宇航服
航天服（spacesuit）是保障航天员的生命活动和工作能力的个人密闭装备。可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。在真空环境中，人体血液中含有的氮气会变成气体，使体积膨胀。如果人不穿加压气密的航天服，就会因体内外的压差悬殊而发生生命危险。 航天服是在飞行员密闭服的基础上发展起来的多功能服装。早期的航天服只能供航天员在飞船座舱内使用，后研制出舱外用的航天服。现代新型的舱外用航天服有液冷降温结构，可供航天员出舱活动或登月考察。
目录
宇航服的发展历史
世界上第一个使用航天服装备的人是美国冒险家威利·波斯特。二十世纪30年代初，他驾驶“温尼妹号”单座机在向横越北美大陆飞行的挑战中，将飞机上升到同温层。当时波斯特身穿的高空飞行压力服，是用发动机的供压装置送出的空气压吹起来的气囊。
第一代
近代的航天服是1961年在美国问世的。当年5月阿仑·谢泼德第一个成功地进行了美国最早的载人航天飞船计划——水星计划的亚轨道飞行。飞行所用的航天服，是由当时美海军的高性能战斗机飞行员穿着的MK-4型压力服加以改进的。这种航天服由氯丁橡胶涂在布上的防护层和经过氧化铝处理的强化尼龙的内绝热层叠合而成，肘和膝关节部分缝入了金属链，容易弯曲。但是，当内压提高时，航天员难以活动身体。
第二代
60年代中期在实施“双子星座”计划时，美国又开发了第二代航天服。这种航天服在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟纶混纺材料织成的网，即使空气压使航天服整体膨胀也容易弯曲。由于“双子星座”计划要求航天员进入太空在轨道上作会合或入坞的活动，所以这种航天服具有极佳的运动性。
第三代
第三代航天服是实施阿波罗计划时使用的航天服。月面活动与浮游在太空活
海鹰型舱外航天服动的情形不同，必须一边步行在遍地皆是岩石的月球表面，一边弯下身体采取岩石标本。再者，要求保护航天员能经受强烈的太阳光辐射，以及使从天而降的微小陨石砸在身上也不致破损。
这种航天服在关节周围制成伸缩自如的褶皱，大大提高了运动性能。但是，必须穿着特殊的“内衣”。这种几乎盖住全身的网状内衣缝入了长达100米犹如意大利空心面条那么粗的盘成网状的管子，管内流过冷水，吸走航天员身上散发的热量，并排到宇宙空间，所以航天员穿上后感到十分舒适。穿在内衣外的航天服由内绝热层、压力层、限制层(抑制压力层的膨胀)几层重叠，最外面还蒙上聚四氟乙烯与玻璃纤维制成的保护层。再戴上强化树脂制成的盔帽、与航天服几乎一样多层的手套，穿上金属网眼的长统靴，就是完整的阿波罗航天服了。
阿波罗航天服与过去的航天服相比，根本的差别是采用了便携式生命保障系统，即将生命保障系统固定在背上，以进行供氧、二氧化碳的净化和排除体热。
第四代
航天飞机上的航天员使用的
航天服可以说是第四代航天服了。在此之前，航天服是定做的，不仅开发和制作上耗费巨资和时间，而且一件航天服只能用一次，已远远不能适应新的需要了。
航天飞机用的航天服不是定做的，它是根据人体的造型把航天服分成几部分，分别被规格化为“特大”到“特小”几种尺寸，然后成批生产，加工成现成的服装。航天员只要从中选择合身的各部分，重新加以组合就可得到一套满意的航天服了。使用后，也不像过去那样送进博物馆，而是把航天服再分解，各部分清扫后再次使用，计划使用寿命是15年以上。
在阿波罗时代穿好一身航天服需要1小时，现穿航天飞机用航天服(包括生命保障系统在内的舱外机动装置)只要10～15分钟就足够了。新的生命保障系统可在长达7个小时内向剧烈消耗体力的航天员供给必要的氧、冷却水、电力。不仅如此，头盔内侧还可供给500毫升的饮料和少量的航天食品。 至于大小便的处理，在进行舱外活动前，必须在舱内大便完毕，而小便可以在航天服中排泄，因为配备了尿抽吸装置。还只有供男性使用的装置，女性用的(尿布型)正在开发之中。将来，女航天员也不用为排尿担心了。
