http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-04-13
一款航天服设计
EMU航天服
新浪科技讯 据美国《心理牙线》杂志4月2日报道，如果没有航天服的保护，宇航员根本无法在环境恶劣的太空中生存。从概念到原型再到最后投入使用，与航天服有关的很多东西可能是你不知道的。为了帮助读者了解航天服，《心理牙线》杂志采访了美国宇航局约翰逊航天中心先进航天服设计团队的航天服工程师林赛-艾奇逊，披露了航天服设计过程中的一系列秘密。
1.设计师需具备一系列技能
艾奇逊表示航天服设计师需要具备一系列技能，尤其是创造力和批判性思维。她说：“你需要关注细节，提出非常精细的测试计划。在与人类测试人员合作时，你不得不设计一种测试，获得测试者对你的设计的具有建设性的反馈，例如舒适度。如何定义舒适度？你必须站在工程学的角度考虑这个问题，设计和制作穿着舒适的航天服。”航天服需要具有创造性，将不同领域的技术融合在一起。
2.按任务要求设计
艾奇逊表示设计一款新型航天服时，宇航局的工程师必须回答两个问题，即“要去哪里？”和“要做什么？”，帮助他们确定航天服的结构。工程师的设计工作首先着眼于宇航员将要前往的太空区域。目标区域分为两种，一个是微引力区域，一个是行星环境。工程师根据目标区域的具体环境决定航天服赋予宇航员拥有多大的机动能力。此外，工程师还要考虑宇航员将要面临的辐射水平、温差以及微流星体风险。
接下来，工程师必须考虑宇航员将从事何种任务这个因素。例如，是否要用手移动身体？是否会处在微重力环境下？是否用脚行走？是否要登陆行星表面？是否使用工具进行挖掘？是否使用工具带携带各种工具和利用上肢执行任务？是否需要具备自治能力？艾奇逊表示：“如果你要登陆行星表面并且是距离地球很远的星球，你需要研发更多技术，让航天服具备自治能力，允许宇航员具备舱外活动能力。如果是在空间站，你会与飞行控制人员进行大量直接接触。在这种情况下，我们可以放弃一些信息技术，让飞行控制人员帮助我们。”
3.新航天服需要新靴子
人们最熟悉的航天服可能要属舱外机动套装(EMU)。这款航天服在设计上用于微重力环境，允许宇航员用双手完成各项任务。为了让宇航员具备维修国际空间站、太空望远镜和进行太空行走的能力，EMU航天服在设计上让宇航员的肩膀、双手和手臂部位拥有很大的机动能力。艾奇逊表示：“你利用航天服的下半部分稳定身体，让你在机械臂末端上时拥有一个稳定的工作平台。如果身体摇摇晃晃，你干不了任何工作。”
包括Z-2在内的新航天服针对行星环境设计。艾奇逊和其他设计师用了很长时间设计腕部和胯关节以及靴子。她说：“这是‘阿波罗’号任务后我们第一次设计靴子。在不同于地球的引力环境下，你的行走方式会发生变化。现在，我们正在设计适于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU采用的是硬底靴，新航天服的靴子与之截然不同。”
为了确定何种靴子最适合新航天服，艾奇逊在2008年对不同靴子进行了大量行走测试。她说：“我们在不同重力环境下测试靴子。测试就像在跑步机上行走一样，由于索具支撑航天服的重量，你会觉得自己就像在重力为地球3/8或者1/6的表面行走一样。”。研究小组在航天服下肢部分安装一系列运动捕捉标记，分析足部、脚踝以及臀部在不同重力环境下如何移动。她说：“我们在测试中发现人们在不同重力环境下行走时往往臀部摇摆，就像飞跑一样。通过对此进行研究分析，你能够确定靴底柔软度和硬度需要达到怎样的程度才能降低行走难度。”目前，研究小组仍在对设计进行评估，现在的关注焦点是一款适于徒步旅行的靴底。艾奇逊说：“这种靴底的前足部位较硬，中足部位较为柔软，适于需要跪下才能完成的任务。”
4.减轻重量是目标
