NASA新一代航天服由自研改“租用”

文/石曉龍

▲ 目前國(guó)際空間站上，使用的美國(guó)航天服（EMU）

探索艙外活動(dòng)服務(wù)（xEVAS）是一份在2021年9月29日由美國(guó)宇航局（NASA）對(duì)外發(fā)布的招標(biāo)合同。該招標(biāo)在2022年12月1日已完成，合同價(jià)值約為35億美元。

探索艙外活動(dòng)服務(wù)目的旨在從民間公司提供的方案中選出可以成為美國(guó)新一代航天服的方案。新一代航天服將不僅僅用來(lái)替換部署在國(guó)際空間站上，已經(jīng)盡顯老態(tài)的艙外機(jī)動(dòng)單元（EMU）航天服，還將被用在美國(guó)的阿爾忒彌斯計(jì)劃中，成為航天員在登月任務(wù)中使用的航天服，并為載人登火做好準(zhǔn)備。

美國(guó)宇航局放棄自研航天服

成功中標(biāo)探索艙外活動(dòng)服務(wù)的公司可以與美國(guó)宇航局共享技術(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。美國(guó)宇航局希望以這種方式鼓勵(lì)商業(yè)航天的發(fā)展，因?yàn)檫@些中標(biāo)的公司也可以將自己研制的航天服用在太空旅游等有前景的項(xiàng)目上。而這份招標(biāo)的放出也意味著，美國(guó)宇航局已經(jīng)正式放棄了自研新型航天服的努力。

美國(guó)宇航局曾經(jīng)有一個(gè)自研的下一代艙外機(jī)動(dòng)單元（xEMU）航天服項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目早在美國(guó)進(jìn)行星座計(jì)劃時(shí)就已經(jīng)存在，并且該項(xiàng)目的航天服樣品在2019年還進(jìn)行了一次公開演示。相比于現(xiàn)有EMU，它的驚人靈活性令人印象深刻。但是在這次演示之后，美國(guó)宇航局認(rèn)為其研制進(jìn)度將無(wú)法趕上阿爾忒彌斯計(jì)劃所給定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)于緩慢，并且項(xiàng)目組始終沒(méi)有給出能夠進(jìn)行測(cè)試的航天服。

因此，雖然xEMU項(xiàng)目已經(jīng)消耗了大量的資源，美國(guó)宇航局還是決定放棄該項(xiàng)目，而選擇以民間招標(biāo)的方式來(lái)解決自身對(duì)航天服的需要。2022年6月1日，美國(guó)宇航局宣布，在本次招標(biāo)中，柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)和公理航天團(tuán)隊(duì)兩家投出的方案成功中標(biāo)，兩家公司的團(tuán)隊(duì)將為美國(guó)宇航局設(shè)計(jì)和制造新一代航天服。而美國(guó)宇航局將以購(gòu)買服務(wù)的方式來(lái)使用這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的航天服，可以理解為美國(guó)宇航局將會(huì)以“租用”這些航天服的方式來(lái)給未來(lái)的航天員們使用。

柯林斯團(tuán)隊(duì)方案浮出水面

2022年12月9日，美國(guó)宇航局發(fā)表聲明，美國(guó)宇航局正式向美國(guó)柯林斯宇航公司下了一份價(jià)值9720萬(wàn)美元的訂單，用以由柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制造和演示其新型航天服。該訂單中提到的新型航天服將取代現(xiàn)有的從航天飛機(jī)時(shí)代就開始使用，直到現(xiàn)在還在用于國(guó)際空間站太空行走的EMU。該訂單要求，在2024年1月前，柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造的新型航天服要在模擬太空環(huán)境和地面環(huán)境中完成測(cè)試。這份訂單是柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)在2022年6月在中標(biāo)探索艙外活動(dòng)服務(wù)（簡(jiǎn)稱xEVAS）后得到的第一份訂單。

目前，柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)由3個(gè)公司組成：柯林斯宇航公司、ILC多佛公司、海洋工程公司空間系統(tǒng)部門。