为了迎接空间站时代的到来，美国航宇局正在致力开发新的航天服。尽管建造空间站穿着航天飞机用的航天服也可以，不过进入太空活动前，航天员还先要做准备工作。即必须呼吸纯氧4个小时，或在气压为0．69毫米汞柱的舱内呆上大约12个小时，然后再呼吸纯氧40分钟，目的是将体内的氮排出，同时使身体适应低压环境。如果不做这样的准备工作，由于航天服内只有0．3个大气压，体内氮因急骤减压而形成气泡，会使航天员患与潜水员一样的沉箱病。显然，这种航天服难以适应今后在太空中频繁活动的需要。据美国航宇局预测，太空时代，每个航天员每年需在太空中工作1000小时，为此要求航天服不但耐用，而且要大幅度降低成本。
与过去的航天服相比，外观上有明显的不同，全身是金属铠甲那样的刚性结构，仅关节部分是可折皱的软结构。这种航天服的内压可提高到0．54个大气压，所以航天员穿这种新航天服进入太空之前不需要准备过程，也不用再为沉箱病担心。但是，内压提高使这种新航天服变得笨拙，运动性差。已试制成的这种航天服重达90千克，穿在身上根本无法在地面上行走。所幸的是，在太空中，重力变小了，宇航员不用费很大的力气。不过，重力变小了，质量还是没变具有和原来一样的惯性，所以宇航员不能快速移动。
航天服的制造和发展时间还相当短，未来的航天服将更适合人类航天和在太空生活的需要!
新款航天员服装
2016年10月16日，执行神舟十一号载人飞行任务的航天员景海鹏、陈冬，身着新款航天员秋冬常服，这是航天员系列化服装的首次亮相。
新款航天员服装在设计中充分考虑了服装的穿着场合、功能、美观、舒适和工效学要求，从艺术设计、材料选用等方面进行了多次论证，较好展示了航天员良好形象和职业特点。
航天员穿着的秋冬常服主色采取航天传统的蓝色系，不同深浅蓝色系的组合设计源于天际线和太空的色调元素。胸前蓝色“V”形图案，寓意着每一次任务的圆满成功，展示了航天员威武庄重的气质。秋冬常服采用中厚型毛纺面料，折皱恢复性好，适合常服穿着的外观要求。[1]
宇航服的特点
第一，最大特色是“移动性”更好，更加灵活。宇航员从国际空间站出舱进行太空行走时，下肢活动较少，而在月表行走并展开科研活动时，下肢活动更多。新宇航服的设计充分考虑这种需求，其加压服下半身安装了多个关节轴承，允许臀部弯曲和旋转，膝盖处有更大弯曲度，并采用了类似登山靴的柔性鞋底。
第二，新宇航服的安全性和防护能力大幅提高。安全永远是人类太空任务的“重中之重”，这种新型舱外宇航服可在零下约157摄氏度至零上约121摄氏度之间的温度条件下保护宇航员，使他们不受辐射、月尘和微流星体侵害。
第三，新宇航服采用模块化设计，方便在长时间探索任务中更换组件。例如其头盔采用了可快速更换的防护面罩，如果出现表面破损、凹陷或刮伤等问题，可以单独更换防护面罩，无需将整个头盔送回地球维修。
第四，新宇航服提升了舒适性。在美航天局约翰逊航天中心，研究人员对运动中的宇航员进行全身3D扫描，根据3D动画模型设计组件，最大程度保证了宇航服的舒适性，降低了可能对皮肤造成的不适。[2]
宇航服的功能
宇航员整体上看，有以下五个功能：保持宇航员体温；保持压力平衡（使太空人承受的压力与在地球上的相似）；阻挡强而有害的辐射（如来自太阳的辐射）；处理宇航员的排泄物；提供氧及抽去二氧化碳。
航天服从功能上看，航天服有舱内航天服和舱外航天服两种；美国和俄罗斯使用的都是软硬结合式的航天服。无论哪种航天服都由多层组成，它们互相连接形成一个整体服装，但要求各层的质量要高、要轻、不能过厚，以避免影响航天员的行动。[3]
宇航服的结构组成
结构层数
舱外航天服
