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(jià)可達(dá)上千萬(wàn)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(gè)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(gè)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(dòng)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(guó)載人航天工程新聞發(fā)言人、中國(guó)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(hào)飛行任務(wù)中，兩名中國(guó)航天員將分別穿著國(guó)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(dòng)。

   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(guó)人設(shè)計(jì)的兩座艙飛船，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)師將原有的兩座艙“聯(lián)盟”號(hào)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(gè)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(hào)軌道空間站完成了3個(gè)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(shí)，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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)穿上宇航服，這個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)，壓力服還必須保證人的四肢可以在一定范圍內(nèi)活動(dòng)。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(shí)候，給航天服通風(fēng)的風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)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(guó)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(gè)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(jiān)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(dòng)，必須與身上一起活動(dòng)。航天員的四肢活動(dòng)是通過氣密軸承和一個(gè)可以活動(dòng)的關(guān)節(jié)連接來保證四肢各關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(zhǎng)率小的材料制成，其作用是保證航天服絕對(duì)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(dòng)。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(shí)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(shí)候，可以自動(dòng)和人工手動(dòng)開啟和關(guān)閉，另一種是平時(shí)不戴，必要的時(shí)候再戴，頭盔外還安裝了防護(hù)罩和保護(hù)眼睛的遮陽(yáng)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(bào)警分系統(tǒng)、遙測(cè)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(dòng)時(shí)，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(dòng)8～9個(gè)小時(shí)。同時(shí)，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(gè)適宜人生存的微小環(huán)境，可以有效地防止低壓環(huán)境對(duì)航天員的危害，所以，能在一定時(shí)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(shí)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(dòng)頭部和手腕均不會(huì)漏氣，使得航天服穿著起來非常費(fèi)勁。一個(gè)航天員是無法完成的，升空的時(shí)候可以由服務(wù)人員幫忙，而返回的時(shí)候，如果是幾個(gè)航天員同時(shí)飛行，可以相互幫忙，一個(gè)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(jì)是不同的，因此，穿脫航天服，美國(guó)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(jiān)硬的軀干，與頭盔結(jié)合成一個(gè)整體，而四肢為軟的囊，航天員從航天服的背部的一個(gè)鉸鏈門進(jìn)入航天服。美國(guó)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(dòng)控制和顯示器安裝在前面，航天服的上下軀干由一個(gè)腰部斷接器連接，航天員穿航天服時(shí)，從腰環(huán)進(jìn)入，先穿下身，然后穿上身，一個(gè)人完成起來很困難，通常需要?jiǎng)e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(jiǎn)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(dòng)需要廣范圍的技術(shù)，支撐長(zhǎng)期載人宇宙活動(dòng)“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(gè)世紀(jì)，但實(shí)用化的國(guó)家僅限于宇宙開發(fā)的先驅(qū)者美國(guó)和俄羅斯。航天服包括在所有場(chǎng)合共同的許多“要素技術(shù)”，是能夠充分利用日本擅長(zhǎng)的精致技術(shù)領(lǐng)域，可以在國(guó)際上進(jìn)行高能力的展開。而且，作為“綜合科學(xué)”評(píng)價(jià)的下一代航天服的研究開發(fā)，在美國(guó)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(duì)社會(huì)做出貢獻(xiàn)的絕好對(duì)象，也能夠開拓學(xué)際研究的新道路。面向載人月球探測(cè)和火星探測(cè)處于世界動(dòng)向的今天，下一代航天服開發(fā)的時(shí)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(duì)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(dòng)的航天員生理學(xué)安全性和舒適性，確保為了船外活動(dòng)能夠有效進(jìn)行必要的移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性這種兩立比較困難的兩個(gè)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(dòng)也有其功能的航天服為對(duì)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(chǎng)合，手的活動(dòng)自由度是重要的，而在行星探測(cè)中，包括膝蓋和腳后跟的屈伸在內(nèi)全身的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)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(dòng)，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(duì)策。在火星，因?yàn)橛写髿獯嬖?，?duì)使用的航天服功能設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí)，航天服必須使人能夠“自由活動(dòng)”，而且保障穿航天服的人“放心、安全”。所謂“自由活動(dòng)”是基本上兼?zhèn)淠軌虿灰揽咳耸侄凑找馑夹袆?dòng)，可以進(jìn)行情報(bào)信息的收集與發(fā)送。從“自由活動(dòng)”研究，首先是穿用航天服的時(shí)候最好自己1人、而且在短時(shí)間內(nèi)能夠完成。而EMU的場(chǎng)合，1人不能進(jìn)行衣服的穿、脫，需要?jiǎng)e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(zhǎng)時(shí)間吸氧排氮。有緊急時(shí)在短時(shí)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(chǎng)合，1人可以進(jìn)行航天服的穿、脫，吸氧排氮時(shí)間也短到30分鐘左右，但為了提高機(jī)動(dòng)性，最好不要吸氧排氮時(shí)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(dòng)腳、一邊彎曲上臂、活動(dòng)手指的體力消耗增大。從能夠按照意思行動(dòng)的觀點(diǎn)考慮，希望是富于運(yùn)動(dòng)性和活動(dòng)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(dòng)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(dòng)。在宇宙的無重量空間，其重量變無，但移動(dòng)時(shí)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(yáng)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(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)候，還要求包括溫度和濕度的自動(dòng)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(duì)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(yǔ)

將來的月球和火星探測(cè)中，在軌道上使用的下一代航天服，需要應(yīng)對(duì)高度的技術(shù)要求，例如，在行星探測(cè)中，與軌道上不同，其全身的靈活運(yùn)動(dòng)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(dòng)不同，需要靈活應(yīng)對(duì)各種各樣的場(chǎng)面，航天服的穿、脫也希望在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。進(jìn)而，為了應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的船外活動(dòng)，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(cè)中沒有充分的功能。另外，因?yàn)楹?jiǎn)單的改良不能應(yīng)對(duì)其要求，需要進(jìn)行根據(jù)新概念的航天服開發(fā)。