝槽，保證頭部具有良好的通風環(huán)境，通風量與頭盔內(nèi)溫度測量值形成閉環(huán)控制。

3.2 航天服主體軀干部分

航天服整體呈人形（如圖4 所示），采用一體化仿生設(shè)計理念，背部為穿/脫式結(jié)構(gòu)，航天員單人可自行穿脫航天服。航天服內(nèi)設(shè)置電源系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)及廢物管理系統(tǒng)等。

圖4 登月航天服Fig. 4 Lunar EVA Spacesuit

航天服上軀干由半硬式結(jié)構(gòu)和軟的織物構(gòu)成，半硬式結(jié)構(gòu)可助航天員承受各種外力，上肢軟織物結(jié)構(gòu)有利于航天員較自如活動；下軀干使用一種全織物軟關(guān)節(jié)和軸承構(gòu)成，此種設(shè)計可極大提高航天員月面活動的靈活性。

登月航天服的艙內(nèi)服部分由內(nèi)向外主要包含耐穿內(nèi)衣層、通風/供氧/液冷服層和抗壓層。其中：耐穿內(nèi)衣層與航天員直接接觸，采用特殊防靜電處理過的舒適耐穿棉布織物制成；通風/供氧/液冷服層兼具為航天員進行通風、冷卻、供氧和除濕的功能，其內(nèi)縫制有聚氯乙烯通風管，可為服裝內(nèi)通風及為航天員供氧，在人體熱交換活躍區(qū)域更多布置液冷管可去除人體代謝產(chǎn)生的多余熱量；抗壓層主要采用橡膠材料制成，用于密封艙內(nèi)應(yīng)急充氣加壓后抗壓。

登月航天服的艙外月面服軟織物部分由內(nèi)向外主要包含加壓氣囊層、氣密限制層、隔熱和防微流星層、外防護層。其中：加壓氣囊層采用尼龍材料制成，用于月面活動前服裝充氣加壓后承壓；氣密限制層采用聚酯纖維織物制成，以保持服裝氣密，限制加壓氣囊向外膨脹；隔熱和防微流星層由多層織物制成，用于隔熱和防微流星體；外防護層的主要功能是防輻射、隔熱和防月塵，因此采用耐熱尼龍制成，選用基于表面涂覆的微觀薄膜被動防護材料進行月塵防護，采用能減小可見光及紅外吸收率的材料以降低所吸收的外熱流[20]，保護航天員不受月面過冷或過熱環(huán)境的侵襲，同時加強了其隔熱性能設(shè)計以防止內(nèi)部熱量散失和空間輻射熱流的傳導(dǎo)。

3.3 手套

登月航天服的手套為壓力式手套，也是數(shù)據(jù)手套，可以觸屏操控飛船和著陸器；手套指端設(shè)置指尖燈用以輔助航天員月面科考，同時該手套具有防火、防電、智能控溫功能（如圖5 所示）。該手套采用三維數(shù)字掃描技術(shù)為每位航天員量身定制，以確保手套舒適靈活。手套通過密封腕圈與服裝連接。

圖5 手套及仿生機械手Fig. 5 Aerospace gloves and bionic manipulator

手套外層為纖維織物，設(shè)置兩層氣密層，使用特殊隔熱橡膠材料制成，可有效降低熱傳導(dǎo)；手套指尖僅設(shè)置一層氣密層，是為了保持指尖相對靈敏的觸覺；手套掌心設(shè)置凸起狀橡膠顆粒，以防抓取的物品滑落；手套關(guān)節(jié)外側(cè)設(shè)置碳纖維保護殼，以防摔倒時航天員手掌受傷或損傷手套的氣密層。

另外，可采用靈巧仿生機械手（見圖5）作為手套的增強輔助工具。將仿生機械手安裝至胳膊外側(cè)，機械手可360°旋轉(zhuǎn)，機械臂長度可調(diào)節(jié)，這樣便可克服手套活動性低的缺點，大大拓寬航天員月面工作項目，提高航天員月面工作效率。

3.4 靴子

登月航天靴由壓力靴和護套靴組成（如圖6 所示），具備防火、防電、防滑功能。護套靴包裹在壓力靴外面，以減輕月塵污染，并可降低靴子的磨損。

圖6 航天靴Fig. 6 Aerospace boots

3.5 生命保障背包

大多數(shù)成年男性的體型從魁梧到偏瘦可劃分為倒三角型、倒梯型和H 型。本文登月航天服的生命保障背包采用“倒三角型”設(shè)計（如圖7 所示），以解放航天員的腰部，使腰部活動更靈活，提高航天員在月面轉(zhuǎn)身、行走、下蹲等活動的自如性。

圖7 生命保障背包Fig. 7 Life support package

該生命保障背包具備提供12 h 的艙外生命保障能力；采用液路、氣路和電路斷接系統(tǒng)。航天員出艙活動前，將獨立的生命保障背包通過斷接系統(tǒng)與登月航天服后背接口插接到位，然后可拆解開與密封艙連接的臍帶，開密封艙艙門出艙，獨立開展月面活動。

3.6 安全性可靠性設(shè)計

航天服配置全自動壓力控制系統(tǒng)，無論外界環(huán)境（地球環(huán)境、深空環(huán)境或月面環(huán)境）壓力如何變化，均可自動控制服內(nèi)壓力為設(shè)定值。

月塵是影響登月航天服可靠性的重要因素之一。因此，艙外月面服采用緊密、耐磨的織物結(jié)構(gòu)和材料，并涂覆專用涂層，以防止月塵透過織物侵入，降低磨損；登月航天服的所有開口部分均采取密封措施，并使其可在軌拆卸和安裝，以便于航天員在每次任務(wù)后可方便地清理服裝及生命保障背包上可能存在的月塵；在不影響軸承活動力矩的情況下，登月航天服的所有氣密軸承均采用密封結(jié)構(gòu)；在著陸器密封艙內(nèi)配備航天服專用除塵裝置，可在出艙任務(wù)結(jié)束后對登月航天服進行徹底清潔。

該登月航天服使用綜合電子智能控制技術(shù)，在航天員出艙月面活動之前，會提示航天員按流程檢查航天服是否穿戴正確；此外，其可智能檢測并調(diào)節(jié)服裝內(nèi)壓力、溫度、濕度、供水、供氧、除二氧化碳、除有害氣體、能源、通信等各功能參數(shù)，確保航天員對服裝狀態(tài)及自身安全狀況實時盡在掌握。如遇故障，該智能系統(tǒng)會向航天員提示故障原因及解決辦法。

此外，登月航天服配備“一鍵回家”按鈕，在服裝內(nèi)設(shè)置高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并可在頭盔內(nèi)顯示屏展示方向路線。航天員在月面遇到緊急突發(fā)事件，或在月面探測活動迷失方向時，則可以依靠該功能回到月球基地。

4 結(jié)束語

在充分調(diào)研美國、俄羅斯及中國航天服的基礎(chǔ)之上，考慮月面特殊環(huán)境和載人登月任務(wù)要求，從服裝工藝設(shè)計的角度對我國載人登月航天服進行了總體概念設(shè)計。采用艙內(nèi)/月面兼用一體化設(shè)計思路；應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程方法，利用SysML 對登月航天服進行了系統(tǒng)建模；運用仿生學(xué)原理，分別對登月服的頭盔、主體軀干部分、手套、靴子、生命保障背包進行了概念設(shè)計，結(jié)合總體安全性可靠性設(shè)計，使得服裝兼具功能性、適體性、美觀性、靈活性、安全性與可靠性。設(shè)計思路可為我國載人登月乃至載人深空探測航天服設(shè)計提供參考。