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高技术凝聚的航天服

运动体姿态控制技术
——高技术凝聚的航天服

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班级：自动化1109班

目 录
1. 引言 3
2. 起源 3
3. 发展简史 3
4. 宇航服的结构组成与相应的作用 6
5. 未来的宇航服 8
6. 参考文献 9

1、引言
外太空是一个极端敌对的地方，如果你走出太空船之外，进入一个几乎没有大气的环境，如月球或火星上。如果你不穿宇航服，将会发生什么？
由于没有氧气，你会在15秒内失去意识，不省人事。由于几乎没有气压，你的血液和体液会沸腾，之后再冻结。你的组织（皮肤、心脏和其它内脏器官）会膨胀，这是由沸腾的体液导致的。你会面临极端的气温变化，阳光下为120摄氏度，而阴影处则是零下1000摄氏度。你还将遭受多种不同类型的辐射和来自太阳喷射出来的带电粒子的打击。此外，你还会被高速行进的尘埃或岩石小颗粒撞击，或被来自卫星或太空船的碎片所撞击。
被称为世界上最贵的衣服，宇航服本身是科技智慧的结晶。我一直都想了解一下与宇航服服相关的知识，正好趁着这个机会查阅了一些资料，在这里分享一下我的收获。
2、起源
1959年7月26日,当海军少尉威廉·兰金从失灵的FSU歼击机弹射到1.5万米高空时，他突然感到来自全身的痛苦：腹部膨胀，耳膜撕裂，身体几乎散了架，氮气的气泡从躯体冒出，血从眼、耳、鼻和口中涌出。兰金是在清醒状态中经历这一切的，并且最后用降落伞着陆。所以，我们非常感谢他让我们看到，当一个人在很高的高空却没有装备宇航服的情况下会遭遇到什么情况。
在兰金从歼击机上被弹出的险情发生之后，人们就已经意识到:一旦要进行离地面非常远的飞行，人们就需要一个像护罩那样的保护装置。
所以，宇航员要进入太空，进行太空行走就需要装备一套结构十分复杂的多功能的专用衣服。
3、发展简史
1933年，美国小伙马克·里奇用一套被改造过的潜水服进行了实验。他身穿潜水服，承受了从1.5万一2.7万米高度的压力变化，飞机的发展激励了他去高空飞行的欲望。
1936年，古德里奇轮胎制造公司用5.5米徐胶降落伞材料粘合出一件宇航服,用一个大气压就可以为它充气。不过，飞行员威利·波斯特套在那里面几乎动弹不得。
1943年，罗素·科利，一位宇航服设计师，当他在花园里观察到一种有着美丽的拉丁名--“番茄天蛾”的虫子后，科利对这只肥肥大大的虫子产生兴趣，因为：这个滑稽的小动物有一个外壳，它由许多单个的节联结而成，小动物由此具有了令人着迷的灵活性。随即，科利的“番茄天蛾宇航服”问世了，它的分节的胳臂和腿与过去的太空服相比，大大地减少了对宇航员的束缚。
1961年，一个名叫尼尔·阿姆斯特朗的人身穿一种实际上叫做宇航服的一流工装裤坐在一架X-15火箭飞--其实是一个宇宙飞船中，它上升的高度可达107公里，速度比音速快6倍。此时，阿姆斯特朗的服装已经有了一个防热和防紫外线辐射的铝层，并且还可以防火。

