航天服未来发展方向

一、“星座计划”航天服是美国未来航天服的发展方向美国航空航天局（NASA）为了完成布什总统提出的“空间探索新构想”（VSE）建立了“星座计划”。“星座计划”要求2012年实现乘员探索飞行器（CEV）抵达国际空间站的载人飞行。完成空间飞行后，CEV将返回地面（只有应急时才进行水上溅落），在任务意外中止的情况下乘组将停留在CEV内。“星座计划”的第一阶段称为“阶段1”。到2018年，CEV将与登月舱（LSAM）组合一体。这是第一次月球着陆的最早日期；目的是在2020年之前实现载人登月。4批乘组将往返月球。月球着陆位置不受航天器返回能力的限制，极地可能会成为月球出舱地点。每年至少两次任务会有助于在2022年建立月球前哨站。“星座”任务的第二阶段成为“阶段2”。月球前哨站任务将帮助发展抵达火星所需的技术。火星任务的则预计为2032年，见图1。图1“星座计划”航天服需求时间表（注：ISS-国际空间站；ACES-先进乘组逃生航天服；LSAM-登月舱；EVA-舱外活动；IVA-舱内活动；CEV-乘员探索飞行器；EMU-美国舱外活动航天服）“星座计划”将需要新航天服来完成“空间探索新构想”的目标。“阶段1”航天服在2012年使用，必须在发射、入轨和任务中止情况下防护乘组。航天服将在非增压情况下穿着，必须穿着舒适。但是在舱内减压的情况下，航天服必须可以增压穿着至少96小时。在应急EVA情况下，航天服必须具有增压灵活性，乘组可以穿着航天服完成从CEV出舱进行的零重力修理、组装或运输车转移工作。“阶段2”航天服在2018年使用，必须提供月球表面EVA能力，以进行月球探索并最终进行月球居住地维修和组装。航天服必须具有长时间使用而不返回月球基地进行维护和修理作业的功能。最重要的环境挑战是月尘和寒冷的温度。现有的航天服系统如图2，包括飞行级别系统，可以满足一些阶段1航天服的要求。图3显示了过去和现在的航天服系统，可以为阶段2航天服提供思路。图2阶段1航天服研究基础图3阶段2航天服研究基础二、“星座计划”航天服的前期研究——先进航天服研究当前的航天服已经使用了超过25年，面临着明显的老旧问题。这种航天服不能与月球或火星表面环境兼容，而且也不能保障长期任务的后勤需要。因此，保障VSE和“星座计划”将需要新EVA航天服以及相关的EVA体系和基础构造。美国这些年一直在进行先进航天服（AdvancedSpaceSuit）的技术研发，来实现安全、有效和能够负担的EVA计划。所谓先进性，就是能够提供改善的功能性、可靠性和使用性，同时减少质量、体积、航天员工作负荷和使用成本。先进航天服的研发，是“星座计划”航天服的前期研究基础。新EVA系统正在作为NASA探索系统任务指挥部（ESMD）一系列计划和项目的一部分进行研发。先进EVA（AEVA）项目是由约翰逊航天中心（JSC）EVA办公室领导，并由几个NASA中心、企业和学术机构支持的。从当前设计测试的多种成熟水平概念航天服到仍在开发阶段的先进和未来概念航天服的相关信息如表1。表1先进航天服和概念航天服情况航天服制造商品质D-SuitDavidClark公司用于灵活性系统测试和评估的技术样品。基于航天飞机ACES，在25.86kPa压力下使用。其设计以软织物构造为主，加入的轴承最少。当前样机质量为12kg。I-SuitILCDover软式、多轴承EVA航天服，计划在多任务阶段中使用。作为先进技术进行评估，目前正在进行第二代I-Suit和小型I-Suit研发工作。I-Suit开发部件在JSC各种实验室环境下、抛物线飞机和莫哈韦沙漠荒地中进行了测试。