航天过程中保护宇航员生命安全的个人防护救生装备，又称宇宙服或航天服。宇航服能构成适于宇航员生活的人体小气候。它在结构上分为6层：
内衣舒适层：宇航员在长期飞行过程中不能洗换衣服，大量的皮脂、汗液等会污染内衣，故选用质地柔软、吸湿性和透气性良好的棉针织品制做。
保暖层：在环境温度变化范围不大的情况下，保暖层用以保持舒适的温度环境。选用保暖性好、热阻大、柔软、重量轻的材料，如合成纤维絮片、羊毛和丝绵等。
通风服和水冷服（液冷服）：
航天服在宇航员体热过高的情况下，通风服和水冷服以不同的方式散发热量。若人体产热量超过350大卡/小时（如在舱外活动），通风服便不能满足散热要求，这时即由水冷服降温。通风服和水冷服多采用抗压、耐用、柔软的塑料管制成，如聚氯乙烯管或尼龙膜等。
气密限制层：在真空环境中，只有保持宇航员身体周围有一定压力时才能保证宇航员的生命安全。因此气密层采用气密性好的涂氯丁尼龙胶布等材料制成。限制层选用强度高、伸长率低的织物，一般用涤纶织物制成。由于加压后活动困难，各关节部位采用各种结构形式：如网状织物形式、波纹管式、桔瓣式等，配合气密轴承转动结构以改善其活动性。
隔热层：也叫真空隔热层。宇航员在舱外活动时，隔热层起过热或过冷保护作用。它用多层镀铝的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜并在各层之间夹以无纺织布制成。各膜之间用网络物隔开，贴在一起形成屏蔽。它有良好的隔热和防辐射作用，舱外航天服必须有这层。
外罩防护层：是宇航服最外的一层，要求防火、防热辐射和防宇宙空间各种因素（微流星、宇宙线等）对人体的危害。这一层大部分用镀铝织物制成。这个外套要求防磨损力强、耐高温，除能防护内部各层不受损坏外，还要注意到颜色，一般用白色或金黄色为好。
与宇航服配套的还有头盔、手套、靴子等。
舱内航天服采用头与躯干肢体服装连为一体的
宇航员在舱外工作
“软式”类型结构和开放式通风供氧方式，它由压力服装、头盔与手套、应急供氧和通风管路等组成。
压力服装由躯干肢体服、压力调节器、压力表及颈部防水隔膜组成。其中躯干肢体服与头盔盔壳是由气密层和限制层组成，它具有可操作性能，用来维持服装的气密、承受服装压力、保持人体形态不变；压力表则放置在航天服的左前臂，用于指示服装内压力。通常在座舱正常压力下，航天员穿着服装，关闭面窗进行呼吸时，保证能呼吸到外面的空气。压力调节器在飞船压力应急条件下，控制舱内航天服内规定的绝对压力。在常压下可通过手动关闭，对服装进行加压，以便检查服装的气密性。当服装压力超过规定的压力时，能自动放气。
在压力服装的研制过程中，关键技术是气密性，要防止在工作压力下，总漏气量≤1升/分钟，服装的穿脱口处的气密拉链是关键技术。
头盔和手套航天员在航天飞行中所戴的头盔
航天服，不仅能隔音、隔热和防碰撞，而且具有减震好、重量轻的性能。头盔为软盔壳，与压力服装连成一体，紧贴在航天员头盔盔壳里面的是通风衬垫，具有隔热和消声作用。 头盔面部的面窗是为了给航天员提供良好的视野，以便可以看到飞船内外的景象。为了扩大面窗左右视野，增加人面部盔腔空间，提高面窗防雾效果和观察舒适，面窗设计为等壁厚的椭球面结构。面窗启闭结构采用手动、双自锁、保险式机械结构，内表涂覆长效防雾剂，连同头盔通风结构，防止面窗结雾。 航天员戴的手套由压力手套、腕部断接器和舒适手套组成。其中压力手套又由用于承受掌部张力和限制掌部加压后鼓胀的掌部限制组件和采用织物手套双面浸天然乳胶成型的掌指压力手套以及腕关节组成。腕部断接器和舒适手套都有其特殊的作用。
应急供氧通风组件，通风组件采用管道式结构，通风气体从软管经风量分配盘进入服装，风量按比例送至头部和四肢末端，经周身各处后，汇流到腹部，最后由压力调节器流出服装。