水星航天服 双子座航天服 阿波罗航天服

海鹰号航天服 飞天号舱外航天服 南瓜服
图1 近50年来航天服演化历程一

图1 近50年来航天服演化历程二
1981年4月12日，航天飞机上演了处女航，执行代号STS- 1的太空任务。在此次飞行中，宇航员约翰·杨和罗伯特·克里彭穿了喷射逃逸航天服。
1984年2月, 航天飞机宇航员布鲁斯·麦克坎德莱斯成为第一个在不借助绳索情况下飘浮于太空的人，这要感谢他所穿的类似喷气包的装置——载人机动装置 (Manned Maneuvering Unit, 简称MMU)。MMU现在已经退役，但现在的宇航员仍会穿类似背包的装置以防紧急情况。
美国航空航天局现在使用的太空服的最外层由特氟龙组成。这种耐火，尤其是光滑的合成材料并不是为宇宙飞行特别研制的，早在1938年，化学巨人杜邦的实验室就已经发明了它。这种太空服的内部设施相当齐备：尿收集在一种橡胶三角裤中，就如同人们在医院里接受治疗时使用的尿液收集器；一种尿布裤负责接收大便；难闻的气味由氧气送到宇航服的下部；由超耐用的合成材料组成的不同防护层用于防止强烈的宇宙辐射和微陨石。当阿波罗号宇航员从月球上与尼克松总统通电话的时候，他们就好像是穿着一种由防弹背心、潜水服和厕所组成的飞行服。
现在，宇航服开始了一个重复使用的时代，每次完成任务以后，宇航服就要被全部拆卸、洗刷、干燥，然后下一次航行时再重新组装它们。惟一例外的是手套，一般不能重复使用。它完全是按宇航员的尺寸特制的，一副手套价值2万美元。
4、宇航服的结构组成与相应的作用
目前在航天飞机和国际空间站上使用的宇航服叫舱外机动装置（简称EMU），主要是在太空穿梭机及太空站外进行太空漫步时穿着的。由于它本身能造出与地球相似的环境，因此，宇航服可以让你在太空中相对安全地行走。早期的宇航服是为每个太空人量身定制的，相比之下，EMU有不同大小的组成部份，可以切合不同的太空人。而且，宇航员只要用一只手即可将它们连接起来。

图2 舱外机动装置
宇航服是真正的高科技产品，它的作用不仅仅是为了保暖，抵御太空中的高温和低温的急剧变化，它还要有加压、充气、防御宇航射线和微陨星袭击的功能，此外还要解决通信、机动(帮助宇航员太空行走)及生命保障系统等方面的需要。所以宇航服的结构十分复杂， 按照功能分一般至少有五层。
第一层是与皮肤直接接触的贴身内衣层，它又轻又软，富于弹性；内衣上还常配有辐射剂量计，监测环境中各种高能射线的剂量，辐射剂量的数据，作为对宇航员的动态监控，避免宇航员误入危险的高辐射区。它还配备有生理监控系统的腰带，藏有一套复杂的微型监测系统，负责各种生理(心率、体温、呼吸)数据的记录，以及太空服内部的温度。
第二层是液温调节服，采用的是新技术“热管液体调温”。衣服上排列有大量的聚氯乙烯细管，管中流有一种液体，可调节温度的液体通过细管流动，并由背包上的生命保障系统来调节控制液体的温度。宇航员可手动选择三种温度: 27℃、18℃和 7℃。
第三层是有橡胶密封的加压层，层内充满了相当于一个大气压的空气，以保障宇航员处于正常的压力环境，保持你的体液处于液体状态，不致因压力过低而危及生命。也就是说，就是要防止你的体液沸腾。此宇航服的压力比地球上的正常大气压稍低，因此，此宇航服不会胀成气球似的，从而能保证它尽可能的灵活。因为在低压条件下，标准大气含有78%的氮、21%的氧和1%的其它气体，在低压条件下，标准大气会导致肺和血液中的氧浓度低，这可非常危险。所以，此宇航服可提供纯氧供应。
第四层是约束层，它把充气的第三层约束成一定的衣服形状，同时也协助最外层抵御微小陨石、陨星的袭击。
最外层通常用玻璃纤维和一种叫“特氟隆”的合成纤维制成，它具有很高的强度，足以抵御像枪弹一样的微陨星的袭击；另外还增加可吸收宇宙射线的防辐射层。
除此之外，宇航服还要戴上可以向场面控制中心发回医学信息的设备。当你在太空中工作时，医师要观察你的身体状况。如果要在飞船外工作5小时，戴上尿液收集器也是很必要的。你还得穿上液体冷却与通风服，这是件贴身衣服，衣服上布满了细管，水流过细管给人体降温。在轨道上，来自太阳的热能可高达120摄氏度，穿上这件贴身衣服就可以阻挡太阳的高温高热。
宇航员还要带上一瓶饮用水，这瓶水就在胸前，一根细管伸到嘴边，这样在太空逗留时，就可以喝到水了。再戴上一顶用软布特制成的帽子，帽子还装上了几件带有耳麦的通讯设备。这样，宇航员就可以与在飞船内、外工作的其他宇航员通话，也可以与美国得克萨斯州休斯顿飞行控制中心通话。
此宇航服的上半部是用很像硬橡胶的材料制成的，宇航服的下半部看起来很像一条带有靴子的大裤子。要穿上宇航服的上半部，你得将双臂伸向头顶，再套上宇航服的上半部。宇航服的上半部还装有基本的生命维持系统和应急氧气系统，以防第一个氧气系统失灵。宇航服的氧气系统保证你的呼吸，气压系统保护你的身体。
宇航服的一个重要组成部份是控制组件，有了这个组件你就可以控制氧气系统和通讯设备，并告诉你宇航服上的设备是否有问题。宇航服的背面还装有人工机动器，你可以用手控制让它喷出氮气来助你在太空中飞来飞去，完成要做的工作。
另外，由于宇航服一般都很重，为便于宇航员的行动，各个重要的关节部位都要求有较高的灵活性，常需加设特别柔软的护垫。
5、未来的宇航服
从1970年代到现在，宇航服没有本质的突变，依旧体积庞大、僵硬笨重，看上去永远都像一个吹胀的气球，被包裹在其中的宇航员无论做什么动作，都会显得艰难、笨拙。现在使用于航天飞机和空间站的宇航服重达150千克，为了进行一次舱外活动，这些宇航服需要事先被维护24小时。因此，改善现有宇航服的功能性、可靠性等很有必要。减轻宇航服质量，就能减少航天员的工作量，降低宇航服的生产成本。
那么什么时候才能出现更灵活、更轻盈、更人性化，更像一件真正的衣服的宇航服。好在航天航空方面的科学家们从来没有忽视过这样的幻想。更灵活，更人性化，更轻便这也是宇航服研究专家们一直以来的研究方向，NASA也在积极的改变。
2008年6月12日，NASA放弃了多年的合作伙伴汉密尔顿标准公司,宣布国际海洋工程公司将为美国宇航员重返月球设计新式的宇航服。这预示着新型航天服就要到来。

