性能優異的“飛天”航天服

微型載人航天器

眾所周知，太空的高真空、高潔凈、強輻射等環境對人體來說是一個的致命環境，人一旦暴露在太空中將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷4大危險，所以，人要離開航天器進入開放的太空，必須使用復雜的出艙活動系統硬件和軟件來克服空間環境的影響。出艙活動系統的硬件主要包括氣閘艙、艙外航天服及其生命保障系統、固定航天員身體的設備以及安全帶、載人機動裝置、出艙活動用的特制工具等；出艙活動系統的軟件主要包括航天員出艙活動程序、預吸氧要求以及氣閘艙和服裝內壓力變化的要求等。其中最重要的就是航天員進行出艙活動時穿的艙外航天服。它相當于一個微型載人航天器，能把航天員的身體與太空惡劣環境隔離開來，并向航天員提供一個相當于地面的環境，同時提供氧氣、正常氣壓、排放二氧化碳、維持舒適的溫度和抵御宇宙輻射等維持生命所需的各種條件。

美倫美幻飛天衣

在神舟七號執行中國航天員首次太空行走任務過程中，最大的亮點就是翟志剛穿的我國自己研制的“飛天”艙外航天服。其質量為120千克，單套價值高達3000萬元人民幣，可靠系數為0.997，可支持至少4小時的艙外活動，能重復使用5次以上，服裝氣體泄漏率不大于2升／分鐘；應急供氧時間不小于30分鐘；平均散熱量為300瓦。

為滿足航天員在太空活動的需要，“飛天”和美俄－艙外航天服一樣，具有供氧、溫控、二氧化碳吸收等環境控制、生命保障與安全防護功能，具備信息采集傳輸、通信能力，同時能滿足人機工效要求。該艙外航天服采用了整體擬人形態半硬式密封結構，即從腰部以上的軀干是硬式結構，四肢為軟式結構，采用后背鉸鏈門式穿脫機構；采用閉式循環非再生式環控生保系統，由高壓氧瓶供氧，使用0.4個大氣壓力純氧壓力制度，主要采用水升華器技術實現主動熱防護；遙測與控制系統將艙外航天服的工程參數、航天員的生理參數和話音信號通過臍帶方式有線下傳或遙測設備無線下傳；可由“臍帶”模式艙載供電，也能由服裝電池自主供電。

“飛天”的技術特點是：具有獨特彎曲關節機構，活動阻力小、可達域和操作活動工效性能良好；高壓儲氧雙氧源設計，氧瓶采用復合材料技術；外層采用雙層織物復合材料，具有良好綜合性能；采用了水升華器冷源／換熱器技術；采用了先進的航天員生理信息處理和顯示系統；采用了先進的碼分多址(CDMA)的出艙活動通信技術。

該艙外航天服最高能達到2米，配有1.30米高的生命保障系統背包。服裝通體純白，從上到下依次是頭盔、上肢、軀干、下肢、壓力手套、靴子。

它從內到外分為6層：由特殊防靜電處理過的棉布織成的舒適層、橡膠質地的備份氣密層、復合關節結構組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過熱反射來實現隔熱的隔熱層、最外面的外防護層。軀干達到7層，最厚的是掛包有20層。服裝的四肢裝有調節帶，通過調節上臂、小臂和下肢的長度，身高1.60～1.80米的人都能穿上這套衣服。

仿生結構性能高

“飛天”艙外航天服軀干殼體為鋁合金薄壁硬體結構，設計厚度僅為1.5毫米，卻有極高的強度要求。其抗壓能力超過120千帕，經得起地面運輸、火箭發射時的震動，還能連接服裝的各個部位，承受整套服裝120千克的重量。鋁合金軀干外殼上密集著各種儀器：電控臺、氣液控制臺、氣液組合插座、應急供氧管、電臍帶。僅十幾厘米見方的電控臺里就有照明、數碼管控、機械式壓力表等9個開關，只有漢語辭典大小的氣液控制臺里集成了20多種閥門。很多閥門外形奇特，涉及特種不銹鋼、特種銅材、特種橡膠和特種乙烯等材料，其加工難度在國內是前所未有的，完全就是把飛船的控制臺整個搬到了航天員身上。

“飛天”最外層的防護材料堪稱國內最貴的服裝面料。這種面料可耐受正負100℃以上的溫差變化。服裝攜帶的氧氣瓶采用復合壓力，既可保證安全又能多帶氧氣，這種技術在國際上也屬領先水平。整套服裝既有硬結構也有軟結構，既有機械工藝也有紡織工藝。

總的來說，艙外服為航天員提供3方面的保障。一是輻射、真空、微流塵等環境的防護；二是生命保障，保持一個適合人生存的氣體和溫度濕度環境；三是良好的功效保障，保證航天員穿著艙外服能開展維修器材等太空作業。