H-Suit（MK系列）NASA设计为不需要吸氧排氮功能的样品模型，压力为57.23kPa，质量为～54kg。MKIII型加入了软硬部件，其躯干、短裤和臀部区域是由石墨/环氧树脂合成物制成的，其腿部/靴子则是由织物制成。通过背入式开口穿着航天服，PLSS可以直接被安装或整合入H-Suit构造中。AX系列NASA所有硬式构造使用铝合金和不锈钢制成，第一次多轴承技术样机。设计目的与MK系列相同，例如不需要吸氧排氮（57.23kPa），容易穿脱和充分的灵活性。“变色龙”HamiltonSundstrand概念航天服，通过航天服本身分配生命保障作用。计划使用合成材料来传递热量和进行代谢废物排放并提供能量，能够改变形状、热性质、光学属性、气孔大小或化学活动。航天服材料中植入微电子机械系统（MEMS）技术。计划未来10~40年实现。PLEASHamiltonSundstrand行星EVA体系结构系统可以在所有VSE任务阶段提供“一套服装解决方案”。目前正在考虑使用头部进入设计方案，可以通过打开头盔穿着航天服。PLEAS概念关键部件已经在北极圈进行了地面测试。生物航天服MIT计划用机械背压技术替代增压气体体积。航天服概念加入了可穿戴技术，外部层计划以“喷射”或“热压”方式安装。在局部进行自我修复，同时可以减少EVA工作负荷和增加灵活性。ESSSDornier最初作为搁浅的Hermes计划一部分，欧洲航天服系统计划开发一种先进的混合EVA航天服，由硬躯干和短裤，以及软式腰部、手臂和腿部关节组成。作为样机开发，压力为49.64kPa，95%氧气。独立穿脱，背入式系统。EVASuit2000Dornier，“星星”在“星座”计划之前进行的欧洲－俄罗斯合作航天服研制工作，在Hermes，“和平”-2，Buran和ESAISS上使用。SS-2000为半硬结构并使用背入式穿脱，使用压力为39.99kPa。关节研发截至到1994年，俄罗斯将之发展成“奥兰”-M航天服。在这些航天服中，ILCDover公司的研究最为深入，而且取得了阶段性的进展，即完成了第一代I-Suit航天服的研究工作，并开始进行第二代和小型I-Suit的研发。第二代I-Suit使用的航天服躯干是软上躯干（SUT），是由双层（涂胶和非涂胶）织物构成的。为了进行第二代航天服的开发，ILC正在研究先进的材料和技术，例如“感性运动”单元、自修复气密层、健康监测系统和抗微生物材料。这些技术可以为软上躯干结构减少维护、增加寿命和增加安全性提供更进一步的益处。图4背入式的I-Suit航天服软上躯干混合式航天服（H-Suit）始于马克Ⅲ型。ILCDover公司于1988年将马克Ⅲ型交付NASA，这是一种背入式硬上躯干（HUT）航天服，设计的工作压力为8.3psi（约57.2kPa）。马克Ⅲ型是NASA零吸氧排氮航天服计划的一部分。当时认为组装空间站每年需要1000～2000个EVA工时。自从1988年以来，马克Ⅲ型得到了不断的改型更新，这包括复合材料硬上躯干、复合材料裆部结构、复合材料臀部结构以及代替EMU硬底靴的新型靴子等。这些改变连同增加腰部轴承和踝轴承一起，形成了现在众所周知的H-Suit。与背入式I-Suit一样，H-Suit也有一个腰带和肩带系统用于支撑服装加压后的重量。ILCDover公司还进行了多次航天服沙漠探索与技术研究(RATS)，I-Suit和H-Suit航天服为首选航天服。在美国西部沙漠地区对其研发的航天服进行性能测试。目前进行的RATS实验包括穿着航天服进行岩心采样、微生物测试、土壤采样和岩石采样，此外还有驾驶月球车、搭建月球基地的测试等。