一、前言 

航天員進(jìn)行太空飛行必須穿著特殊材料、選用特殊工藝、經(jīng)過特殊加工和特殊技術(shù)制成的航天服，有的航天服造價可達(dá)上千萬美元，航天服是世界上最為昂貴的衣服，它是保障航天員生命安全的最重要的個人救生設(shè)備。早在1961年4月12日，前蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林身著“CK-1”艙內(nèi)航天服一飛沖天，成為第一個進(jìn)入太空的人。1965年3月18日，宇航員阿列克謝·列昂諾夫在“金雕”艙外航天服的保護(hù)下，在飛船外空間活動約24分鐘，實(shí)現(xiàn)了世界上第一次太空行走。9月24日上午，中國載人航天工程新聞發(fā)言人、中國載人航天工程辦公室副主任王兆耀向媒體透露，這次神舟七號飛行任務(wù)中，兩名中國航天員將分別穿著國產(chǎn)“飛天”艙外航天服和俄羅斯“海鷹”艙外航天服實(shí)施首次出艙活動。

   二、穿宇航服的關(guān)鍵作用

在人類太空飛行的過程中，由于不穿航天服，曾經(jīng)發(fā)生過的悲劇。上世紀(jì)60年代末到70年代初，為趕超美國人設(shè)計的兩座艙飛船，前蘇聯(lián)設(shè)計師將原有的兩座艙“聯(lián)盟”號飛船改為3座艙。航天員杜博羅沃里斯基和他的兩位戰(zhàn)友要“擠進(jìn)”這個窄小的飛船，放棄了占用很大空間的航天服。1971年6月30日，杜博羅沃里斯基、沃爾果夫和巴查耶夫在“禮炮”號軌道空間站完成了3個多星期的工作后，進(jìn)入“聯(lián)盟－11”運(yùn)載飛船返回地球。飛船即將進(jìn)入大氣層時，座艙中與外界連接的通風(fēng)安全閥忽然松開了。氣壓閥松動后，飛船上的通氣小窗快速地一開一合，艙內(nèi)的空氣迅速地向太空中散去，艙內(nèi)氣壓在20秒鐘內(nèi)從900毫米汞柱降到了500毫米汞柱，1分鐘后降至170毫米汞柱！飛船出現(xiàn)漏氣4秒鐘后，杜博羅沃里斯基每分鐘的吸氣次數(shù)達(dá)到了48次，而正常人應(yīng)為16次，此時杜博羅沃里斯基幾乎進(jìn)入了瀕死狀態(tài)，半分鐘后，死亡降臨。尸檢時發(fā)現(xiàn)，3位宇航員的瀕死癥狀幾乎完全相同，他們都有腦溢血、肺部充血、耳鼓膜破損的跡象。如果他們當(dāng)時穿上宇航服，這個悲劇是完全可以避免的。

   三、世界上最昂貴最復(fù)雜的航天服展示 

航天服一般由壓力艙、頭盔、手套和靴子組成。其結(jié)構(gòu)可分為軟式、硬式和軟硬混合式的，按著用途航天服可分為艙內(nèi)航天服和艙外航天服兩大類。

      1.艙內(nèi)航天服

艙內(nèi)航天服是航天員在航天器內(nèi)使用的航天服，如果飛船在發(fā)射、軌道運(yùn)行和返回過程中發(fā)生艙內(nèi)漏氣等事故的時候，穿上艙內(nèi)航天服，就可以保證航天員的生命安全。航天服的大小是為每一個航天員量體裁衣。艙內(nèi)航天服一般由航天頭盔、壓力服、通風(fēng)和供氧軟管、手套、靴子以及相關(guān)附件組成。一般重20～30千克，再套上降落傘，重量可達(dá)40多千克。 　　航天頭盔一般帶有密閉的啟閉機(jī)構(gòu)和球面形狀的全景面窗。壓力服是航天服的主體，一般為上下身連接在一起的連接式，壓力服必須具備非常好的密封性，能夠在充氣和加壓的情況下，仍然保持密封狀態(tài)，同時，壓力服還必須保證人的四肢可以在一定范圍內(nèi)活動。航天員既可以航天手套戴在壓力服的袖口上，并保證其密封性，也可以將手套脫掉。靴子，有與壓力服連接在一起構(gòu)成整體的靴子，不單獨(dú)使用。也有具有斷接器的可以脫的密封靴子，還有可穿在壓力服限制層的套靴。航天服通風(fēng)供氧軟管與艙內(nèi)通風(fēng)供氧裝置連接在一起，在正常情況下，能夠給穿著航天服的航天員提供全身的通風(fēng)，使得航天員處于比較舒適的環(huán)境中；當(dāng)座艙出現(xiàn)壓力急劇下降的時候，給航天服通風(fēng)的風(fēng)機(jī)會自動關(guān)閉，使航天服處于密封供氧狀態(tài)，應(yīng)急供氧裝置通過服裝軟管將氧氣送入航天服內(nèi)，一部分氧氣將進(jìn)入頭盔內(nèi)供航天員呼吸及頭部散熱，然后由壓力調(diào)節(jié)器排出。

