艙內航天服現狀及發展趨勢

陳樹剛， 席林斌， 李潭秋， 劉冀念， 劉磊剛

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094)

1 引言

載人航天任務中壓力應急事件是對航天員生命安全的重大威脅，艙內航天服是應對這一威脅的必備救生裝備。 美國從早期研制的水星號、雙子星號、阿波羅號飛船使用的航天服以及航天飛機使用的發射再入服，均一直在進行改進[1-2]；星座計劃開展了航天服整體構架系列設計[3]，雖然整體計劃中止，但是也形成了獵戶座航天服[4]；此外，美國商業航天服的研究也正蓬勃開展，太空探索(SpaceX)公司、波音(Boeing)公司、國際橡膠公司(International Latex Corporation， ILC)等多種艙內服也紛紛亮相[5]。 俄羅斯一直對其應用在聯盟飛船的雄鷹(Sokol)系列艙內航天服不斷進行改進，2019 年在莫斯科航展上發布了新型載人飛船使用的雄鷹-M 型艙內航天服，應用了一系列新材料、新技術以改進航天服性能[6]。 中國當前在役的艙內航天服自載人航天任務啟動以來一直應用至今，期間也對服裝進行了適體性和工效性能的多次改進，形成了較為完善的技術體系[7]。

隨著載人航天任務的發展，對艙內航天服也提出了一系列新的需求。 此外，航天服相關的先進材料體系、成型工藝等領域也在不斷進步，為艙內航天服的發展提供了支撐。 本文結合艙內航天服的發展歷程進行綜述，提出未來艙內航天服應當針對長期壓力應急的功能需求開展研究，并且應針對多工況多目標開展協同設計，提升工效性、舒適性和美學設計。

2 發展歷程

美國和俄羅斯針對不同的任務目標和飛行器，開展了具有各自特色的艙內航天服研制，形成了多代多系列的航天服體系。

2.1 美國航天服

2.1.1 水星號航天服

水星航天服是為應對太空艙失壓的緊急情況而設計，僅在飛船艙內穿著，于1959 年開始研制，并于1961 年至1963 年完成了6 次空間飛行任務[8]。 水星號航天服為全軟式艙內航天服，由美海軍Mark IV 型飛行全壓服改進而成。 水星航天服內層是氯丁橡膠涂層尼龍，外層是鍍鋁尼龍，能抵抗太空紫外線和熱輻射；采用前開襟氣密拉鏈，增加了腰部橫向拉鏈，提升穿脫方便性；手套通過氣密拉鏈連接。 水星號航天服重約10 kg，工作壓力為25.5 kPa。

2.1.2 雙子座航天服

在以載人登月為目標的阿波羅項目開始籌備的同時，作為積累經驗的雙子座計劃也同時啟動。大衛·克拉克公司(David Clark company)在X-15高超音速飛機飛行服的基礎上研發了由背部穿脫的G3C 艙內航天服；在雙子座4 號任務中，基于G3C 型改進得到的G4C 型航天服，兼具艙內與艙外航天服雙重用途，于1962 年實現了美國首次出艙活動；改進型G5C 型航天服作為艙內航天服，在1966 年雙子座7 號任務中使用[9]。

雙子座航天服工作壓力均為25.5 kPa，其壓力服組件重量為10.7～15.4 kg。 為了保證艙外活動的工效性能，采用了Link-net 技術，在氣密層外罩一層用特氟綸混紡材料織成的網，限制航天服的過度膨脹。 采用后入式氣密拉鏈穿脫，頭盔及手套采用氣密軸承連接，保證活動性和快速斷接。

2.1.3 阿波羅航天服

阿波羅計劃實現了載人登月，在登月任務中，存在艙內應急壓力防護、軌道出艙壓力防護和月面出艙壓力防護多種任務模式。 為此，國際橡膠公司于1960 年～1972 年研發了艙內/艙外航天服系統[10](圖1)。 阿波羅航天服分為2 種:一種是指揮艙航天員穿著的CMP (Command Module Pilot)A7LB，用于座艙減壓和應急模式的IVA(Intravehicular Activity)以及空間EVA(Extravehicular Activity)，艙載模式。 另一種是登月服，由指令長和登月艙航天員穿著的EV (Extravehicular)A7LB，主要用途是月面EVA。 航天服采用氣密拉鏈后入式穿脫結構，其工作壓力為25.5 kPa，艙內活動壓力服組件重28 kg。