重而不笨、行動靈活是“飛天”艙外航天服的一大特點。設計師們在上肢的肩、肘、腕和下肢的膝、踝等關節處，使用了氣密軸承。在軸承的作用下，航天員的手腳可以隨意轉動，同時能嚴格保證氣密性。

其上肢關節巧妙地利用仿生結構，使關節活動更加自如。在手腕處裝有一面小鏡子，航天員可以通過它隨時察看自己身上的各種開關。高1.3m的背包是航天服穿脫(進出)口的密封門，在背包殼體內安裝了艙外航天服生保設備，背包殼體下端安裝有掛包、備用氧瓶等。背包關閉通過拉緊鋼索和操作關閉手柄完成。

“飛天”頭盔的視野比其他同類產品要大；頭盔還有攝像頭，可拍攝航天員出艙操作；兩側各有1個照明燈，可照亮服裝胸前部分，方便航天員在陰暗面操作；兩側有報警指示燈，一旦服裝出現泄露報警燈閃。同時還有語言報警。它的面窗有4層，其中2層為充壓結構，2層之間充高純氮氣和防結霧，外面是防護面窗，最外層是鍍金的濾光面窗，對太陽光折射率低，迎著光照面可拉下它，太陽光線就不會直接照到人眼睛上去。

出艙活動主要靠手完成操作和“行走”，所以艙外航天服的手套必須靈活，同時又得有相當的厚度以保證氣密性、隔熱性，這在材料與工藝上幾乎是矛盾的?？蒲腥藛T經過無數次試驗，終于制造出了既安全又靈活的國際一流手套，用該手套，航天員能夠輕松握持直徑為25毫米的物體。

該手套外層為纖維織物，有2層氣密，使用特殊隔熱橡膠材料，能耐受高溫到100℃。指尖部分只有1層氣密層，以保持觸覺。手指背部位內有2層真空屏蔽隔熱層。手套的手背有可以翻折的熱防護蓋片，它不僅能提高手指的熱防護能力，還能保證手指的關節活動性。在手心握物部位設置有凸粒狀橡膠，主要為防滑。該手套是用國際上先進的“三維數字掃描”技術，為每位航天員量身定做的。手套可握住25毫米的鉛筆粗細的東西。

別開生面有特色

“飛天”的整體設計和各部件的設計、組裝都是中國人自己完成的。這套艙外航天服有很多我國獨有的特點。在關節上，科研人員巧妙地利用了仿生結構，使關節活動更自如。電控系統上，“飛天”全部采用數字信號處理，顯示屏則采用了國際上最先進的OLED技術，使顯示器更大、更薄、更省電、更能耐受高低溫，顯示色彩更艷麗，以方便航天員查看。

穿“飛天”艙外航天服時需要先把雙腿伸進航天服的下肢，臀部放在航天服的背包沿上，然后關閉背包門，把自己裹在龐大的艙外航天服中。這個過程也就1～2分鐘，但之前的準備工作需要花不少時間：①穿上貼身內衣；②穿一件能夠測量心跳、體溫的生理背心；③穿防靜電的連體內衣；④穿給人體散熱的液冷服；⑤戴上通信裝備；⑥穿艙外航天服。

出艙活動通信系統分為無線和有線2種方式，它們互為備份，但以無線通信方式為主的方式。有線通信是通過連接航天員腰部左側的8米長“電臍帶”來實現，這根與飛船相連的“電臍帶”用于傳輸航天員生理參數，還可以與地面直接通話。“電臍帶”里面有很細的鋼纜，不僅能為航天員提供備份通信或者能源，也起到一定的安全保障作用。不過，出艙航天員主要靠艙外航天服胸甲右下側伸出的2根一長一短的橘黃色安全系繩及其掛鉤來保障安全，它們內部有彈簧，最長可拉至3米，能夠承受1噸的拉力，這就起到“3保險”的作用。我國出艙活動的設計理念是保證2～3倍的安全余量。

在神舟七號飛行的第29圈期間航天員在進行出艙活動，因為此時航天員較適應太空的失重環境，身體狀態良好，并且可保證飛船測控覆蓋率達90％以上，有利于地面即時掌握出艙航天員的情況。在這段時間里，航天員景海鵬一直在返回艙里面值班，對飛船的整個飛行狀況進行監視，負責整個飛船的正常運行。翟志剛、劉伯明則在軌道艙分別穿著我國“飛天”艙外航天服和俄羅斯“海鷹”(即“奧蘭”)艙外航天服。接著，他們開始吸氧排氮，并把氣閘艙逐漸泄壓成真空。最終，翟志剛打開通向宇宙真空的外艙門，此時翟志剛出艙，劉伯明在軌道艙內協助翟志剛，并進行全程監視，以便在應急的情況下能進行救援。翟志剛在艙外取回了暴露約40小時的固體潤滑材料等。完成出艙任務后，航天員返回氣閘艙，關上外艙門后再對氣閘艙充氣恢復壓力。