宇航服
航天服（spacesuit）是保障航天員的生命活動和工作能力的個人密閉裝備。可防護空間的真空、高低溫、太陽輻射和微流星等環境因素對人體的危害。在真空環境中，人體血液中含有的氮氣會變成氣體，使體積膨脹。如果人不穿加壓氣密的航天服，就會因體內外的壓差懸殊而發生生命危險。 航天服是在飛行員密閉服的基礎上發展起來的多功能服裝。早期的航天服只能供航天員在飛船座艙內使用，後研製出艙外用的航天服。現代新型的艙外用航天服有液冷降溫結構，可供航天員出艙活動或登月考察。
目錄
宇航服的發展歷史
世界上第一個使用航天服裝備的人是美國冒險家威利·波斯特。二十世紀30年代初，他駕駛「溫尼妹號」單座機在向橫越北美大陸飛行的挑戰中，將飛機上升到同溫層。當時波斯特身穿的高空飛行壓力服，是用發動機的供壓裝置送出的空氣壓吹起來的氣囊。
第一代
近代的航天服是1961年在美國問世的。當年5月阿侖·謝潑德第一個成功地進行了美國最早的載人航天飛船計劃——水星計劃的亞軌道飛行。飛行所用的航天服，是由當時美海軍的高性能戰鬥機飛行員穿着的MK-4型壓力服加以改進的。這種航天服由氯丁橡膠塗在布上的防護層和經過氧化鋁處理的強化尼龍的內絕熱層疊合而成，肘和膝關節部分縫入了金屬鏈，容易彎曲。但是，當內壓提高時，航天員難以活動身體。
第二代
60年代中期在實施「雙子星座」計劃時，美國又開發了第二代航天服。這種航天服在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟綸混紡材料織成的網，即使空氣壓使航天服整體膨脹也容易彎曲。由於「雙子星座」計劃要求航天員進入太空在軌道上作會合或入塢的活動，所以這種航天服具有極佳的運動性。
第三代
第三代航天服是實施阿波羅計劃時使用的航天服。月面活動與浮游在太空活
海鷹型艙外航天服動的情形不同，必須一邊步行在遍地皆是岩石的月球表面，一邊彎下身體採取岩石標本。再者，要求保護航天員能經受強烈的太陽光輻射，以及使從天而降的微小隕石砸在身上也不致破損。
這種航天服在關節周圍製成伸縮自如的褶皺，大大提高了運動性能。但是，必須穿着特殊的「內衣」。這種幾乎蓋住全身的網狀內衣縫入了長達100米猶如意大利空心麵條那麼粗的盤成網狀的管子，管內流過冷水，吸走航天員身上散發的熱量，並排到宇宙空間，所以航天員穿上後感到十分舒適。穿在內衣外的航天服由內絕熱層、壓力層、限制層(抑制壓力層的膨脹)幾層重疊，最外面還蒙上聚四氟乙烯與玻璃纖維製成的保護層。再戴上強化樹脂製成的盔帽、與航天服幾乎一樣多層的手套，穿上金屬網眼的長統靴，就是完整的阿波羅航天服了。
阿波羅航天服與過去的航天服相比，根本的差別是採用了便攜式生命保障系統，即將生命保障系統固定在背上，以進行供氧、二氧化碳的淨化和排除體熱。
第四代
航天飛機上的航天員使用的
航天服可以說是第四代航天服了。在此之前，航天服是定做的，不僅開發和製作上耗費巨資和時間，而且一件航天服只能用一次，已遠遠不能適應新的需要了。
航天飛機用的航天服不是定做的，它是根據人體的造型把航天服分成幾部分，分別被規格化為「特大」到「特小」幾種尺寸，然後成批生產，加工成現成的服裝。航天員只要從中選擇合身的各部分，重新加以組合就可得到一套滿意的航天服了。使用後，也不像過去那樣送進博物館，而是把航天服再分解，各部分清掃後再次使用，計劃使用壽命是15年以上。
在阿波羅時代穿好一身航天服需要1小時，現穿航天飛機用航天服(包括生命保障系統在內的艙外機動裝置)只要10～15分鐘就足夠了。新的生命保障系統可在長達7個小時內向劇烈消耗體力的航天員供給必要的氧、冷卻水、電力。不僅如此，頭盔內側還可供給500毫升的飲料和少量的航天食品。 至於大小便的處理，在進行艙外活動前，必須在艙內大便完畢，而小便可以在航天服中排泄，因為配備了尿抽吸裝置。還只有供男性使用的裝置，女性用的(尿布型)正在開發之中。將來，女航天員也不用為排尿擔心了。