圖1 阿波羅航天服[10]Fig.1 The A7LB spacesuit used in Project Apollo[10]

這一系列的最初原型編號為A5L，又通過增加保溫設計進化至A6L；A7L 提升了阻燃耐高溫性能，并且改進了軟關節設計；改進型A7LB 附加液冷系統，優化了穿脫方式，在液冷服模式下最長可使用115 h，或在非加壓模式下使用14 天。

2.1.4 航天飛機發射再入服

航天飛機系列任務中，大衛·克拉克公司針對航天飛機發射、再入的艙內壓力防護開發了系列航天服，主要包括發射再入服(Launch Entry Suit，LES) 和先進乘員逃生服(Advanced Crew Escape Suit，ACES)[1](圖2)。 發射/再入服在1987 年至1995 年的任務中使用，是一套19 kPa 的半壓防護服，在穿著者的身體和航天服外層之間加入了充氣的雙壁氣囊，在充氣時為身體提供直接的機械反壓力。 軀干組件約束層采用了Gore-Tex 和Nomex 織帶，以提高活動性。

圖2 先進乘員逃生服(ACES)[1]Fig.2 The advanced crew escape suit (ACES)[1]

先進乘員逃生服是一款全壓服，從1990 年應用至今，采用氣密拉鏈后入式結構，其工作壓力為24 kPa，它的設計提高了舒適性和整體性能，有助于減少乘員的壓力和疲勞。 先進乘員逃生服上身和上肢使用Link-net 系統作為限制層，下肢進行了重新設計，采用Nomex 織物作為限制層和外罩；通過平褶結構對手套進行設計改進，結合透氣材料，減少熱負荷，提高舒適度，減少局部壓力和疲勞。

2.1.5 星座計劃航天服系統

星座計劃航天服系統項目(Constellation Spacesuit System， CSSS)目標是建立一個具有較強適應性的航天服系統，通過改變航天服系統的部組件，航天服可以適應3 個不同的任務階段[11](圖3):第1 階段是一套發射、再入和中止壓力服，可支持應急艙外活動和臍帶系統，具備IVA 和微重力EVA 能力，在發射、入軌、座艙失壓和需要到飛船外部應急維修時穿著；第2 階段是在此基礎上研制登月服，既能適應最初7～10 天月面停留的短期需求，又能滿足后期建造月球前哨站長達6 個月的多次出艙需要；第3 階段是對登月服進行改進研制火星服，以支持載人火星探測。

圖3 星座計劃航天服系統[11]Fig.3 The constellation spacesuit system[11]

2006 年，NASA 支持大衛·克拉克公司改進先進乘員逃生服，形成活動增強型先進乘員逃生服(Enhanced mobility ACES，EM-ACES)[12]。 這代表了星座計劃航天服的第一種配置，支持發射、再入和應急艙外活動。 EM-ACES 不同于以前的乘員逃生航天服，在30 kPa 的壓力下工作，其改進的活動性系統既可支持艙外活動，也可以在發射艙內緊急事件時提供有效的人員逃生和救援。

2006 年，國際橡膠公司開展了星座航天服系統項目[13]。 延續前期的工作，ILC 研制了第4 代I-Suit 航天服樣機，該樣機為后入式航天服，其特點在于配備了ILC 公司的反轉壓力面窗，并具備發射、再入和中止航天服以及應急艙外活動所必要的特點。 2007 年研制了第5 代I-Suit 航天服，其特點是配備了全軟式軀干和肩部，采用拉鏈腰入式穿脫結構。 I-Suit 適應于航天飛機的生命保障系統，其工作壓力為30 kPa。

