美國航空航天局新型Z系列艙外航天服

（中國航天員科研訓練中心）

1 Z－1艙外航天服

Z－1艙外航天服款式

為實現探測火星的新目標，NASA于1992年決定更新艙外航天服。他們用了20年時間研制出新型Z－1艙外航天服，又稱為便攜式生命支持系統2.0樣機。NASA于2012年公布完成了Z－1艙外航天服樣機的測試，它采用白色和綠色兩種顏色，帶有巨大的半球形透明圓頂設計，與動畫片《玩具總動員》中巴斯光年身上的服裝非常相似。

酷似巴斯光年的Z－1艙外航天服

Z－1艙外航天服的設計要求要達到能抗擊一定速度的空間碎片撞擊，同時還必須滿足長時間太空行走的防輻射和調節溫度的功能，以確保更好的密閉性和安全性。計劃到21世紀30年代，登陸火星的航天員將身穿Z－1艙外航天服登上火星。

Z－1艙外航天服特點

Z－1艙外航天服與以往設計的航天服完全不同，其設計的一個亮點就是它采用背入式設計，即在服裝的背后設計有“入口”，能夠方便航天員更輕松地進入，而不像現在穿上航天服需要近1h。而且，當航天員從太空中回到航天飛機或空間站時，背后的開口還可以被當作是氣閘。這樣，當航天員完全進入艙室，背后的開口就剛好卡在了艙門入口處。

另外，雖然這套Z－1艙外航天服采用了多種硬性元素物質，但是它表面的聚氨酯涂層尼龍和聚酯層能有效地控制航天服內的壓力，對腿部、腳踝、臀部和腰部有更好的保護，免去了調壓花費的時間。而安裝在關節處的軸承可以保證航天員在外太空的靈活運動，讓航天員的腰、臀、大腿、腳踝等部位活動程度更大。

此外，Z－1艙外航天服的能源由其巨大的生命保障系統—背包提供，該背包將為航天員提供所有在出艙活動中所需要的支持，包括氧氣、通風設備以及相關的電子設備等。航天員在穿航天服時不再需要一個氣閘來控制可能會被浪費掉的氧氣。同時，Z－1艙外航天服在制冷和去除二氧化碳技術上也有所突破，它帶有一個薄膜蒸發冷卻設備，以吸收多余的熱量，保持航天服中的適宜溫度，能夠幫助航天員避免在極熱或者極寒的條件下受到傷害。

Z－1艙外航天服采用背入式設計

但是Z系列艙外航天服還只是樣機，尚不具備出艙條件，NASA正在繼續研制改進型的Z－2產品。NASA于2013年與其艙外航天服和工程薄膜及織物產品設計和制造商ILC Dover公司簽訂了一份18個月的合同，旨在設計、制造和測試NASA下一代Z－2艙外航天服。新式航天服的設計目標是增強艙外活動能力，比以前的航天服具有更高的壓力水平，這將極大地提高探索工作的效率。

2 Z－2艙外航天服

繼推出Z－1艙外航天服樣機2年后，NASA于2014年公布了全新的Z－2艙外航天服設計概念圖，NASA表示Z－1航天服是此款Z－2艙外航天服的原型。

Z－2艙外航天服款式

Z－2艙外航天服有三款設計，最大的特點是背部的生命保障系統與頭盔相連接。這三款Z－2艙外航天服有一些相似之處，即都采用了仿生技術，如果天體表面環境較為昏暗，就可以進行照明。但是每一款航天服都裝有不同的電致元件防護層，因此，都有著相對獨特的發光模式。

三款Z－2艙外航天服

航天服的防護層對地面模擬實驗將起到重要作用，能在實驗階段避免其下一層受到磨損和劃傷，防護層也將使航天服看起來更加美觀。太空行走時，防護層也將起到一些重要作用，例如輻射保護、高低溫保護，并且對于微流星具有一定的抗沖擊作用。

（1）“仿生款”Z－2艙外航天服

“仿生款”的設計靈感來源于與太空有著同等惡劣條件的環境，即海底世界。在人們想象不到的海底深處，有一些水生生物具有獨特的發光能力和魚的鱗狀表層，并且世界上有一些爬行動物也是如此，這恰恰反應了地球上處于惡劣環境的生物自我保護的能力。

