图说航天服的前世今生 [复制链接]

航天服（spacesuit）是保障航天员的生命活动和工作能力的个人密闭装备，保护宇航员在太空不受高低温、真空、太阳辐射、射线和微流星等环境因素侵害并提供人类生存所需氧气的保护服。一般情况下，航天服必须具备五个功能：保持宇航员体温；保持压力平衡（使太空人承受的压力与在地球上的相似）；阻挡强而有害的辐射（如来自太阳的辐射）；处理宇航员的排泄物；提供氧及抽去二氧化碳。

01航天服分类

航天服从功能上看，航天服有舱内航天服和舱外航天服两种。从服装内压上看，有低压航天服和高压航天服之分；从其结构上看，可分为软式、硬式和软硬结合式航天服。美国和俄罗斯使用的都是软硬结合式的航天服。无论哪种航天服都由多层组成，它们互相连接形成一个整体服装，但要求各层的质量要高、要轻、不能过厚，以避免影响航天员的行动。

舱内用航天服舱内航天服是航天员在航天器内使内使用的航天服，航天员在航天器发射、返回和在轨道运行期间发生密闭舱失压等事故时，必须穿上舱内航天服。航天服因具有充压和加压的重要功能，将起到保护航天员生命安全的关键作用。舱内航天服工作时应与舱内通风供氧装置连接，其主要作用是在人体周围创造适宜人生存和工作的微小气候环境，用于防护低压环境对人体的危害，如有需要也可增加对高温、低温或有害气体环境对人体危害的防护作用，如果应急救生时间较长，根据需要也可配置尿收集装置，使航天服还具有收集和储存航天员尿液的功能。

舱内航天服一般由航天头盔、压力服、通风和供氧软管、可脱戴的手套、靴子及一些附件组成。航天头盔一般带有密闭的启闭机构和球面形的全景面窗。压力服是航天服的主体，一般为连体式，具有很好的气密性，能够在充气加压时保持拟人形态，并保证人体关节活动的一定范围。航天手套带有密封轴承的腕部断接器，可把航天手套戴在压力服袖口上，并保证气密性，也可将手套脱掉。靴子既有与压力服构成整体的靴子，有断接器的可穿脱密土封靴子，还有可穿在压力服限制层套靴。航天服通风供氧软管应与舱内通风供氧装置相连，它能够给穿着航天服的航天员提供全身通风，使航天员处于相对舒适的环境中。

·舱外航天服舱外航天服实际上是最小的载人航天器，是航天员走出航天器到舱外作业时必须穿戴的防护装备。舱外航天服除了具有舱内航天服所有的功能外，还增加了防辐射、隔热、防微陨石、防紫外线等功能，在服装内增加了液冷系统(液冷服)，以保持人体的热平衡，并配有背包式生命保障系统。

除有舱内航天服的所有各层外，舱外用航天服多出了三层：一是真空隔热层，用于保护航天员在舱外作业或在月球与其它星体表面活动时，不受舱外环境过热、过冷的侵袭，又可防止服装内部的热量散失。二是液冷服，它是将舱内航天服的通风散热层管内的气体改为液体而成。航天员在舱外作业长达几个小时，身体产生的热量多，靠气体散热达不到散热要求，而液态冷却工质就可很好把热散掉。三是最外层，除要有防高热、防磨损和保护内部各层的功能外，还要有防太阳辐射的功能和连接其它装具的接口。例如，与航天员舱外活动时脐带连接，与身背携带式生保环境装备、太空机动飞行机构的连接等。

02航天服系统结构组成

航天服是航天过程中保护宇航员生命安全的个人防护救生装备，又称宇航服服，能构成适于宇航员生活的人体小气候。一般情况下，在结构上分为6层：

①内衣舒适层：宇航员在长期飞行过程中不能洗换衣服，选用质地柔软、吸湿性和透气性良好的棉针织品制做。

②保暖层：用以保持舒适的温度环境，选用保暖性好、热阻大、柔软、重量轻的材料，如合成纤维絮片、羊毛和丝绵等。

③通风服和水冷服（液冷服）：以不同的方式散发宇航员体热过高的热量。采用抗压、耐用、柔软的塑料管制成，如聚氯乙烯管或尼龙膜等。

④气密限制层：在真空环境中，只有保持宇航员身体周围有一定压力时才能保证宇航员的生命安全。气密层采用气密性好的涂氯丁尼龙胶布等材料制成。

⑤真空隔热层：宇航员在舱外活动时，隔热层起过热或过冷保护作用。用多层镀铝的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜并在各层之间夹以无纺织布制成。各膜之间用网络物隔开，贴在一起形成屏蔽，良好的隔热和防辐射作用，舱外航天服必须有这层。