由于多種原因，星座計劃航天服項目于2010年10 月終止，僅保留了第1 階段的艙內防護系統，形成了獵戶座航天服。

2.1.6 獵戶座航天服

獵戶座飛船設計目的是將航天員送往月球軌道和其他近地軌道以遠的目的地，完成發射、上升、穿越深空和重返地球任務，設計任務時間為21 天或更長。 航天服不僅要在發射、再入發生短時間壓力應急時保護乘員，而且可以在深空飛行期間發生緊急狀況返回地球的途中使用。 大衛·克拉克公司和NASA 共同設計和開發了新型艙內航天服，作為乘員救生系統(Orion Crew Survival System， OCSS)的一部分[14](圖4)。 獵戶座航天服由高級乘員逃生服S1035 ACES 演變而來，根據新需求進行了重新設計。 由外罩、頭盔、手套、靴子和各種輔助設備組成，壓力服包含氣密層和高強度、低伸長率的限制層，適應短時55 kPa/長期29 kPa 的壓力制度，可以在獵戶座閉環環控生保系統架構內使用；針對短時55 kPa 和觸屏功能兩個要求，手套經過了重新設計，并同時保留了手套的活動性、靈巧性和觸覺性；維持了原通信頭戴的配置，但改進了通信頭戴和頭盔結構。

圖4 獵戶座艙內航天服[14]Fig.4 The Orion spacesuit[14]

2.1.7 其他商業航天服

1)SpaceX 艙內服。 太空探索公司的艙內航天服屬于載人龍飛船的乘員裝備，面向近地軌道天地往返任務[15]。 頭盔為3D 打印而成，并且集成了開關遮光罩、通風降溫系統、耳機麥克風通信等功能；外罩層由Nomex 芳綸和聚四氟乙烯織物組成，具有阻燃抗污功能；設計了右大腿隱藏式面板，將生保系統、供電與通信等外部接口集成；精細設計的手套具備觸屏功能，與龍飛船內部界面相適應(圖5)。

圖5 SpaceX 艙內航天服[15]Fig.5 The SpaceX spacesuit[15]

2)Pathfinder 艙內航天服。 國際橡膠公司開發了用于演示和測試的商用航天服，其最新代表為Pathfinder 航天服[16]。 Pathfinder 航天服采用軟式頭盔，在領口處采用氣密拉鏈密封。 航天服樣機已通過各種測試，包括舒適性評估、加壓活動性、座椅接口、通風供氧和熱集成測等。

3)波音公司艙內服。 波音公司航天服屬于星際航線飛船的乘員裝備，也是面向近地軌道任務[17]。 該航天服由大衛·克拉克公司設計，采用全軟式結構，氣密拉鏈背入式穿脫；航天服在限制層腰部設置了拉鏈，以便在座椅或站立時適應服裝形態；頭盔和面窗與服裝連成一體，替代了傳統航天飛機航天服的可拆卸式頭盔；采用了觸摸屏手套；整套航天服重量約9 kg，配有通信頭戴等組件。

2.2 俄羅斯航天服

2.2.1 SK 系列航天服

1961 年4 月12 日，蘇聯尤里·加加林乘坐東方1號宇宙飛船進入太空，他穿著的是星星公司(NPP Zvezda)研制的SK-1 艙內航天服。 SK-1作為第一款真正進入太空的航天服，為全軟式結構，只配備了最簡單的生命維持系統和加壓設計，但是這款航天服的設計奠定了未來航天服的基礎和設計思路[18]。

之后在SK 系列航天服基礎上優化尺寸改進設計，研發了兼具艙內與出艙活動功能的金雕型(Berkut) 航天服，于1965 年完成了世界首次出艙活動[19]。 金雕航天服第一次使用了備份氣密層，研發了真空環境熱防護系統，并采用40.6 kPa和27.4 kPa 兩種壓力模式，發展了開放式生命維持系統，背后的2 L 氧氣瓶能保證航天員工作45 min(氧流量1.2～1.5 kg/h)。 真空屏蔽外層可以保護航天服內部結構免受輻射和機械損傷，采用了雙層可拆卸式面窗，但航天服沒有考慮到服裝充壓膨脹，完成太空行走的航天員差點卡在艙門口，不得不通過放氣才返回。

