46-51 航天压力服：航天员生命守护者_汤川学.pdf

中国航天员目前使用的压力服随着中国空间站的全面建成，我国航天员出现在大众视野中也越来越多，许多人可能会注意到一个细节，就是航天员们在火箭升空时及在飞船返回中，总会穿着一种很特别的衣服，它外表蓝白相间，全身还有一些管线。这种特别的衣服，就是航天员们的生命守护者压力服。文/汤川学航天压力服：航天员生命守护者视点46|2023.03 SPACE EXPLORATION从航空到航天压力服最早出现在航空领域。在人类获得了通过飞机飞行的能力后，航空业迅速兴起，各式各样的新式飞机在 20 世纪早期不断出现，航空业呈现出一派生机勃勃、万物竞发的景象。而在那时，人们便发现，随着飞机逐渐飞得越来越高，除了温度不断降低必须做好防寒保暖措施外，大气压力也在不断降低，飞行员们在长时间高空飞行时往往会出现减压病，影响到健康和航空安全，“压力服”这个概念也由此诞生。顾名思义，压力服就是可以在服装内维持一定气压的衣服。虽然现在的飞机已经有了加压机舱，大部分飞行在 1 万米左右的飞机并不需要飞行员或者乘客穿这种复杂的衣服，但是在一些有时需要在超高空飞行的飞机上，比如在战斗机或者侦察机上，仍然需要穿戴好压力服。在二战结束后，飞机迅速进入了喷气时代，又高又快的喷气式飞机迅速取代螺旋桨飞机在天空中飞行。在朝鲜战争中，驾驶着喷气式米格-15战斗机的苏联飞行员呼吁配备专业好用的压力服。为了能够生产出先进的压力服，一家专门研究生产压力服的集团成立，即星辰科研生产联合体，该联合体在 1994 年改制成为了一家股份制公司。该公司在成立之初的目的是给空军和航天项目提供压力服和弹射座椅，后来在压力服和弹射座椅领域拥有了深厚的技术积累和经验。目前，俄罗斯所使用的所有航空和航天压力服全部由星辰公司生产。创造了历史的压力服1961 年 4 月 12 日，苏联航天员尤里阿列克谢耶维奇加加林穿着SK-1 型压力服进入了太空，成为了世界上第一个进入太空的航天员。最初，设计东方号飞船的第一设计局认为航天器的设计十分安全，并不需要穿戴这种复杂的压力服，只需要穿着可以保温的衣服就可以，并且压力服和为之配套的生命维持设备本身有着不轻的重量，把这些多余的重量省出来可以安装额外的仪器。最后科罗廖夫拍板，可以省出 500 千克的重量给压力服和生命维持设备，但是这些东西必须在 1960 年末之前到位，而星辰局出色地完成了工作。SK-1 型压力服是一人一套的定制航天服，该型压力服可以在另一个人的帮助下 10 分钟内穿着完毕。整个压力服由外层橙黄色布料与内部的橡胶制内衬制成，每一件压力服都通过剪裁橡胶并粘接来进行定制，面罩整个直接连接在压力服上，不可拆下。在压力服的右肋骨处有通气软管，软管可以连接在东方号飞船的维生设备中，维生系统可以保障压力服气压并且滤除航天员呼出气体中的二氧化碳。为了确保在加压时航天员的活动能力，在人的胳膊和腿的弯曲区域，压力服内部有一种特殊的软铰链。在飞船减压环境中，在锁紧面罩后压力服将会提供一个安全的气压环境，飞船内的气瓶将会提供氧气来保持航天员生命体征。SK-1 压力服可以保证航天员在飞船减压或者冷却系统故障时维持约5 小时的生命体征，以及在从飞船弹射后落在地面或者溅落在水中时提供保护。该压力服相较美国第一种航天压力服更先进的一点是，它自带一个太空厕所。1963 年，世界上第一位女航天员瓦莲京娜捷列什科娃进入太上世纪 30 年代飞行员进行高空巡航时穿戴的压力服加加林穿着 SK-1 压力服前往发射场视点SPACE EXPLORATION 2023.03|47 空，穿着的 SK-2 与 SK-1 基本相同，但在厕所方面进行了针对女性的调整。