行星宇航服

最好的材料和最优秀的机械设计理念 　　帮助宇航服制造者在相冲突的工程要求中取得平衡。 　　NASA的宇航员返月计划，以及最终的火星旅行计划提出了一个服装设计方面的重要问题：宇航员究竟该穿什么呢？现在宇航员离开航天器对卫星以及其他设备进行操作时穿的宇航服，也就是舱外宇航服（失重宇航服），并不能满足宇航员在行星表面进行几个小时步行工作的要求。NASA 约翰逊宇航中心高级舱外宇航服计划的负责人Lara Kearney说，“最大的问题是灵活性。在行星表面，宇航员需要行走，移动以及弯腰。”行星服还应更加轻便，而普通宇航服，连生命保障系统的背包算在内，重量超过100磅，尽管火星上的引力小于地球，这样的重量对宇航员来说仍然是个沉重的负担。 　　由于在行星表面执行任务的时间要长于航天器的航程，新一代的宇航服还应更加坚固耐用。Kearney预言，在两次拆卸检修维护之间，行星服至少可执行100次或相当的外出任务，与之相比，舱外（失重）宇航服使用4、5次后就需要大修。然而，月球和火星上的尘埃将会使宇航服的维护更加困难。月球和火星表面均覆盖着大小介于滑石粉与粗砂之间的尘埃，月球表面的尘埃“粗糙的像碎玻璃一样，” NASA负责高级宇航服的高级工程师之一Joseph Kosmo这么形容。 　　为准备我们航天史上下一次重大飞跃，NASA的工程师们要求宇航服柔软部分的两个制造商——ILC Dover和D.Clark公司拿出行星服的样品。两家公司的样品有意识地用略微不同的方法设计，轻便、灵活，但它们的功能与压力舱并无二致。Kosmo强调，这些宇航服雏形均未达到使用要求。“我们还没有火星服，”他说，“我们只有一些技术，希望在火星上能用得着。” 　　然而就以它们目前的情况而言，这些宇航服雏形就已经使从事地面产品设计的工程师们获益匪浅。以ILC的I型宇航服为例，宇航服的旋转轴承所采用的顶尖的材料以及巧妙的机械设计减少了通常要在强度、重量、灵活性等方面的妥协和让步。“在我们的世界中，高强度和高灵活性通常是相互冲突的，而我们已经成功的使这些冲突减低到最小了。”ILC旗下I型宇航服的首席设计师David Graziosi这么说。 坚固与灵活并重 　　人所共知，宇航服需要在极端恶劣的环境下使用，但这些高科技服装还要承载巨大的结构负荷，这并不为大多数人所了解。Graziosi说，“宇航服要承受的结构负荷，特别是织物要承受的负荷，远超过大多数工程师的想象。” 　　他将这些负荷分为三种类型：第一种是由轴向和环向应力组成的压强负荷，轴向和环向应力主要是在宇航服充气加压到压强在4.3psi至8.3psi的范围内时产生的，操作压强的极低值和极高值的防护压强均在此压强范围之内。第二种是“等量人负荷（isometric manloads）”或指宇航员在宇航服内产生的对宇航服的作用力，这些力是在做一些简单的动作时产生的，例如制动膝部，或试图将手塞进一只过小的手套（NASA称之为“负型手套”）。最后一种是“卫星负荷（Satellite Loads）”，它是在宇航员手动操作宇宙空间内的大型设备时产生的。Graziosi指出，尽管处于失重状态，这些设备“仍然具有很大的质量和动量”而且由于宇航员一般不会轻易放弃昂贵的太空设备，在他们用力工作时巨大的应力将会由手套和脚部约束传递到宇航服的其他部分。 　　这三种负荷可能相互叠加。例如，宇航服的腕关节在推力测试中要承受860磅力的负荷，而手套的手指连接处的应力较之略小。Graziosi说，在最严重的情况下，宇航服承受的卫星负荷甚至接近2000磅力。为成功克服这些力，ILC设计宇航服时采用的安全因子是极限负荷的两倍。作为行星服，I型宇航服的结构设计的确足够坚固，但Graziosi表示，即使NASA并没这样要求，ILC还是将这套服装设计成像普通宇航服那样去承受载荷。 　　除了要满足结构强度的需求外，为了在火星上能够行走和工作，I型宇航服还应具有足够的灵活性。对于ILC的工程师来说，这就要求使各种扭矩最小化，这些扭矩是各关节在移动时产生的，而各种运动关节的活动范围NASA都有详细规定（见表）。尽管宇航服主要由各种结构元件组成，但是要满足以上的扭矩要求还是相当棘手的。正如Graziosi解释的那样，当充气达到宇航服的操作压强时，柔韧的织物会很快变僵硬。而且在压强作用下，结构约束会在将宇航服的各部分连接在一起的同时绷得很紧——如果将其想象成桥梁缆索而不是鞋带拉紧时的状态就可以明白了。 扭矩更小，强度更高 　　自1961年ILC制造出第一套阿波罗宇航服以来，其工程师主要以两种方法解决扭矩问题。他们通过增加三角形区域、卷曲、皱褶，以及其他特性织物使绷紧的织物更容易弯曲。他们还在腕部、臂部、肩部、腰部和臀部使用密封的旋转轴承。 　　I型宇航服在设计时，宁可将软、硬关节设计得更加精密，也不愿意采用全新的设计，所以，I型宇航服运动时的扭矩小于公司现有生产的的任何宇航服（见图表）。据ILC太空系统的负责人Phil Spampinato称，一些针对扭矩的改进非常精细，以至于甚至感觉不到它们。