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  • “飛天”艙外航天服

    艙外航天服,是航天員在太空行走和工作的交通工具。 總的來說,艙外航天服為航天員提供三方面的保障。 可以說,艙外航天服就是一個“穿在身上的飛船”。

    編輯摘要

    目錄

    第一版 引言/“飛天”艙外航天服 編輯

      2008年9月27日,我國航天員進行首次太空行走,中國研制的第一套艙外航天服“飛天”第一次在距地球300多公里的茫茫太空“亮相”。


      如何保證出艙航天員的安全?航天員系統總指揮、總設計師陳善廣說,最重要的安全裝備是艙外航天服。供氧、供電、空氣流通、話音支持……飛船能實現的大多數功能,都集中在了小小的艙外航天服里??梢哉f,艙外航天服就是一個穿在身上的小型飛船。


      那么,“神七”艙外航天服到底有什么奧秘,能夠保證航天員的安全?航天服中又蘊含了哪些精密技術呢?

    第二版 艙外航天服飛天簡介/“飛天”艙外航天服 編輯

      

    艙外航天服類似一個小飛行器,因為它有自帶供電、氣源、制冷和空氣控制等技術,能獨立實現環境控制和生命保障。


      我國研制的“飛天”艙外航天服每套總重量120公斤,造價約3000萬元人民幣,可靠系數0.997,可在太空環境下工作4小時,具有環境控制與生命保障及艙外通信功能,各項技術指標完全滿足“神七”飛行任務需要。


      在“神七”氣閘艙里,有2套艙外航天服,分別為我國研制的“飛天”艙外航天服和俄羅斯研制的“海鷹”艙外航天服。


      艙外航天服主要由頭盔、服裝、手套和靴子組成,其主要功能有:空間環境防護,包括真空壓力防護、空間熱防護、空間輻射與微塵流防護;工效保障,包括操作工效保障、視覺保障;環境控制與生命保障,包括供氧調壓、通風凈化、主動遙控等。


      在技術上,艙外航天服的研制主要有以下幾個難點:活動密封技術、高度集成、安全可靠性設計技術、地面模擬試驗。之前,只有美、俄兩國有艙外航天服。


      航天服的左臂上印著鮮紅的國旗,右臂上有兩個大字:“飛天”。,“飛天”是中國研制的第一代艙外航天服,整體設計和各部件的設計、組裝都是中國人自己完成的。就完成目前任務的能力而言,接近國際水平。

    第三版 艙外航天服的內部構造/“飛天”艙外航天服 編輯

      如果忽略“暗藏”在航天服上的種種“機關”,“飛天”很像一件加厚、特大碼的羽絨服。服裝通體純白,軀干像盔甲,四肢像面包。從上到下依次是頭盔、上肢、軀干、下肢、壓力手套和靴子,背上還有一只1.30米高的大背包。


      那么,艙外航天服的內部構造是怎樣的?


      從內到外,艙外服分為6層:由特殊防靜電處理過的棉布織成的舒適層,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,以及最外面的外防護層。外層的防護材料可耐受正負100攝氏度以上的溫差變化,堪稱國內最貴的服裝面料。 服裝上肢(袖子)和下肢(褲腿)的長度可以根據每個航天員的身長進行調節。通過調節大小,一套航天服可以用于不同身材的航天員,身高1.60米-1.80米的人都可以穿。


      ——最里面一層是舒適層,它是用特殊處理過的棉布制成,最大特點是絕對不起靜電,因為艙外服里面是純氧,一有靜電就會著火。


      ——備份氣密層,由1毫米左右的橡膠板構成,與上肢等關聯結構粘貼在一起,形成相匹配的形狀。


      ——主氣密層,這一層所用的橡膠布的氣密程度是滴水不漏。它是個整體結構,完全覆蓋服裝主要的關節結構包括軀干、背包。它既要能充氣加壓,又不能讓服裝過于膨脹,還要讓各關節活動自如,技術難度非常大。


      ——限制層,是用強度很高的材料構成,因為無論是備份氣密層,還是主氣密層,承受的壓力是很小的??梢哉f,限制層是主承力層。


      ——真空屏蔽隔熱層,它由5-7層涂鋁的聚酯薄膜構成,各膜之間用網絡物隔開,貼在一起形成應對真空溫差、輻射等惡劣環境的強大屏蔽。


      ——外防護層,是一種特殊的紡織面料,目前是國內最昂貴的布料,可以在溫度±100℃之間保持完好無損,耐磨損、反射性強,太陽光照射上去后都反射回去了,吸收很少。

    第四版 “飛天”的整體結構/“飛天”艙外航天服 編輯

      頭盔:面窗細分四層


      “飛天”頭盔的制作材料由黑龍江一家科研院所提供。頭盔的面窗共有4層,其中兩層充壓結構間將被充入高純氮氣。外面還有一層防護面窗,再外層則是濾光面窗。濾光面窗對太陽光的折射率很低,一旦航天員迎著高強光照面,就可拉下這層面窗。