惨痛的教训在世界上第一个多乘员航天器“上升 1 号”升空时，3 名航天员都没有身着压力服，因为当时的火箭运力有限，为了保证载人航天器重量不会超标，确保航天器可以坐进3名航天员，压力服及其配套维生系统都被省略了。一直到苏联载人航天器进入联盟号飞船时代后的一段时间里，压力服及其配套维生系统也没有回归，直到一场惨剧的发生，才让苏联重新认识到了压力服及其配套维生设备的重要性。1971 年 4 月 19 日，苏联成功发射世界上第一个空间站礼炮1号。1971 年 6 月 6 日，联盟 11 号飞船成功进入到礼炮 1 号，成为了世界上第一组进驻空间站的航天员。刚开始一切都十分顺利，航天员们在轨完成了各项工作，在 6 月 29 日返回地面时，却出现了意外。29 日 晚 上 11 时 16 分，“联 盟11 号”的返回舱降落在哈萨克斯坦的沙漠，前来接应的人员联系舱内的航天员，毫无应答。在打开舱门后，接应人员发现 3 名航天员，指挥官乔治多布罗沃尔斯基，工程师弗拉迪斯拉夫沃尔科夫、维克多帕萨耶夫已经没有了生命体征。通过研究飞船内的黑匣子发现，联盟 11 号飞船在 150 千米高度，返回舱分离后，内部空气迅速从返回舱中逸出，在短短 115 秒内，返回舱内就几乎变成真空，3 名航天员在返回地面前就已经牺牲了。这次惨剧让设计联盟号飞船的中央实验机械制造设计局（第 1 设计局改组）痛定思痛，开始认真研究各种可能会在飞船上升和返回途中威胁航天员生命的情况。1972 年 6 月 26 日发射的新型联盟飞船联盟 7K-T 型，压力服重新回归。而在这之后，再也没有航天员在乘坐联盟号飞船时丧生，联盟号飞船成为世界上最安全的载人航天器之一。“猎鹰”-K 型压力服联盟 7K-T 型飞船是联盟飞船中第一型使用压力服的载人航天器。为了能够减重并能容纳下压力服所需要的维生设备，乘员组从3人减至2人。但是新的问题摆在了研发人员面前。当时苏联并没有能够适合在“联盟号”中穿着的压力服，能够选择的压力服基本上都过大过重，为了能够有一种可以在“联盟号”返回舱中使用的压力服，星辰局再次接到任务，根据为空军飞行员设计的压力服进行再设计，做出了“猎鹰”-K 型压力服。“猎鹰”-K 型压力服专门为乘坐联盟号飞船的航天员们设计。为了满足减重要求，该型压力服的重量被控制到了 10 千克。每套压力服都能连接到返回舱内的机载维生设备，提供空气、电、通风和水。该压力服不妨碍航天员在返回舱内进行各种操作，又能在减压的情况下保护航天员的生命，在飞船返回舱偏离航线，落入大海时压力服还能让航天员在水上漂浮。压力服由两层外壳组成，外层由白色尼龙帆布制成，并进行蓝色饰边，内层“联盟 11 号”乘员组“猎鹰”-K 型是为联盟号飞船航天员量身定制的压力服视点48|2023.03 SPACE EXPLORATION由橡胶拼接而成。一个铰链式塑料面罩直接连接在压力服上。左手腕有一个压力表，也可以佩戴手表，右手腕固定有一个镜子。压力服的手套可以取下。靴子与裤子连接在一起，不可分离，在关节处有做褶皱处理方便活动。腹部右侧有电气管，左侧有压力阀门和通气管，在地面时可以与航天员左手提着的空调相连接。设计有两个可以装东西的荷包。在背部等处有可以调节身材用的松紧带。航天员在进入该型压力服时，将通过压力服正面的开口进入，然后通过绳子像系鞋 联盟 38 号乘员组和备份组成员带一样密封前部和裆部。