俄罗斯航天服装设计的发展

俄罗斯航天服装设计的发展

人们应该在真空、冷和黑、沉重和辐射的宇宙环境中生存。他们需要一个适合人们生存的小环境。除了载人宇宙飞船、航空母舰、空间站和其他载人探测器外，航天服务也为运动员提供了必要和必要的生存环境。俄罗斯人对航天服定义为:在太空飞行期间,使航天员免受外部环境侵害,并保障其生命活动的一类设备,一般包括压力服和生保系统。美国对航天服的定义是:能够使航天员在太空生存并能开展有效工作的一套系统。总之,航天服一方面要保障航天员的生命安全,另一方面,还要能够保障航天员在太空的工作效率。航天服可分为舱内航天服(IVAspacesuit)、舱外航天服(EVAspacesuit)和舱内舱外航天服(IEVAspacesuit)三大类。舱内航天服通常被俄罗斯人称为救生航天服或救生全压服,而美国人称之为发射/再入/救生航天服,主要用于发射段和返回段,保障航天员在座舱发生失压情况下的生命安全。舱外航天服主要用途是保障航天员在母航天器外的工作,可分为在零重力轨道出舱的舱外航天服和在星球表面出舱的舱外航天服。载人航天早期,受发射重量及技术发展水平限制,俄罗斯的“上升”号飞船以及美国的“水星”号飞船和“阿波罗”飞船中使用的舱外航天服还兼具了舱内航天服的功能,称为IEVA航天服。1天衣设备1.1维高空服的研制与发展在地球表面,海拔高度每上升5.5km,气压就会降低一半,同时,随着高度的升高气温也显著降低,海拔高度每上升3.1km(10000inch),气温则下降16℃。高空气球和高速度火箭发动机飞机的飞速发展,推动了高空防护装备的研发,从最初简单的氧气管,氧气面罩,逐渐发展到全压服。1931年,俄罗斯研制出世界上首套航空全压服样机Y-1,这套服装无活动关节,在余压条件下人不能活动和工作。之后陆续研制出具有活动关节的Y-2型和具备通风供氧型生保系统的CK-UATL全压服。俄罗斯在舱内航天服的研制工作中大量借鉴了高空服的经验和技术,如限制层+气密层的双层结构、承力系统及软质关节结构设计、手套机构设计、气密轴承和头盔结构设计、服装的尺寸体系等。研制过程中,重点解决服装在余压下伸长问题,活动性能提高问题,与座椅匹配问题等。1959年,俄罗斯研制出C-10航天服模样。由于早期飞船载重能力有限,专家对航天飞行中使用航天服的必要性意见不一,直到1960年8月,才正式下达任务书,决定研制舱内航天服。俄罗斯首套舱内航天服CK-1以C-10和B-3新型防护服为基础进行研制,并应用于人类首次载人航天飞行任务。美国舱内航天服的研制同样也是从高空服的基础上发展起来的。自1920年代开始,美国就开始了高空压力服的研制,即要解决供氧问题,也要解决热防护问题。美国的X-1,X-15等火箭飞机计划的推进,极大地促进了高空压力服的发展,先后研制出针对X-1火箭飞机的S-1压力服和针对X-15计划的X-15压力服等装备。由于X-15火箭飞机的飞行最高高度为108km,达到亚轨道高度,X-15服已经是航天服。实际上,X-15服装仅经过少许改进就直接用于美国“水星”计划的首次载人航天飞行。1.2航天服、生保系统与lcg航天服装备主要包括压力服系统和生保系统。压力服主要分为软式、半硬式和硬式航天服3种主要类型,包括头盔、上躯干、上肢和手套、下躯干(腰、腿、脚等)等部分。舱内航天服通常采用软式结构,分为舒适层、主气密层、备份气密层和限制层。现代舱外航天服装备多采用半硬式结构,由于要在舱外恶劣环境中工作,舱外航天服装备外面还包括防护热、微陨石、辐射、月尘等功能的外罩。压力服的研究是航天服装备研究的一个重点领域,取得了大量成果,麻省理工学院等高校提出了生物航天服、变色龙航天服的新型压力服概念。手套是压力服的重要部件,美国已经研制出能有效防止热与微陨石防护层产生切口的第六代新型舱外活动(EVA)手套,针对崎岖和布满月尘的月表面大量行走,NASA研制出改进型舱外航天服(EMU)靴子,俄罗斯与HS公司联合研发“俄罗斯”靴子,DCC公司开发出了DCC靴子。生保系统是航天服装备的核心部件之一,舱内航天服装备主要通过舱载设备提供通风和供氧。舱外航天服装备早期采用脐带的形式,由舱载设备提供供电、供氧和通风等功能。之后逐渐发展成便携式生保系统(PLSS),可靠性强、体积小、重量轻、可维护性好是研发的重点方向。