探索 | 太空“生命護(hù)盾”之航天服壓力防護(hù)功能解析

在載人航天任務(wù)中，航天服是保障航天員在太空環(huán)境中生命活動(dòng)和工作能力的關(guān)鍵，按用途可分為艙內(nèi)航天服和艙外航天服。艙內(nèi)航天服主要用于航天員在飛船發(fā)射和返回、交會(huì)對(duì)接，或飛船發(fā)生泄漏、壓力突然降低的時(shí)候穿著；艙外航天服則是航天員出艙活動(dòng)時(shí)使用的個(gè)體防護(hù)裝備，相當(dāng)于小型載人航天器，用于生命和作業(yè)保障，在空間站任務(wù)階段，航天員需要執(zhí)行出艙任務(wù)時(shí)，就會(huì)穿上艙外航天服。

航天服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇以及工效性能等直接關(guān)系到航天員在太空中的生命安全和任務(wù)執(zhí)行情況。它不僅是航天員的重要防護(hù)裝備，更是保障任務(wù)成功的關(guān)鍵因素之一。其中，航天服的壓力防護(hù)是航天服最基本也是最重要的功能之一，能為人體建立起賴以生存的壓力環(huán)境。

1 航天服必須具備壓力防護(hù)能力

在高真空、低壓力的空間環(huán)境下，人體無法自主呼吸，也無法維持正常的血液循環(huán)和代謝過程。環(huán)境壓力的迅速變化容易導(dǎo)致內(nèi)含氣體空腔的器官發(fā)生機(jī)械損傷，隨著壓力的降低，因體內(nèi)惰性氣體析出而容易引發(fā)減壓病；同時(shí)由于氧分壓降低，機(jī)體缺氧的各類癥狀隨即發(fā)生，在極端低壓環(huán)境下，還將造成體液沸騰等嚴(yán)重后果。因此，航天服必須具備足夠的壓力防護(hù)能力，為航天員建立起一個(gè)穩(wěn)定的密閉承壓環(huán)境。

2 早期任務(wù)中通用的壓力防護(hù)體系

航天服的壓力防護(hù)功能是通過航天服的壓力服（簡稱壓力服）實(shí)現(xiàn)的，壓力服是由高空飛行全密閉增壓式防護(hù)服的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。由于載人航天技術(shù)的早期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)近地軌道的發(fā)射再入以及突破和驗(yàn)證出艙活動(dòng)技術(shù)，出艙任務(wù)時(shí)間短，工作項(xiàng)目相對(duì)簡單，對(duì)活動(dòng)能力要求較低，因此在飛行任務(wù)中，美國、蘇聯(lián)通常選用艙內(nèi)和出艙任務(wù)通用的壓力防護(hù)體系。壓力服與生命保障系統(tǒng)（或供氧調(diào)壓裝置）結(jié)合構(gòu)成航天服系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上均采用軟式結(jié)構(gòu)。

當(dāng)航天員在艙內(nèi)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，航天服作為航天器壓力防護(hù)的備份，在艙體出現(xiàn)壓力應(yīng)急（泄漏）時(shí)，防護(hù)空間環(huán)境因素的危害，保障航天員的生命安全及必要的工作能力。當(dāng)航天員開展出艙活動(dòng)時(shí)，航天服則在此基礎(chǔ)上增加熱防護(hù)和生保背包，保障個(gè)人生命安全與健康。

以蘇聯(lián)為例，航天員尤里·加加林在穿著SK系列航天服完成人類首次太空飛行之后，科研人員在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)活動(dòng)與出艙活動(dòng)功能的金雕型(BERKUT) 航天服。1965年3月18日，蘇聯(lián)航天員阿列克謝·列昂諾夫身著金雕型航天服完成了人類歷史上首次出艙活動(dòng)。

