最昂贵的太空衣服

第二节 最昂贵的太空衣服

穿衣服是人类特有的“专利”,衣服能体现一个人的个性,增强人的自信,展示人的追求。进入“太空村庄”里,穿着普通的衣服就不行了,必须穿着特殊材料、选用特殊工艺、经过特殊加工和特殊技术制成的航天服。航天服造价可达上千万美元,是世界上最为昂贵的衣服。

航天员在飞船发射准备和上升段、在飞船内工作、在空间站里工作、出舱活动、返回着陆,或出现应急情况下返回时,穿着的衣服都大不相同。即使是在空间站,穿着衣服也是不一样的,有工作服、锻炼服、睡眠服,有的还有特殊的节日服装。

由于航天服具有气密性,转动头部和手腕均不会漏气,这使得航天服穿着起来非常费劲。一个航天员是无法完成的,升空的时候可以由服务人员帮忙,而返回的时候,如果是几个航天员同时飞行,可以相互帮忙,一个航天员则需要等相关人员的到来。为了学会穿衣服,航天员在地面上要反复练习几十次。

美国和俄罗斯航天服设计是不一样的,因此穿脱航天服的方法也是不同的。俄罗斯的舱外航天服是后开门的形式,采用坚硬的躯干,与头盔结合成一个整体,而四肢为软的囊,航天员从航天服的背部的一个铰链门进入航天服。美国的舱外航天服是分体式,是硬的上躯干,软的下躯干及袖子、手套、裤腿和靴子。手套按人定做,头盔可拆卸。便携式生命保障系统安装在硬躯干的后面,手动控制和显示器安装在前面,航天服的上下躯干由一个腰部断接器连接,航天员穿航天服时,从腰环进入,先穿下身,然后穿上身,一个人完成起来很困难,通常需要别人帮助。 相比之下,大多数航天员认为,俄罗斯的航天服非常耐用,具有结构简单、灵巧方便的特点。

航天服按用途大致分为舱内航天服和舱外航天服两大类。

1.舱内航天服

舱内航天服是航天员在航天器内使用的航天服,如果飞船在发射、轨道运行和返回过程中发生舱内漏气等事故的时候,穿上舱内航天服,就可以保证航天员的生命安全。航天服是为每一个航天员量身订制的。

舱内航天服一般由航天头盔、压力服、通风和供氧软管、手套、靴子以及相关附件组成。一般重20~30千克,再套上降落伞,重量可达40多千克。

压力服是航天服的主体,一般为上下身连接在一起的连接式,压力服必须具备非常好的密封性,能够在充气和加压的情况下,仍然保持密封状态。此外,压力服还必须保证人的四肢可以在一定范围内活动。

航天员既可以将航天手套戴在压力服的袖口上,并保证其密封性,也可以将手套脱掉。

靴子,有与压力服连接在一起构成整体的靴子,不单独使用。也有具有断接器的可以脱的密封靴子,还有可穿在压力服限制层的套靴。

航天服通风供氧软管与舱内通风供氧装置连接在一起,在正常情况下,能够给穿着航天服的航天员提供全身的通风,使得航天员处于比较舒适的环境中。当座舱出现压力急剧下降的时候,给航天服通风的风机会自动关闭,使航天服处于密封供氧状态,应急供氧装置通过服装软管将氧气送入航天服内,一部分氧气将进入头盔内供航天员呼吸及头部散热,然后由压力调节器排出。

国舱内航天服

舱内航天服按其工作方式,又可分为开式和再生式两种。

开式航天服中由生命保障系统进入航天服内的气体不循环使用,用过后向座舱内排放,氧气消耗量比较大,但系统结构简单、质量较轻。再生式航天服的系统采用闭路工作,气体循环使用,用过的气体首先进入二氧化碳吸收罐,清除航天员排出的二氧化碳,然后补充氧气,再送回服装内。该系统可以节省大量氧气,但系统结构比较复杂、质量较大。

舱内航天服在设计的时候,充分考虑了穿脱的方便性和快捷性。保证航天员独自穿好航天服的时间为5分钟,脱去航天服的时间为3分钟,戴好两只手套的时间为60秒至80秒,关好头盔用3秒至5秒,航天服总重14.5千克,可以提供125分钟的航天员生命保障时间,俄罗斯从联盟号飞船至今一直在使用这种航天服。