⑥外罩防护层：位于宇航服最外层，要求防火、防热辐射和防宇宙空间各种因素（微流星、宇宙线等）对人体的危害。这一层大部分用镀铝织物制成，一般用白色或金黄色为好。

03中国航天服-飞天航天服

年7月，中国为执行空间舱外活动任务，决定研制舱外航天服。由责任总设计师李潭秋在中国航天员科研训练中心领头研制。

年3月，西安微电子技术研究所开始进行航天服数管设备、生理信号放大器、报警信号放大器等设备研制生产任务。

年5月，郑州航天电子技术有限公司开始进行航天服电缆网研制生产。

年2月，航天服躯干壳体在运载火箭总装厂开始研制生产。

年6月，航天服第一套总装产品完成。同年9月30日，航天服完成初样设计评审，正式转初样阶段。

年，舱外航天服转正样研制。年底到年初，中国第一套舱外航天服及各项配套产品陆续交付。

年4月，航天服通过接口匹配联试；同年5月和6月，模拟航天员穿着舱外航天服两次在低压舱通过了人——服装，人——飞船——服装验证试验。年6月，舱外航天服完成通过验收。

年9月27日，神七航天员翟志刚实施中国首次太空行走，中国研制的第一套舱外航天服“飞天”第一次在距地球多公里的茫茫太空“亮相”。

据中国载人航天工程办公室消息，截止北京时间年7月4日11时02分，航天员刘伯明、汤洪波身着中国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服，已先后从天和核心舱节点舱成功出舱。

第一代飞天航天服

第一代“飞天”舱外航天服质量为千克，高2米，配有1.30米高的生命保障系统背包，可支持至少4小时的舱外活动，能重复使用5次以上，价值0多万人民币，具有供氧、温控、二氧化碳吸收等环境控制、生命保障与安全防护功能，具备信息采集传输、通信能力。航天服采用整体拟人形态半硬式密封结构，即从腰部以上的躯干是硬式结构，四肢为软式结构，采用后背铰链门式穿脱机构。从上到下依次是头盔、上肢、躯干、下肢、压力手套、靴子。

舱外航天服头盔面窗有4层，设计有两层加压结构，外面是防护层结构，镀金滤光面窗起到视觉保障作用；头盔设计有摄像头，可拍摄航天员出舱操作；头盔两侧各有一个照明灯，同时有泄露报警指示灯和语言报警。舱外航天服整体从内到外分为6层，包括由防静电棉布的舒适层、橡胶质地的备份气密层、复合关节结构组成的主气密层、涤纶面料的限制层、通过热反射来实现隔热的隔热层、最外面的外防护层。躯干达到7层，最厚的挂包有20层。

舱外航天服躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构，壁厚为1.5毫米，抗压能力超过千帕。服装的气液控制台，可自动控制气体液体流动，使航天员得到适宜的空气和温度。航天服最外层的防护材料耐受正负摄氏度以上的温差变化；服装携带的氧气瓶，采用复合压力，既保证安全又能带尽可能多的氧气。航天服温度系统可以保证24-28摄氏度左右范围。舱外航天服在关节设计采用了“虾”结构，相比其他航天服依靠挤压变形的波纹结构，更加保证了关节灵活和密封性。

生命保障系统背包作为航天服穿脱口的密封门，其壳体内安装舱外航天服生保设备，壳体下端安装有挂包、备用氧瓶等。背包关闭通过拉紧钢索和操作关闭手柄完成。压力手套外层为纤维织物，有2层气密，使用特殊隔热橡胶材料，可耐受℃高温；为保持触觉指尖部分采用1层气密层。