      頭盔的兩側還各有一個照明燈,能夠照亮服裝的胸前部分,這有利于航天員在光照不足的陰照面操作。


      與照明燈一樣位于頭盔兩側的還有報警指示燈,一旦服裝出現意外,報警燈就會閃起,并能發出語言報警。


      此外,“飛天”頭盔上還裝有攝像頭,可以拍攝航天員出艙操作時的情景。


      飛天頭盔的優點在于其視野比其他同類產品要大,這在制造技術上要求很高,相關的科技人員花費了數年時間才攻下頭盔制造的難關。


      前胸設備:通過手腕反射鏡操作


      “飛天”艙外航天服的前胸是其“大腦”所在。


      服裝胸前的電控臺是電器系統的核心,內有服裝加電、泵、風機、數管、照明、電臺開關、OLED顯示器、機械式壓力表等設備。


      與電控臺相鄰的是氣液控制臺,它控制著服裝氣路和液路系統的核心部件,里面有20多個閥門,以保證正常供氧和應急供氧,切換主備氧氣瓶和氣體壓力主備設施。


      “飛天”服裝前胸的操作開關有10多個,其中的消聲鍵可以兩用,包括消除警報聲,以及顯示器在兩個屏幕中切換。


      有趣的是,因為視野所限,航天員并不能看到胸前和腰胯部的設備,只能通過兩只手腕上的反光鏡反射進行操作。


      手套觸覺:靈敏度可撿鉛筆


      “飛天”航天服的肩、肘、腕三個上肢關節是氣密軸承裝置,雙層密封但能轉動,其中有專用的調節帶,可以調節尺寸適合不同人穿用。因為出艙活動主要靠上肢,所以下肢的膝、踝關節活動能力沒有上肢要求高,但下肢和襠部都有多處調節帶。


      “飛天”航天服的手套在指尖部分只有一層氣密層,可以保持觸覺。這些手套分不同型號。制造時將14個人的手部數據利用三維掃描技術,制造出適合亞洲人的手套,分大小號,其靈敏度可以幫助航天員握住25毫米如鉛筆般粗細的東西。


      掛鉤雙繩:艙外活動交替使用


      “飛天”航天服上有兩根臍帶,其中01號臍帶長8米,02號臍帶長4米。這種臍帶將航天服與飛船連接在一起,航天員出艙后,在自主模式下并不用電臍帶,但一旦出現意外,作為應急供氧管的臍帶就會發揮作用。


      航天服上的2個安全掛鉤對于這次任務非常重要。航天員出艙時,掛鉤可以起到安全防護作用,使航天員出艙不脫離艙體。


      這兩個掛鉤上的繩子一長一短,一根3米,一根1米。1米的繩子承重1噸,由于比較短可以防止纏繞,它呈折疊狀,一旦在外力作用下展開,就表明航天員已經離開飛船。另一根3米長的繩是彈簧繩,可拉長,也能承受1噸重。


      具體操作時,出艙的航天員要交替使用兩個掛鉤,像攀巖那樣才能實現艙外活動。


      穿衣程序:自下而上


      上天后航天員要將掛在氣閘艙壁上的服裝產品從支架上取下,放在服裝架上,解包,檢查,進行組裝。


      穿衣時,航天員先坐在艙外服背包門框上。背包兩側是供氧部件,航天員先把下肢穿好,把服裝與液冷服連接。液冷服能散熱70%-80%,是彈性網狀織物制成并帶有帽子,在網格之間穿有注滿水的軟管,軟管結構主要集中在人體頭部、軀干、大腿等部位。液冷服的肩肘和腰部等怕涼的地方都加了特殊的羊毛氈進行防護。


      飛天航服:可用五次


      “飛天”航天服的每一處設計極其講究,小到一個襻扣都要考慮實際應用。據專家介紹,我國自行研制的“飛天”艙外航天服因為不帶有制動裝置,所以與美國航天服不同,而接近于俄羅斯航天服。


      這套服裝可以重復使用5次左右。但據消息人士稱,神七的飛行任務中,“飛天”艙外航天服將留在氣閘艙中留軌,不過其中的手套要帶回。

    第五版 艙外航天服中的精密技術/“飛天”艙外航天服 編輯

      軀干殼體:保護生命的盔甲


      軀干殼體是艙外航天服的主體,是航天服的裝配集成中心,各種設備、儀器都要與之連接,是艙外航天服研制的重中之重。


      艙外航天服軀干殼體為鋁合金薄壁硬體結構,與背包系統裝配后共同承受地面運輸、上升段的各種載荷,具有壓力防護、載荷支撐、密封等功能,是名副其實的航天員的生命“盔甲”。神奇的是,這副“生命盔甲”的軀干殼體為鋁合金薄壁硬體結構,壁厚僅1.5毫米。


