新概念的生物航天服

　　在長(zhǎng)達(dá)40年的航天探索中，航天員一直穿著沉重笨拙的航天服行走在太空，美國(guó)麻省理工學(xué)院航空航天和工程學(xué)教授達(dá)瓦·紐曼（Dava Nean）博士和她的研究團(tuán)隊(duì)正試圖改變這一現(xiàn)狀。目前，一款頗有前景的新型航天服——“生物航天服（Bio-suit）” 原型亮相公眾，它輕便、平滑、緊身、時(shí)尚，而且具有較高的安全性，這種革命性的設(shè)計(jì)有望使航天員像眾所周知的“蜘蛛俠”一般，游刃太空。

　　一直以來，人們?cè)诜e極探索新概念的航天服，幻想有朝一日航天員能夠在太空中身輕如燕，輕盈若飛。早在二十世紀(jì)六七十年代，保羅·韋伯和索爾·伊伯貝爾就提出了超前的想法：韋伯第一次提出研制一種“運(yùn)動(dòng)型航天服”的理念，而伊伯貝爾則設(shè)想了非伸展性的襯里。但當(dāng)時(shí)無論技術(shù)還是材料都無法實(shí)現(xiàn)他們的構(gòu)想。

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院教授達(dá)瓦·紐曼（Dava Nean）博士和她的科學(xué)團(tuán)隊(duì)試圖改變這種現(xiàn)狀，在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）新概念協(xié)會(huì)的基金資助下開始研制新型航天服。通過7年研究，他們所研制的新型航天服原型終于和公眾見面。最近，紐曼博士就像是一位婷婷玉立的模特，在T型臺(tái)上親自向人們展示了這種最新的“生物航天服（Bio-suit）”——一種緊身而又時(shí)尚的航天服。但這種新型服裝要想真正在太空中使用，估計(jì)還需要10年的時(shí)間。紐曼期望美國(guó)未來的火星計(jì)劃能使用上她研制的航天服。

　　雖然大家都很羨慕航天員在太空自由漂浮的感覺，但是事實(shí)上他們卻要克服成倍于其體重的負(fù)荷，這一切主要?dú)w咎于傳統(tǒng)航天服的臃腫和笨重。航天服的生命保障系統(tǒng)、多層結(jié)構(gòu)及氣體加壓都為其增加了不少重量。即使是在微重力的環(huán)境下，航天員在移動(dòng)作業(yè)中也需將大約70％～80％的能量都用在“征服”這種臃腫和笨重的行頭上面，而且不可能做太多彎曲手臂或者腿部的動(dòng)作，致使航天員在太空的活動(dòng)非常受限，工作極為不便。如果消除了這些阻力，那么航天員的工作就非常輕松多了，就能更加揮灑自如、身形矯健了，也許常人“太空之旅”的夢(mèng)想也將不再那么遙遠(yuǎn)。

　　目前全世界只有美國(guó)和俄羅斯有艙外航天服，都重達(dá)150 千克。俄羅斯的航天服呈半軟半硬狀態(tài)，除了胳膊和腿部為軟材料制造外，其余部分全部為金屬材料，上下連成一體。穿著時(shí)，航天員須從航天服后背部位的開口處鉆到衣服里，然后，再用開口處的鉸鏈將航天服的后背部位合攏。而美國(guó)的航天服則由軟材料制成，分為衣服和褲子兩部分，航天員須分別穿好“衣”、“褲”，然后再用連接器將“衣”、“褲”連成一體。

　　氣體加壓技術(shù)是美、俄航天服的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，按照不同的設(shè)計(jì)要求，美、俄可分別使航天服內(nèi)保持0.28和0.4個(gè)大氣壓。由于美國(guó)航天服內(nèi)的氣壓較小，因此在太空行走時(shí)這種衣服的彎曲、伸縮性能更佳。但是，在0.28個(gè)大氣壓的環(huán)境里，航天服各部件和航天員身體所散發(fā)出的氣息會(huì)使密閉航天服內(nèi)產(chǎn)生較濃烈的異味。因此在穿著美式航天服前后，航天員須用較多的時(shí)間來清除航天服內(nèi)的異味和使航天服內(nèi)的氣壓恢復(fù)到0.28個(gè)大氣壓。

　　美、俄航天服表面的一些裝置也存在著差異。美國(guó)航天服上裝有微型航天發(fā)動(dòng)機(jī)，航天員可靈活地開啟發(fā)動(dòng)機(jī)，在空間站或飛船附近短距離地移動(dòng)。俄式航天服上沒有這種裝置，因而其總重量比美式航天服輕。

　　像“皮膚”一樣的生物航天服

　　這種新型的生物航天服以氨綸和尼龍為原材料，表面噴有一層可被生物分解的涂層薄膜，外形與電影中蜘蛛俠的服裝相類似。衣服質(zhì)地輕盈，具有緊身衣的高科技薄膜保護(hù)層，表面的涂層薄膜能夠在復(fù)雜和惡劣的太空環(huán)境中保護(hù)航天員抵御來自宇宙射線的威脅，宛如人體的“第二層皮膚”。新型的生物航天服采用高科技材料，所以比傳統(tǒng)式服裝更加輕便、平滑和貼身，最重要的是，它能夠充分保證航天員的靈活性。