第一代“飞天”舱外航天服无动力装置。舱外航天服胸甲右下侧伸出了两根一长一短橘黄色安全系绳，其内部有弹簧，最长可拉至3米，能够承受一吨的拉力。绳的另一端是两个挂钩，可以在舱外活动时在轨道舱壁的扶手上固定。航天服腰部左侧有一根与飞船相连的8米长的“电脐带”，可用于传输航天员生理参数，也可作为安全系绳的备份。穿脱时间在地面上可自行在2至3分钟内穿脱。在太空中，从准备工作到完全穿好服装，大约15个小时。

中国第一代舱外航天服

飞天航天服右臂的“飞天”两字是由时任中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛题写，“飞天”两字下方绣有两个敦煌的飞天美女，形象来自莫高窟壁画的飞天形象。受限于返回舱返回重量，执行神舟七号任务的飞天航天服与海鹰航天服一同被丢弃在轨道舱内，随轨道舱轨道衰减坠入大气层烧毁。

第二代飞天航天服

新一代“飞天”舱外航天服经改进后，能满足身高1.6米到1.8米的人穿着，还能根据航天员的体型进行调整；其质量达千克。

湖南大学设计艺术学院助理教授罗建平领衔的智能装备科研团队承担了全新一代“飞天”舱外航天服的工业设计任务。在航天服的研制过程中，设计团队引入工业设计理念，同时将航天科技美学、人性化等要素融入其中，是对中国航天服技术的先进性和人类航天梦想的综合诠释。

飞天舱外服总共有6层，具备防辐射、温度调节和压力调节等功能，还有完备的生命保障系统。保护航天员在舱外活动时的生命安全以及保障航天员在太空环境中的工作效率是舱外服两个最主要的功能。

微重力、高真空、强宇宙射线辐射、高频率的明暗周期变化（温度变化、光照变化）等舱外作业环境特点会对航天员产生直接影响。太空环境影响人效能的关键部分——视觉、前庭、听觉、触觉、本体（感知身体运动或位置），容易导致空间失定向、动眼神经功能改变和主动视觉退化、手动控制以及平衡和运动障碍。

穿着舱外服、在肢体运动受限的状态下，航天员需要高负荷、高强度、长时间完成出舱作业任务，单次出舱活动时间一般在6-8小时，遇到的困难和挑战可想而知。由于舱外服采用多层织物结构，关节处采用铰链、轴承等刚性结构连接，且内部充有气体制造压力，这些因素导致对航天员肢体运动的限制，使得航天员在穿上舱外服时，肢体关节的自由度和运动范围受限。尤其是在戴手套加压的条件下作业，手指触觉的敏感度和手指灵活度明显下降。

人性化，可靠性，更加具有科技感、同时具有中国的审美识别性，这三个设计理念在全新一代“飞天”舱外服设计中体现得淋漓尽致。伴随着神舟十二号飞船顺利升空，我们将在探索太空的道路上越走越远，开拓创新、飞天逐梦每一步将会越走越坚实。

舱外航天服的面罩一共有4层，其中有一层是用黄金打造的面罩。这四层面罩中，有两层是压力面窗，中间充氮，可以防止面罩起雾，影响视野，还具有隔热等功能。外面一层是防护面罩，防护面罩可以防止磕碰，影响航天员的视野。最外面是滤光面罩，要知道的是，航天员在舱外执行活动时，每隔90分钟左右就会绕地球一圈，这就意味着每转动一圈，航天员有45分钟会暴露在太阳直射中，滤光面罩可以防止强烈的太阳光线照射眼睛。等到了阴影区时，就可以关闭滤光面罩。

在面罩两侧，有一个个的圆形小孔，这些小孔实际上是灯光，当航天员进入到阴影区时，就可以打开灯光照射周围的区域，以便在黑暗环境中也能继续工作。最外层的滤光面窗，航天员根据阳照区和阴影区来放下和打开，阳照区相当于太阳镜，防止光线射入眼睛。

现如今我国航天员所穿的是第二代舱外航天服，暂时还不知道造价，但我国第一代舱外航天服费用高达0万元人民币，我国第二代舱外航天服的造价更是不菲。

我国第一代舱外航天服的寿命是两年5次，第二代舱外航天服的使用寿命有了明显提高，达到了3年15次。但是，不管这件舱外航天服最终被使用多少次，它都不会再被带回地球了，而是会随着飞船的其他部分坠毁在大气层。