        2. 艙外航天服

　　艙外航天服主要由外套、氣密限制層、頭盔、手套、靴子、液體冷卻通風(fēng)服和被包裝置等設(shè)備組成。國外已經(jīng)使用的艙外航天服的重量大約有250磅，艙外航天服除具備艙內(nèi)航天服所具有的功能外，還增加了預(yù)防宇宙射線輻射、防熱、防止微小隕石撞擊、放紫外線等功能。為了保證人體的熱平衡，還增加了液體冷卻系統(tǒng)，航天服的后背上還安裝了一個大包子，里邊裝有航天員所需的生命保障系統(tǒng)。艙外航天服的上身是堅硬的，裝有手臂和生命保障系統(tǒng)，頭盔與身上連接在一起，頭盔無法隨航天員的頭部一起活動，必須與身上一起活動。航天員的四肢活動是通過氣密軸承和一個可以活動的關(guān)節(jié)連接來保證四肢各關(guān)節(jié)的活動性能。 　　外套是由多層防護(hù)材料組成的真空隔熱屏障層，具有放輻射、隔熱、防火、放微小隕石撞擊等功能。氣密限制層是艙外航天服最重要的部分，選用重量輕、無毒、抗壓強(qiáng)度高、伸長率小的材料制成，其作用是保證航天服絕對密封，限制航天服膨脹、使航天員的四肢可以在一定范圍內(nèi)活動。液體冷卻通風(fēng)服穿在氣密限制層內(nèi)，在航天服的軀干和四肢部位都設(shè)置了許多塑料細(xì)管，液體通過的時候，可以將熱量帶走。此外，還裝有通風(fēng)管。頭盔有兩種，均通過頸圈與航天服連接，一種面窗可以隨意開啟和關(guān)閉的，在應(yīng)急減壓時候，可以自動和人工手動開啟和關(guān)閉，另一種是平時不戴，必要的時候再戴，頭盔外還安裝了防護(hù)罩和保護(hù)眼睛的遮陽裝置。手套、靴子與服裝限制層相連接。背包裝置，主要由氧氣瓶和供氧供氣調(diào)壓組件、水升華器和水冷卻循環(huán)裝置、空氣凈化組件、通風(fēng)組件、通信設(shè)備、應(yīng)急供氧分系統(tǒng)、控制組件和電源、報警分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)等組成，它能夠?yàn)楹教靻T提供生命所需的氧氣、控制航天服內(nèi)的氣壓、調(diào)節(jié)航天服內(nèi)的溫度、清除航天服內(nèi)的二氧化碳、臭味和微量污染。當(dāng)航天員出艙活動時，將背包裝置和航天服配套使用，可以保證航天員在艙外活動8～9個小時。同時，如果艙內(nèi)生命保障系統(tǒng)發(fā)生故障，航天員可的大氣壓力之中，這樣，即使飛船發(fā)生了泄漏事故，艙內(nèi)空氣溜走，依靠航天服也能在人體周圍創(chuàng)造出一個適宜人生存的微小環(huán)境，可以有效地防止低壓環(huán)境對航天員的危害，所以，能在一定時間內(nèi)保證航天員的生命安全。艙外航天服是航天員走出艙外進(jìn)入宇宙空間作業(yè)的時候所必須穿戴的防護(hù)裝置，從一定意義上來說，艙外航天服是最小的航天器。由于航天服具有氣密性，轉(zhuǎn)動頭部和手腕均不會漏氣，使得航天服穿著起來非常費(fèi)勁。一個航天員是無法完成的，升空的時候可以由服務(wù)人員幫忙，而返回的時候，如果是幾個航天員同時飛行，可以相互幫忙，一個航天員則需要等相關(guān)人員的到來。航天員穿衣服可以說是最復(fù)雜的穿衣服了，在地面航天員穿衣服都要費(fèi)那么大的勁，在太空失重的情況下就更是一件不容易的事情了，為此，航天員在地面上需要練幾十次。由于航天服的設(shè)計是不同的，因此，穿脫航天服，美國和前蘇聯(lián)/俄羅斯是不同的。俄羅斯的艙外航天服是后開門的形式，采用堅硬的軀干，與頭盔結(jié)合成一個整體，而四肢為軟的囊，航天員從航天服的背部的一個鉸鏈門進(jìn)入航天服。美國的艙外航天服是分體式，是硬的上軀干，軟的下軀干及袖子、手套、褲腿和靴子。手套按人定做，頭盔可拆卸。便攜式生命保障系統(tǒng)安裝在硬軀干的后面，手動控制和顯示器安裝在前面，航天服的上下軀干由一個腰部斷接器連接，航天員穿航天服時，從腰環(huán)進(jìn)入，先穿下身，然后穿上身，一個人完成起來很困難，通常需要別人幫助。相比之下，大多數(shù)航天員認(rèn)為，俄羅斯的航天服非常耐用，結(jié)構(gòu)簡單，具有靈巧方便的特點(diǎn)。