在飞船座舱压力应急时，提供通风供氧组件对头盔内供氧气，用以保障航天员呼吸用氧和压力服内头、颈部通风散热、清除或稀释呼出气体排出的水分及CO2。当飞船座舱压力正常情况下，航天员穿着压力服待命时，全身通入座舱空气，用以供氧、清除CO2和水分以及通风散热。
通信头戴通俗地讲起到对讲机的作用。提供航天员穿着压力服时，在飞船发射、轨道压力应急和返回过程中的通话。同时，具有很好的保护航天员听觉器官免受噪声危害的功能。
通信头戴装置由防噪声耳罩、坚固耐用的送话器、网状结构的通信帽套以及保证可听声压级的语音放大器组成。[4]
宇航服的穿着方法
航天员穿戴舱外航天服有一套严格的步骤和顺序，而且不同型号的航天服穿脱的顺序也不一样。我们这里以美国航天飞机舱外航天服为例进行介绍。
穿强力吸尿裤。
穿液冷通风服。
带上生物电子联结装置。在这种装置上有测量航天员心率的传感器和与外界进行通话联络的电子设备。
一些小的操作程序，包括在头盔面窗里面涂上防雾霜，在服装左侧袖子的手腕处装上一块小的反光镜，在服装上身前胸部位装上一个小食品袋和一个饮水袋，在头盔上装上照明灯和电视摄像头，最后是将通讯帽与生物电子联结装置联结在一起。上述四步都是穿服装前的准备工作。
穿服装的下半身。下半身有不同尺寸，可供不同身材的航天员选用。下半身服装的腰部有一个大的带轴承的关节，为航天员弯腰和转身提供方便。
穿服装的上半身。在穿上半身之前，应先将气闸舱的冷却脐带管插入服装胸前的显示控制盒的接口上，以便向服装内提供冷却水、氧气和电力。因为航天飞机气闸舱内仅有2.0米高，直径1.6米，两名航天员在里面穿航天服显得非常拥挤，因此航天服的上半身是挂在气闸舱壁的支架上。这样一来当航天员要穿服装上半身时，必须蹲下身体，手臂向上伸，采取一种跳水运动员跳水的姿势钻进服装内。服装上下身穿好以后，将密封环联接在一起，然后将各种供应管线与服装相接。
戴上通讯帽、头盔和手套。一旦戴上头盔和手套以后，航天员就不能呼吸气闸舱内的空气，而是通过脐带呼吸从航天飞机轨道器提供的氧气。
向服装加压，并由航天员对服装进行测试，目的是保证服装不漏气，而且内部压力稳定。测试的重点是气体流量、冷却水和电池的功率。
开始呼吸纯氧，进行吸氧排氮。即将体内的氮气排除，目的是预防减压病。
关闭气闸舱的内舱门，气闸舱进行减压。当气闸舱内的压力降低到零时，打开气闸舱的外舱门，同时航天员应将服装与气闸舱的所有联结断开，将安全带的挂钩勾在舱外的固定杆上，这时航天员即可出舱进行太空行走。[5]
宇航服的设计要点
据美国《心理牙线》杂志4月2日报道，如果没有航天服的保护，宇航员根本无法在环境恶劣的太空中生存。从概念到原型再到最后投入使用，与航天服有关的很多东西可能是你不知道的。为了帮助读者了解航天服，《心理牙线》杂志采访了美国宇航局约翰逊航天中心先进航天服设计团队的航天服工程师林赛-艾奇逊，披露了航天服设计过程中的一系列秘密。
设计师需具备一系列技能
艾奇逊表示航天服设计师需要具备一系列技能，尤其是创造力和批判性思维。她说：“你需要关注细节，提出非常精细的测试计划。在与人类测试人员合作时，你不得不设计一种测试，获得测试者对你的设计的具有建设性的反馈，例如舒适度。如何定义舒适度?你必须站在工程学的角度考虑这个问题，设计和制作穿着舒适的航天服。”航天服需要具有创造性，将不同领域的技术融合在一起。
按任务要求设计
艾奇逊表示设计一款新型航天服时，宇航局的工程师必须回答两个问题，即“要去哪里?”和“要做什么?”，帮助他们确定航天服的结构。工程师的设计工作首先着眼于宇航员将要前往的太空区域。目标区域分为两种，一个是微引力区域，一个是行星环境。工程师根据目标区域的具体环境决定航天服赋予宇航员拥有多大的机动能力。此外，工程师还要考虑宇航员将要面临的辐射水平、温差以及微流星体风险。