新一代飞天舱外航天服无论是原材料、设计，还是确定实验方案、验证总结再改进，都是自主研发，相比于神舟七号翟志刚的出舱舱外服，它的安全可靠性更高，支持舱外活动的时间更久，使用寿命也更长，而最核心也是团队一直孜孜不倦追求突破的，就是如何让舱外航天服穿在身上更加舒适。

04美国航天服

·年——“水星计划”套装

美国宇航员戈尔登·库勃的官方肖像，身穿“水星计划”套装，这套全身真空套装用于为期1年的高空任务。宇航服由B.F。Goodrich制造，压力套装配有操控装置的特殊手套，并使用“闭环”呼吸系统。

·年——双子座9-A宇航服

在双子座9-A任务期间，宇航员尤金·塞尔南穿着这件双子座9号舱外活动宇航服，并装备了美国空军研制的宇航员推进装置。宇航服的腿部覆盖着ChromelR，这是一种用不锈钢纤维织成的布，用来保护宇航员免受推进装置的高温影响。

·阿波罗计划宇航服

至年的阿波罗计划中，新宇航服使用防火材料替换了尼龙织物，并分为了内、外两层，内层增加了水冷系统，人体散发的热量能通过水冷系统吸收，由于月球表面时刻受到微流星体的袭击，因此增加了具有保护作用的外层，防止宇航员受到伤害，它的生命维持系统能让登月宇航员进行长达7小时的月球漫步。

阿波罗宇航服组件包括一套压力服组件和一个背包，其中包含生命支持系统，允许宇航员在月球表面不受束缚地行走。

·-A7LB

A7LB套装由InternationalLatexCorp。Dover制造，并由杰克·洛斯马于年7月在第二次载人天空实验室任务中使用，在液体冷却服模式下最长可使用小时，或在非加压模式下使用14天。

·-第一次执行太空运输系统任务

上图为宇航员（左起）约瑟夫·艾伦、万斯·布兰德、罗伯特·奥弗迈尔和威廉·莱诺尔在第一次执行太空运输系统任务的STS-5发射前合影留念。从执行STS-5任务到发生“挑战者号”航天飞机事故的STS-51L任务，他们都穿着非承压的蓝色飞行服。

·-EMU

作为世界上最小的航天器，柯林斯公司生产的舱外航天服（EMU）可以保护宇航员免受时速高达英里/小时（km/h）的微流星体的伤害。内部容积约为0.15立方米，大约是一个小型冰箱的大小，包含宇航员生存所需的一切：氧气、水、温度控制和二氧化碳调节。这套装备使布鲁斯·麦克坎德勒斯成为第一个在太空中自由漂浮（即通常说的太空行走）的宇航员。

·航天飞机弹射逃生服

至年，NASA开启了航天飞机计划，在早期的测试任务中，为了能与弹出式安全座椅配合，专门设计了航天飞机弹射逃生宇航服。

·航天飞机飞行服

至年正式航天飞机任务中，宇航员无需穿着压力服，只穿带氧气头盔的蓝色飞行服。

·航天飞机发射服

年，发生了严重的挑战者号航天飞机事故，于是就从美国空军那里借鉴并研发了橙色的航天飞机发射服，又被称为“南瓜服”。

·-ACES

“高级逃生服”（ACES组员逃生服），也被戏称为“南瓜套服”，在年的航天飞机飞行中使用。随着时间推移，NASA对系统进行了升级，包括对头盔进行了轻量化改造，原有头盔的重量足以造成肩膀受伤。现在，洛克-希德马丁公司的“猎户座”载人航天舱的任务正考虑在新版逃生服中增加机动性更好的组件。

NASA的年太空任务还没有一套完备的月球服，但正在研制组件。下图是一张年的图片，在一个“猎户座”舱室模型中，一套经过改装的高级逃生服正在接受评估。

·国际空间站舱外服

在年，NASA还推出了一种全新的舱外服，被称为舱外移动单元（EMU），也是目前国际空间站使用的舱外宇航服之一，首次使用是在哈勃太空望远镜的维修任务中。

不同于阿波罗宇航服是给每一位宇航员量身定做，EMU采用模具化设计，许多零件可以替换，具有各种尺寸的组件，可以将它们装配在一起来满足不同宇航员的要求。

EMU总重约公斤，背部有生命支持系统，胸部是显示控制模块，包括了液体冷却通风外衣、尿液采集装置、头盔、面盔、通信组件、饮水袋、生理指数监测系统等，为太空漫步者和处理紧急情况而设计的装备，备用的供氧系统，可在太空呆上大约8小时。