為了迎接空間站時代的到來，美國航宇局正在致力開發新的航天服。儘管建造空間站穿着航天飛機用的航天服也可以，不過進入太空活動前，航天員還先要做準備工作。即必須呼吸純氧4個小時，或在氣壓為0．69毫米汞柱的艙內呆上大約12個小時，然後再呼吸純氧40分鐘，目的是將體內的氮排出，同時使身體適應低壓環境。如果不做這樣的準備工作，由於航天服內只有0．3個大氣壓，體內氮因急驟減壓而形成氣泡，會使航天員患與潛水員一樣的沉箱病。顯然，這種航天服難以適應今後在太空中頻繁活動的需要。據美國航宇局預測，太空時代，每個航天員每年需在太空中工作1000小時，為此要求航天服不但耐用，而且要大幅度降低成本。
與過去的航天服相比，外觀上有明顯的不同，全身是金屬鎧甲那樣的剛性結構，僅關節部分是可折皺的軟結構。這種航天服的內壓可提高到0．54個大氣壓，所以航天員穿這種新航天服進入太空之前不需要準備過程，也不用再為沉箱病擔心。但是，內壓提高使這種新航天服變得笨拙，運動性差。已試製成的這種航天服重達90千克，穿在身上根本無法在地面上行走。所幸的是，在太空中，重力變小了，宇航員不用費很大的力氣。不過，重力變小了，質量還是沒變具有和原來一樣的慣性，所以宇航員不能快速移動。
航天服的製造和發展時間還相當短，未來的航天服將更適合人類航天和在太空生活的需要!
新款航天員服裝
2016年10月16日，執行神舟十一號載人飛行任務的航天員景海鵬、陳冬，身着新款航天員秋冬常服，這是航天員系列化服裝的首次亮相。
新款航天員服裝在設計中充分考慮了服裝的穿着場合、功能、美觀、舒適和工效學要求，從藝術設計、材料選用等方面進行了多次論證，較好展示了航天員良好形象和職業特點。
航天員穿着的秋冬常服主色採取航天傳統的藍色系，不同深淺藍色系的組合設計源於天際線和太空的色調元素。胸前藍色「V」形圖案，寓意着每一次任務的圓滿成功，展示了航天員威武莊重的氣質。秋冬常服採用中厚型毛紡面料，折皺恢復性好，適合常服穿着的外觀要求。[1]
宇航服的特點
第一，最大特色是「移動性」更好，更加靈活。宇航員從國際空間站出艙進行太空行走時，下肢活動較少，而在月表行走並展開科研活動時，下肢活動更多。新宇航服的設計充分考慮這種需求，其加壓服下半身安裝了多個關節軸承，允許臀部彎曲和旋轉，膝蓋處有更大彎曲度，並採用了類似登山靴的柔性鞋底。
第二，新宇航服的安全性和防護能力大幅提高。安全永遠是人類太空任務的「重中之重」，這種新型艙外宇航服可在零下約157攝氏度至零上約121攝氏度之間的溫度條件下保護宇航員，使他們不受輻射、月塵和微流星體侵害。
第三，新宇航服採用模塊化設計，方便在長時間探索任務中更換組件。例如其頭盔採用了可快速更換的防護面罩，如果出現表面破損、凹陷或刮傷等問題，可以單獨更換防護面罩，無需將整個頭盔送回地球維修。
第四，新宇航服提升了舒適性。在美航天局約翰遜航天中心，研究人員對運動中的宇航員進行全身3D掃描，根據3D動畫模型設計組件，最大程度保證了宇航服的舒適性，降低了可能對皮膚造成的不適。[2]
宇航服的功能
宇航員整體上看，有以下五個功能：保持宇航員體溫；保持壓力平衡（使太空人承受的壓力與在地球上的相似）；阻擋強而有害的輻射（如來自太陽的輻射）；處理宇航員的排泄物；提供氧及抽去二氧化碳。
航天服從功能上看，航天服有艙內航天服和艙外航天服兩種；美國和俄羅斯使用的都是軟硬結合式的航天服。無論哪種航天服都由多層組成，它們互相連接形成一個整體服裝，但要求各層的質量要高、要輕、不能過厚，以避免影響航天員的行動。[3]
宇航服的結構組成
結構層數
艙外航天服