接下来，工程师必须考虑宇航员将从事何种任务这个因素。例如，是否要用手移动身体?是否会处在微重力环境下?是否用脚行走?是否要登陆行星表面?是否使用工具进行挖掘?是否使用工具带携带各种工具和利用上肢执行任务?是否需要具备自治能力?艾奇逊表示：“如果你要登陆行星表面并且是距离地球很远的星球，你需要研发更多技术，让航天服具备自治能力，允许宇航员具备舱外活动能力。如果是在空间站，你会与飞行控制人员进行大量直接接触。在这种情况下，我们可以放弃一些信息技术，让飞行控制人员帮助我们。”
新航天服需要新靴子
人们最熟悉的航天服可能要属舱外机动套装(EMU)。这款航天服在设计上用于微重力环境，允许宇航员用双手完成各项任务。为了让宇航员具备维修国际空间站、太空望远镜和进行太空行走的能力，EMU航天服在设计上让宇航员的肩膀、双手和手臂部位拥有很大的机动能力。艾奇逊表示：“你利用航天服的下半部分稳定身体，让你在机械臂末端上时拥有一个稳定的工作平台。如果身体摇摇晃晃，你干不了任何工作。”
包括Z-2在内的新航天服针对行星环境设计。艾奇逊和其他设计师用了很长时间设计腕部和胯关节以及靴子。她说：“这是‘阿波罗’号任务后我们第一次设计靴子。在不同于地球的引力环境下，你的行走方式会发生变化。我们正在设计适于在火星或者月球表面行走的靴子。EMU采用的是硬底靴，新航天服的靴子与之截然不同。”
为了确定何种靴子最适合新航天服，艾奇逊在2008年对不同靴子进行了大量行走测试。她说：“我们在不同重力环境下测试靴子。测试就像在跑步机上行走一样，由于索具支撑航天服的重量，你会觉得自己就像在重力为地球3/8或者1/6的表面行走一样。”。研究小组在航天服下肢部分安装一系列运动捕捉标记，分析足部、脚踝以及臀部在不同重力环境下如何移动。她说：“我们在测试中发现人们在不同重力环境下行走时往往臀部摇摆，就像飞跑一样。通过对此进行研究分析，你能够确定靴底柔软度和硬度需要达到怎样的程度才能降低行走难度。”研究小组仍在对设计进行评估，关注焦点是一款适于徒步旅行的靴底。艾奇逊说：“这种靴底的前足部位较硬，中足部位较为柔软，适于需要跪下才能完成的任务。”
减轻重量是目标
EMU的重量达到惊人的300磅(约合136公斤)。不过，身处微重力环境下的宇航员并不会感受到这一重量。艾奇逊表示包括背包在内的阿波罗航天服在地球上重180磅(约合82公斤)，但在月球上只有30磅(约合14公斤)。穿上这种航天服时，宇航员的行动受限。新航天服的目标是让宇航员在拥有很大行动能力的同时减轻重量。她说：“提高行动能力时，我们需要增加轴承等硬件，轴承很适于加压服，但会增加重量。我们正在研究如何在添加硬件的同时保持航天服低重量的方式。我们将目光聚焦钛材料，这种材料能够让轴承的重量减少大约30%。此外，我们也考虑采用新型合成材料，用于上肢、臀部以及较短部位。”艾奇逊表示新型航天服Z-2的重量将比EMU少大约20磅(约合9公斤)，并不算太轻。“不过，我们让下肢拥有全部功能，这是以往的航天服所不具备的。”
设计工作从老型号着手
一旦确定“要去哪里?”和“要做什么?”这两个问题的答案，工程师便开始设计工作。先进航天服设计团队拥有至少30年的航天服设计经验，包括航天飞机航天服以及阿波罗计划的航天服。艾奇逊表示：“我们从测试这些航天服开始，了解不同的特征。通过测试，我们得以确定不同肩部设计适于何种运动，了解不同的臀部和靴子设计以及穿着方式。是否需要拉链?诸如此类的事情。”通过测试老航天服，工程师能够设计出满足特定任务需要的航天服。[6]
宇航服是保护宇航员在太空不受低温，射线等的侵害并提供人类生存所需的氧气的保护服。
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