宇航服到底有多复杂?

日期:2021-08-27 10:51:28阅读:22    作者:天氏欧森

2021年6月17日,注定将载入人类太空史上的一天,神舟十二号载人飞船成功发射,国人也首次进入了自己的空间站,小编看了直播也是心潮澎湃,为祖国感到无比的骄傲。我们再来感受下发射的瞬间。




而作为和材料相关行业的一个小小从业者,小编对宇航员身上的那套炫酷十足但又感觉萌萌哒的宇航服充满了好奇。好奇这身如飞行器一般的装置到底暗藏了多少机关。


如果你也有兴趣,那不妨和我一起来探究探究。





宇航服的构成


半个多世纪以来,人类一直在探索地球大气层之外的无限深渊。当宇航员探索浩瀚的太空时,他们需要穿上高科技的宇航服,以保护自己免受宇宙寒冷而又复杂的环境的影响。

宇航服的目的基本上是作为人形航天器存在,使人类能够在舒适的航天器或空间站之外自主探索和做有意义的探究工作。宇航服的科技含量,要远远大于我们在电影里面看到的炫酷视觉感官,它的设计复杂又独特。

由于太空生存的复杂性,设计一件宇航服需要多种组件和材料。

宇航员在舱外作业所穿着的装置,成为舱外移动装置( Extravehicular Mobility Unit , 简称EMU ),它由近六个不同的组件组成,最多可有16层。它们在宇航员的太空生存中扮演着各自不同的角色。

下图是我们在科普读物上找到的关于宇航服的图解。



而穿戴这样一个复杂的装置,可没有像电影里的Tony Stark秒变钢铁侠那么简单,从头到尾,可能需要花费几个小时的时间。

让我们来详解下这套装置。

液体冷却通风服
宇航服的最内三层组成了液体冷却通风服。它是由氨纶制成,比较薄,能舒适地贴在宇航员身上。这层衣服的作用主要是降温,它表面附有约300英尺的管道,能以水冷的方式给宇航员的身体降温。
这些水有些来自于宇航员身后的背包,有些由航天器通过管道补给,有些则是将宇航员自身排出的汗水和所呼出二氧化碳中带出的水蒸气循环利用得到的。

压力囊
在液体冷却通风服之上便是压力囊,这层可以说是关系到宇航员的生死存亡。压力囊能提供一定量的氧气使宇航员在这个密闭空间内呼吸,同时能在宇航员周围保持适当的动态压力。
在压力囊之上的一层材料与压力囊同样重要。这层材料有助于压力囊保持一定的形状。你可能会发现这层材料的材质与帐篷上的某种材料相同,相似地,它也能使帐篷维持一定的形状。

防撕裂层
接下来的一层材料是防撕裂层。任何直接暴露于太空的行为都是十分危险的,而该层材料能专门抵御可能存在的撕裂风险,因此被恰当地称为防撕裂层。

聚酯薄膜隔绝层
在防撕裂层之上则是7层聚酯薄膜隔绝层,这些材料常用于食品储存包装。隔绝层的材料能使宇航员的体温保持恒定,就像稳定食品温度的保温瓶或冷却器一样。

宇航服的最上层
宇航服的最上层则由三层具有不同作用的材料构成。芳纶这种通常用来做防弹背心的材料则在其中构成一层,主要起保护作用。而其他两层所起的作用却截然相反,一层为防水材料,一层为防火材料。
 
而怎样才能使宇航服坚固到足以将这些零件组合到一起呢?答案就是采用玻璃纤维。玻璃纤维实际上是由玻璃制成的,这与窗户或玻璃碗中所用到的玻璃是一样的。但与吹制的玻璃制品不同,玻纤是将熔融玻璃通过极细的小孔制成纤维而得到的。这种极细的纤维然后被纺织并与树脂粘结在一起,使其具备硬且轻便的弹性形状,然后这种玻纤就可被制成从船到飞机等各种制品。而在宇航服中,玻纤被制成坚硬的上肢躯干部分以支撑厚重的头盔、生命维系背包、控制模块以及胳膊和腿等。
 

 


无处不在的细节与难点


宇宙中的几乎每一方面都被认为是宇航服所要克服的障碍。而宇航服的各个部件甚至要比以上所表述的更为细化。

例如,遮阳板组件内含有金,可以在没有大气保护的情况下过滤太空中大量强烈的太阳光。

该遮阳板组件中还含有一整块防冲击盖,可与头盔配合使用,不仅起到额外的隔热作用,还能防止可能的太空碎片冲击。

即使是头盔中会起雾这样的小问题也需要一种特殊的防雾剂来应对,每次太空行走之前需要喷洒这种防雾剂。

而太空中重力的缺失会使太空行走面临零件或工具丢失的风险,因此宇航服的每个手指尖都覆盖了一层橡胶材料,能让宇航员保持抓力。

太空中极度寒冷,而人体的四肢却又对此极为敏感。因此,宇航服手套中含有微型加热器。尽管上述这些组件对宇航服的功能来说都是必要的,但是它们却违背了宇航服轻量化和蓬松化的要求,使得宇航服的总重约在130公斤。




材料的不断革新


足够轻和足够坚固是大家对宇航服的诉求,以确保宇航员在太空活动的灵活性和安全性。世界各地的研究人员也一直不断地为未来的宇航服寻找新材料。

比如,形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)。形状记忆合金线圈实质上是一种加热后能恢复到未拉伸状态的弹簧。衣服上的这些线圈串联后所产生的压力恰好能维持人体在太空中生存。现代的宇航服是通过压力囊来产生压力,而这种未来宇航服则是通过机械挤压人体而产生同样的压力。这就意味着未来的宇航服绝不会像现在这样如此笨重。采用这种形状记忆合金线圈的另一大优点就是当它们恢复到原有形状时能够挤压宇航员身体产生压力,而当对其冷却时,它们就会回到伸展状态,使宇航员从宇航服中出来。

再比如复合材料。复合材料因为其较强的比强度和比模量,较好的材料抗疲劳性、减震耐磨、耐热抗裂等性能,被大力推广和广泛使用。除了在生活中的应用,复合材料也在风电、医疗、航空航天等领域广泛应用。最近,英国的中央兰开夏大学,在外骨骼材料的研发上取得了大的进展,这一材料,除了能够帮助患有肌肉疾病的患者进行正常行走和运动,还能应用到机器人的外骨骼上,甚至NASA也会考虑在 2033年的火星登陆计划中,将此种材料应用到宇航服中。Tinius Olsen作为该研发项目的测试设备提供方,以及长期以来与ASTM的紧密合作,对此项目的研发结果推进起到了相当重要的作用。


从60年代初代的尼龙加金属铝的宇航服开始短短半个多世纪以来,宇航服的技术已发生翻天覆地的变化,人类对未知的探索欲推动了科技的快速发展。我们也拭目以待,下一代的宇航服的革新。


内容贡献:
科学公园
NASA网站
thetestingtimes.blogspot.com
英国中央兰开夏大学工程中心


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