柯林斯宇航公司是美國(guó)雷神科技公司的一家子公司。雷神科技公司是世界上最大的航空航天和國(guó)防產(chǎn)品供應(yīng)商之一，從導(dǎo)彈到雷達(dá)、發(fā)動(dòng)機(jī)到航空航天電子設(shè)備、情報(bào)偵查到人工智能；從民用到軍用，其涉及的領(lǐng)域極其廣泛。而柯林斯宇航公司則主要負(fù)責(zé)雷神公司的航空航天技術(shù)方面，世界上絕大部分民用客機(jī)都裝載有柯林斯宇航公司生產(chǎn)的電子設(shè)備。在接受采訪時(shí)，柯林斯公司高層表示，“我們的新一代航天服是為航天員打造的，柯林斯先進(jìn)的航天服技術(shù)將用于國(guó)際空間站，我們將能夠繼續(xù)確保航天員能完成任務(wù)——無(wú)論任務(wù)是什么?！?/p>

▲ 美國(guó)宇航局自研的下一代航天服（xEMU）在2019年發(fā)布會(huì)上的展示

▲ 發(fā)布會(huì)上，xEMU展示了其關(guān)節(jié)的靈活性

ILC多佛公司是一家專注于航空航天、特種材料、醫(yī)藥制造的公司。這家公司名氣不大，本身體量也不大。但是ILC多佛公司長(zhǎng)期以來(lái)都在為美國(guó)宇航局制造航天服并為各類航天器研發(fā)材料。比如美國(guó)阿波羅計(jì)劃和天空實(shí)驗(yàn)室時(shí)期，航天員們所穿著的A7L型、A7LB型航天服，全部由ILC多佛公司制造，如今在國(guó)際空間站上服役的EMU的身體部分也由該公司設(shè)計(jì)制造，而EMU的維生系統(tǒng)則由柯林斯宇航公司開發(fā)。ILC多佛公司還開發(fā)了火星車“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”所使用的氣囊著陸材料。ILC多佛公司首席執(zhí)行官科里·沃克表示，“ILC多佛公司為自己能與世界一流的團(tuán)隊(duì)合作，為國(guó)際空間站設(shè)計(jì)和制造下一代航天服而感到自豪。利用數(shù)十年來(lái)為阿波羅任務(wù)和國(guó)際空間站設(shè)計(jì)航天服的經(jīng)驗(yàn)，我們最新的航天服將可以應(yīng)付從國(guó)際空間站到月球表面及更遠(yuǎn)地方的各種任務(wù)。”

海洋工程公司主要從事海底勘察、油田開發(fā)、潛水器開發(fā)等業(yè)務(wù)，其空間系統(tǒng)部門的辦公地點(diǎn)十分靠近休斯敦的約翰遜航天中心，已經(jīng)為美國(guó)宇航局、美國(guó)國(guó)防部及其承包商和商業(yè)運(yùn)載火箭供應(yīng)商提供太空飛行所需硬件系統(tǒng)和設(shè)備超過(guò)35年。在接受采訪時(shí)，海洋工程公司高層表示，“我們?yōu)槟艹蔀榭铝炙箞F(tuán)隊(duì)的一員而感到自豪，這項(xiàng)工作能幫助美國(guó)的載人航天事業(yè)走得更遠(yuǎn)，我們的員工為這項(xiàng)任務(wù)帶來(lái)了專業(yè)的系統(tǒng)工程和專業(yè)知識(shí)，便攜式維生系統(tǒng)技術(shù)和航天服子系統(tǒng)技術(shù)?！?/p>

目前柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)是在兩家團(tuán)隊(duì)中公布原型航天服信息較多的一個(gè)，其原型航天服已經(jīng)在去年10月份進(jìn)行了十分詳細(xì)的展示。該團(tuán)隊(duì)的研發(fā)分工為：ILC多佛負(fù)責(zé)制造航天服本體，柯林斯宇航和海洋工程負(fù)責(zé)維生系統(tǒng)研發(fā)。