據此特點，該款航天服模仿深海某些魚類或爬行動物的表皮，在褶皺處部位安裝了仿生照明線，如肩部、肘部、髖部、膝蓋，以及硬上軀干上的電致發光線，使航天服在暗處清晰可見。

（2）“科技款”Z－2艙外航天服

“科技款”的設計集上一代航天服優點與未來設計為一體。該款設計使用了發光線和發光板，有助于更準確地識別隊友，從而使其在太空行走方面邁出了堅定的一步。

“科技款”Z－2艙外航天服3D模型

“仿生款”Z－2艙外航天服3D模型

該設計在航天服的一些部位上特別加以應用，包括上下軀干、暴露旋轉式軸承、用于活動的折疊處褶皺以及下軀干的抗磨損面板。

（3）“社會潮流款”Z－2艙外航天服

“社會潮流款”是基于一種將來日常生活中穿著的想法而設計的。這款航天服配有個性化電致發光元件和明亮色彩設計，運動感最強，并融入了可穿戴技術元素。

此款設計特別之處在于其全身褶皺處縫以補襠，同時為了突出靈活性，在航天服的上下軀干處都使用了多樣化的暴露旋轉式軸承和電致發光元件。

Z－2艙外航天服特點

Z－2艙外航天服是NASA打造的新一代Z系列艙外航天服的最新樣機，它朝著最終的具有飛行能力的設計又邁進了一步。NASA稱此艙外航天服具有里程碑式的意義，因其采用了很多創新式設計。與Z－1相比，Z－2艙外航天服還做了一些關鍵性的改進。最顯著的一點區別是 Z－1艙外航天服采用了軟上軀干結構，Z－2艙外航天服則首次結合航天服氣閘艙概念，采用硬上軀干結構。在航天服的上下軀干系統上應用先進的抗腐蝕復合材料，這將滿足長期出艙活動所必需的耐用性要求。基于此前對Z－1艙外航天服進行的為期2年的評估，Z－2艙外航天服的肩部及臀部的軸承設計也有明顯的改進，從而優化了這些關節的靈活性。此外，航天靴的設計也更加利于太空行走，而且Z－2艙外航天服的材料也能與全真空環境相兼容。

“社會潮流款”Z－2艙外航天服3D模型

Z－2將是迄今為止打造的最適體的、可調節的硬上軀干航天服，在開發和調整階段都首次采用3D打印技術。它還是首次在全真空中進行檢測，并用于特定行星探索的航天服。

Z－2艙外航天服使用計劃

NASA將與ILC Dover公司和費城大學共同合作生產此款艙外航天服，計劃于2014年11月打造第一套選定的該艙外航天服樣機并進行模擬測試。

除了對適體性和靈活性評估以外，目前NASA正計劃對Z－2艙外航天服進行一次綜合測試，包括一系列的全真空測試，模擬太空失重。還需要在模擬太空失重環境的中性浮力水槽中驗證密封性能。之后，該航天服還要在約翰遜航天中心模擬火星巖石環境中進行進一步的測試，這將有助于評估航天服的靈活性、舒適性和工效。到2017年，Z－2艙外航天服將在“國際空間站”上進行測試。

4 結束語

N A S A下一步的工作重點是開辟火星探索之路，目前已經開始研發航天員在火星上生活和工作的相關技術。Z－2艙外航天服具備可在其他天體，比如火星、月球以及小行星上行走的能力，這3個探索目標是NASA未來深空探測的主要方向。屆時，Z－2艙外航天服將面臨新的挑戰。Z系列艙外航天服的每一次重新開發都有助于提升航天服技術，將來第一批登陸火星的人類穿著的服裝可能應用相關技術。

此外，NASA還計劃研制改進型Z－3艙外航天服產品，Z－2艙外航天服相關的測試結果最終都將用于指導Z－3航天服的設計。據悉，Z－3航天服將于2017年問世。

除艙外航天服以外，NASA正在研發新的運輸系統，包括乘員艙、重型火箭飛行器，來拓展人類的空間探索，利用創新的、先進的技術來實現對太陽系范圍內的其他星球和小行星的探測。