EMU的重量达到惊人的300磅(约合136公斤)。不过，身处微重力环境下的宇航员并不会感受到这一重量。艾奇逊表示包括背包在内的阿波罗航天服在地球上重180磅(约合82公斤)，但在月球上只有30磅(约合14公斤)。穿上这种航天服时，宇航员的行动受限。新航天服的目标是让宇航员在拥有很大行动能力的同时减轻重量。她说：“提高行动能力时，我们需要增加轴承等硬件，轴承很适于加压服，但会增加重量。我们正在研究如何在添加硬件的同时保持航天服低重量的方式。目前，我们将目光聚焦钛材料，这种材料能够让轴承的重量减少大约30%。此外，我们也考虑采用新型合成材料，用于上肢、臀部以及较短部位。”艾奇逊表示新型航天服Z-2的重量将比EMU少大约20磅(约合9公斤)，并不算太轻。“不过，我们让下肢拥有全部功能，这是以往的航天服所不具备的。”
5.设计工作从老型号着手
一旦确定“要去哪里？”和“要做什么？”这两个问题的答案，工程师便开始设计工作。先进航天服设计团队拥有至少30年的航天服设计经验，包括航天飞机航天服以及阿波罗计划的航天服。艾奇逊表示：“我们从测试这些航天服开始，了解不同的特征。通过测试，我们得以确定不同肩部设计适于何种运动，了解不同的臀部和靴子设计以及穿着方式。是否需要拉链？诸如此类的事情。”通过测试老航天服，工程师能够设计出满足特定任务需要的航天服。
“阿波罗”号宇航员所穿的航天服
Z-2航天服
麻省理工学院研制的机械反压服
6.宇航局负责设计 私营公司负责制作
航天服的设计和测试工作由宇航局的科学家在实验室进行。完成这些工作后，航天服进入制造阶段。宇航局将他们的设计送交私营公司，由他们负责制作。艾奇逊指出：“我们提出总体设想和具体要求，让他们了解我们需要制造怎样的航天服。我们与一系列私营公司合作，让他们按照我们提供的规格制造。”工程师一次只设计一款航天服。2005年“星座”计划开始后，他们每3到5年便设计一款原型。
7.确定部位手工缝合
在阿波罗时代，航天服进行手工缝合。你可能认为随着技术的不断进步，这种做法已成为历史，但实际情况并非如此。航天服的最内层被称之为“气囊”，就像一个内充空气的气球，使用机器密封和缝合。气囊上方是约束层，赋予气囊强度和结构。艾奇逊表示：“约束层确保气囊处于特定位置，承受航天服的所有负载，防止气囊在宇航员弯曲肘部或者施压时承受太大压力。”
约束层仍需要手工缝合。艾奇逊说：“我们有一个房间，里面都是缝纫工，操作不同类型的缝纫机，具体取决于需要缝合航天服的哪一个部位。手工缝合的精确度极高，某些部位的精确度可达到1/16英寸(约合1.6毫米)，精确度之高令人难以置信。”在缝合确定部位时，缝纫工使用特定的缝线，具体取决于这个部位是否需要更大强度或者弹性。
8.采用最新技术
工程师采用3D激光扫描仪和3D打印机设计Z-2航天服。这在历史上还是第一次。
9.航天服允许漏气
航天服允许漏气，但只是少量漏气。艾奇逊指出整套航天服允许的最大漏气量为100 SCCM(标准状态毫升/分)。为了确保航天服不漏气，在制作时必须满足设计师提出的各种要求，各部位还要接受严格测试。缝份使用尺子测量，样品被故意毁坏，以确定是否满足强度方面的要求。艾奇逊说：“测试人员会使用一台机器拉扯缝合部位或者织物本身。”
拿到全套航天服后，设计师也会亲自测试。艾奇逊说：“我们进行结构和泄露测试，对航天服进行充气，使其压力达到正常操作压力的1.5倍——太空行走时的压力是4.3 PSI——以测试结构的稳固性，确定缝合部位是否存在任何漏洞或者出现漏气现象。在此之后，我们进行结构测试，让压力回到正常操作压力，而后再次进行泄露测试。”
10.没有定制航天服
为每一名宇航员定制航天服显然不具有成本效益。航天服的制作采用一个模块系统，这是导致航天服笨重的部分原因。艾奇逊表示：“在将所有组件组装在一起时，最后的航天服的尺寸往往超过各个组件的简单之和，适于更多人群。从小号、中号到大号，我们会制作一系列组件，根据宇航员的体型选择组件并进行组装。这种方式有助于空间站的后勤保障工作。”目前，国际空间站上的组件可以组装4套EMU航天服，此外还有大量备用组件。模块系统也便于航天服的维护。如果一个组件发生破损，工程师只需进行替换，无需制造一套新的航天服。
Z-1航天服
Z-2航天服
11.工程师一次只研发一款航天服