   四、航天服不斷開發(fā)的意義和關(guān)鍵技術(shù)  

完成載人宇宙活動需要廣范圍的技術(shù)，支撐長期載人宇宙活動“具備高度安全性和功能性的航天服”開發(fā)是急速解決的課題。航天服的歷史大約已有半個世紀(jì)，但實(shí)用化的國家僅限于宇宙開發(fā)的先驅(qū)者美國和俄羅斯。航天服包括在所有場合共同的許多“要素技術(shù)”，是能夠充分利用日本擅長的精致技術(shù)領(lǐng)域，可以在國際上進(jìn)行高能力的展開。而且，作為“綜合科學(xué)”評價的下一代航天服的研究開發(fā)，在美國和俄羅斯主導(dǎo)的宇宙開發(fā)領(lǐng)域，是可以提高日本存在感、對社會做出貢獻(xiàn)的絕好對象，也能夠開拓學(xué)際研究的新道路。面向載人月球探測和火星探測處于世界動向的今天，下一代航天服開發(fā)的時機(jī)正在成熟。充分利用日本風(fēng)土，挑戰(zhàn)新的研究開發(fā)，給與了日本研究技術(shù)人員“宇宙開發(fā)日本制造”的研究開發(fā)熱情，可以引導(dǎo)較大的發(fā)展。對航天服開發(fā)進(jìn)行特化的重要點(diǎn)是要協(xié)調(diào)和很好克服在嚴(yán)格的宇宙環(huán)境（真空、溫度、微小重力、放射線、軌道上的巖屑碎石等）下，保障活動的航天員生理學(xué)安全性和舒適性，確保為了船外活動能夠有效進(jìn)行必要的移動和運(yùn)動的機(jī)動性這種兩立比較困難的兩個技術(shù)課題。下一代航天服的研究開發(fā)，是以不僅在軌道上而且即使在月球上活動也有其功能的航天服為對象，必須進(jìn)一步滿足比在軌道上使用的航天服更高度的技術(shù)要求。例如，在軌道上的場合，手的活動自由度是重要的，而在行星探測中，包括膝蓋和腳后跟的屈伸在內(nèi)全身的運(yùn)動自由度成為決定要素。因?yàn)樵谠虑蚝突鹦谴嬖谥亓?，航天服重量的大幅度減輕也成為重要因素。另外，因?yàn)橐L時間在船外停留，還需要尋求生命維持系統(tǒng)的高度化。月球表面的重力是地球的約1/6，為超高真空狀態(tài)。在火星，有以1/100氣壓左右的CO2為主成分的大氣。溫度在低軌道和月球表面從-150℃以下的超低溫到＋150℃的高溫之間變化。在火星，低溫側(cè)為－140℃的超低溫，高溫側(cè)與地球大致相同，為30℃。特別是在月球和火星上的活動，如果微粒的塵埃進(jìn)入航天服間隙，有造成各種不舒服的可能性，需要其對策。在火星，因?yàn)橛写髿獯嬖冢瑢κ褂玫暮教旆δ茉O(shè)計需要考慮與傳統(tǒng)的不同，現(xiàn)在正在使用的利用向真空中的冰升華這種熱交換系統(tǒng)等就不能夠使用。