图5沙漠RATS试验沙漠RATS试验图62008年6月，NASA相关研究人员对目前的航天服样机进行了地面测试，并模拟进行了月球探测、地质考察和月球基地建造。三、NASA授出“星座计划”航天服系统合同，正式启动研制工作2008年6月12日下午，NASA召开远程会议，讨论“星座计划”的航天服系统承包商的选择问题。“星座计划”的舱外活动装备支持航天员搭乘“猎户座”乘员探索飞行器和“牵牛星”月球着陆器，该合同包括此航天服系统的设计、研制、测试、评价、生产等方面。远程会议的参加人员包括：-DougCooke，NASA探测系统任务部副部长；-JeffHanley，NASA星座计划经理；-GlennLutz，约翰逊航天中心舱外活动系统项目经理。航天服和支持系统将提供对发射和着陆环境以及航天器舱泄露的防护，并提供应急太空行走的能力。对于短期月球旅行，航天服的设计需支持为期一周的月面行走。经会议讨论，NASA将“星座计划”航天服系统的设计、研制和生产合同授予了Oceaneering国际公司。其中包括两款航天服，第一款航天服支持航天员进行国际空间站的飞行，第二款到2020年，支持航天员月面行走（如图6）。第二种类型的航天服需要进行专门的设计，能在月球上提供更好的灵活性。这种新航天服的总体设计主要是保护航天员免受月球尘埃的危害。图7“星座计划”航天服系统（注：左图为第一款航天服，适合国际空间站往返；右图为第二款航天服，适合月面行走和地质勘测）NASA官员表示，新航天服相对于旧航天服有如下特点：1）新航天服设计轻便，适合于行走。老式航天服僵硬的设计致使“阿波罗”计划中的航天员在月球上只能跳跃前进。新航天服将能使航天员“自如”行走，从而让月球上的航天员完成月球地质学考察和其他工作。2）不同大小的航天服将适合所有的航天员，无论高矮胖瘦，他们都能合身。现有用于出舱活动的航天服尺码不全，不能适合全部航天员。3）新航天服将延长使用寿命至6～8年。在空间站用完之后，它们还可用作训练服。4）新航天服能折叠成重型背包加以保存。Oceaneering公司的子承包商包括Air-Lock公司、DavidClark公司、Cimarron软件服务公司、Harris公司、Honeywell国际公司、Paragon航天发展公司以及休斯顿联合航天联盟。航天服合同的基础履行期为2008年6月至2014年9月，经费约1亿8千万美元。未来还将授予此合同的另外两个选项部分，第一项即完成月球航天服组件的设计、研制、测试和评价，期限为2010年10月至2018年9月，经费总计3亿美元。第二项为“猎户座”航天服的生产、处理和支持工程（sustainingengineering），合同期为2014年10月至2018年9月，经费约2亿6千万美元。四、其他国家登月服计划和研究情况此外，俄罗斯也进行了一些以“奥兰-M”和“Krechet”航天服为基础的登月航天服外壳概念研究，但还是初步研究，而且目前没有相关进展的报道。日本航天局2005年12月21日宣布，他们正在考虑研发一种登月航天服参加美国登月计划。日本官员称，这项计划将很快启动，目标是将目前美国制造的航天服重量由约120公斤减至20公斤左右，同时将内置的生命保障系统升级，使之能连续使用一周。该机构希望能利用高科技制造出抗高温、抗辐射的航天服材料和保障航天员运动的机动装置，以及外形酷似眼镜的小型电脑。日本官员说，他们正考虑分两阶段制造出这种航天服。第一阶段，设计出一种航天服，供航天员在日本第一个载人太空实验室“希望”科学舱的外部活动中试验性使用。“希望”科学舱将于2007年或2008年发射，成为国际空间站的一部分。在第二阶段，2014年后该机构将开始研发供NASA载人登月计划使用的航天服。