▲ 柯林斯團(tuán)隊(duì)航天服上體現(xiàn)的3家參與公司

▲ 柯林斯公司團(tuán)隊(duì)展示的航天服

從現(xiàn)有公布的數(shù)據(jù)中看，其研制的航天服仍然采用了和EMU相同的上下半身分離，維生系統(tǒng)組件放在上半身背后的設(shè)計(jì)，而非使用像xEMU航天服、俄羅斯“海鷹”航天服和中國(guó)“飛天”航天服一樣的背后進(jìn)入式設(shè)計(jì)，在穿脫流程上和EMU基本一致。而相比于EMU和更早之前由ILC多佛公司研發(fā)的A7L型航天服，該型航天服最大的升級(jí)就是關(guān)節(jié)的靈活度大為提升。

如何在保證內(nèi)部氣壓能維持航天員生存的情況下，提升航天服在各個(gè)關(guān)節(jié)處的可彎折空間，一直以來(lái)都是一個(gè)難題。在阿波羅時(shí)代，登月的航天員們?cè)谝苿?dòng)時(shí)并不是像在地球上一樣走動(dòng)，而是像兔子一樣跳著移動(dòng)，這是因?yàn)楹教旆?nèi)部氣壓和航天服材料共同導(dǎo)致航天員難以彎折自己的腿部關(guān)節(jié)，只能以“兔子跳”這種滑稽的方式移動(dòng)。而在撿拾物體時(shí)，航天員也只能依靠伸長(zhǎng)夾子才能將物體放入袋子中，如果一不小心摔倒就只能用手撐地不停地前后移動(dòng)來(lái)嘗試站起。而在拿起一些物體時(shí)，手臂和手部的動(dòng)作依然十分困難，甚至連拿起乒乓球大小的物體都十分吃力。

演示中的這款航天服，在進(jìn)行加壓后，穿著航天服的記者依然能夠十分靈活地?cái)[動(dòng)自己的手臂，移動(dòng)雙腿，控制自己的手指，還能用手靈活地接住研發(fā)人員丟過(guò)來(lái)的球并拋回去。研發(fā)人員也演示了其在加壓后依然可以很輕松地蹲下，甚至還能趴在地上做俯臥撐。這一展示充分說(shuō)明該型航天服所使用材料的柔軟性，與過(guò)去前代航天服相比有了很大的提升。

這款航天服采用了高科技服裝面料。航天服的面料從外到內(nèi)，第一層即最外層面料是隔熱防微流星體層，這一層的作用是反射太陽(yáng)光的熱量并在微流星體撞擊到航天服上時(shí)起到保護(hù)作用；第二層是熱量反射層，該層由數(shù)層鋁薄膜并夾入編織網(wǎng)組成，作用是反射航天員自身的體溫，讓航天服內(nèi)能保持一定溫度以避免讓航天員感到寒冷；第三層是內(nèi)襯層，主要是防止隔熱層與約束層之間相互摩擦造成破損；第四層是約束層，是一種沒(méi)有彈力的編織纖維，來(lái)保證壓力層不會(huì)在加壓后過(guò)度膨脹；第五層即最里層為壓力層，由一種特種橡膠制成。而在穿著航天服之前，航天員也需要穿著液冷服，這種液冷服由尼龍制成，全身穿有塑料管，可以通過(guò)維生系統(tǒng)中的水泵帶動(dòng)管內(nèi)的水以帶走身體的熱量，保障內(nèi)部溫度舒適。

總的來(lái)說(shuō)，柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)的這款航天服相比于現(xiàn)有的EMU型壓力服有以下優(yōu)點(diǎn)：重量更輕，體積更小，提高了航天員的工作效率，提升了穿著的舒適度，可以適配大多數(shù)人男性與女性的體型。不過(guò)從采訪獲得的信息看，該航天服確實(shí)還相當(dāng)?shù)摹霸汀?，缺少了很多重要部件，比如胸前可以調(diào)節(jié)各種航天服參數(shù)的控制臺(tái)，頭燈和內(nèi)部顯示屏等設(shè)備也沒(méi)在該原型航天服上出現(xiàn)。這也意味著，各種計(jì)算機(jī)設(shè)備還沒(méi)有上航天服進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，離真正可以投入使用的航天服還有相當(dāng)?shù)木嚯x。

