任務(wù)復(fù)雜多樣，新一代艙外航天服大升級(jí)

近日，美國(guó)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(shí)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(huì)有哪些異同之處呢？

穿戴“小型宇宙飛船”

隨著太空探索活動(dòng)越來(lái)越頻繁，克服潛在風(fēng)險(xiǎn)的需求也越來(lái)越迫切。為了抵御宇宙空間中的極端溫度、無(wú)數(shù)碎片、高能輻射等威脅，航天員在缺乏嚴(yán)密保護(hù)的艙外工作時(shí)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(shí)時(shí)刻刻維持著航天員身體健康，還不能?chē)?yán)重降低他們的活動(dòng)效率，又要減輕身體負(fù)擔(dān)。而且后兩點(diǎn)在艙外航天服的發(fā)展過(guò)程中越來(lái)越重要。

載人航天早期，航天員不會(huì)冒險(xiǎn)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(chēng)之為“救生服”。

在研發(fā)航天服方面，美國(guó)推進(jìn)“水星計(jì)劃”時(shí)有些“偷懶”，直接將海軍戰(zhàn)斗機(jī)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(shí)發(fā)生故障，航天員被迫在海面上艱難求生。

美國(guó)新一代艙外航天服注重提升航天員下半身活動(dòng)能力

于是，20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)推進(jìn)“雙子座計(jì)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(hào)”任務(wù)完成了美國(guó)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(guò)，航天員返回后建議增強(qiáng)艙外航天服的“活動(dòng)性”，尤其是提升手臂、肩部部位和手套穿戴后的靈活性。

美國(guó)艙外航天服迅速改進(jìn)，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(gè)人的一小步，人類(lèi)的一大步”時(shí)，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。可以說(shuō)，A7L是美國(guó)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(shí)代所限，“阿波羅計(jì)劃”使用的登月航天服也有一些缺點(diǎn)，比如過(guò)于笨重、活動(dòng)不便、無(wú)法重復(fù)利用等。這些不足之處也成為美國(guó)宇航局推動(dòng)研發(fā)新一代艙外航天服的動(dòng)力。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)新一代艙外航天服研發(fā)工作啟動(dòng)，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(zhǎng)時(shí)間的艙外活動(dòng)。1983年，學(xué)名“艙外機(jī)動(dòng)裝置”的艙外航天服首次幫助航天員出艙活動(dòng)，至今仍被國(guó)際空間站駐站人員使用。

“重返月球”要求更多

“艙外機(jī)動(dòng)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(lái)看，都難以支撐美國(guó)宇航局當(dāng)前的核心項(xiàng)目“阿爾忒彌斯計(jì)劃”。因此，美國(guó)宇航局啟動(dòng)了新一代艙外航天服研發(fā)，學(xué)名叫做“探索艙外機(jī)動(dòng)裝置”，簡(jiǎn)稱(chēng)xEMU。

其實(shí)，早在2007年，美國(guó)宇航局就希望獲得新一代航天服，但進(jìn)度很慢。雖然先后有Z-1、Z-2、Z-2.5等試驗(yàn)品性質(zhì)的航天服問(wèn)世，卻始終未能“更進(jìn)一步”。為加快進(jìn)度，美國(guó)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(guó)宇航局對(duì)新型艙外航天服提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)更加苛刻，無(wú)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(zhǎng)的艙外活動(dòng)時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)，在維持較高的人體代謝率的前提下，航天員單次出艙時(shí)間不小于8小時(shí)。過(guò)去的艙外航天服很難支持航天員出艙這么久，而且活動(dòng)劇烈程度也比不上未來(lái)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(guó)宇航局的計(jì)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(lái)實(shí)施改進(jìn)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(shí)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(qiáng)防護(hù)性能，抵御突然來(lái)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(kāi)發(fā)難點(diǎn)。

要求三，必須擁有更長(zhǎng)的使用壽命。目前國(guó)際空間站駐站人員使用的艙外航天服依賴貨運(yùn)飛船的周期性補(bǔ)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(yuǎn)，特別是未來(lái)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(shí)，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(shí)現(xiàn)在軌加注補(bǔ)充。當(dāng)前，美國(guó)宇航局計(jì)劃將xEMU的在軌使用壽命延長(zhǎng)到8年。

要求四，實(shí)現(xiàn)更佳的機(jī)動(dòng)性和靈活性。“阿波羅計(jì)劃”結(jié)束后，艙外航天服主要用于近地軌道任務(wù)，設(shè)計(jì)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(shí)地”。但要想登陸月球和火星，航天員必須穿戴讓下半身活動(dòng)更敏捷的艙外航天服，實(shí)現(xiàn)“全表面機(jī)動(dòng)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(cè)，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(guó)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(guó)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(gè)研發(fā)思路也要求xEMU具備模塊化特色，主要的單機(jī)和功能模塊都能實(shí)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(yáng)鑣，但美國(guó)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(jì)劃采用獨(dú)立的雙風(fēng)機(jī)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(duì)熱控回路的供水壓力。同時(shí)，它還計(jì)劃設(shè)置3組獨(dú)立電源，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

然而，這種分布式、冗余化設(shè)計(jì)也帶來(lái)了麻煩，比如其總重可能超過(guò)183公斤，比上一代增重近50%，對(duì)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(lái)源：Axiom公司、Collins公司 把關(guān)專(zhuān)家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）