现有太空服无助宇航员在月球上生存 NASA开发全新装备

现有太空服无助宇航员在月球上生存 NASA开发全新装备

NASA最新款舱外太空服xEMU的上半身

腾讯科技讯 1月3日,太空服更像是宇航员穿在身上的微型航天器,而不是简单的衣服。太空服需要加压,并配有生命维持系统,看起来非常酷。但如果太空服在太空中出问题,可能会导致任务失败,甚至危及宇航员的生命。

虽然还没有宇航员因太空服问题而遇难,但这并不意味着目前的设计完美无瑕。无论是发射到太空还是返回地球,抑或是舱外活动(俗称太空行走),宇航员们从来没有完全满意过他们被迫穿在身上以执行任务的装备。

然而,幸运的是,太空中日益增多的活动意味着,我们在太空服设计和性能方面看到了比以往任何时候都更多的创新,同时看起来也更好看。SpaceX的载人龙飞船和波音的星际线飞船等私人飞行器的出现,意味着NASA前往国际空间站的宇航员们可以穿上极其时尚和时尚的新太空服。

SpaceX和波音取代了航天飞机机组人员在进入轨道时穿的宽松、橙色高级机组逃生服(被亲切地称为“南瓜服”),而设计了一种更贴身、重量却减轻一半的太空服。2020年5月份搭乘载人龙飞船前往国际空间站的NASA宇航员道格·赫尔利(Doug Hurley)和鲍勃·本肯(Bob Behnken)表示,新太空服穿起来非常舒适,上下飞船都很容易。在起飞和重返大气层期间穿上太空服是为了保护宇航员免受火灾伤害,衣服与携带氧气和冷空气的座椅脐带相连,以防机舱出于某种原因降压。

然而,最有趣的工作是NASA为宇航员研制的下一代登月太空服,即探索舱外移动单元(xEMU)。从表面上看,它是半个世纪前尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)、巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)和其他阿波罗宇航员踏上月球表面时所穿太空服的继承者,但它也包含了我们从航天飞机和国际空间站人类探索时代在轨道上所使用舱外活动部件(EMU)中所学到的东西,以及从阿波罗任务中得到的惨痛教训。NASA“阿尔忒弥斯”(Artemis)计划的目标是让人们在月球上生活和工作,新太空服对于确保安全和舒适的体验至关重要。

正参与xEMU研发的NASA太空服工程师理查德·罗兹(Richard Rhodes)说:“我们对把人重新送上月球感到非常兴奋,我们的主要目标是机组人员执行任务时不会想到我们。他们穿上太空服,专心致志地做自己的工作,甚至无需费尽心神考虑他们的机动性和工作效率。这是很高的要求,但我们正在努力满足它们,我们想要做到隐形。”

以下是我们可以期待的Xemu上的最大创新:

提高机动性

罗兹说:“当设计太空服时,你希望它能以最少努力进行更高效地移动,这样我们就能尽可能地实现简单的移动。”他们的目标是限制太空服的体积,因为体积越大,宇航员弯曲关节的难度就越大,很快就会变得精疲力竭。

解决方案是使用轴承,因为它们可以围绕一个点旋转,并确保恒定的体积。阿波罗任务中使用的太空服只在手臂上使用轴承,因为它基本上是一种多用途的太空服(既用于发射和再次进入,也用于月球探测)。它需要足够轻,以适应所有这些不同的情况,而太多的轴承可能会把人压得喘不过气来。

xEMU的轴承比以前的舱外活动部件更轻,更接近关节。肩部上的轴承应该可以让宇航员更容易地向外伸手举起物体,同时降低上半身受伤的风险。腰部、臀部、大腿和脚踝等部位也终于有了轴承,使下半身的灵活性大幅增加。罗兹说:“所有这些结合在一起,就可以实现非常低的扭矩、低能量机动性和运动性。”

这些太空服还内置有可变压力系统,让宇航员在需要的时候有更大的灵活性。它应该可以让他们在必要时更快地穿上太空服做好准备,而且当情况需要时,也可以抬起材料或跪下来研究东西。

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巴兹·奥尔德林穿着阿波罗11号太空服站在月球上

太空行走

髋部活动轴承对于月球漫步来说尤其重要。阿波罗任务的宇航员在执行任务期间并没有在月球表面花费大量时间,他们真正花费的时间主要是为了了解这种新的环境。他们很快发现在微重力下很难正常走动,而且他们也非常小心地避免任何危险。

由于髋关节活动如此有限,大步行走是不可行的,所以他们主要是拖着脚步。但当太空服穿起来更舒服时,他们就可以控制更长的步态来快速移动。此外,试图抓住地面上的物体时也需要做出弓步的姿势。

xEMU应该鼓励宇航员正常行走,而不是跳跃式前进,并使其更容易在一个动作中稳定跪下,靠近地面工作,这对阿波罗任务的宇航员来说并不是很好的选择。这将使宇航员更容易在地面上进行有价值的科学研究,比如检查地质样本或安装复杂的仪器。