美国水星号飞船航天员穿用的航天服是由海军高空喷气式飞机压力服改进而成的,为了便于航天员活动,航天服上装有气密轴承和波纹关节。圆形头盔通过带特殊衬垫的项圈连到服装上,内有通信系统。航天员呼出的二氧化碳和水汽从头盔排出,送到飞船座舱环境控制系统进行处理。

我国神舟号飞船上航天员穿用的舱内航天服为开式航天服,重10千克。主要由头盔、压力服和手套三部分构成,按照航天员的身高体重等情况定制,专人专用。

航天头盔一般带有密闭的启闭机构和球面形状的全景面窗。

头盔盔壳的材料是聚碳酸酯,这种材料的优点是不仅能隔音、隔热和耐碰撞,而且还具有减震好、质量轻的特点。为防止航天员呼吸造成水汽凝结以及低温环境下头盔面窗上结雾、结霜,专门设计了特殊的气流和防雾涂层,具有良好的防雾性能。

头盔的前面是一块可移动的大面窗,能给航天员提供宽广的视野。不启用航天服生命保障系统时,航天员把面窗推到上部,航天员呼吸舱内空气,也可以在面窗拉下状态下,通过打开一个通气阀,来呼吸舱内的空气。启用舱内航天服时,航天员将面窗拉下,此时就构成了一个独立的生命保障系统,由舱内的生命保障系统向服装内提供纯氧供航天员呼吸。

在面窗的前上方有一块遮阳板,可遮挡刺眼的阳光。头盔还可以用手转动,使航天员能方便地看到左右两边。头盔内有通信帽,在比较高的噪声环境中能够与地面进行语音通信。

舱内航天服一般由外罩、隔热层、限制层、密封层、散热层5层组成。外罩,由耐高温、抗磨损材料制成,以保护航天服内层结构;隔热层,由5~7层镀铝的聚酯薄膜构成,薄膜之间用网状物分开,具有良好的隔热性能;限制层,用高强度尼龙织物构成,限制服装加压后膨胀变形,保持舒适合体;密封层,用两面涂有聚丁橡胶的锦纶织物制成,起气密作用,防止服装加压后气体泄漏;散热层,即液冷服,相当于一件贴身的内衣裤,上有许多细小的弹力纤维制成的细管,液体在管路中流动将身体产生的热量带走。

舱内航天服上设置有小便收集器及少量的饮用水,还设有生物医学监测器,对航天员的生理状况进行监测。

在航天器发射前,航天员身着舱内航天服进舱,坐好后将航天服的通风供氧管路与航天器进行连接,打开头盔面罩通风。起飞前,关闭面罩,在整个上升段飞行中,一直处于从座舱抽吸气体为航天服通风的工作模式。一旦发现座舱失压,舱内空气压力下降到规定的故障值时,航天服内的循环系统立即自动启动开始工作,并关闭座舱空气入口,由飞船的生命保障系统持续向航天服内供应纯氧,并保持航天服内规定的压力,以保证航天员的生命安全。

在飞船舱内,宇航员不是任何时候都穿着舱内航天服的,在结束了上升段飞行进入太空后,经检查航天器工作正常的情况下,就可以脱去上升段飞行所穿的舱内航天服,穿上更为舒适的舱内工作服及其他服装。

工作服上衣有短袖和长袖两种,裤子也有短裤和长裤,还有马甲、夹克等。服装有厚有薄,在空间站里,由于舱内在温度适宜的情况下,可以穿比较薄的工作服,或穿短袖工作服,当舱内温度低于20摄氏度时穿用较厚的弹性针织布料制成的保暖服。在航天器内工作因不需要用脚走路,所以一般不需要穿鞋,只穿袜子。裤子上有设计了扣带以便能够固定口袋或食品托盘。裤子每周换一次,短袜、衬衫和内衣每两天换一次,穿过的衣物放在密封在塑料袋内,带回地面处理。