航天過程中保護宇航員生命安全的個人防護救生裝備，又稱宇宙服或航天服。宇航服能構成適於宇航員生活的人體小氣候。它在結構上分為6層：
內衣舒適層：宇航員在長期飛行過程中不能洗換衣服，大量的皮脂、汗液等會污染內衣，故選用質地柔軟、吸濕性和透氣性良好的棉針織品製做。
保暖層：在環境溫度變化範圍不大的情況下，保暖層用以保持舒適的溫度環境。選用保暖性好、熱阻大、柔軟、重量輕的材料，如合成纖維絮片、羊毛和絲綿等。
通風服和水冷服（液冷服）：
航天服在宇航員體熱過高的情況下，通風服和水冷服以不同的方式散發熱量。若人體產熱量超過350大卡/小時（如在艙外活動），通風服便不能滿足散熱要求，這時即由水冷服降溫。通風服和水冷服多採用抗壓、耐用、柔軟的塑料管制成，如聚氯乙烯管或尼龍膜等。
氣密限制層：在真空環境中，只有保持宇航員身體周圍有一定壓力時才能保證宇航員的生命安全。因此氣密層採用氣密性好的塗氯丁尼龍膠布等材料製成。限制層選用強度高、伸長率低的織物，一般用滌綸織物製成。由於加壓後活動困難，各關節部位採用各種結構形式：如網狀織物形式、波紋管式、桔瓣式等，配合氣密軸承轉動結構以改善其活動性。
隔熱層：也叫真空隔熱層。宇航員在艙外活動時，隔熱層起過熱或過冷保護作用。它用多層鍍鋁的聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜並在各層之間夾以無紡織布製成。各膜之間用網絡物隔開，貼在一起形成屏蔽。它有良好的隔熱和防輻射作用，艙外航天服必須有這層。
外罩防護層：是宇航服最外的一層，要求防火、防熱輻射和防宇宙空間各種因素（微流星、宇宙線等）對人體的危害。這一層大部分用鍍鋁織物製成。這個外套要求防磨損力強、耐高溫，除能防護內部各層不受損壞外，還要注意到顏色，一般用白色或金黃色為好。
與宇航服配套的還有頭盔、手套、靴子等。
艙內航天服採用頭與軀幹肢體服裝連為一體的
宇航員在艙外工作
「軟式」類型結構和開放式通風供氧方式，它由壓力服裝、頭盔與手套、應急供氧和通風管路等組成。
壓力服裝由軀幹肢體服、壓力調節器、壓力表及頸部防水隔膜組成。其中軀幹肢體服與頭盔盔殼是由氣密層和限制層組成，它具有可操作性能，用來維持服裝的氣密、承受服裝壓力、保持人體形態不變；壓力表則放置在航天服的左前臂，用於指示服裝內壓力。通常在座艙正常壓力下，航天員穿着服裝，關閉面窗進行呼吸時，保證能呼吸到外面的空氣。壓力調節器在飛船壓力應急條件下，控制艙內航天服內規定的絕對壓力。在常壓下可通過手動關閉，對服裝進行加壓，以便檢查服裝的氣密性。當服裝壓力超過規定的壓力時，能自動放氣。
在壓力服裝的研製過程中，關鍵技術是氣密性，要防止在工作壓力下，總漏氣量≤1升/分鐘，服裝的穿脫口處的氣密拉鏈是關鍵技術。
頭盔和手套航天員在航天飛行中所戴的頭盔
航天服，不僅能隔音、隔熱和防碰撞，而且具有減震好、重量輕的性能。頭盔為軟盔殼，與壓力服裝連成一體，緊貼在航天員頭盔盔殼裡面的是通風襯墊，具有隔熱和消聲作用。 頭盔面部的面窗是為了給航天員提供良好的視野，以便可以看到飛船內外的景象。為了擴大面窗左右視野，增加人面部盔腔空間，提高面窗防霧效果和觀察舒適，面窗設計為等壁厚的橢球面結構。面窗啟閉結構採用手動、雙自鎖、保險式機械結構，內表塗覆長效防霧劑，連同頭盔通風結構，防止面窗結霧。 航天員戴的手套由壓力手套、腕部斷接器和舒適手套組成。其中壓力手套又由用於承受掌部張力和限制掌部加壓後鼓脹的掌部限制組件和採用織物手套雙面浸天然乳膠成型的掌指壓力手套以及腕關節組成。腕部斷接器和舒適手套都有其特殊的作用。
應急供氧通風組件，通風組件採用管道式結構，通風氣體從軟管經風量分配盤進入服裝，風量按比例送至頭部和四肢末端，經周身各處後，匯流到腹部，最後由壓力調節器流出服裝。