EVA航天服装备普遍采用液冷服(LCG)进行降温,以满足在较大代谢负荷时航天员的工作效率,同时还要不影响航天服的灵活性。LCG的研究内容主要包括制冷量和位置、通风系统、承托结构、液冷管布局和水连接装置等。美国已经开展了轻型液冷服的研究和无水冷却的方案,2002年明尼苏达州大学研究小组设计了新型液体冷却/加温服。2航天服的研制前苏联/俄罗斯航天服的主要研制单位是星星公司。星星公司的前身是918厂(1958年更名为星星公司),为前苏联高速飞机乘组装备的主要生产厂家,曾先后研制出高空救生全压服,高空飞行全压服、高空综合飞行服(全压服和抗荷服组合),歼击机飞行员全压服和轰炸机飞行员全压服等产品,在高空压力服研制方面积累了丰富经验。1959年,星星公司启动载人航天全压服的研制工作。前苏联/俄罗斯航天服的研制管理采用下达任务书的模式。第一试验设计局(能源公司的前身)为航天服的订货方,负责下达研制任务书,星星公司为航天服的承制单位。与俄罗斯不同,美国航天服的研制采用召标模式。NASA负责拟定招标邀请书(RFP),有意向的公司单独或者联合其它合作伙伴,提出设计方案、制作原理样机。NASA专家委员会评审后,确定中标方案。压力服、生保系统等分别由不同公司研制,NASA或者总承包商负责总体集成。美国航天服的主要研制单位有B.F.Goodrich航空航天公司(B.F.GoodrichAerospaceCorporation),承担了“水星”舱内航天服的研制;DCC公司(DavidClarkCompany),是“双子星”舱内航天服和航天飞机救生服的主合同承包商;AiResearch公司(后更名为Honeywell),从事生保系统的研制;HS公司(HamiltonStandard,后更名为HamiltonSundstrand),从事生命保障系统研制;ILC公司(InternationalLatexCorporation),主要从事舱外航天服的研制。美国空军在航天服的研制中发挥了重要作用,高空压力服的研制由美国空军牵头。高空压力服的技术和研制经验,为航天服的研制奠定了坚实的基础。在NASA主导的航天服研制过程中,美国空军在技术、测试设备和资金方面都提供了大量支持。X-15项目中研制的高空服,是美国首套航天服。针对X-20项目和载人轨道实验室(MOL,1969年取消)项目,美国空军直接主导了相关航天服的研制,MOL航天服是IEVA航天服的雏形。3“海鹰”系列舱外航天服俄罗斯研制的舱内航天服装备主要有:用于“东方”号飞船的CK航天服,其中,CK-1为男航天员型号,CK-2为女航天员型号;“雄鹰-K”救生航天服,用于“联盟”-12~“联盟”-40任务;“雄鹰KB”救生航天服为过渡型产品,用于“联盟-T”飞船和“金刚石”空间站计划;“雄鹰KB-2”救生航天服,用于“联盟T-2”之后的所有飞船,包括“联盟TM”和“联盟-TMA”飞船;“雨燕”救生航天服是在“雄鹰”救生航天服基础上发展而来,用于“暴风雪”号航天飞机,仅进行过无人飞行试验。舱外航天服包括:“隼”型半硬式登月航天服(未实际飞行使用),“鹫”型软式登月航天服(未实际飞行使用),“海鹰”航天服,用于月球任务轨道出舱,未实际使用。“海鹰”舱外航天服的改进型“海鹰-D”,可多次重复使用,主要用于“礼炮”6号和“礼炮”7号空间站出舱活动;“海鹰-DM”、“海鹰-DMA”和“海鹰-M”为“海鹰-D”舱外服的改进型,分别应用于“和平”号空间站和国际空间站。俄罗斯的“海鹰”系列舱外航天服设计时就定位为“轨道基”航天服,因此具有良好地在轨维护和维修能力,通过肢体关节的调节可适用不同身高和胸围的航天员。美国航天飞机EMU为“地基型”舱外航天服,可根据穿用者的体形进行组件组合配置以保证适体性要求,但需在地面进行维护和维修,因此针对国际空间站任务,不得不研发增强型EMU,提供在轨维护和维修能力,以及适体性调节能力。与俄罗斯舱外航天服相比,美国航天服更加合身,能提供近乎量身定做的航天服。俄罗斯还曾经与欧空局合作,研发针对欧洲赫尔姆斯计划的舱外航天服EVA2000,后因计划取消,研制计划终止。前苏联/俄罗斯航天服的研发情况见表1。4航天服的定制化美国航天服的发展以具体项目为驱动,经历着不断完善和改进的过程。