宇航服

材料&宇航服Materialsandsuitsdesign航天过程中保护宇航员生命安全的个人防护救生装备，又称宇宙服或航天服。宇航服能构成适于宇航员生活的人体小气候。它在结构上分为6层：①内衣舒适层②保暖层③通风服和水冷服（液冷服）④气密限制层⑤隔热层⑥外罩防护层与宇航服配套的还有头盔、手套、靴子等。过去五十年来太空服的发展演变NASA制造为例水星计划宇航服是美国海军高海拔喷气飞机压力服的改进版。它的内层是涂有氯丁橡胶的尼龙，外层是镀铝尼龙。手肘、膝盖等关节部位的缝入纤维切割线，增加灵活性。即使如此，在加压的服装内，飞行员仍然感觉难以弯曲手臂和腿。因为当手肘和膝盖关节弯曲，衣服形成褶皱，减少内部体积，压力随之增加。水星计划宇航员约翰格伦于1962年成为进入地球轨道的第一位美国宇航员，如图所示，这是他当时所穿着的“水银宇航服”这种航天服由氯丁橡胶涂在布上的防护层和经过氧化铝处理的强化尼龙的内绝热层叠合而成，肘和膝关节部分缝入了金属链，容易弯曲。但是，当内压提高时，航天员难以活动身体。1965年，当爱德华·怀特打开双子星4号飞行器舱门，成为第一个走进太空真空的美国人时，他的宇航服还通过一条25英尺长“脐带”和舱内相连。这条“脐带”连接着宇航服胸部的压力调节和通风装置，提供氧气。双子星计划星座1965年3月，美国宇航员格斯•格瑞逊（图左）和约翰•杨（图右）进行了第一次“双子宫”太空任务。这是他们所身穿的太空服，该太空服与便携式空气调节装置相连在一起作为从“水星”到“阿波罗”计划之间过渡，美国于1961年11月至1966年11月实施了“双子星座”计划。这种航天服在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟纶混纺材料织成的网，即使空气压使航天服整体膨胀也容易弯曲。由于双子星座计划要求航天员进入太空在轨道上作会合或入坞的活动，所以这种航天服具有极佳的运动性。从皮肤开始，阿波罗A7LB宇航服包括一套贴身穿着的液体冷却衣，它的样式类似连身内衣，衣服纤维内部缝有通心粉式的管道。冷水在管道内循环，带走体热，流回背包，热量再从背包散发。冷却衣外面是一层穿着舒适的尼龙，再外面是不透气的压力气囊或是氯丁橡胶涂层尼龙或是波纹管式关节，再外面是防止气囊鼓胀的约束层，再外面是玻璃纤维和Kapton薄膜层叠而成的超轻盈隔热层，再外面是多层Mylar和spacer材料，最后是特富龙涂层的玻璃纤维Beta布。（1968年工程师比尔•彼得森（图左）和测试飞行员鲍勃•史密斯（图右）阿波罗宇航服。）阿波罗计划阿波罗太空头盔由高强度的聚碳酸酯制成，通过压力密封项圈和宇航服连接。水星和双子星头盔紧紧套在宇航员头上，跟着头部转动，而阿波罗头盔固定在衣服上，宇航员的头在里面可以自如转动。当在月球表面行走时，宇航员在头盔外加盖面盔，以阻隔伤害眼睛的紫外线，让头部和面部保持舒适的温度。月球靴实际上是一双套鞋。宇航员穿在和宇航服一体的压力靴外。月球靴的表层除了橡胶鞋底外为金属纤维织物，鞋面材料是特富龙涂层的玻璃纤维布。靴子的内层是特富龙涂层的玻璃纤维布，紧接着是25层Kapton薄膜和玻璃纤维布间隔重叠的材料，保证了靴子的轻盈和隔热。配上手套和靴子，探月者的装备就完整了。两个部件的设计都必须符合月球探索的苛刻条件。手套设计还必须确保能操作精密仪器。宇航员在月球表面佩戴的手套的构成包括根据宇航员手模型制作的压力气囊，外面覆盖多层超绝缘材料，以隔离热量，承受摩擦。大拇指和手指尖部位采用硅橡胶材料，保证一定程度的灵敏“触觉”。像头盔一样，手套通过压力封闭环和衣服连接。1969年7月20日，阿波罗11号宇航员布兹•奥尔德林登上月球表面拍摄这张图片的是指挥官尼尔•阿姆斯壮，从奥尔德林的宇航头盔镜上可反射出阿姆斯壮的身影阿波罗航天服与过去的航天服相比，根本的差别是采用了便携式生命保障系统，即将生命保障系统固定在背上，以进行供氧、二氧化碳的净化和排除体热。这种航天服在关节周围制成伸缩自如的褶皱，大大提高了运动性能。