工作服的颜色多种多样,有蓝色、黑色、灰色、红色、绿色、粉红色、白色等单色的,也有条纹的,还有各种花色的。工作服和内衣全都是用100%的高支纯棉面料或阻燃材料制成,这其中除了航天员穿着舒适的考量外,主要是防止产生静电对航天器仪器设备造成损害。袜子则采用抗菌袜,以阻止真菌和霉菌等菌类生长。在进行锻炼的时候,穿运动装和运动鞋。

在空间站里,睡觉的时候还有睡衣。遇到圣诞节等重大节日或生日时,有的还穿特制的服装或佩戴装饰的,营造节日气氛。

2.舱外航天服

舱外航天服主要用于进行舱外活动,太空行走的时候穿的,具有完备的通信、生命保障等系统,可谓“麻雀虽小,五脏俱全”。与舱内航天服相比,它各方面的功能更强了,实际上是一个小型的航天器。

舱外航天服主要由外套、气密限制层、头盔、手套、靴子、液体冷却通风服和背包装置等设备组成。

舱外航天服除具备舱内航天服所具有的功能外,还增加了预防宇宙射线辐射、防热、防止微小陨石撞击、防紫外线等功能。为了保证人体的热平衡,还增加了液体冷却系统,航天服的后背上还安装了一个大包,里边装有航天员所需的生命保障系统。

舱外航天服的上身是坚硬的,装有手臂和生命保障系统,头盔与身上连接在一起,头盔无法随航天员的头部一起活动,必须与身上一起活动。航天员的四肢活动是通过气密轴承和一个可以活动的关节连接来保证四肢各关节的活动性能。

外套是由多层防护材料组成的真空隔热屏障层,具有防辐射、隔热、防火、防微小陨石撞击等功能。气密限制层是舱外航天服最重要的部分,选用重量轻、无毒、抗压强度高、伸长率小的材料制成,其作用是保证航天服绝对密封,限制航天服膨胀,使航天员的四肢可以在一定范围内活动。

液体冷却通风服穿在气密限制层内,在航天服的躯干和四肢部位都设置了许多塑料细管,液体通过的时候,可以将热量带走。此外,还装有通风管。

头盔有两种,均通过颈圈与航天服连接。头盔上的面窗有两种,一种是可以随意开启和关闭的,在应急减压时候,可以自动和人工手动开启和关闭;另一种是平时不戴,必要的时候再戴,头盔外还安装了防护罩和保护眼睛的遮阳装置。手套、靴子与服装限制层相连接。

新一代舱外航天服

背包装置,主要由氧气瓶和供氧供气调压组件、水升华器和水冷却循环装置、空气净化组件、通风组件、通信设备、应急供氧分系统、控制组件和电源、报警分系统、遥测分系统等组成,它能够为航天员提供生命所需的氧气、控制航天服内的气压、调节航天服内的温度、清除航天服内的二氧化碳、臭味和微量污染。当航天员出舱活动时,将背包装置和航天服配套使用,可以保证航天员在舱外活动8~9个小时,如果舱内生命保障系统发生故障,可保证航天员处于大气压力之中。这样,即使飞船发生了泄漏事故,舱内空气溜走,依靠航天服也能在人体周围创造出一个适宜人生存的微小环境,从而有效地防止低压环境对航天员的危害,所以,能在一定时间内保证航天员的生命安全。

值得一提的是,航天员在舱内穿着航天服必须将航天服与舱内的环境与生命保障系统连接起来一起使用。如果应急救生时间较长,还可以根据需要配置尿收集器以收集航天员的尿液排泄物。

神舟七号飞船执行舱外活动任务时,航天员翟志刚身着的舱外航天服是中国研制的第一代飞天型舱外航天服。这套舱外航天服充分吸收了国际舱外航天服的成功经验,既融合了现代先进的科技和仿生技术,又充分考虑到亚洲人的身体特点。

飞天型舱外航天服重120千克,能够连续工作时间4小时。由头盔、上肢、躯干、下肢、手套、靴子等组成。躯干由1.5毫米厚的铝合金构成,为硬式,上肢和下肢为软式。航天服的四肢装有调节带,通过调节上臂、小臂和下肢的长度,身高1.6~1.8米的航天员都能穿用。

