人造重力航天服飾及裝置研究

◎吳鋒

自第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射后，人類對太空的探索已取得了飛速發(fā)展，太空探索不斷邁入新的臺階。隨著我國天問一號如期奔向火星、嫦娥五號首次實(shí)現(xiàn)月球采樣返回，特別是天宮空間站即將建成，中國如今已進(jìn)入太空探索的“頭部玩家”。人類載人航天實(shí)踐早已證明失重對骨骼系統(tǒng)有明顯的影響，可以引起骨密度減小、骨質(zhì)脫鈣、骨組織結(jié)構(gòu)改變、骨力學(xué)性能降低等。而隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展、航天員在外太空停留時間的增加，生活和工作在太空對航天員的健康影響將極大增強(qiáng)。本文提出一種帶人造重力環(huán)境的航天服飾及裝置，使航天員在太空艙內(nèi)外能像在地球時一樣方便的行走和工作。采用重力加力器、重力拉力層、頭帽拉力帶及輔助裝置，解決骨密度下降，肌肉流失等問題，有利于航天員的身心健康，提升航天員的國際形象。

從古至今，人類對太空的探索從未間斷。自第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射后，隨著科技水平的發(fā)展，人類對太空的探索已取得了飛速發(fā)展，太空探索不斷邁入新的臺階。2020年，我國天問一號如期奔向火星、嫦娥五號首次實(shí)現(xiàn)月球采樣返回，中國已進(jìn)入太空探索的“頭部玩家”。

隨著我國空間站的建成，航天員登陸空間站，在外太空的時間將極大延長，但生活和工作在太空將對航天員的健康造成不利影響（圖1 為中國空間站）。人類載人航天實(shí)踐早已證明失重對骨骼系統(tǒng)有明顯的影響，可以引起骨密度減小、骨質(zhì)脫鈣、骨組織結(jié)構(gòu)改變、骨力學(xué)性能降低等。從國際空間站返回地球的航天員雖然笑對記者鏡頭，卻很難站立。這是因?yàn)楹教靻T在空間站工作時，地心引力對他們幾乎沒有什么影響，在微引力的作用下人體重量接近于零，全身肌肉比較放松，長此以往，肌肉得不到鍛煉，就會出現(xiàn)萎縮的情況，回到地球后，他們?nèi)矸αΓ瑹o法正常行走。美國宇航局生物學(xué)家沙爾米·拉布哈塔查爾婭表示：零重力將對航天員的健康產(chǎn)生一系列影響，如骨密度下降，肌肉流失和視力下降等問題。因此人造重力一直以來就是太空探索的重要研究領(lǐng)域之一。

圖1

一、人造重力分類

早在1883年，航天事業(yè)的先驅(qū)、前蘇聯(lián)的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基就率先提出了人造重力這一概念；而且論證了旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生人造重力的可能性。目前在太空探索人造重力理論研究領(lǐng)域，主要有以下幾種：

第一就是不斷加速來模擬地球重力體驗(yàn)。這種方法雖然簡單明了，但是卻很費(fèi)燃料，一直保持重力加速度需要消耗大量的能量，原理簡單，但操作層面不可行。

第二是通過旋轉(zhuǎn)來制造離心力，讓宇航員們額外體驗(yàn)到一種力，這種離心力就可以帶來重力體驗(yàn)的效果。

第三是通過電磁場額外施力形成人造重力。

第四是采用彈力和摩擦力，形成人造重力環(huán)境。

在現(xiàn)實(shí)中，設(shè)計(jì)與制造環(huán)形空間站非常困難，需要高熔度、高韌性、高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)宇航材料，并且外太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究需要空間站的失重環(huán)境，因此采用旋轉(zhuǎn)方式制造人造重力的方式目前仍在研究。利用電磁場成人造重力受制于環(huán)境影響，目前也未采用。利用彈力和摩擦力產(chǎn)生的人造重力環(huán)境對宇航員而言最易實(shí)現(xiàn)也相對較簡便、對周邊環(huán)境影響也較小，目前主流的企鵝服基本都屬于這一類型的范疇。

二、方案設(shè)計(jì)

航天員在空間站工作時，在微引力的作用下人體重量幾乎是零，容易形成骨質(zhì)疏松、肌肉流失等現(xiàn)象。而且在太空艙內(nèi)處于飄浮狀態(tài)，工作有諸多不便；因?yàn)槭е兀谔粘雠摃r易飄動，做外部檢查工作更具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。若能穿戴一套帶有人造重力環(huán)境的航天服，配以輔助裝置，這些問題就就迎刃而解了。