05俄罗斯航天服

·年——SK-1套装

苏联宇航员尤里·加加林于年4月12日在东方1号宇宙飞船上穿的SK-1压力服，开启了载人航天时代。

·-索科尔宇航服

自年以来，俄罗斯宇航员（苏联）就开始配备索科尔宇航服了。

俄罗斯联邦航天局“远征39号”联盟号指挥官亚历山大·斯科沃尔佐夫（AlexanderSkvortsov）正在检查俄罗斯索科尔宇航服的压力，以备年3月25日在哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射联盟TMA-12M航天器。

·-俄罗斯奥兰宇航服

俄罗斯奥兰宇航服自年以来一直在使用，此处由宇航员约翰·菲利普斯穿着。

06未来航天服

·NASA新一代宇航服

美国国家航空航天局（NASA）公布了下一代宇航服Z-1的原型设计，该宇航服以白色和绿色为主色调，头罩采用了半球形透明设计，看上去酷似动画片《玩具总动员》中的主角巴斯。

新宇航服有望在未来几年投入使用，相对于上代宇航服，Z-1的最大改进是对各个接头和材料进行了重新设计，宇航员穿戴宇航服时更为方便，不到一小时就能完成穿戴。此外，Z-1的气闸也得到改进，节省了调整气压的时间。

·SpaceX

SpaceX的太空服设计包括一个3D打印的头盔、通信设备、冷却系统和一个阻燃外层。SpaceX宇航服是马斯克请超级英雄电影的服装设计师专门设计的，宇航服黑灰色部分的材质是一种名为Nomex的织物，白色部分的材质是一种叫特氟龙的强化玻璃纤维，能够耐火耐高温，具有柔韧性和高弹性，还是一种防污不沾材料、不会变脏。

·阿尔忒弥斯计划舱外服

年，NASA提出了重返月球阿尔忒弥斯计划，也推出了用于登月的新舱外服，进行了多方面的升级优化。

这套新款宇航服加上了一系列防尘部件，可防止宇航服的生命支撑系统吸入或沾染上月球土壤微小的玻璃状碎片。除此之外，新型宇航服还能承受住背阴处零下摄氏度以及阳光下摄氏度的极端温度。

新款的下半躯干包含了先进的材料和关节轴承，让臀部可以弯曲和旋转，增加了膝盖处的弯曲程度，同时还包括鞋底具有弹性的远足式靴子。在上半躯干上，除了升级肩部装置之外，还能让宇航员更自由地移动手臂，轻松地将物体举过头顶。在阿波罗任务中，宇航服的肩部活动是通过织物中的褶皱实现的，但限制了关节旋转的能力。新款宇航服的肩部设计减少了移动耗费的体力，还包含了轴承，能让宇航员从肩膀到手腕都能进行旋转。

在宇航服的头盔内部，NASA对通讯系统进行了重新设计，新的音频系统包括多个嵌入式的语音激活麦克风，它们会自动拾取宇航员的声音。头盔内还将配有快速交换的防护面罩，这种透明的防护面罩是一种牺牲性防护面罩，可保护加压的透明头盔免受损伤，宇航员可以在太空行走之前或之后更换防护面罩。

在这款升级版的宇航服中，还设计了一个新功能，那就是后入式开口：宇航员将能够从宇航服的后部爬入宇航服。同时，宇航员还会在约翰逊航天中心的人体测量学和生物力学中心进行基本运动和姿势的全身三维扫描，可以将宇航员与模块化的宇航服组件相匹配，从而提供最大的舒适度和最大的运动范围。

NASA还发布了一款橙色的宇航服，这套宇航服是宇航员在火箭发射期间和返航时在太空舱内穿的，能在飞船遭遇失压等紧急情况提供长达6天的生命支持。