任務(wù)復(fù)雜多樣，新一代艙外航天服大升級

近日，美國宇航局再次授予兩家商業(yè)航天公司合同，分別研發(fā)新一代艙外航天服。新時代，航天員任務(wù)更加復(fù)雜多樣，有望深入探索外星球。在不同的應(yīng)用環(huán)境下，艙外航天服需要具備哪些技術(shù)特征？不同用途的艙外航天服又會有哪些異同之處呢？

穿戴“小型宇宙飛船”

隨著太空探索活動越來越頻繁，克服潛在風(fēng)險的需求也越來越迫切。為了抵御宇宙空間中的極端溫度、無數(shù)碎片、高能輻射等威脅，航天員在缺乏嚴(yán)密保護的艙外工作時必須穿上特殊服裝，這就是艙外航天服。

形象地比喻，艙外航天服不僅是衣服，更像是“小型宇宙飛船”，時時刻刻維持著航天員身體健康，還不能嚴(yán)重降低他們的活動效率，又要減輕身體負(fù)擔(dān)。而且后兩點在艙外航天服的發(fā)展過程中越來越重要。

載人航天早期，航天員不會冒險出艙，穿著艙內(nèi)航天服即可。而且，艙內(nèi)航天服需要具備基本的救生功能，如應(yīng)急供氧系統(tǒng)、水上著陸浮力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，所以蘇聯(lián)航天員也稱之為“救生服”。

在研發(fā)航天服方面，美國推進“水星計劃”時有些“偷懶”，直接將海軍戰(zhàn)斗機飛行員的壓力服修改后使用，不具備救生功能。不料，曾有飛船著陸時發(fā)生故障，航天員被迫在海面上艱難求生。

美國新一代艙外航天服注重提升航天員下半身活動能力

于是，20世紀(jì)60年代中期，美國推進“雙子座計劃”，兼顧艙室內(nèi)外環(huán)境的航天服研制工作更受重視。1965年，“雙子座4號”任務(wù)完成了美國首次、全球第二次太空行走，新一代航天服保障了航天員安全。不過，航天員返回后建議增強艙外航天服的“活動性”，尤其是提升手臂、肩部部位和手套穿戴后的靈活性。

美國艙外航天服迅速改進，典型成果就是A7L。1969年7月20日，阿姆斯特朗在月球上留言“個人的一小步，人類的一大步”時，就是穿著這款登月航天服。除了基本需求外，A7L登月航天服和之前的艙外航天服相比，最顯著的特征是配備了便攜式生命保障系統(tǒng)，可以用于供氧、降低二氧化碳濃度、排散身體熱量等?？梢哉f，A7L是美國第一代具備完善的自主生命保障功效的艙外航天服系統(tǒng)。

當(dāng)然，受時代所限，“阿波羅計劃”使用的登月航天服也有一些缺點，比如過于笨重、活動不便、無法重復(fù)利用等。這些不足之處也成為美國宇航局推動研發(fā)新一代艙外航天服的動力。

20世紀(jì)70年代，美國新一代艙外航天服研發(fā)工作啟動，要求可重復(fù)使用，能適應(yīng)不同身材的航天員，且能維持長時間的艙外活動。1983年，學(xué)名“艙外機動裝置”的艙外航天服首次幫助航天員出艙活動，至今仍被國際空間站駐站人員使用。

“重返月球”要求更多

“艙外機動裝置”已使用了40年，不論是從使用壽命還是從環(huán)境適應(yīng)性、可維修性來看，都難以支撐美國宇航局當(dāng)前的核心項目“阿爾忒彌斯計劃”。因此，美國宇航局啟動了新一代艙外航天服研發(fā)，學(xué)名叫做“探索艙外機動裝置”，簡稱xEMU。

