打破美俄技術壟斷,造價3000萬的中國艙外航天服,靈感來自小龍蝦

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眾所周知,太空的高真空、高潔凈、強輻射等自然條件對人體來說是一個致命的環境,人一旦暴露在太空中,就將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷四大危險,所以,人要離開航天器進入開放的太空,必須使用復雜的出艙活動系統硬件和軟件來克服空間環境的影響。

而艙外航天服的它相當於一個微型載人航天器,能把航天員的身體與太空的惡劣環境隔離開來,並向航天員提供一個相當於地面的環境,同時提供氧氣、正常氣壓,排放二氧化碳,維持舒適的溫度和抵禦宇宙輻射等維持生命所需的各種條件。

艙外航天服的技術難度有多高,在中國之前,僅有美、俄掌握這項技術,前兩天到國際空間站兩名航天員出艙執行任務失敗,就是因為艙外航天服出瞭問題導致不得不返回艙內避險。

中國艙外航天服設計過程

中國的第一代“飛天”服采用瞭整體擬人形態半硬式密封結構,頭盔為不可拆卸硬式結構,四肢為軟式結構, 手套可快速斷接。進岀方式為後背釵鏈門方式,采用操縱桿控制,生保系統集成於背包門內。航天員自操縱部分,即電動控制和氣液控制集成於胸前位置,通過整合設計保證操作工效。無線遙測系統主要安裝 在可拆卸的掛包內,便於實現有線為線模式的轉換, 並能夠保證上升段的獨立安裝。

它從內到外分為 6 層:由特殊防靜電處理過的棉佈織成的舒適層、橡膠質地的備份氣密層、復合關節結構組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過熱反射來實現隔熱的隔熱層、最外面的外防護層。軀幹達到 7 層,最厚的是掛包,有 20 層。

第一代“飛天”服采用閉式循環非再生式環控生保系統,由高壓氧瓶供氧,主要采用水升華器技術實現主動熱防護;遙測與控制系統將艙外航天服的工程參數、航天員的生理參數和話音信號通過臍帶方式 線下傳或遙測設備無線下傳;可由臍帶模式艙載供電,也能由服裝電池自主供電。

服裝的四肢裝有調節帶,可調節上臂、小臂和下肢的長度,身高1.60 m~1.80 m 的人都能穿上這套衣服。

飛天”艙外航天服軀幹殼體為鋁合金薄壁硬體結構,設計厚度僅為 1.5 mm,卻有極高的強度要求。其抗壓能力超過120 kPa,經得起地面運輸、火箭發射時的震動,還能連接服裝的各個部位,承受整套服裝 120 kg 的重量。鋁合金軀幹外殼上密集著各種儀器:電控臺、氣液控制臺、氣液組合插座、應急供氧管、電臍帶。僅十幾厘米見方的電控臺裡就有照明、數碼管控、機械式壓力表等 9 個開關,隻有漢語辭典大小的氣液控制臺裡集成瞭 20 多種閥門。很多閥門外形奇特,涉及特種不銹鋼、特種銅材、特種橡膠和特種乙烯等材料,其加工難度在國內是前所未有的,完全就是把飛船的控制臺整個搬到瞭航天員身上。這也是為什麼艙外航天服的制造難題比航天器都更難的原因,

“飛天”最外層的防護材料堪稱國內最貴的服裝面料。這種面料可耐受正負100℃以上的溫差變化。服裝攜帶的氧氣瓶采用復合壓力,既可保證安全又能多帶氧氣。

艙外航天服的設計來源於小龍蝦

而且,作為微型航天器,艙外航天服還要兼具靈活度,要知道如果動一下手臂,得用力去掰航天服的胳膊,各種較勁,就會非常麻煩。而如果將各種關節處做得太軟,防護力又不足。國際上,隻有美國、俄羅斯有艙外航天服,但隻能看到圖片、文獻和視頻資料,能獲取借鑒的資源非常有限。那如何解決這個問題。

為此,我國工程師還真找到瞭一種辦法,而這個辦法是他在吃小龍蝦的時候想到的。小龍蝦的尾部就是半硬殼的,但是一點也不妨礙它的伸曲和遊泳,非常靈活,因為它是一種鱗片層疊結構,可以軟硬兼施、剛柔並濟。因此,工程師給國產艙外航天服關節處設計瞭類似小龍蝦尾部的層疊結構,設在上肢的肩、肘、腕和下肢的膝、踝等關節處,使用瞭氣密軸承。在軸承的作用下,航天員的手腳可以隨意轉動,同時能嚴格保證氣密性。科研人員還巧妙地利用瞭仿生結構,使關節活動更自如。

中國神舟七號所使用的“飛天”艙外航天服相比美俄的艙外航天服,更是有多項創新。比如首次在艙外服上采用瞭 OLED,空間環境下 顯示可視性好、力學和高低溫環境性能強; 首次采用瞭數字個人信息處理與控制系統等。其中數字化個人信息處理裝置安裝在背包下部,信息顯示器(OLED )位於電控臺上部,餘壓表集成於電 控臺上。照明燈置於頭盔兩側,保證瞭控制臺和工作 區域照明要求。

第二代艙外航天服再次升級

而中國第二代艙外航天服,在第一代艙外航天服的基礎上又升級瞭,它的頭部變得更方瞭,裡面加開瞭一道“天窗”,便於仰視;頭部兩側的照明燈與攝像頭進一步實現瞭集成,整體安置在頭部,便於安裝;經過改進過的金屬關節與加壓手套令航天員在太空中的操作更加靈活、更加精密;航天服的藍色條帶顯得更加靈動飄逸,展現瞭別具一格的美感……

當然,受限於體積,航天服提供的維生時長是有限的,僅有6-8個小時,但足夠我們的兩位航天員完成很多任務瞭。

中國第二代艙外航天服可以說已經達到瞭全球領先水準,目前,因為技術難度問題,美國僅剩的4套艙外航天服,而且已經沒有生產商能夠幫他們制造,這4套全在空間站,其中一套還出瞭故障——他們很快就要沒航天服用瞭。美國現有的4套艙外航天服全是1980年代設計、90年代初為航天飛機制造的“艙外移動單元(EMU)”,當時每套的成本約1500萬美元,折算到今天大約是1.5億美元,約10億人民幣。

而中國的每一套成本大約是3000萬人民幣,很多人有疑問,為什麼中國第一代艙外航天服隻用瞭1次就銷毀,而美國的可以循環使用,中國的艙外航天服也可以循環使用,但因為當時神舟七號空間不夠,是中國的第一代艙外航天服無法帶回,隻能留在軌道艙裡,而第二代艙外航天服,則會繼續留在空間站中,反復使用。

中國能夠造出艙外航天服,在這個過程中,離不開一大批工程師的努力,讓我們向他們致敬。

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  • 本文由 发表于 2021年7月5日
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