      呼吸系統:進出氣關口


      艙外航天服上有呼吸系統,這是為航天員自動供給人造空氣、排出廢氣、調節安全氣壓和凈化航天服內異味的關鍵系統,關系到航天員的生命保障和呼吸舒適度。


      據悉,艙外航天服內的空氣質量,既能自動將多種氣體混合成人造空氣,又能及時自動排除人體廢氣,還能自動將服內氣壓控制在安全范圍值以內,并能自動凈化服內異味,保證呼吸舒適度。


      電臍帶:萬無一失的生命通道


      在航天員離開“神舟七號”走向神秘太空時,與飛船連接全靠一條“電臍帶”,這個包括航天服電纜網、掛包電纜網和航天服氣壓調節行程開關等在內的系統均承擔著向航天服各組成部分供電和傳輸信號的重要使命。


      “電臍帶”還是一根可以隨時把航天員拉回艙內的“繩子”,其上的臍帶數據處理器可以將采集到的航天服、艙載設備信息實時傳送給飛船的數管分系統,并將自身的信息通過測控通信傳回地面。這樣,航天員在太空行走的安全性得到了充分的保障?!半娔殠А钡娜彳浂热缤胀ǖ哪z質水管一般,良好的柔軟度保證了航天員在太空活動靈活自如。

    第六版 中國艙外航天服三大優勢/“飛天”艙外航天服 編輯

      中國研制的艙外航天服有自己的優勢,主要表現在三個方面:


      首先,中國的艙外航天服采用更多數字化技術,在信息采集、數據傳輸等方面均采用數字化手段。


      而俄羅斯的“海鷹”航天服研制于上世紀七、八十年代,當時數字技術還不發達,因此采用的是模擬技術。


      其次,中國的艙外航天服在與飛船聯接時,采用CDMA制式,而“海鷹”航天服用的是短波通信方式。


      第三,中國的艙外航天服在肘關節、膝關節等處,繼承了艙內航天服的優點,相對來說比較柔軟,這樣航天員的行動也就更靈活。

    第七版 “飛天”五大創新提高出艙工作效率/“飛天”艙外航天服 編輯

      艙外航天服,是航天員在太空行走和工作的交通工具。為方便航天員出艙工作,提高工作效率,我國科研人員精益求精,對服裝的關鍵部件進行了技術創新。


      頭盔面窗。在太空中,保持視野清晰并非易事。出艙時,有時會遇到-100℃的低溫,頭盔面窗的溫度也會下降,而航天員口鼻中散出的熱氣就會在面窗上結霧,妨礙航天員的視野。為此,科研人員采取通風去濕法、雙層面窗法,保障了面窗的透明度。


      關節結構。為了減少活動阻力,科研人員通過研究蝦外殼的結構,創新出套接式的關節結構,既保證各關節強度和氣密性,又保證了靈活性。


      手套。出艙行走主要靠手來完成,為保證手套有足夠的靈活性,科研人員在3年多時間內,先后對材料進行了幾十次調配,最終確定了最佳方案。目前,該手套可以輕松握住氣閘艙外的欄桿。


      氣液控制臺。它可以說是服裝的“心臟”,體積不大的盒子里,集中了20多種閥門。所有氣路系統要向服裝供氣,什么時候供、供多大,航天員都可以通過高度集成的控制臺來完成。


      電子顯示系統。為了方便航天員更好地觀測數據和參數,進行出艙活動,電子顯示系統采取最先進的OLED技術,色彩艷麗,耐熱性能強,可靠性高,強光下也能保證看得清清楚楚。

    第八版 艙內艙外服大比拼/“飛天”艙外航天服 編輯

      電控臺、氣液控制臺、氣液組合插座、應急供氧管、電臍帶……軀干外殼上分布著各種儀器。一個只有漢語辭典大小的控制臺里,集成了20多種閥門,每個閥門又是一個更精巧的開關集合體。


      那么,同樣都是航天服,艙外航天服跟艙內航天服有什么不同?


      艙內航天服只保證壓力,但艙外航天服什么都要管。飛船里的大多數功能,都要在艙外航天服里實現。


      總的來說,艙外航天服為航天員提供三方面的保障。


      一是輻射、真空、微流塵等環境的防護;


      二是生命保障,也就是要保持一個適合人生存的氣體和溫度濕度環境;


      三是良好的功效保障,保證航天員穿著艙外航天服能開展維修器材等太空作業。


      可以說,艙外航天服就是一個“穿在身上的飛船”。

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