▲蘇聯(lián)航天員阿列克謝·列昂諾夫進(jìn)行了世界航天史上第一次太空漫步

該航天服首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40.6kPa、27.4kPa兩種壓力模式和雙層可拆卸式面窗，真空屏蔽外層可以有效隔熱，同時(shí)保護(hù)航天服內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受輻射和機(jī)械損傷。但在此次出艙活動(dòng)中，由于氣壓問題造成服裝充壓膨脹，航天員最終通過減壓才返回艙內(nèi)。可見，航天服在設(shè)計(jì)、研制與驗(yàn)證的每個(gè)環(huán)節(jié)都尤為重要。

▲金雕型(BERKUT) 航天服展示

3 當(dāng)前各國采用了不同的壓力服系統(tǒng)

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展和載人航天任務(wù)的變化，在空間站建設(shè)運(yùn)營期間，載人天地往返常態(tài)化，近地軌道出艙頻率、時(shí)間以及任務(wù)復(fù)雜度都顯著增加，在采用適宜的壓力制度的基礎(chǔ)上，要求航天服既具有更完備的艙內(nèi)壓力應(yīng)急防護(hù)能力，也能滿足艙外活動(dòng)不同的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，特別是艙外航天服必須具備更高的防護(hù)性能和生命保障功能。為此，各國在航天服總體構(gòu)型上采用了不同的壓力服系統(tǒng)：艙內(nèi)采用軟式結(jié)構(gòu)，保持了軟式航天服輕質(zhì)和易賦形特征；艙外則采用半硬式結(jié)構(gòu)，盡可能提高加壓作業(yè)的靈活性、穿脫的方便性以及空間環(huán)境防護(hù)的安全性。

當(dāng)前，我國使用的艙內(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、航天手套、壓力調(diào)節(jié)器、通風(fēng)供氧組件等組成。其中，壓力服由氣密層和限制層構(gòu)成，前者有良好的氣密性，防止服裝加壓后的氣體泄漏；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，由高強(qiáng)度、耐磨損的材料制成。壓力調(diào)節(jié)器能夠自動(dòng)維持服裝內(nèi)規(guī)定的工作壓力，為航天員創(chuàng)造合適的氣壓等生存條件。

▲神舟十七號(hào)乘組身著艙內(nèi)航天服開展任務(wù)訓(xùn)練

而我國自主研制的空間站“飛天”艙外航天服，整體上采用半硬式結(jié)構(gòu)。服裝壓力防護(hù)原理與航天器一致，同時(shí)為保證其適體性、活動(dòng)性等工效保障功能，整體設(shè)計(jì)為帶有活動(dòng)關(guān)節(jié)的擬人形態(tài)壓力容器，內(nèi)部通過氣體建立滿足人體生理需求的壓力制度，既對(duì)真空環(huán)境有效防護(hù)，又可在艙外作業(yè)中具備足夠的活動(dòng)能力，通過足夠的氣體壓力防護(hù)，使得人體皮表具有自我限制能力。

▲用于開展出艙活動(dòng)的“飛天”艙外航天服

航天服的壓力防護(hù)功能是保障航天員在太空中生命安全的關(guān)鍵因素之一。未來，隨著載人航天近地軌道任務(wù)常態(tài)化，深空探測(cè)任務(wù)逐步實(shí)施，航天服壓力防護(hù)技術(shù)將面向三個(gè)方向：一是面向全硬式零預(yù)呼吸的壓力服，高壓力制度可減少或者取消出艙準(zhǔn)備活動(dòng)時(shí)吸氧排氮的過程；二是短期內(nèi)以低壓力制度的軟體結(jié)構(gòu)為主結(jié)構(gòu)，通過深入研究和優(yōu)化關(guān)節(jié)技術(shù)、輕量化承壓結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)以及成型工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，逐步推進(jìn)航天服技術(shù)的革新，研發(fā)出能夠適應(yīng)不同任務(wù)需求的變壓力制度軟式壓力服；三是實(shí)現(xiàn)向局部機(jī)械反壓式壓力服的技術(shù)跨越，從而提高航天服的性能和舒適度，更確保航天員在太空環(huán)境中的安全與健康。

【參考資料】

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[4]張萬欣*,廖前芳,李金林,丁凌艷 等.空間站飛天艙外航天服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2022,09:2-3.

編輯 | 張馨方

來源 | 中國載人航天