▲ 柯林斯航天服采用的是分體式設(shè)計(jì)

▲ 柯林斯航天服正在進(jìn)行穿戴實(shí)驗(yàn)

研發(fā)人員還提到，該型航天服大幅簡(jiǎn)化了航天服的操作難度。以往的航天服需要專業(yè)航天員學(xué)習(xí)很長(zhǎng)一段時(shí)間并進(jìn)行很多訓(xùn)練，才能比較好地穿著并進(jìn)行工作，但是正在研發(fā)的這型新航天服使用起來(lái)要比之前的任何航天服都要簡(jiǎn)易，一個(gè)幾乎沒(méi)有受過(guò)任何訓(xùn)練的普通人也可以穿著自如運(yùn)動(dòng)。

隨著未來(lái)太空旅行的發(fā)展，越來(lái)越多的普通人也能獲得上太空的機(jī)會(huì)，而這給正在研發(fā)的這款航天服帶來(lái)了新的商機(jī)，這也是柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)努力降低航天服使用門檻的核心動(dòng)力之一。目前柯林斯宇航團(tuán)隊(duì)只是拿下了替換所有國(guó)際空間站上EMU的訂單，未來(lái)，他們也非常有可能通過(guò)自己過(guò)硬的產(chǎn)品獲得未來(lái)阿爾忒彌斯計(jì)劃中用于載人登月的航天服訂單。

▲ 柯林斯航天服手套靈活性展示

▲ 柯林斯航天服腿部靈活性展示

神秘的公理航天團(tuán)隊(duì)方案

2022年9月7日，美國(guó)宇航局發(fā)表聲明，在審查了兩家符合條件的航天服供應(yīng)商的提案后，美國(guó)宇航局正式向公理航天公司下了一份價(jià)值2.285億美元的訂單，要求公理航天團(tuán)隊(duì)為未來(lái)的“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)準(zhǔn)備登月航天服。這是公理航天團(tuán)隊(duì)在2022年6月中標(biāo)xEVAS后的第一份訂單。根據(jù)目前阿爾忒彌斯計(jì)劃的進(jìn)度表，阿爾忒彌斯-3任務(wù)將會(huì)嘗試進(jìn)行載人登月，而這份訂單則意味著，如果阿爾忒彌斯-3任務(wù)成功進(jìn)行，從登月艙中走出來(lái)的航天員將會(huì)穿著公理航天團(tuán)隊(duì)制造的航天服。

目前，公理航天團(tuán)隊(duì)由數(shù)個(gè)公司組成：公理航天公司，KBR公司，戴維·克拉克公司，帕拉貢空間發(fā)展公司及其子公司氣閘公司，索菲克咨詢公司，APT研究公司。

公理航天公司是一家致力于太空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的企業(yè)。在接受采訪時(shí)，該公司CEO邁克爾·蘇弗雷迪尼表示，“我們團(tuán)隊(duì)很榮幸獲得第一份制造新一代航天服的訂單。我們很高興能夠提供我們的專業(yè)知識(shí)來(lái)滿足美國(guó)宇航局的探索需求，我們現(xiàn)代化、可進(jìn)化的航天服將可實(shí)現(xiàn)快速升級(jí)，隨著時(shí)間的推移，更好、更安全的技術(shù)將能夠應(yīng)用在上面，確保我們的航天員始終能用上先進(jìn)且耐用的航天服。我們十分期待為我們的航天員提供先進(jìn)的工具，以推動(dòng)人類在星際間的探索。同時(shí)我們也會(huì)為近地軌道上的客戶提供服務(wù)，并努力實(shí)現(xiàn)未來(lái)建成空間站的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模化太空經(jīng)濟(jì)?！蓖瑫r(shí)，邁克爾·蘇弗雷迪尼也表示，未來(lái)還會(huì)繼續(xù)爭(zhēng)取將航天服送入國(guó)際空間站。