图3 Biosuit与现役宇航服对比
传统宇航服耗费了航天员80%的能量。为了改变这一状况，在美国航空航天局先进概念研究所的支持下，美国麻省理工学院(MIT)的航空航天学教授、工程师达瓦·纽曼等人通过7年研究，目前已经设计出了一种新型的生态宇航服Biosuit的原型。不过，研究人员表示，这款生态宇航服大约还需要几年的开发时间，预计第一次火星探险之旅时可投入使用。
Biosuit非常符合科幻电影中宇航服的形象：紧身、灵活、具有自我修复功能。Biosuit从传统宇航服的150kg降到现在的45kg。和传统宇航服一样，Biosuit必须为宇航员创造一个和地球环境类似的微环境，以确保人类的存活。宇航服 Biosuit由斯潘德克斯弹性纤维和尼龙材料制成，不仅比传统宇航服在外观上更好看，而且更轻便、平滑和贴身， 能够充分保证宇航员的灵活性。传统宇航服采用的是一种“宇航服内加压”的方式为宇航员创造大气压强,这也是传统宇航服看起来十分臃肿的原因。Biosuit则采用了一种“机械反压”的方式来实现加压，将材料紧紧缠绕在人身上，像皮肤一样紧贴，该材料层能够随着人体的伸展而改变形状，因而不会妨碍活动；传统宇航服能提供的气压为2万帕，而新的设计已经可以达到2.5万～3万帕。研究人员称，Biosuit的设计关键是精确的线条模式，只有这样，宇航服才能具有坚实的支撑“骨骼”，同时最大限度地保证航天员的灵活性。
除此以外，安全是Biosuit的另一个优势：传统宇航服被微流星体或其他物体刺穿，宇航员必须立刻返回空间站或基地，否则将发生减压威胁生命。如果Biosuit被刺破，它会自行包扎伤口，我们把这种更为先进的宇航材料，称作“聪明材料”，之所以“聪明”，是因为在两层聚氨醋之间夹着厚厚的一层聚合物胶体。如果聚氨醋层出现破损,胶体就在破损部位渗出、凝固，自动将漏洞堵上。如果这一切真的实现，Biosuit就是名副其实的无缝天衣了。
更灵活、更轻盈、更人性化、成本更低的宇航服是未来发展的方向。

6、参考文献
[1]庾莉萍.宇航中的个体防护.中国个体防护装备，2008年第5期
[2]杨宏芹.世界上最昂贵的服装.科学世界, 2000年01期
[3]施秀芬.NASA新款宇航服.科学生活,2007年11期
[4]靳玉伟，刘晓东，王策. 太空宇航服简介. 中国个体防护装备，2006年01期
[5]腾月.保障宇航员生命安全的宇航服.万象奥秘，2005

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