在飛船座艙壓力應急時，提供通風供氧組件對頭盔內供氧氣，用以保障航天員呼吸用氧和壓力服內頭、頸部通風散熱、清除或稀釋呼出氣體排出的水分及CO2。當飛船座艙壓力正常情況下，航天員穿着壓力服待命時，全身通入座艙空氣，用以供氧、清除CO2和水分以及通風散熱。
通信頭戴通俗地講起到對講機的作用。提供航天員穿着壓力服時，在飛船發射、軌道壓力應急和返回過程中的通話。同時，具有很好的保護航天員聽覺器官免受噪聲危害的功能。
通信頭戴裝置由防噪聲耳罩、堅固耐用的送話器、網狀結構的通信帽套以及保證可聽聲壓級的語音放大器組成。[4]
宇航服的穿着方法
航天員穿戴艙外航天服有一套嚴格的步驟和順序，而且不同型號的航天服穿脫的順序也不一樣。我們這裡以美國航天飛機艙外航天服為例進行介紹。
穿強力吸尿褲。
穿液冷通風服。
帶上生物電子聯結裝置。在這種裝置上有測量航天員心率的傳感器和與外界進行通話聯絡的電子設備。
一些小的操作程序，包括在頭盔面窗裡面塗上防霧霜，在服裝左側袖子的手腕處裝上一塊小的反光鏡，在服裝上身前胸部位裝上一個小食品袋和一個飲水袋，在頭盔上裝上照明燈和電視攝像頭，最後是將通訊帽與生物電子聯結裝置聯結在一起。上述四步都是穿服裝前的準備工作。
穿服裝的下半身。下半身有不同尺寸，可供不同身材的航天員選用。下半身服裝的腰部有一個大的帶軸承的關節，為航天員彎腰和轉身提供方便。
穿服裝的上半身。在穿上半身之前，應先將氣閘艙的冷卻臍帶管插入服裝胸前的顯示控制盒的接口上，以便向服裝內提供冷卻水、氧氣和電力。因為航天飛機氣閘艙內僅有2.0米高，直徑1.6米，兩名航天員在裡面穿航天服顯得非常擁擠，因此航天服的上半身是掛在氣閘艙壁的支架上。這樣一來當航天員要穿服裝上半身時，必須蹲下身體，手臂向上伸，採取一種跳水運動員跳水的姿勢鑽進服裝內。服裝上下身穿好以後，將密封環聯接在一起，然後將各種供應管線與服裝相接。
戴上通訊帽、頭盔和手套。一旦戴上頭盔和手套以後，航天員就不能呼吸氣閘艙內的空氣，而是通過臍帶呼吸從航天飛機軌道器提供的氧氣。
向服裝加壓，並由航天員對服裝進行測試，目的是保證服裝不漏氣，而且內部壓力穩定。測試的重點是氣體流量、冷卻水和電池的功率。
開始呼吸純氧，進行吸氧排氮。即將體內的氮氣排除，目的是預防減壓病。
關閉氣閘艙的內艙門，氣閘艙進行減壓。當氣閘艙內的壓力降低到零時，打開氣閘艙的外艙門，同時航天員應將服裝與氣閘艙的所有聯結斷開，將安全帶的掛鈎勾在艙外的固定杆上，這時航天員即可出艙進行太空行走。[5]
宇航服的設計要點
據美國《心理牙線》雜誌4月2日報道，如果沒有航天服的保護，宇航員根本無法在環境惡劣的太空中生存。從概念到原型再到最後投入使用，與航天服有關的很多東西可能是你不知道的。為了幫助讀者了解航天服，《心理牙線》雜誌採訪了美國宇航局約翰遜航天中心先進航天服設計團隊的航天服工程師林賽-艾奇遜，披露了航天服設計過程中的一系列秘密。
設計師需具備一系列技能
艾奇遜表示航天服設計師需要具備一系列技能，尤其是創造力和批判性思維。她說：「你需要關注細節，提出非常精細的測試計劃。在與人類測試人員合作時，你不得不設計一種測試，獲得測試者對你的設計的具有建設性的反饋，例如舒適度。如何定義舒適度?你必須站在工程學的角度考慮這個問題，設計和製作穿着舒適的航天服。」航天服需要具有創造性，將不同領域的技術融合在一起。
按任務要求設計
艾奇遜表示設計一款新型航天服時，宇航局的工程師必須回答兩個問題，即「要去哪裡?」和「要做什麼?」，幫助他們確定航天服的結構。工程師的設計工作首先着眼於宇航員將要前往的太空區域。目標區域分為兩種，一個是微引力區域，一個是行星環境。工程師根據目標區域的具體環境決定航天服賦予宇航員擁有多大的機動能力。此外，工程師還要考慮宇航員將要面臨的輻射水平、溫差以及微流星體風險。