飞天型舱外航天服内外共有6层。最里面一层是舒适层,它是用特殊处理过的棉布制成,既舒适又不起静电。第二层是备份气密层,由1毫米厚的橡胶构成,防止航天服内气体向外泄漏。第三层是主气密层,所用的橡胶布是整体结构,它既要保证气密性,又不能让服装过于膨胀,还要让各关节活动自如。第四层是限制层,用强度很高的材料构成,是承受航天服内气体压力的主承力层。第五层是真空屏蔽隔热层,它由5~7层镀铝的聚酯薄膜构成,形成应对真空温差、辐射等环境的有效屏蔽。最外边的一层是防护层,是一种特殊的纺织面料,可以在温度±100摄氏度之间保持完好无损,耐磨损、反射性强,对阳光反射率高。

头盔两侧各有一组照明灯,用于提供操作目标照明和胸前设备照明。头盔两侧还有报警指示灯,一旦航天服出现意外,报警灯就会闪起,并能发出语音报警。头盔上还装有摄像头,用以拍摄航天员出舱操作时的情景。头盔的面窗共有4层,为防止航天员口鼻中散出的热气在面窗上结雾,最内采用两层面窗充压结构,其间充入高纯氮气。外面是一层防护面窗,最外层是活动滤光面窗,当强光照到脸上的时候,就拉下这层面窗保护眼睛。

飞天型舱外航天服的手套是采用先进的“三维数字扫描”技术,为每位航天员量身定做的。它外表上看起来比较肥大,为了保持触觉,手套的指尖部分比较薄,只有一层气密层。同时,为了抓取东西方便和隔热,手心和指头上有密密麻麻的灰色橡胶凸粒。手背有可以翻折的热防护盖片,以提高手指的热防护能力,并保证手指的关节活动性。上肢的肩、肘、腕和下肢的膝、踝等关节处,使用了气密轴承,并利用仿生结构,创新出套接式的关节结构,使关节在保证气密性的同时活动更加轻松自如。

航天服的所有显示控制装置设置在胸前。有电控制装置,上边有国际最先进的有机发光显示屏;有加电、泵、风机、照明、电台、压力表操作装置等;有气液控制装置,它控制航天服气路、液路,以保证正常供氧和应急供氧。头盔是固定在躯干上不能活动的,所以航天员不能低头查看胸前的设备,只能通过设置在手腕上的反光镜进行查看,因此设备上所标示的字体都是反向的。

航天员在穿飞天型舱外航天服之前,先穿贴身的内衣,再穿能够测量心跳、体温等生理参数的生理背心,接下来是防静电的连体内衣,然后穿散发人体热量的液冷服(由弹性网状织物制成并带有帽子,在网格之间遍布注满水的软管,能散除人体产热的70%~80%),再戴上通讯装备,最后才穿舱外航天服。

飞天型舱外航天服带有电脐带,用以出现意外情况时从飞船向航天服供电和传输信息,比如进行语音通信等,这是由于第一次使用飞天型舱外航天服,为确保安全特意增加的。

在人类太空飞行的过程中,由于不穿航天服,曾经发生过悲剧。

20世纪60年代末到70年代初,为赶超美国人设计的两座舱飞船,苏联设计师将原有的两座舱联盟号飞船改为3座舱。航天员杜博罗沃里斯基和他的两位战友要“挤进”这个窄小的飞船,放弃了占用很大空间的航天服。

1971年6月30日,杜博罗沃里斯基、沃尔果夫和巴查耶夫在礼炮号轨道空间站完成了3个多星期的工作后,进入联盟-11运载飞船返回地球。飞船即将进入大气层时,座舱中与外界连接的通风安全阀忽然松开了。气压阀松动后,飞船上的通气小窗快速地一开一合,舱内的空气迅速地向太空中散去,舱内气压在20秒钟内从900毫米汞柱降到了500毫米汞柱,1分钟后降至170毫米汞柱!

飞船出现漏气4秒钟后,杜博罗沃里斯基每分钟的吸气次数达到了48次,而正常人应为16次,此时杜博罗沃里斯基几乎进入了濒死状态,半分钟后,死亡降临。尸检时发现,3位宇航员的濒死症状几乎完全相同,他们都有脑溢血、肺部充血、耳鼓膜破损的迹象。如果他们当时穿上宇航服,这个悲剧是完全可以避免的。