2.2.2 雄鷹系列航天服

蘇聯/俄羅斯基于聯盟(Soyuz)飛船座艙應用研制了雄鷹系列航天服(Sokol， 1973 年至今)[20]。 雄鷹航天服在航空壓力服的基礎上進行設計，采取“胚胎”姿勢與飛船減震座椅相匹配，稱為Sokol-K 型航天服(圖6)。 航天服為全軟式結構，氣密層采用捆扎式結構，限制層為拉鏈結構，重量為9～10 kg，配有1 個軟的固定頭盔，采用開放式通風/供氧系統，設計工作時間2 h。

圖6 坐在座椅上的sokol 航天服“胚胎”式姿態[20]Fig.6 The “embryonic posture” wearing sokol spacesuit in spacecraft seat[20]

雄鷹航天服的改進一直在持續進行，如Sokol-kv 航天服改變了壓力調節器的位置，簡化了航天服增壓過程且包含液冷系統；Sokol-kv-2航天服限制層采用了V 形拉鏈穿脫口，于1980年首次使用，直至今天仍在執行任務；2019 年俄羅斯對外發布了新一代艙內航天服Sokol-M，為俄羅斯新型載人登月飛船設計[6]。 新型航天服氣密層使用了氣密拉鏈，穿脫速度更快、更方便；可以根據航天員的身材大小進行調整定制，適體性更好；使用了新的材料技術，如聚氨酯氣密層等，可多次重復使用。

2.2.3 其他俄羅斯艙內航天服

蘇聯/俄羅斯還開發了其他艙內/艙外航天服[21]。 在登月計劃中開展了軟式鷲型(Oriol)航天服的研制，該系統主體由織物和橡膠構成，包括可拆卸的硬質頭盔和生保背包，同時具備艙內作業和出艙活動能力，艙外活動能力10 h；在暴風雪號(Buran)航天飛機計劃中開展雨燕(Strizh)航天服研制，它是在雄鷹航天服的基礎上研制，要求在座艙失壓條件下，在44 kPa 的壓力下閉環工作12 h。這兩項任務雖然都沒有投入實際使用，但是為后續艙外航天服的研制積累了經驗和技術基礎。

2.3 中國艙內航天服

中國當前在用的艙內航天服自任務啟動一直延續至今，其功能組成、工作原理、整體構型等與俄羅斯雄鷹艙內航天服類似。 艙內航天服為頭盔與軀干肢體服連為一體的密閉擬人形態軟式結構，采用開放式通風供氧。 由航天頭盔、壓力服裝、航天手套、通風供氧組件等組成。 頭盔面窗可通過啟閉機構進行安全可靠的開啟和關閉，并保證氣密性；壓力服裝由限制層和氣密層組成，穿脫口設置在胸前；手套可通過腕部斷接器實現快速脫戴；壓力調節器能夠自動維持服裝內具有規定的絕對工作壓力，為航天員創造合適的氣壓、氣體成分等生存條件，保證航天員的生命安全；通風供氧組件與環控生保分系統配合，實現艙內航天服的通風供氧[7](圖7)。

圖7 神舟飛船艙內航天服[22]Fig.7 The spacesuit of Shenzhou spacecraft[22]

2.4 艙內航天服設計要素分析

從上述艙內航天服發展的歷程看，艙內航天服針對任務背景以及運載器的約束進行設計，包括使用方式、壓力制度、循環方式和著陸方式，并進行持續性改進升級，形成了系列化的多代航天服，具體情況如表1 所示。

1)使用方式。 早期任務中，美國和俄羅斯的壓力服設計均為軟式結構，通常選用艙內和出艙任務通用的壓力防護體系，這種方案對于艙外活動整體的活動性能限制明顯；后續研制中、美、俄均將艙內和艙外航天服分開，采用不同的壓力服系統，其中艙內壓力保留軟式結構，同時盡可能提高加壓工效及穿脫方便性；深空探測任務中，受限于高昂的發射運輸成本和技術限制，嚴格的減重要求以及長期壓力應急功能需求要求二者應能夠通過模塊化方式兼容，這也在星座計劃中有所體現[23]。