但是，必须穿着特殊的“内衣”。吸走航天员身上散发的热量，并排到宇宙空间。1981年4月12日，美国宇航局第一架航天飞机执行STS－1任务时，宇航员约翰•杨和罗伯特•克里平穿着喷射逃亡宇航服，这是美国空军高空压力宇航服的改进型。到了空间站时代，舱外任务范围更广。需要新的宇航服。NASA休斯顿林登·约翰逊太空中心开发的MarkⅢ宇航服结合了软硬材料。加州Ames研究中心正在开发的AX-5宇航服则是硬质宇航服。但它们分享一些共同特征，比如，必须容易穿脱；必须保证穿着者一定程度的自如活动；必须适用于不同体形尺寸的宇航员。为了适合空间站条件，宇航服还必须容易护理，能保护宇航员不受辐射、微流星体和人造垃圾伤害。除了符合这些要求外。MarkⅢ和AX-5的设计工作压力为8.3psi；而现在的航天飞机宇航服工作压力为4.3psi，在太空行走前必须长时间地吸收纯氧———以使宇航员的身体适应太空舱和太空服内部的气压差异。通过增加宇航服的工作压力，使之更接近空间站压力，新服装将大幅度减少，甚至完全取消准备呼吸阶段。空间站时代宇航员麦克·芬克身穿俄罗斯制造的海鹰太空服在国际空间站外执行任务。海鹰太空服可使宇航员在没有助手的情况下迅速穿上和脱下。这套宇航服重将近110公斤，穿上它可进行12次太空行走。当宇航员需要到航天飞机外工作时，他们穿着的服装叫舱外机动套装，简称EMU.它们比之前的宇航服设计得更耐久、更灵活。这套服装采用模具化设计，许多零件可以替换。身体上部、身体下部、手臂和手套分别有不同尺寸，每次任务前可以重新组合以适应具体穿着的宇航员。这种设计使衣服可以反复使用，不像从前的宇航服必须根据每个宇航员尺寸特别定制，从而大大降低了成本。在宇航员看来手套可是太空服中最重要的部分。阿波罗太空服使用的是两副手套，手套内层(左)是用布包裹起来的压力气泡，外层用布、聚脂薄膜和金属网眼做成。外层手套主要是宇航员进行太空行走时防止微小陨石和高热。2007年5月缅因州工程师彼得·荷马设计的太空服手套击败了NASA的设计。他设计的太空手套能令宇航员的手指自由弯曲。正如NASA需要新的飞船Orion一样，在未来，当人类返回月球、征服火星时，同样需要新的宇航服。目前，NASA为2020年重返月球计划正在研发制造新新的月球探索工具，其中包括新宇航服。08年6月，NASA在华BioSuit盛顿州摩西湖测试新探月机器人、月球漫游车和宇航服。从外观看新宇航服和阿波罗计划时代的服装似乎变化不大，仍然显得庞大笨重。事实上在人类太空旅行的40多年里，宇航服的本质变化不大。庞大加压的衣服像一个泡泡一样保护了宇航员，但也极大限制了他们的行动。但麻省理工学院的航空学教授达瓦·纽曼决定改变这一现状。纽曼正在设计一种紧身的能保证最大灵活性的高级宇航服———BioSuit（生物衣）。为此，纽曼和同事杰夫·霍夫曼以及一家设计公司已经努力了9年。他们推出的原型还不适合太空旅行。纽曼估计，大约10年后，当人类准备号火星旅行时，她的宇航服估计也已经大功告成。这套BioSuit（生物衣）和传统笨重的宇航服截然相反，更像为蜘蛛侠设计的。未来太空服的设计趋向“苗条”，这样便于太空旅行者自由移动。麻省理工学院工程师纽曼和同事们设计出新型太空服Biosuit。它比传统装备更轻便、平滑和贴身。最重要的是，它能够充分保证宇航员的灵活性。纽曼的新宇航服BioSuit的另一个优势便是安全性：如果传统的宇航服被小陨石或者其它天体刺破，在威胁生命的压力骤减出现前，宇航员必须立即返回空间站或者总部。但对于BioSuit来说，一个单独的小孔能够被极似绷带的东西包裹起来，宇航服余下的部分并不会受其影响。还有一些研究人员正在研制高科技太空服材料，这些材料可以发电和杀死细菌。航天服是太空行走的最关键因素，它不仅是一件衣服，实际上是一艘小型太空船，时刻保护着太空探索者。从1965年美国人首次成功太空舱外活动，登陆月球，直至今天，NASA（美国宇航局）宇航服的外观和细节历经变化，基本需求却始终没变。总结谢谢观看O(∩_∩)O