NASA发布全新登月宇航服:取消拉链!增加可替换模块,避免摔倒

科学
NASA发布全新登月宇航服:取消拉链!增加可替换模块,避免摔倒
麻省理工科技评论 2019-10-17

2019-10-17

新一代登月宇航服套装,让你成为全月球最时尚的人。
NASA 太空
新一代登月宇航服套装,让你成为全月球最时尚的人。

如果一切顺利,当 2024 年,第一位人类女性登上月球时,她将穿着新一代的宇航服——它可以让宇航员增强机动性,灵活地在月球表面进行探索任务。

昨日,美国国家航空航天局(NASA)在其位于华盛顿的总部召开发布会,正式公布了将用于新一轮登月计划的月球宇航服原型。

尽管新一代的宇航服在外观上看与此前的宇航服并没有太大的区别。不管是 50 年前的月球任务,还是近期的空间站出舱任务。但 NASA 表示,将要进行的登月任务将不同于著名的阿波罗计划,阿特弥斯(Artemis)登月任务将会更加复杂。

与此同时,从阿波罗计划筹备开始,人类制作宇航服的技术一直在不断进化当中,加上阿特弥斯的任务更加复杂,宇航服也更加先进。

针对探月过程中的不同阶段,NASA 展示了两个场景下使用的宇航服。一款是被称为“猎户座乘员生存服”的舱内宇航服,通体由橘色面料构成、较为轻薄,它是飞船起飞和降落过程中,宇航员在座舱内穿戴的。其具有防辐射、保压、供氧等功能,在发生意外情况时,可以对宇航员提供简单防护。

另一款“舱外探索机动装置(Exploration Extravehicular Mobility Unit)”,简称 xEMU,才是此次发布宇航服的重中之重,这是登月任务中将穿着的舱外宇航服。

对宇航员来说,在太空的极端环境中,宇航服是宇航员最重要的保护措施,同时还要在体积、重量有限的情况下,为宇航员提供全面的地球模拟环境,包括大气、温度、湿度等。

NASA 在 50 年前登上月球、太空行走的经验教训基础上,集合了工业界和学术界的智慧,设计和开发了诸多新技术和系统,极大提升了 xEMU 的灵活性,它能够满足到达多个目的地的飞行任务。多目标设计意味着,除了登月任务,xEMU 也可用于空间站外的太空行走,在未来的火星飞行任务中,同样可基于目前的核心技术进行额外升级,以适应火星大气层和更大的重力。

图 | 新款登月服在安全性、灵活性、舒适性等指标上都有明显提升。NASA 将在登月任务正式开始前对宇航服进行全方面测试。(来源:NASA)

改进千万条,安全第一条

在载人登月任务中,安全当然是最为首要的考虑因素。在经过了阿波罗计划,以及过去数十年多个国家对月球的探测任务,我们对月球的认识程度有了明显提高,这是安全进行月球任务的基础。

NASA 表示,在规划阿波罗登月计划时,研究人员认为月球土壤最大的问题,是它可能无法承受月球着陆器的重量,甚至是宇航员的重量。

而今天我们知道,更大的危险在于月球土壤是由大量玻璃状的碎片构成,这些细小的灰尘可能对宇航员产生更大的威胁。事实上,太空灰尘比听起来危险得多,尤其是在没有大气的环境中,高速飞行的灰尘甚至可能对宇航员造成直接伤害。新一代宇航服对此情形有了针对性的设计,进行了一系列的防尘设计,防止月球上的细小碎片被宇航员吸入或污染宇航服内的生命维持系统。

例如前代宇航服的穿脱都是靠一条拉链,生活经验告诉我们,拉链的齿是最容易卡灰的,宇航员的健康可能因此受到月球灰尘的威胁。xEMU 摒弃了拉链穿脱方式,宇航员将从其背部的大开口进入,然后开口处会无缝密封,并且,在宇航服关节处使用了多达 16 层的柔性防尘材料。

月球的天气则是另一重要威胁。严格来说,没有大气的月球上是没有天气的。月面直接暴露在宇宙空间,处于一种高度的真空状态,因而月表的温度变化非常剧烈。

作为宇航员在月面上的最后一道防护,xEMU 能够在“晚上” 抵御零下 250 华氏度(约零下 121 摄氏度)极端环境,在太阳直射的条件下,宇航服也可以应对 250 华氏度的环境。