2)壓力制度。 針對任務需求，壓力服的設計首先需要選擇合適的工作壓力。 如表1 所示，美國早期飛船的乘員艙采用低壓(34.5 kPa)純氧模式，航天服選用較低的工作壓力(24.1 ～27.6 kPa)，發射前預吸氧3 h，在壓力應急中不會出現減壓病[24]；航天飛機壓力制度為1 atm，發射/再入服選用的壓力制度也較低(19～24 kPa)，存在一定的減壓病風險，但是綜合考慮航天飛機狀態:多艙段容積大，減壓率慢；機動性強，可以迅速返航；有2 套EMU(Extravechicular Mobility Unit)，穿著者可以對其他乘員進行救護以及降低飛行成本(機上人員多，資源占用大，且座艙失壓是小概率事件)，其航天服一直延續較低的壓力制度[25]。 但隨著任務需求的變化，綜合考慮到應急出艙活動需求，新型航天服EM-ACES 及OCSS的壓力制度也有所提升。

表1 艙內壓力服使用模式與壓力制度Table 1 Usage patterns and pressure regimes of IVA spacesuit

俄羅斯飛船的乘員艙采用1 atm 氮氧混合壓力制度，為了避免減壓病，航天服采用了雙壓力制度，正常工作模式下為40 kPa，進行必要操作時選用較低的工作壓力29 kPa，且時間較短，降低了減壓病概率[26]。

3)循環方式。 艙內航天服包含開放式和閉式循環2 類。 閉式循環艙內航天服在早期運用較多，適用于較低的艙壓，同時兼顧短期的艙外活動需求。 整個飛行過程中航天員均穿著航天服，將座艙和航天服內氣體的溫濕度控制和凈化相結合，在較長時間的壓力應急工作條件下，航天員相對比較舒適，氧的消耗量也比較小。 當前使用的艙內航天服均為開放式通風供氧，系統組成簡單，壓力應急飛行時，服裝耗氧量比較大；如果壓力應急飛行狀態持續時間較長，航天員的舒適度也比較差。

4)著陸方式。 根據航天器著陸方式的不同，艙內航天服所需面對的著陸沖擊防護要求也有所不同。 俄羅斯聯盟號飛船、美國阿波羅飛船均采用載人座艙著陸，這種條件下過載沖擊較大，需要進行特殊的抗沖擊設計，如俄羅斯雄鷹航天服采用“胚胎”姿勢與減震座椅姿態相匹配。 美國水星號/雙子星號飛船、蘇聯東方號飛船采用彈射座椅著陸，對應的G3C 航天服、SK 航天服設計時關注彈射時的熱防護以及頭盔防護設計。 航天飛機采用水平降落方式，過載沖擊較小，其體態設計直立性更強。 此外，考慮到水上降落的可能性，各類航天服均設計有漂浮裝備。

5)結構特征。 壓力應急航天服通常為軟式結構，通常包含氣密層和限制層，前者保證服裝的氣密性，通常由橡膠或聚氨酯膠布制成；后者起到主要的承力作用，限制氣密層的過度膨脹，保證基本的人體賦型[27]。 美國航天服采用Link-net 結構作為限制結構，外部再附加一層外罩層，這與俄羅斯航天服不同。 穿脫結構是另一個影響使用的重要因素。 俄羅斯雄鷹航天服采用捆扎式穿脫口，美國航天服通常采用密封拉鏈實現。 在適體性設計上，航天服通常具有幾種不同型號尺碼，并可按照身高進行局部調節。 在關節部位通常設置平褶或波紋關節，保障彎曲、扭轉等關節活動性。

3 工作模式及功能需求

當前載人航天活動主要集中于近地軌道天地往返，僅有美國阿波羅任務進行過登月探索。 隨著人類探索領域的不斷拓展，未來的任務將逐漸由近地軌道駐留走向深空探測，對壓力應急艙內航天服的功能要求也逐漸提升。

