舱外航天服设计：怎一个“难”字了得

文/松堂

▲ 阿波罗11号使用的舱外航天服，关节处相当臃肿

美国第一次研制舱外活动用的航天服，是在1965年。当时美国决定在双子星飞船的飞行中实现一次舱外行走，具体执行者是艾德·怀特。科学家们把航空飞行用的飞行服加厚到21层。氧气设备并不是装在航天服里的，而是装在飞船上，用一根管子通向航天服。

阿波罗计划启动之后，这种航天服显然是不能胜任的。于是美国宇航局开始研制一种能在外星上穿着的航天服。也正是从阿波罗计划开始，形成了舱外航天服的设计原则。

复杂的舱外航天服设计

航天服本身就是一个小的飞船，具有气压控制、氧气供应、小便收集能力，还要具备比较大的强度，免得被异物刺穿。因为结构复杂，一些在地球上看起来很简单的事情，涉及到航天服，就变得极为困难。在阿波罗计划中，航天员不但要在月面上蹦跳，还要开着月球车四处溜达。仅是为了让他们能坐下，就对航天服设计做了大量的修改。

即使如此，阿波罗计划的登月航天服仍然相当笨重。关节部分是橡胶做的，电缆是金属做的，从胯部到肩膀有一条长长的拉链。橡胶会让人感觉皮肤干燥，金属电缆会断裂，而拉链一旦出了问题就会致命。虽然这些情况都没有真的发生，但美国宇航局一直为此提心吊胆。

阿波罗时代暴露出来的这些问题，也迫使美国宇航局考虑航天服的重复使用问题。因此，航天服的主要部位，包括手臂、腿、躯干，都是单独的模块。到了航天飞机时代，航天服的设计就有了很大改进，用新的塑料材料取代了橡胶，换用了新型号的拉锁，还把生命保障系统的续航能力从6小时提高到了8小时。不过舱外航天服的穿脱还是一件极为麻烦的事情。穿着它干活同样很麻烦。

改进后的航天服让航天员们满意了吗？一点都没有。

穿着一点都不舒服

或许很少有人知道，舱外航天服穿起来一点都不舒服，行动也很麻烦。

舱外航天服内的气压大概只有标准大气压的三分之一。这是为了让航天服在出舱的时候不会膨胀得太厉害，把自己卡在舱门上。这是有历史教训的。为了适应这样的低压，航天员必须在出舱前呼吸纯氧，排出血液中的氮气，以避免发生低压病，这个过程叫做预呼吸。但宇宙里是真空，因此一出飞船的舱门，航天服就鼓起来了。航天员们纷纷表示，自己就像在一个气球里运动一样。如果人们还是不能理解，不妨找一个长棍式的气球，把它吹成和人手臂差不多的尺寸，用力弯折。然而，我们只要一松手，它就会弹回去，变成原来的样子。要想让它保持弯折，就必须一直用力。这就是穿着航天服出舱的体验。

▲ 阿波罗16号任务期间，航天员在月面活动

▲ 航天飞机舱外航天服的标准照

▲ 双子星4号的舱内照片

▲ 未来月球基地的建设需要大量航天员在舱外操作

航天员们抱怨说，“无论干啥，都好像有人在往回推”。哪怕航天服正合身，干活也不顺手。无论在舱外开展实验，还是执行修理任务，航天员们都会出现不同程度的软组织挫伤和肌腱炎，被橡胶手套掀了指甲盖的事情更是屡见不鲜。

曾经执行过出舱行走任务的美国航天员提姆·库帕拉说，“太空行走其实让人身心疲惫。一天下来，手、胳膊，整个身体都非常疲劳”。

美国宇航局在上世纪80年代委托一家叫做ILC丹佛公司的企业设计过一种三分之二大气压的航天服，打算用在空间站上。航天服内如果保持较高的气压，航天员就不需要做什么预呼吸了。不过这也会带来问题，压力越大，出舱后变成气球的程度就越严重，移动起来更困难。尤其是航天服的胳膊和腿部，它们在气压作用下总是保持着伸直的趋势，要想弯胳膊、弯腿，就要和它较劲，活动起来非常费力，因此美国宇航局并没有采用它。后来这种航天服更名为“马克三型零预呼吸航天服”，美国宇航局经常用它来做些评测工作。

致命的进水问题

受伤还是小事，航天服进水是会要命的。或许有人会奇怪，在太空里怎么会进水？在太空里，航天服外面确实没有水，但航天服生命保障系统里是有饮用水的。2013年，卢卡·帕尔米塔诺在太空行走的时候就遇到了这种情况，水从生保系统里漏出来，直接跑进了头盔。然后，他的耳朵、眼睛、鼻子、嘴里都是水。在失重环境下，还不能指望水自己流走。他赶紧撤回气闸舱才免于一死。到了2016年，蒂姆·科普拉也遇到了类似的险情，不过漏水量比较小。于是美国宇航局在航天服上做了改进，用一根长吸管从面罩通向生保系统。这根管子不是拿来喝水的，而是用来吸氧的。

说到这里，人们或许会发现，航天员的工作还真是挺辛苦的。要穿这么不舒服的厚衣服在宇宙里干活，而且一干就是好几个小时。难道以前的航天人都非常笨，不知道把航天服设计得合理一些吗？实际上，这就是合理的设计。在载人航天的早期，人类拥有的分析设计工具和工程材料都相当有限，只能尽最大努力设计一种可堪使用的航天服。虽然地球上的技术在不断发展，但是它们能不能用来设计和制造新的航天服？进入太空之后安全不安全？这都是不能轻易下结论的事情。而且，航天飞机设计于上世纪70年代，国际空间站设计于上世纪90年代。以当时的需求，航天飞机的舱外航天服还是可以满足要求的。航天员们并不需要穿着它去某个外星球上走路，只要能在太空里安全漂浮就足够了，但登月就完全不同了。

▲ 今天的舱外航天服显得非常臃肿