宇航员身后的背包就是便携式的生命支持系统,宇航服中的电力供应、新鲜空气都是由背包提供,同时该系统还需要除去宇航员呼出的二氧化碳、可能存在的其他有毒气体、气味,同时维持湿度稳定。

值得一提的是,xEMU 能无限制吸收宇航员呼吸所排出的二氧化碳,并将其排放到宇航服之外,以免宇航服中充斥过量二氧化碳导致中毒,而旧有的系统仅能吸收二氧化碳直至饱和点。

在保证温度、湿度适宜的同时,宇航服可以实时检测宇航服内部各项性能正常运作,当出现任何资源不足或系统故障时发出警报。

NASA 还强调,xEMU 宇航服内的电子系统和管道系统都尽可能地进行了小型化设计,使得其中的大部分都进行了充分的冗余设计,最大程度减少故障带来的麻烦,同时增加了太空行走的时间。

告别“兔子跳”

阿波罗计划中的宇航服为任务顺利完成立下了汗马功劳,但今天的我们仍能看到当年的宇航员在月球上东倒西歪的滑稽画面,除了月球本身的引力较小造成行动不便,笨重的宇航服带来的影响才是最大的原因。

视频 | 阿波罗计划中宇航员频频摔倒(来源:YouTube)

在新一代的宇航服中,NASA 着重提升了其在月球上的移动性。用于舱外活动的宇航服主要由上半身、头盔、下半身和冷却服组成。

其中宇航服的下半身配备了更加先进的材料,并在各个关节处都设置了轴承,允许臀部灵活进行弯曲和旋转,膝盖部分也能有更大的弯曲程度,这将让宇航员在舱外活动时可以正常行走或曲膝蹲下,不用像上一代宇航员那样靠“兔子跳”来行动。

在上肢部分,阿波罗任务中的宇航服是通过布料上的褶皱和电缆滑轮实现的,后者在结构上给肩膀提供了更多上下移动的空间,但这种设计限制了关节在水平方向上的旋转能力。

NASA 对宇航服的肩部位置进行了大量的重新设计,给予肩膀、手臂以及手腕更多的灵活度,宇航员能够更加自由地移动手臂,这在以前的宇航服上并不容易做到。穿上 xEMU 宇航服,宇航员能够容易地将物体举过头顶或是在地上捡起一块石头。

摘掉“史努比帽”

图 | “史努比帽”(来源:NASA)

在通讯方面,如今使用的宇航服上提供通讯功能的帽子因为其外形,通常被称为“史努比帽”,包括阿波罗计划中的宇航员都是采用这种设计。而问题就在于“史努比帽”的舒适性并不好,宇航员常常捂得满头大汗,无法处理。更重要的是,在宇航员四处移动的过程中,这种设计下的麦克风并不能很好保证收音效果。

新的通讯系统首次摘掉了此前的“史努比帽”,采用多个嵌入式声控麦克风,并布置在宇航服上半身的多个地方,当宇航员在与同伴、地球上的任务空中中心进行对话时,多方位的麦克风会自动接收他们的声音,保证通话质量。

模块化设计实现“一服多穿”

为了能够“一服多穿”,新一代的宇航服采用了多种可替换的模块化设计,目的是可根据不同的环境、任务需求对特点部件进行更换。

宇航服的基本设计能够满足宇航员在国际空间站、月球轨道、月球甚至是未来火星任务的要求。

NASA 介绍称,宇航服在未来执行火星任务时,能够灵活进行技术升级,能在火星这样的充满二氧化碳的大气层中提供生命支持功能。甚至是在火星上更加极端的温度环境中,宇航服也能通过改良外部满足更加极端的温度要求。

此外,头盔部分还有一个可以快速进行更换的保护面罩,当面罩在任务中出现破损、划痕等情况,宇航员自己就能够在太空行走前或任务结束后在舱内自己更换,不再需要将整个头盔送回地球维修。

在正式进行登月任务前,NASA 将在国际空间站上对新一代的宇航服进行大量测试,同时在地面上,NASA 将对宇航员在太空行走时的动作和姿态建立 3D 动画模型,根据每个宇航员的特点进行一些定制化适配,提升舒适性的同时提供最广的活动范围。

作为登月计划的一部分,NASA 计划在 2024 年 Artemis 任务完成后,将未来宇航服的生产、组装和测试等工作都交给商业公司。

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