3.1 工作模式

為了保證人員安全，艙內航天服通常在待發段、發射段、交會對接段以及返回再入段使用，以應對可能發生的座艙失壓事件。 近地軌道飛行應急返回時間主要與應急返回軌道設計有關，通常為2～6 h，未來深空探測中可能包含長期壓力應急(大于數天)的工況。 根據任務剖面與功能需求分析，艙內服航天的工作模式通常包括以下狀態:

1)出征狀態。 航天員出發，乘車到發射區，進入飛船。 該階段艙內航天服應保證直立體位的服裝適體性、非加壓下關節活動性和通風循環的熱舒適性。

2)準備狀態。 指進入飛船準備發射到入軌、交會對接及分離過程、準備返回到著陸出艙。 該狀態下航天員進入座椅，通過座艙進行通風。 該階段艙內航天服與座椅賦型匹配，需要保證適體性、加壓/非加壓下關節活動性、通風循環及熱舒適性。 航天員將經歷力學和噪聲環境，艙內航天服還需配合航天器提供噪聲防護、超重防護和著陸沖擊防護等功能。

3)工作狀態。 指座艙失壓時的工作狀態。飛船在上升、返回、變軌或交會對接階段航天員穿著航天服，一旦發生失壓，環控生保系統立刻進入工作狀態，服裝由通風時的余壓狀態變成供氧加壓狀態，為航天員頭頸部通風供氧。

飛船在軌飛行期間，當艙壓下降到預定值時，系統將自動發出壓力警報信號，提示航天員迅速穿上航天服，在座椅上連接好服裝通風供氧管，作好壓力應急飛行準備。 艙壓繼續下降，系統停止艙內供氣，向航天服提供氧氣，建立壓力應急飛行狀態。 壓力應急飛行的持續時間與飛船飛行狀態以及所攜帶的氧氣資源量有關。飛船應盡快返回地面，以確保航天員的生命安全。

3.2 功能需求

綜合以上任務目標和工作模式，壓力應急艙內航天服應當具備以下功能:首先必須和飛行器配合，建立維持生命安全的服內環境，包括服內壓力和氧分壓，防止座艙低壓缺氧和快速減壓對人體的危害。 然后，必須具有必備的工效能力，主要包括具有關節活動結構，提供航天員必要的應急操作活動能力；為航天員提供必要的視覺與視野。其次，考慮到著陸過程防護需求，需具備與飛船座椅共同保障返回過載與著陸沖擊防護功能。 最后，艙內壓力服應當具備穿著的適體性和舒適性。此外，在長期壓力應急過程中，還應當考慮由于長期生活所帶來的著服加壓進食飲水、大小便收集等功能需求。

4 發展趨勢

4.1 長期壓力應急

未來載人航天任務相應的在軌壓力應急時間需求發生了巨大的變化。 例如載人登月任務中，假設發生座艙失壓險情時，最嚴酷條件下，載人飛船完成地月轉移再繞月后進入月地返回軌道直到返回地面大約需要6 天時間[28]，對當前的壓力應急方案，尤其是艙內航天服提出了巨大的挑戰。在這長達6 天的壓力應急飛行過程中，航天員需穿著艙內壓力服進行吃喝、睡眠等基本生活，這也就要求航天服具有壓力防護、冷熱防護、供氧及氣體凈化、通信、食品和水的供應、大小便收集和處理等功能。

4.1.1 服裝循環模式

艙內航天服要實現長期壓力應急飛行，對服裝循環造成巨大影響，對供氧需求量大大增加，現有的開放式通風供氧模式很難滿足資源需求，因而循環模式由開放式轉換為艙載的閉式循環系統；且可能存在失壓艙內活動及艙間轉移等需求，屬于艙內艙外兼顧的航天服。 服裝仍然具有軟式結構，采用閉式循環系統，提升其加壓活動性和長期穿著的舒適性，構建實現各種功能的接口，保證長期壓力應急飛行時人員的安全和耐受。