载人航天的具体任务要求和经费预算,是航天服研发的重要约束条件。美国航天服的研发一般包括3个阶段:1)需求和关键技术识别;2)合同承包商竞标与研制;3)航天员乘组评估后修改。美国航天服的研发采用了模块化的设计思想,在航天飞机EMU的研制中这种思想尤其突出。事实上,航天飞机EMU是各种模块的组合,这些模块叫做CEI(合同终端产品,ContractEndItems),每种模块可根据需求数量进行订货,通过组合不同尺寸的CEI模块,可以为航天员提供近乎量身定做的服装。在“阿波罗”计划中,每位航天员的航天服都是单独定制的,登月乘组航天员每人需3套服装,1套用于训练,1套用于飞行,1套为飞行备份;登月备份乘组航天员每人2套服装,1套用于训练,1套用于飞行。这使得NASA不得不花费巨额经费订购大量的航天服,造成资源浪费。采用模块化的思想后,航天服的订货量得以大幅减少,节约了有限的经费。“水星”计划的航天服为舱内航天服,在X-15高空压力服基础上改进而来。“双子星”计划使用的出舱航天服和“阿波罗”登月计划中使用的出舱航天服为双重目标航天服(IEVA航天服),既用于出舱活动,在发射和返回段也发挥救生航天服的作用。这主要是受到发射重量的限制,不得已做出的选择。在航天飞机和国际空间站计划中,因为运载能力的提高,再加上舱外航天服采用硬躯干,采取了舱内航天服和舱外航天服分开的方案。在未来火星任务中,由于运载能力的限制,双重目标航天服再次成为一种可能的选项。美国研制的航天服见表2。5航天服的轻量化前苏联/俄罗斯和美国航天服的研制工作都是独立开展的,随着国际政治格局的变化,国际交流与合作的增加,俄罗斯与美国航天服的技术差异逐渐模糊。两个国家都经历了舱内航天服、舱内航天服与舱外航天服结合型航天服,到舱内航天服与舱外航天服分开的发展路线。早期因为受到航天器运载能力所限,舱内航天服与舱外航天服的组合实为不得已而为之。运载能力的增加,为舱内航天服和舱外航天服单独配置创造了必要条件。在俄美载人航天计划中,相对于航天器而言,航天服的研制经常是“满足最低需求”即可。因为,提高航天服的研制指标要求,必然造成费用成本的增加和研制周期的延长及系统复杂性的增加,而系统复杂性增加会对航天服产品的可靠性带来负面影响。在零重力使用条件下,尽管重量并不是航天服的约束条件,航天服的重量增加还有利于航天员的空间作业,因为航天员施加一个力就会得到一个反作用力,重量增加有利于移动重的有效载荷,但轻量化一直是航天服研发的目标。重量增加会增加发射成本。对于月球或火星这些有重力场,并且距离遥远的使用场所来说,发射重量和存储体积都需要进行考虑,低压航天服因重量轻、使用灵活,是目前技术状态下的一个可行的选项。零吸氧排氮舱外航天服(ZPS)一直是该领域的重点研究方向,由于着这种服装不需要在出舱活动前进行吸氧排氮,可大大提高对应急事件的响应速度。根据医学研究结果,人可以快速从一个大气压环境进入到55~57kPa的压力环境,而不发生减压病。因此,美国将55kPa作为不需要吸氧排氮的航天服的基本压力制度。在航天服的研发历史上,相关研制单位瞄准当时的前沿,设计开发了很多的产品,掌握了很多技术,但能够真正进行飞行的只有很少的数量。但是,研发的这些技术会影响未来的航天服。早在1982年,NASA就开始资助ZPS的研发,艾姆斯航天中心牵头研发出了AX-5硬式航天服,两套样本送到美国国家航空航天博物馆展览。针对当时的“自由”号空间站计划,提出了AEMU的研制计划(1985-1990),并形成了MarkIII型航天服,自1990年开始,研究该型号的轻型系统,用于重力环境。针对未来任务,NASA还资助了压力为25.5kPa,腰部进入,尽可能轻的I-Suit和D-Suit软式航天服的研制,目前I-Suit(图1)已经研究出了第2代产品。此外,HamiltonStandard公司开展了月球/火星服装系统的预先研究(1996-1999)。在NASA的资助下,Honeywell公司和加利福尼亚圣地亚哥大学(UniversityofCaliforniaSanDiego,UCSD)发展了1960年代提出的机械反压概念(mechanicalcounterpressure,MCP),于2000年研制成功舱外作业使用的MCP手套和肢体部