KBR公司主要為市場(chǎng)提供科學(xué)、技術(shù)與工程上的各類解決方案。KBR與美國(guó)宇航局關(guān)系頗深，早在水星計(jì)劃時(shí)就已經(jīng)開始與美國(guó)宇航局合作。KBR在航天領(lǐng)域的業(yè)務(wù)包括任務(wù)規(guī)劃、航天員績(jī)效培訓(xùn)、衛(wèi)星管理、航天服維護(hù)服務(wù)、飛行操作、火箭發(fā)射用基礎(chǔ)設(shè)施、空間系統(tǒng)工程等，在休斯頓的任務(wù)控制中心，幾乎每個(gè)控制臺(tái)周圍都能看見(jiàn)KBR員工的身影。

戴維·克拉克公司是一家長(zhǎng)期以來(lái)為美國(guó)空軍和美國(guó)宇航局制造壓力服的公司。

帕拉貢空間發(fā)展公司是一家專業(yè)提供熱控系統(tǒng)的公司，其產(chǎn)品在潛水服領(lǐng)域和航天器領(lǐng)域都有應(yīng)用。該公司參與了獵戶座飛船的研發(fā)，為獵戶座飛船設(shè)計(jì)了維生系統(tǒng)的管路和各類型傳感器。該公司也參與了星座計(jì)劃的航天服的研發(fā)，為航天服的維生系統(tǒng)提供部件。

直到今年2月，該團(tuán)隊(duì)也沒(méi)有進(jìn)行原型航天服的展示。目前我們唯一看到的該團(tuán)隊(duì)航天服的大致模樣，是2021年11月23日公理航天公司在其官方推特賬號(hào)上放出的一張渲染圖。這張渲染圖十分模糊，但是能看出該團(tuán)隊(duì)原型航天服的一些特點(diǎn)：其面罩上部分可以安裝四個(gè)LED燈來(lái)作為照明工具；航天服上半身的結(jié)構(gòu)十分像美國(guó)宇航局自研的xEMU，其胸口正前方，頭盔正下方，兩手臂之間的空間十分狹小，意味著其有著不俗的手臂可活動(dòng)區(qū)域。而在這個(gè)中間區(qū)域我們也可以看出有一個(gè)設(shè)備，應(yīng)該是用來(lái)操作無(wú)線電、控制體溫和調(diào)節(jié)氣壓等等的控制臺(tái)。值得注意的是，該渲染圖顯示，其原型航天服的背包高度超過(guò)了頭頂，這也許意味著公理空間團(tuán)隊(duì)的航天服采用了和xEMU一樣的背后進(jìn)入式設(shè)計(jì)，只需要打開由維生系統(tǒng)背包充當(dāng)?shù)摹芭撻T”就可以直接穿好航天服。而公理航天公司也表示，該航天服將有望出現(xiàn)在公理空間站中，為商業(yè)客戶提供太空行走服務(wù)。這或許也意味著該航天服擁有和柯林斯航天服同樣的靈活性高、易操作等特點(diǎn)。

▲ 公理航天公司航天服設(shè)想圖

從以上兩家公司的方案分析可看出，未來(lái)航天服將會(huì)有靈活性高、易用性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、信息化程度高、安全性高等特點(diǎn)。在太空旅行隨著進(jìn)入太空成本降低而日益發(fā)展的情況下，幾乎每一家商業(yè)航天公司都想從中分一杯羹；商業(yè)太空旅行的發(fā)展，也讓航天服這種高精尖且價(jià)格不菲的小型載人航天器也開始有了商業(yè)潛力。而在xEVAS下，美國(guó)宇航局通過(guò)“租賃代替自研”的方式，在滿足自身需求的同時(shí)還鼓勵(lì)商業(yè)航天公司將先進(jìn)的航天服投入到市場(chǎng)中。這也意味著，美國(guó)宇航局在未來(lái)也許會(huì)嘗試將更多部分領(lǐng)域的研發(fā)和制造工作交給商業(yè)公司，以節(jié)約開支。