4.1.2 進食飲水功能

長期壓力應急飛行中為了保證航天員生存，需要提供進食飲水功能。 當前各類艙內航天服由于應急時間較短，通常未設置進食飲水功能。 阿波羅登月任務中在頭盔部位設置了引水口，通過管路在航天服加壓條件進行補充，但是任務總結中也提出其“食物和水的設置是不完善的”，存在著服裝密封性問題及液體泄漏的隱患[29]。 獵戶座航天服的設計也包含服裝加壓條件下的進食，其樣機采用了與阿波羅航天服相同的接口設計方案，通過穿過頭盔的管道來進行[30](圖8)。

圖8 獵戶座艙內航天服進食模式試驗[30]Fig.8 The design of drink/feed port in Orion spacesuit[30]

4.1.3 大小便收集功能

長期壓力應急飛行著服加壓狀態下大小便的收集處理是目前的一大難題。 阿波羅航天服采用尿液收集和轉移組件(Urine Collection ＆ Transfer Assembly， UCTA)[31]進行小便排出，服內最大貯存容積為950 ml。 尿收集后， 可通過右大腿處的斷接器排到廢水箱。 采用短褲式的糞便密封系統(Fecal Containment System， FCS)進行大便收集，臀部處敷有吸濕良好的襯墊，可吸收大便中的濕氣，臭氣進入航天服通風循環回路后被消除[32]。

獵戶座艙內航天服提出了進行長時間的小便收集處理方案[33](圖9)，系統外部管路由一系列軟管和閥門組成，保證尿液穿出服裝后到達飛船應急尿液收集裝置系統。 在外部管路中還設置有尿箱，用來調控服內產生的尿液流，同時在使用者和真空環境之間提供可控的屏障。

圖9 獵戶座航天服小便排出設計[33]Fig.9 The design of urine removal in Orion spacesuit[33]

4.2 提升工效性能

艙內航天服的使用涉及到非加壓與加壓、地面重力與失重、直立行走與座椅匹配等多種工況、多種狀態下的切換，其工效要求相互耦合，復雜多變，主要通過結構和材料兩方面進行提升改進。結構設計包含穿脫結構、關節設計以及頭盔、手套設計等。 以穿脫結構為例，俄羅斯的雄鷹系列航天服采用捆扎式氣密層和V 型拉鏈限制層相結合的方法實現胸前穿脫，美國的阿波羅航天服、航天飛機發射再入服系列均采用氣密拉鏈背部穿脫，新型的I-Suit 和D-Suit 航天服則采用腰部穿入的結構，通過腰法蘭密封鎖閉。 不同的穿脫結構適應于不同的任務工況及飛行器。 關節設計普遍采用平褶以及波紋關節來實現，較少采用活動軸承；手套設計則是越來越精細化，且逐漸引入主動溫控、觸屏使用等功能。

材料方面則依賴于各種高性能材料的研究進展。 美國的I-Suit 以及ACES 等航天服都采用了新型氣密層材料，利用疏水結構將水蒸氣導出的同時保證氣密性，有助于服裝保持低濕度水平，提升穿著舒適性[34]。 俄羅斯新型雄鷹航天服采用聚氨酯替代橡膠材料，提升其壽命及使用性能，滿足航天服重復使用的要求。

4.3 提升美學設計

新型航天服的研制越來越注重外觀美學設計效果，尤其是國外商業航天服的設計[22]。 SpaceX公司的艙內航天服外觀由好萊塢電影服裝設計大師旗下的工作室完成，追求時尚極簡，配上標志性前衛頭盔，充滿未來感與星戰風。 波音公司航天服除了滿足NASA 對安全性和功能性的要求之外，也在追求簡化、減重以降低成本、提升舒適性，同時其“波音藍”的設計也與其飛船設計相互協調，提升科技感、時尚感。

5 結語

艙內航天服是應對壓力應急事件、保障航天員安全的關鍵裝備。 結合任務目的和飛行器特點，俄羅斯、美國和中國分別研制發展了聯盟飛船雄鷹航天服、航天飛機先進乘員逃生服、神舟飛船艙內航天服等各具特色的艙內航天服裝備。 未來載人航天任務近地軌道往返常態化，深空探測逐步實施，對于艙內航天服的發展也提出了新的要求，長期壓力應急功能需求、多目標工況下的協同設計、提升工效能力和美學設計將是后續發展的關注點。