极简科学课 | 揭秘全新一代“飞天”舱外航天服

来源:中央纪委国家监委网站发布时间:2021-06-17 21:00
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中央纪委国家监委网站 王小宁

神舟十二号载人飞船发射圆满成功。新华社记者 李刚 摄

6月17日9时22分,神舟十二号飞船搭载着三位航天员升空进入预定轨道。三位航天员将在空间站驻留3个月时间,开展多项太空任务,其中身穿全新一代“飞天”舱外航天服执行出舱活动将是标志性任务之一。舱外航天服与舱内航天服有何不同?与之前的舱外航天服相对比,全新一代“飞天”舱外航天服在设计中又增添了哪些元素?承担全新一代“飞天”舱外航天服工业设计的,是湖南大学设计艺术学院助理教授罗建平领衔的智能装备科研团队。让我们一起来听他们揭秘全新一代“飞天”舱外航天服。

 

舱外航天服技术是一个国家载人航天实力的重要体现

从应用类型来分,航天服主要分为舱内航天服和舱外航天服两种类型。舱内航天服主要用于载人飞船发射和返回过程中保护航天员,在航天器出现失压等状态的时候,自动充氧充压,保障航天员的生命安全。舱外航天服(以下简称舱外服)是出舱活动的关键装备、浓缩的载人航天器,是出舱活动中保障航天员工作能力和生命安全的太空个体防护装备。目前国际上能完全独立掌握舱外航天服设计和研制技术的国家只有中国、美国、俄罗斯三国。

出舱活动(Extra Vehicular Activity,简称EVA)是载人航天的关键技术,其主要任务和作用包括轨道航天器(如轨道空间站)的建造、维护维修;航天器(如卫星等)的在轨释放、捕获和维修;空间站任务应急故障处置等。舱外服主体部分主要由服装躯干、航天头盔、压力手套和航天靴四个部分组成。舱外服从服装结构和材料上来分类,可以分为软壳式、硬壳式和软硬结合式的舱外服,其中软硬结合式的舱外服是目前国际上应用广泛而成熟的类型;从舱外活动的任务来分类,舱外服可以分为空间站舱外服和地外星球表面(月面)舱外服。

左图为中国航天员穿舱外服执行出舱任务,右图为阿波罗(Apollo 14)月球出舱任务

 

全新一代“飞天”舱外航天服(水下训练版)(图片来源:中国军视网)

湖南大学设计艺术学院助理教授罗建平领衔的智能装备科研团队承担了全新一代“飞天”舱外航天服的工业设计任务。设计团队主持了舱外服的外观设计、人—服交互系统设计等工作,并全程参与完成了航天服研制与测试过程。在航天服的研制过程中,设计团队引入工业设计理念,同时将航天科技美学、人性化等要素融入其中,是对中国航天服技术的先进性和人类航天梦想的综合诠释。

 

全新一代“飞天”舱外航天服更具人性化、可靠性、科技感

 

全新一代“飞天”舱外航天服 (图片来源:中国航天报微博)

“飞天”舱外服总共有6层,具备防辐射、温度调节和压力调节等功能,还有完备的生命保障系统。保护航天员在舱外活动时的生命安全以及保障航天员在太空环境中的工作效率是舱外服两个最主要的功能。

微重力、高真空、强宇宙射线辐射、高频率的明暗周期变化(温度变化、光照变化)等舱外作业环境特点会对航天员产生直接影响。根据NASA的官方研究数据,微重力环境下航天员的骨骼肌肉和心肺系统等生理系统的功能幅度比地面降低10%甚至更多。此外,太空环境影响人效能的关键部分——视觉、前庭、听觉、触觉、本体(感知身体运动或位置),容易导致空间失定向、动眼神经功能改变和主动视觉退化、手动控制以及平衡和运动障碍。

穿着舱外服、在肢体运动受限的状态下,航天员需要高负荷、高强度、长时间完成出舱作业任务,单次出舱活动时间一般在6-8小时,遇到的困难和挑战可想而知。由于舱外服采用多层织物结构,关节处采用铰链、轴承等刚性结构连接,且内部充有气体制造压力,这些因素导致对航天员肢体运动的限制,使得航天员在穿上舱外服时,肢体关节的自由度和运动范围受限。尤其是在戴手套加压的条件下作业,手指触觉的敏感度和手指灵活度明显下降。

如何解决这些问题呢?从2013年开始,设计团队就以人-服装-环境系统为研究对象,将心理学、人体测量学、人因工效学等有关学科的知识应用于舱外服设计中,使之与人的生理和心理特点相适应,以提高整个系统的效能,维持和增进航天员的安全、健康和工作的舒适感。

“为了使航天服在太空环境下体现出更高的可靠性和人性化特征,在现有工程技术基础上,我们在设计过程中充分考虑了航天服前面部分电控台、气液控制台等操作界面的人因工效学设计,使航天服的操作动作和信息识别更加迅速、准确。”罗建平介绍。

人性化,可靠性,更加具有科技感、同时具有中国的审美识别性,这三个设计理念在全新一代“飞天”舱外服设计中体现得淋漓尽致。伴随着神舟十二号飞船顺利升空,我们将在探索太空的道路上越走越远,开拓创新、飞天逐梦的每一步也将会越走越坚实。