接下來，工程師必須考慮宇航員將從事何種任務這個因素。例如，是否要用手移動身體?是否會處在微重力環境下?是否用腳行走?是否要登陸行星表面?是否使用工具進行挖掘?是否使用工具帶攜帶各種工具和利用上肢執行任務?是否需要具備自治能力?艾奇遜表示：「如果你要登陸行星表面並且是距離地球很遠的星球，你需要研發更多技術，讓航天服具備自治能力，允許宇航員具備艙外活動能力。如果是在空間站，你會與飛行控制人員進行大量直接接觸。在這種情況下，我們可以放棄一些信息技術，讓飛行控制人員幫助我們。」
新航天服需要新靴子
人們最熟悉的航天服可能要屬艙外機動套裝(EMU)。這款航天服在設計上用於微重力環境，允許宇航員用雙手完成各項任務。為了讓宇航員具備維修國際空間站、太空望遠鏡和進行太空行走的能力，EMU航天服在設計上讓宇航員的肩膀、雙手和手臂部位擁有很大的機動能力。艾奇遜表示：「你利用航天服的下半部分穩定身體，讓你在機械臂末端上時擁有一個穩定的工作平台。如果身體搖搖晃晃，你幹不了任何工作。」
包括Z-2在內的新航天服針對行星環境設計。艾奇遜和其他設計師用了很長時間設計腕部和胯關節以及靴子。她說：「這是『阿波羅』號任務後我們第一次設計靴子。在不同於地球的引力環境下，你的行走方式會發生變化。我們正在設計適於在火星或者月球表面行走的靴子。EMU採用的是硬底靴，新航天服的靴子與之截然不同。」
為了確定何種靴子最適合新航天服，艾奇遜在2008年對不同靴子進行了大量行走測試。她說：「我們在不同重力環境下測試靴子。測試就像在跑步機上行走一樣，由於索具支撐航天服的重量，你會覺得自己就像在重力為地球3/8或者1/6的表面行走一樣。」。研究小組在航天服下肢部分安裝一系列運動捕捉標記，分析足部、腳踝以及臀部在不同重力環境下如何移動。她說：「我們在測試中發現人們在不同重力環境下行走時往往臀部搖擺，就像飛跑一樣。通過對此進行研究分析，你能夠確定靴底柔軟度和硬度需要達到怎樣的程度才能降低行走難度。」研究小組仍在對設計進行評估，關注焦點是一款適於徒步旅行的靴底。艾奇遜說：「這種靴底的前足部位較硬，中足部位較為柔軟，適於需要跪下才能完成的任務。」
減輕重量是目標
EMU的重量達到驚人的300磅(約合136公斤)。不過，身處微重力環境下的宇航員並不會感受到這一重量。艾奇遜表示包括背包在內的阿波羅航天服在地球上重180磅(約合82公斤)，但在月球上只有30磅(約合14公斤)。穿上這種航天服時，宇航員的行動受限。新航天服的目標是讓宇航員在擁有很大行動能力的同時減輕重量。她說：「提高行動能力時，我們需要增加軸承等硬件，軸承很適於加壓服，但會增加重量。我們正在研究如何在添加硬件的同時保持航天服低重量的方式。我們將目光聚焦鈦材料，這種材料能夠讓軸承的重量減少大約30%。此外，我們也考慮採用新型合成材料，用於上肢、臀部以及較短部位。」艾奇遜表示新型航天服Z-2的重量將比EMU少大約20磅(約合9公斤)，並不算太輕。「不過，我們讓下肢擁有全部功能，這是以往的航天服所不具備的。」
設計工作從老型號着手
一旦確定「要去哪裡?」和「要做什麼?」這兩個問題的答案，工程師便開始設計工作。先進航天服設計團隊擁有至少30年的航天服設計經驗，包括航天飛機航天服以及阿波羅計劃的航天服。艾奇遜表示：「我們從測試這些航天服開始，了解不同的特徵。通過測試，我們得以確定不同肩部設計適於何種運動，了解不同的臀部和靴子設計以及穿着方式。是否需要拉鏈?諸如此類的事情。」通過測試老航天服，工程師能夠設計出滿足特定任務需要的航天服。[6]
宇航服是保護宇航員在太空不受低溫，射線等的侵害並提供人類生存所需的氧氣的保護服。
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