每一套“猎鹰”压力服都是根据航天员身材定制的，航天员在训练中心就会穿着“猎鹰”压力服，在为他们定制的座椅上坐上两个小时，以保证航天服合身不会有不适感。然后航天员们会在真空室内重复相同的步骤。在起飞前，压力服还有最后的调整机会，在起飞和返回地面前，航天员会将压力服的电气和供气软管接入维生装置并扣好面罩，直到确认安全后才能打开面罩。这套流程直到现在依然在沿用。“猎鹰”-K 型压力服于 1971 年开始生产，在 1973 年 9 月 27 日，由联盟 12 号飞船上的乘员组进行了首次使用。而“猎鹰”-K 型压力服也被一直使用，直到 1980 年更新型的“猎鹰”-KV2 投入使用。“猎鹰”-KV2 型压力服在 K 型压力服投入使用之后，新型的“猎鹰”压力服的研制方案就被星辰局提上了日程。1973 年到 1980年之间，星辰局先后生产出了“猎鹰”-KM 型和“猎鹰”-KV 型。与 K视点SPACE EXPLORATION 2023.03|49 型不同，KM 型和 KV 型采用了一种上下分离的方式，上半身和下半身通过拉链连接，两型还配备了液冷内衣用以带离身体热量来保证航天员的舒适度。但是由于性能和可靠性、复杂性等各种原因，这两型压力服都没有投入使用，当星辰局推出新一代压力服时，型号已经是 KV2 型了。“猎鹰”-KV2 型从 1980 年开始服役，并一直使用到今天。该型的压力阀门被移到压力服正面中间偏上的胸口处，这样使得航天员可以用任意一只手调整压力服压力水平。重新调整了电气和供氧通气软管的位置，并且取消了鞋带式的密封方式，改为了正面两道方便得多的拉链密封，这大幅减少了航天员穿戴压力服的时间，不过在裆部这样的位置还是保留了鞋带式的密封方式。KV2 型的材质有所改进，内层从K 型的橡胶内衬变为了聚己内酰胺，减轻了重量。KV2 型扩大了面罩的面积，使得航天员能获得更好的视野。KV2 型并没有采用 KM 型和 KV 型的液冷内衣来散热，依旧使用了和 K 型相同的风冷散热，这主要是由于液冷散热需要更复杂的泵组，并且压力服的使用时间都存在重力或者过载，在这种场景使用液冷内衣时，体重会阻碍液冷散热的正常运行。不过 KV2 型从前型KV型继承了手部、腿部的设计。KV2 型依然是左手腕有一个压力表，右手腕有一面镜子，其他方面，KV2型与 K 型基本相同。在这里有个额外的小知识，就是当拜科努尔发射场本地的温度已经降到了光靠压力服自身已经无法给航天员提供足够的保温时，工作人员们就联盟 MS-02 乘员组出发“猎鹰”KV2 型压力服视点50|2023.03 SPACE EXPLORATION会在航天员上飞船之前为他们穿上额外的保暖服。这种包裹全身的保暖服可以让航天员们在零下 50 度时依然能感到温暖，而在航天员进入飞船后这一身就会被脱下。因为其纯白的外型，人们将这一身称为“大白熊”。劳模“猎鹰”第一型“猎鹰”压力服在 1973 年投入使用，至今已过去半个世纪。在这 50 年岁月里，“猎鹰”压力服已经护送了几百名各国航天员从地面出发，并从安全太空返回。而在可见的未来，由于俄罗斯联盟号飞船不会很快退役，与之配套的“猎鹰”压力服也不会很快退役，而会一直服役到俄罗斯的“雄鹰”号飞船投入使用。这一天的到来或许还有些时日，“猎鹰”这位劳模还会继续保障各国航天员上天返地很长一段时间。责任编辑：陈彩连 压力服外面的保暖服 日本富豪前泽友作穿着 KV2 型压力服正在进行 2小时测试视点SPACE EXPLORATION 2023.03|51