鉴于航天服设计和测试工作的复杂性和严格性，工程师一次只研发一款航天服。艾奇逊说：“我们希望了解哪些设计有用，哪些设计没用，而后开始下一阶段的工作。”从概念到设计再到原型和测试，制作一款新航天服需要很长时间，通常超过一年时间。Z-2航天服的制作将于3月开始，8月结束，而后开始测试工作。
12.穿航天服之前需要穿很多层衣物
在科幻大片《地心引力》中，桑德拉-布洛克饰演的宇航员脱下EMU航天服时身上只穿着紧身背心装和短裤。这显然与真实情况不符，被航天服包裹的宇航员实际上穿着很多层衣物，其中包括所谓的最大吸收量衣物(MAG)。艾奇逊表示：“MAG基本上就是一个尿布，但吸收量远远超过普通尿布。它是你的废物管理系统。MAG外面是舒适的内衣，剪裁合身的长内衣裤，让宇航员在佩戴液体冷却衣物情况下仍十分舒适。艾奇逊说：“液体冷却衣物在宇航员身穿航天服工作时保持皮肤凉爽。我们可不希望宇航员出一身汗。为此，我们给航天服安装了很多管子，里面有凉水流动，吸收皮肤的热量并将热量排放到太空。”
13.加压服制作方式很多
任何前往太空的人都需进行加压，以保持身体机能正常。保持身体机能正常的最低气压要求是2.5 PSI，例如肺部膨胀和血液流动。艾奇逊指出略高于这一气压的效果更好。为了做到这一点，宇航员需要穿加压服，例如宇航局宇航员所穿的加压服，或者利用机械反压的衣服，例如麻省理工学研制的机械反压服。艾奇逊说：“你可以把机械反压服理解成紧身湿式潜水服，通过向皮肤施压达到所需的压力水平。”
上世纪70年代，宇航局的保罗-韦伯博士曾研制机械压力服，被称之为“太空活动服”。虽然这款加压服性能出色，但需要很长时间并且在多人的帮助下才能穿上。除了这个缺陷外，机械压力服还有其他缺陷。艾奇逊说：“有一件事情是你必须考虑的，那就是确保身体各部位的皮肤承受的压力均匀分布。凹陷部位或者从扁平变成凹陷的部位——手掌、肘背、膝盖和腹股沟——会在宇航员移动时改变形状。你需要研发性能可靠的材料，置于这些部位并随着它们外形变化相应做出移动。在研发帮助我们在未来5到10年进行太空探索的技术时，我们面临很多挑战。加压服能够帮助我们探索太空。”
14.Z-2航天服尺寸很小
Z-2航天服是迄今为止研制的尺寸最小的航天服之一。艾奇逊表示：“Z-1航天服采用13英寸(约合33厘米)的圆顶设计。这种设计适合体型较大的男宇航员，但对体型较小的女宇航员来说显得过大。因此，必须对这款航天服进行瘦身。我们对当前的宇航员队伍进行了分析，试图设计一款适合体型处在底部40%这一范围的所有宇航员。”Z-2航天服的目标是适合从处在第5个百分位的女性到处在第99个百分位的男性的所有宇航员。很显然，这是一个巨大的跨度。
15.公众可为喜欢的设计投票
宇航局的上一款航天服设计Z-1让人联想到《玩具总动员》中的巴斯光年。艾奇逊表示：“围绕这个话题展开的讨论很多。我们希望利用这一点激发人们的兴趣，促使人们进一步了解航天服。为了收到更好的效果，我们创建了一个投票网站，让网民为自己喜欢的航天服投票。”
宇航局工程师与费城大学的服装设计系学生合作，设计航天服的外观。整个设计过程与工程师长久以来习惯的方式存在巨大差异。艾奇逊说：“他们采取了一种不同以往的方式，让服装设计系的学生参与其中。我们需要让航天服表达一系列主题，例如爱国主题、传统主题或者科学和技术主题。我们初步选择了12个主题，最后将从中挑选出最能代表我们的主题。”基于这一点，工程师和学生设计师挑选了3个主题，即仿生、科技和社会趋势主题。
目前，这些设计还完全处于美学范畴。艾奇逊认为生物发光技术可用于仿生主题航天服。她说：“在登陆其他行星之后，如果我们所处的工作环境日/夜周期恒定，这可能是人员识别的一个理想方式。现在，我们在织物的两侧和上臂位置添加条纹，为每一名宇航员选择不同的颜色，便于辨认。生物发光技术是一种有效的识别方式，能够让登陆行星表面的宇航员受益。”(孝文)
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