    五、航天服要求的基本要素  

　　在宇宙空間進(jìn)行船外活動時，航天服必須使人能夠“自由活動”，而且保障穿航天服的人“放心、安全”。所謂“自由活動”是基本上兼?zhèn)淠軌虿灰揽咳耸侄凑找馑夹袆?，可以進(jìn)行情報信息的收集與發(fā)送。從“自由活動”研究，首先是穿用航天服的時候最好自己1人、而且在短時間內(nèi)能夠完成。而EMU的場合，1人不能進(jìn)行衣服的穿、脫，需要別人的幫助。另外，衣服內(nèi)部的氣體因?yàn)槭?/span>0.3氣壓的純氧環(huán)境，為了除去溶解在血液中的氮?dú)?，需要長時間吸氧排氮。有緊急時在短時間內(nèi)不能穿用航天服等制約。將運(yùn)用壓力為0.4氣壓的ORLAN場合，1人可以進(jìn)行航天服的穿、脫，吸氧排氮時間也短到30分鐘左右，但為了提高機(jī)動性，最好不要吸氧排氮時間。但是，因?yàn)楹教旆?nèi)部充滿氣體，由于氣體壓力，衣服的剛性增加。希望提高壓力做成不需要吸氧排氮的，因?yàn)槿绻岣哌\(yùn)用壓力，衣服的剛性增加，所以一邊動腳、一邊彎曲上臂、活動手指的體力消耗增大。從能夠按照意思行動的觀點(diǎn)考慮，希望是富于運(yùn)動性和活動性、靈活性的。在這方面，由于現(xiàn)在的航天服較重、靈活性差，要提高運(yùn)動性能。航天服的重量有120kg左右，在地上幾乎完全不能進(jìn)行身體活動。在宇宙的無重量空間，其重量變無，但移動時的慣性質(zhì)量大和在月球表面變?yōu)榧s20kg的重量，希望更輕量化。宇宙空間和月球表面為高真空狀態(tài)，航天服表面為在面向太陽的地方為120℃的高溫，而在陰影的地方處于－150℃的超低溫這種嚴(yán)峻的溫度環(huán)境。為此，由于這種高真空航天服必須具備為保護(hù)航天員的氣密性、充分的強(qiáng)度和絕熱性耐熱性及由于宇宙灰塵和巖屑碎石等微粒子的碰撞、宇宙放射線的被曝等必須起到安全保護(hù)人體的作用。另外，在活動時間長的時候，還要求包括溫度和濕度的自動調(diào)節(jié)等衣服穿用感覺的舒適性。作為在極限環(huán)境生命維持裝置的航天服，為了放心使用，在各要素材料的耐久性以外，確保對于系統(tǒng)的多重防護(hù)功能、故障診斷、修復(fù)技術(shù)等可靠性也非常重要。

  六、結(jié)束語

將來的月球和火星探測中，在軌道上使用的下一代航天服，需要應(yīng)對高度的技術(shù)要求，例如，在行星探測中，與軌道上不同，其全身的靈活運(yùn)動性就成為決定性要素。而且，因?yàn)榕c在已程序化軌道上的船外活動不同，需要靈活應(yīng)對各種各樣的場面，航天服的穿、脫也希望在短時間內(nèi)進(jìn)行。進(jìn)而，為了應(yīng)對長時間的船外活動，生命維持系統(tǒng)的高度化和其他必須解決的問題有許多?，F(xiàn)在的航天服在月球和火星探測中沒有充分的功能。另外，因?yàn)楹唵蔚母牧疾荒軕?yīng)對其要求，需要進(jìn)行根據(jù)新概念的航天服開發(fā)。