本文提出一種帶人造重力環(huán)境的航天服飾及裝置，能使航天員在太空艙內(nèi)外無需借助固定物前進(jìn)，能像在地球時一樣方便的行走和工作，如圖2、圖3 所示。其中序號標(biāo)識部分名稱如下：1.頭帽重力拉力帶，2.重力拉力層，3.連衣褲航天服，4.拉力彈簧組，5.腰關(guān)節(jié)固定圈，6.航天褲，7.固定架連接條，8.摩擦片架 壓緊座，9.滾珠定位圈，10.重力調(diào)節(jié)螺帽，11.摩擦力定位片，12.彈簧，13.內(nèi)雙頭螺圈，14.內(nèi)棘輪扣，15.定位螺釘，16.滾珠，17.單向轉(zhuǎn)動內(nèi)棘輪座，18.摩擦片，19.外棘輪扣，20.固定架連接條，21.大腿固定包片，22.航天褲。

圖2

圖3

該航天服飾可分為三層，外層內(nèi)層中間層。外層加包紗層防漲，衣、褲各有充氣口，按需充氣，充氣后對全身施壓，采用不同的彈力壓，在無重力的情況下能使輕如鴻毛的肌肉不再膨脹，如圖4 所示。衣服的彈力大于褲子，既增加了腿腳的供血，又可降低骨質(zhì)酥松。另外在大腿、小腿活動關(guān)節(jié)處采用摩擦片結(jié)構(gòu)的重力加力器，對不同的航天員進(jìn)行定制，達(dá)到基本符合每位航天員腿部重量要求，這樣在太空艙失重情況下，抬腿時用力才可基本與在地球一樣，保護(hù)關(guān)節(jié)和肌肉不退化。

圖4

由于在地球上存在重力，人類的上下關(guān)節(jié)負(fù)荷是不一樣的，如頭部關(guān)節(jié)只需負(fù)擔(dān)頭部的重量故較小，但腰背部的關(guān)節(jié)形狀，由于每個關(guān)節(jié)部位上部負(fù)荷均不相同，越到下部腰和股骨部就需負(fù)擔(dān)整個上身的重量，受力情況不同，形成上部較細(xì)長，越向下逐步變得越短越粗，這就是人類關(guān)節(jié)生長的物理現(xiàn)象。在外太空失重情況下，需做好相應(yīng)的防護(hù)，避免骨質(zhì)酥松和骨肉流失，可采用編織用彈力裝置服飾，并且不同部位要施加不同的阻力。該航天服飾及裝置在地面穿著時有一種壓力感，由于重力加力器的作用，在地球引力作用下尤如增加了一條大腿的重量，但在外太空微重力環(huán)境下便會正常，因?yàn)樵谕馓蘸吞张搩?nèi)失重情況下抬大腿力正好是重力加力器對大腿的重量補(bǔ)償，不會再四處飄浮；當(dāng)大腿放下時由于腿無重力，依靠復(fù)位彈簧即可把腿放置在太空艙地面。

同時為方便行走，可在太空鞋底部加設(shè)磁鐵、在太空艙內(nèi)地板上安裝鐵片。在太空艙外工作時，小腿上部磁鐵吸住使上部固定，下部雙腳鞋子底部磁鐵或電磁鐵吸住折疊式座鐵片，航天員的下腿部有了四點(diǎn)固定，就會如在地球上一樣在艙外工作了，降低出艙風(fēng)險(xiǎn)。為防止磁力可能造成的影響，可采用很小的電磁鐵加防磁護(hù)圈，使用時打開電源，并且實(shí)際上航天員在微重力情況下只需很小的吸力即可方便地行走。

航天員穿戴該服飾后，也可在跑步機(jī)上進(jìn)行鍛煉，鍛煉時抬腿用力效果基本上與在地球上鍛煉相差不大。因?yàn)樗栌昧εc在地球上時基本一致，鍛煉時心跳也會加快，增加了供血覆蓋面，同時使用彈力衣褲能分別對身體不同部位施壓，血液可向腿部供應(yīng)，使全身脊柱及肌肉受到節(jié)奏性的壓力，各部位肌肉及關(guān)節(jié)筋骨不容易產(chǎn)生暫時性的退化，有效避免產(chǎn)生骨質(zhì)酥松。這樣航天員即使在太空停留時間較長，在返回地球時只需要給服飾卸壓，出艙后不需要人扶持，便可以自行方便行走，極大地便利了航天員的工作和生活，有利于航天員的身心健康并提升這一特定群體的外在形象。