其實，早在2007年，美國宇航局就希望獲得新一代航天服，但進度很慢。雖然先后有Z-1、Z-2、Z-2.5等試驗品性質(zhì)的航天服問世，卻始終未能“更進一步”。為加快進度，美國宇航局不得不尋求外援，向公理太空公司、柯林斯航天公司等商業(yè)航天求助。

盡管內(nèi)幕因素比較復(fù)雜，但美國宇航局對新型艙外航天服提出的設(shè)計指標(biāo)更加苛刻，無疑是其研發(fā)不順利的重要原因。

要求一，確保航天員擁有更高的出艙頻率和更長的艙外活動時間。具體來說，在維持較高的人體代謝率的前提下，航天員單次出艙時間不小于8小時。過去的艙外航天服很難支持航天員出艙這么久，而且活動劇烈程度也比不上未來任務(wù)目標(biāo)。

要求二，具備更出色的環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)美國宇航局的計劃，xEMU不僅能夠適應(yīng)近地軌道和月球表面的惡劣環(huán)境，未來實施改進后，還能支持航天員登陸火星。

這就意味著，新款艙外航天服既要適應(yīng)近地軌道的微重力環(huán)境，又要及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)，適應(yīng)月球、火星等外星球上的不同重力環(huán)境，更要加強防護性能，抵御突然來襲的碎片、輻射以及可能帶電、有毒的外星球塵埃。比如，月球表面近似真空絕壓環(huán)境，火星表面存在微弱大氣，艙外航天服怎樣兼顧適應(yīng)兩種截然不同的外星球環(huán)境？顯然是開發(fā)難點。

要求三，必須擁有更長的使用壽命。目前國際空間站駐站人員使用的艙外航天服依賴貨運飛船的周期性補給，往往在軌使用2年后送回地面維修?？紤]到外星球距離遙遠，特別是未來航天員很可能在月球、火星上建立永久基地，與地球之間往返耗時，所以必須顯著降低xEMU的維修和整備難度。比如，艙外航天服快速消耗的水、氧氣等生命物資有必要實現(xiàn)在軌加注補充。當(dāng)前，美國宇航局計劃將xEMU的在軌使用壽命延長到8年。

要求四，實現(xiàn)更佳的機動性和靈活性?！鞍⒉_計劃”結(jié)束后，艙外航天服主要用于近地軌道任務(wù)，設(shè)計側(cè)重于保障航天員上半身的靈活性，畢竟在外太空飄蕩環(huán)境中不需要“腳踏實地”。但要想登陸月球和火星，航天員必須穿戴讓下半身活動更敏捷的艙外航天服，實現(xiàn)“全表面機動能力”，方便地跳、跑、彎腰、下蹲。此外，為了方便女性航天員參與深空探測，新一代艙外航天服也需要考慮女性的身體條件。

不難看出，美國宇航局希望xEMU能夠滿足多樣化任務(wù)，適應(yīng)不同環(huán)境。為此，美國宇航局決定先研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)版xEMU，再根據(jù)任務(wù)環(huán)境變化，衍生出不同版本的xEMU。這個研發(fā)思路也要求xEMU具備模塊化特色，主要的單機和功能模塊都能實現(xiàn)便捷更換、在軌維修。

值得一提的是，盡管美俄航天合作逐漸分道揚鑣，但美國研發(fā)xEMU仍然向俄羅斯“取經(jīng)”，取消集成式便攜式生命保障系統(tǒng)，計劃采用獨立的雙風(fēng)機和雙泵結(jié)構(gòu)。這樣既可避免水侵入電氣線路，又能降低對熱控回路的供水壓力。同時，它還計劃設(shè)置3組獨立電源，以便應(yīng)對突發(fā)狀況。

然而，這種分布式、冗余化設(shè)計也帶來了麻煩，比如其總重可能超過183公斤，比上一代增重近50%，對航天員顯然是沉重負(fù)擔(dān)。由此，我們也不難理解為何新型艙外航天服遲遲難產(chǎn)了。（作者：林溪 圖片來源：Axiom公司、Collins公司 把關(guān)專家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）