防尘

从阿波罗任务中学到的一大教训是,月球尘埃是相当可怕的。月球表面没有暴露在地球所面临的那种风化环境中。结果,月球的土壤变得非常粗糙和参差不齐,它可以粘上任何东西。它会污染衣服的内层和任何应该脱落的部分,并造成太空服外部的普遍磨损。

因此,为了避免任何暴露的缝隙,设计师尽量减少拉链或手腕断线等部件,以及灰尘可能渗入的接缝。罗兹说:“我们更希望打造整体套装,它有很多小功能,在紧急情况下,你仍然可以进行操作检查和断开连接,就像整件衬衫和整条裤子一样,都是一件一件的,没有缝隙,灰尘就无法进入里面。”对于有缝隙的区域(如轴承),研究人员正在努力开发和整合密封件,以防止灰尘进入。

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2007年,NASA宇航员里克·马斯特拉奇奥(Rick Mastracchio)在太空行走穿着航天飞机时代的舱外活动部件

头盔

xEMU的头盔提供了比阿波罗头盔更宽的视野,机载灯光帮助照亮黑暗的地方。他们将有个平视显示器(HUD),供宇航员在旅途中获取重要信息。高清晰度肩部相机将帮助记录旅程,就像宇航员亲眼所见一样。

用于通信的“史努比帽子”是舱外活动部件系统中非常容易辨认的部分,但正如大多数进行过太空行走的宇航员可以证明的那样,他们很快就会被汗水浸透,而且他们的麦克风在移动了几个小时后并不总是能很好地工作。xEMU去掉了“史努比帽子”,因为它的音频系统嵌入到了太空服中,语音激活后可以在说话时自动接收声音。

手套

任何参加过太空行走的宇航员都会抱怨手套,它不仅没有提供帮助,反而成了累赘甚至是威胁。手套笨重的层次意味着其失去了很多灵巧性,而且宇航员也不一定知道当其抓东西的时候所用的压力有多大。血液循环不足和水分积累会导致某些严重的副作用,比如指甲变脆,甚至长出真菌。罗兹说:“手套并不是新的挑战,绝对有改进的空间。”

罗兹和他的团队正在为xEMU进行的主要改进是确保宇航员的手不受极端温度变化和灰尘的影响,并确保他们可以安全地处理月球物质。NASA还在研究如何让他们更容易地完成简单的任务,如抓取工具和操作小型设备。

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美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷与xEMU太空服模型共同亮相

维生系统

早在2014年,意大利宇航员卢卡·帕尔米塔诺(Luca Parmitano)在太空行走时,他的太空服就出现漏水问题,头盔被淹,几乎导致他被溺死。工程师们后来发现,污染已经导致冷却系统的水倒流,水和冷却回路紧密接触加剧了这个问题。因此,xEMU现在将这些环路完全分开,以避免再次发生这样的紧急情况。

xEMU还配备了新的二氧化碳洗涤系统,它使用了两个不同的吸收床。在这种情况下,是由氢氧化锂制成的小罐子,很容易吸引和捕获二氧化碳。当一个吸收床正在使用时,另一个可以暴露在太空的真空中并被清空,因此二氧化碳被不断地擦洗,而不会迫使宇航员回到里面清洁吸收床。氧气罐是压力更高的系统,应该比阿波罗任务使用的太空服输送氧气的时间更长。从理论上讲,现在限制人们穿新太空服时间的唯一限制就是电池电量。

与此同时,xEMU保留了许多久经考验的生命维持和安全功能。目前的舱外活动部件基于类似的设计,可以保护自己免受微小陨石的伤害。还有热保护,可以承受急剧的温度变化。

定制化、面向未来

早在2019年3月,NASA取消了第一次全女性太空行走计划,因为没有足够合适尺寸的太空服,现有的太空服号码都过大。这是个艰难的教训,需要确保太空服设计得当,以适应各种尺码的人。NASA已经决定,对于xEMU,他们不会重犯这些错误。

每套太空服都将根据宇航员的身高、尺寸和舒适度进行定制,旨在为他们在月球上的活动提供最大限度的支持。如果这次取消月球漫步,那绝不会是因为太空服不合身。不过,太空服的设计还在进行中。罗兹说:“关于月球表面运动的数据并不多,任何形式的反馈都将带来巨大帮助。”NASA打算将它从最初几次阿尔忒弥斯任务中学到的东西结合起来,不断改进xEMU,并着眼于制造有朝一日能在火星上使用的太空服。 (腾讯科技审校/金鹿)

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原文出处:腾讯科技

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