“你不可能总在讲述从前的故事。”“最后我们得到了这样一套可使宇航员工作更长时间的宇航服”。 　　在历史上，对更低扭矩和更高结构强度的追求并不仅限于机械设计方面，材料的选择也是一个必须考虑的问题。结构织物是在从阿波罗时代的尼龙到第一套舱外宇航服的聚酯的基础上发展起来的。几年前，舱外宇航服采用了Spectra材料。这种长链聚乙烯纤维的抗拉强度是聚酯的3～4倍，延展度仅为聚酯的1/6。ILC的工程师们采用这种材料制造的约束不仅坚固，而且薄到足以降低扭矩。Graziosi说，“织物更薄，相当于力矩更短”，符合工程的基本原则。 　　对于I型宇航服，ILC又一次把赌注下在材料方面，这次取代部分spectra材料的是用Vectran编织成的丝网，Vectran是一种液晶聚合纤维。Graziosi说，Vectran未必在强度和延展性方面强于Spectra，但它具有“更好的耐热性”，它可以承受高达300F的高温，而pectra只能承受150F的温度，而且Vectran还表现出更好的蠕变性能。Vectran的另一个卖点是其低廉的价格。ILC已将这种材料的其他产品广泛应用于为火星漫游者号（the Mars Rover）和其他宇航器制造的充气式着陆系统。 　　尽管如此，ILC并没有在整个宇航服的设计过程中都采用Vectran材料。在宇航服的躯干部分，以及结构限制层，Vectran材料与高韧性的聚酯粘在一起，这与舱外宇航服类似。“最高强度的织物并不总是最好的，”Graziosi这么评价。例如，我们希望宇航服柔软的上躯干部分具有一定的延展性，以避免负荷传递以及应力积聚。 减轻重量 　　I型宇航服设计的另一个关键因素是它的重量。舱外（失重）宇航服 “很重，因为它们重一点也没关系，”Spampinato这么说。但是对于行星宇航服来说每一盎司的重量都要算在内，而且ILC的工程师们已减轻了宇航服40％的重量。他们的I型宇航服原型除去救生背包和耐热层仅重65磅，而舱外宇航服重达107磅。 　　重量的锐减主要是由于使用了更轻的材料取代了原材料。ILC的工程师们把原来宇航服硬玻璃纤维制成的上躯干换成了更轻的织物制成的躯干。他们把宇航服上很多旋转轴承上大的不锈钢外壳换成了铝制外壳，仅保留了不锈钢的轴承滚道和滚珠——这样可以保证高的接触负荷。他们最后用钛取代不锈钢制作了40套转环和座圈，安装在宇航服结构约束连接处。 　　Graziosi指出，在以前的宇航服领域中，钛并没有扮演重要的角色，这是因为即使没有用昂贵的轻型材料替代钢材料，ILC的预算已经大得惊人了，而且，“钛在纯氧环境中的稳定性还存在一些问题”。在I型宇航服的重量方面，钛具有优势，其使用开始变得有意义起来。更加重要的是，据Graziosi说，在过去的几年中，钛元素的生产制造的成本也不如以前高了。他解释说，机械技术的进步缩小了钛和特种不锈钢之间的价格差距。他说，“当你考虑到机械加工成本的差异时，材料成本间的差异已成为次要矛盾了。” 　　I型宇航服还为另一种轻型材料提供了应用的空间。ILC的工程师们用石墨环氧树脂代替铝制造了此宇航服的一个大的肩部轴承外壳，减轻了约一磅的重量。Graziosi说，将所有的轴承外壳都换成这种材料就可减轻约十磅。他还说，“关于I型宇航服，我们的目标之一就是向世人证明我们能够使用较为廉价的轻型材料，而且我认为我们已经做到了。” 　　在压力作用下：一旦加压，宇航服的柔软部分和约束织物会紧得难以弯曲。因此宇航服设计者们在织物特性和密封旋转轴承的基础上设计了一套精密的可移动关节系统。 　　路漫漫 　　尽管I型宇航服看起来非常像一套完备的宇航服，但是距离NASA完成下一套行星服的最终设计还需要几年的时间。正如Kosmo所说，NASA的工程师们仍要做一些基本设计决策，如旋转轴承的数量和安装位置等。如D. Clark的宇航服原型，仅在腕部和手臂处设置了一个旋转轴承，而I型宇航服在臀部和肩部均设置了轴承。“很明显我们需要一些旋转接合，”Kosmo说，“但需要多少还没有确定。”NASA还要求宇航服中采用的任何新材料都要做更多的测试，不仅要做强度和热学测试，还要做广泛的化学药剂测试。宇航服本身也应在实验室和沙漠中进行测试。 　　最后，最终可以在火星上使用的宇航服所应用的技术很可能大多并不是来自I型宇航服，而是来自NASA及其供货商的研究。Kearney说，下一代宇航服还可能包含“多功能”材料，这种材料同时具有结构和热学方面的功能，可以减少整套宇航服的层数。Kearney表示，另一个引人注意的尖端领域是“织物开关”，或与触摸垫控制器相结合的织物。ILC已经开始研究这种技术，而且准备在这个月将其应用到I型宇航服上。这些织物开关将会用来完成各种任务，简单到打开宇航服头盔上的探照灯，或复杂到对机器人系统进行远程控制。ILC正在探索如何将基于手势或动作的控制与宇航服相结合起来。 与高级编辑Joseph Ogando联系，请发电子邮件至：j