三、重點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成

1.重力加力器。在人體重要活動關(guān)節(jié)加裝重力加力器，用腰關(guān)節(jié)固定架及大腿固定包片安裝在航天服上，如圖5、圖6所示。采用單向轉(zhuǎn)動內(nèi)棘輪座，在抬腿時轉(zhuǎn)動摩擦片結(jié)構(gòu)要用力，但在太空艙內(nèi)失重情況下抬大腿力正好是重力加力器對大腿的重量補(bǔ)償，安裝部位衣 褲內(nèi)均加有布料等襯墊，使穿著舒適。生產(chǎn)制造時須一對一的針對不同航天員的大腿部重量進(jìn)行測算，完成對航天員的各項(xiàng)測定后才可將關(guān)節(jié)重力加力器及襯墊安裝在個人特制的連衣褲航天服內(nèi)。可設(shè)計(jì)相關(guān)檢測裝置，調(diào)整好反向用力的施力值，基本達(dá)到與每位航天員腿部重量一致的要求，這樣在天宮失重情況下行走，抬腿時才可與在地球上行走一樣，保護(hù)關(guān)節(jié)和肌肉，避免退化流失。

圖5

圖6

2.重力拉力層。航天服上采用重力拉力層使全身節(jié)脊柱及關(guān)節(jié)肌肉呈類似于地球上的負(fù)重狀態(tài)。重力拉力層由拉力細(xì)彈簧組或彈力材質(zhì)組成。上身部分前后各安裝拉力細(xì)彈簧組，可按每條彈簧拉力給航天員單獨(dú)配備，這樣可基本實(shí)現(xiàn)與各人在地面時脊柱及關(guān)節(jié)全身的重力一致。鞋子與褲子采用拉鏈加帶扣的可活動式連接，內(nèi)用拉鏈加帶扣固定于鞋底部與雙肩，拉緊時高度需少于雙肩，這樣在每走一步伸腿或站立時，足底部與身體雙肩的距離縮短，使雙肩部拉緊負(fù)重加壓。這樣在失重的情況下每走一部，全身脊柱骨及關(guān)節(jié)肌肉有節(jié)奏性的呈現(xiàn)負(fù)重狀態(tài)，配合關(guān)節(jié)重力加力器，使航天員在太空艙行走和站立時類似在地球上一樣受力，使整個人體關(guān)節(jié)及肌肉不易退化，與現(xiàn)有航天員艙外用航天服配合使用，更可使航天員出艙后方便攀走工作。

3.頭帽重力拉力帶。設(shè)置頭帽重力拉力帶，在工作時可使航天員頭部柱骨在工作時呈受力狀態(tài)和在地面一樣，休息時可脫掉，即使工作時間較長，返回地面出艙時不會產(chǎn)生頭頸柱骨不適情況。

4.磁力裝置。為使航天員在太空艙內(nèi)外行走工作與在地球上一樣方便，可在太空艙內(nèi)地板上和太空艙外安裝鐵片或折疊式座鐵片，為減少整體重量，可按照人類步行距離和需要操作的部位外按需安裝使用，如圖7 所示。當(dāng)航天員在太空艙內(nèi)外行走時，由于鞋子底部設(shè)有磁力裝置、太空艙內(nèi)地板上安裝有鐵片可方便行走；在太空艙外工作時，開啟腿部位置的磁力機(jī)構(gòu)便可使上部固定，開啟腳底部磁鐵機(jī)構(gòu)可固定雙腳，這樣至少可形成四點(diǎn)位固定，航天員就會如在地球上重力環(huán)境一樣在太空艙外工作了，需要行走時斷開磁力機(jī)構(gòu)即可，操作簡單安全便捷。

圖7

四、結(jié)論

本文提出的人造重力航天服飾及裝置，可達(dá)到如下幾個目的，實(shí)施簡單，效果顯著：

1.方便工作，采用關(guān)節(jié)重力加力器使抬腿行走用力如在地球上一樣，航天員的全身骨頭關(guān)節(jié)負(fù)重類似于身在地球，不會因抬腿無重量而減慢心跳使腿部供血不足，可使腿部關(guān)節(jié)及肌肉不易退化。

2.重力拉力帶保證航天員的全身脊柱骨和關(guān)節(jié)達(dá)到和不失重的狀態(tài)下壓力相似，即使在太空艙工作時間較長，整個人體關(guān)節(jié)及肌肉也有保健效果。

3.由于航天員在艙內(nèi)外工作抬腿行走用力如在地球上一樣，不會導(dǎo)致心跳減慢導(dǎo)致減少血液的流動。

4.使用彈力服或編織式彈力衣褲，使在太空中輕如鴻毛的肌肉在無重力情況下不再膨脹，降低了航天員骨質(zhì)酥松的產(chǎn)生，對彈力服或彈力衣褲分段實(shí)施彈力，還可恢復(fù)腿腳的供血量。

5.與現(xiàn)有出艙外用航天服配合使用，可大大降低航天員在太空艙外工作的風(fēng)險(xiǎn)。

6.返回地面出艙時不用人扶持，可自己方便行走，保證航天員的身心健康，提升國際形象。