　　除此之外，生物航天服還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　■量身定做，緊身時(shí)尚

　　為了使航天員身穿這樣的服裝能夠更靈活地工作，研究人員還繪制了在運(yùn)動(dòng)情況下人體皮膚拉伸的三維計(jì)算機(jī)模型。研究發(fā)現(xiàn)，在人的手和腳部存在一些曲線，在肢體彎曲的情況下沿著這些曲線的皮膚不會(huì)被拉伸，因此，可以在這些部位附加高強(qiáng)度的、不能被拉伸的材料做成受力架。從而，可以根據(jù)航天員的體形來定制航天服。

　　■安全性能更高

　　該新式航天服的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)便是安全性。如果傳統(tǒng)的航天服被小隕石或者其他物體刺破，就可能造成氧氣逃逸、氣壓驟減，航天員必須立即返回空間站或者總部。但對(duì)于生物航天服來說，單獨(dú)的一個(gè)小孔能夠被極其類似繃帶的東西包裹起來，航天服余下的部分并不會(huì)受其影響。

　　■幫助保持體形

　　在長(zhǎng)期的太空生活中，例如登陸火星，需要進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的旅途，生物航天服可以通過負(fù)荷鍛煉幫助航天員保持體形。航天員在太空工作時(shí)最多可失去40％的肌肉力量，但生物航天服在設(shè)計(jì)上卻能夠提供不同的抵抗力水平，允以對(duì)抗肌肉的萎縮。

　　除此之外，在生物航天服中還能內(nèi)置通信設(shè)備、生物傳感器和電腦以及用于太空行走等艙外活動(dòng)的攀登工具等。紐曼表示，生物航天服最終可能是一個(gè)“混血兒”，它將繼承傳統(tǒng)航天服的一些特性，比如氣壓軀干部分和頭盔、可以被安裝在背部的氧氣瓶等。

　　生物航天服的技術(shù)保障與傳統(tǒng)的航天服相比，紐曼的生物航天服可以說是革命性的。

　　■技術(shù)原理探究

　　傳統(tǒng)航天服主要通過加壓來抵消真空環(huán)境中人體的內(nèi)壓，而新式生物航天服并不采用氣體加壓技術(shù)，主要是依靠包裹在航天員身上的多層材料所產(chǎn)生的機(jī)械反壓力抵消真空環(huán)境中人體的內(nèi)壓，使航天服內(nèi)的空氣內(nèi)在壓力保持平衡，以保證航天員身體處于正常的狀態(tài)，便于工作和移動(dòng)，同時(shí)更安全。這種服裝的表面均勻地貼在人體的皮膚上，所以生物航天服類似一種“緊身衣”，它可以隨著身體的運(yùn)動(dòng)伸展，從而使航天員愈加自由和靈活。

　　這種時(shí)尚、緊身、伸展性能極佳的設(shè)計(jì)將徹底改變航天員的傳統(tǒng)形象，讓身穿這種超輕緊身航天服的航天員在月球或火星上靈活自如地行動(dòng)。

　　■關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用

　　在打造生物航天服的過程中，腿部和臂部的設(shè)計(jì)是生物航天服的關(guān)鍵技術(shù)之一，這兩個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì)無疑具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。在麻省理工大學(xué)的人－機(jī)實(shí)驗(yàn)室，紐曼的學(xué)生利用自己打造的運(yùn)動(dòng)中的人體3D模型對(duì)不同的包裹技術(shù)，以及移動(dòng)、彎曲、攀爬或駕駛飛行器時(shí)皮膚的伸展情況進(jìn)行了測(cè)試。

　　設(shè)計(jì)生物航天服的另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是打造什么類型的襯里。這些襯里應(yīng)當(dāng)不具有伸展性，例如，航天員移動(dòng)大腿的時(shí)候，加在皮膚上的襯里不會(huì)伸展。襯里的作用是提供一個(gè)類似骨架的支撐結(jié)構(gòu)，并在最大程度上保證航天員的靈活性。為了適于太空環(huán)境，生物航天服對(duì)航天員身體施加的壓力應(yīng)接近地球大氣壓的3倍，或者說大約30帕斯卡。當(dāng)前的原型施加的壓力大約在20帕斯卡左右，研究人員已將新原型的施壓值提高到25到30帕斯卡。

　　■打造循環(huán)小環(huán)境

　　在開放的太空中生物航天服應(yīng)該為航天員保障3個(gè)大氣壓，目前她們研制的樣品已經(jīng)達(dá)到了2個(gè)大氣壓。雖然改造后的生航天服將能達(dá)到2.5～3個(gè)大氣壓，但還不能用于航天員在太空行走�？茖W(xué)家的最終目標(biāo)是，在航天員與航天服之間實(shí)現(xiàn)像人與地球植物那樣的共生交互作用：航天員呼出的二氧化碳和水蒸氣，在航天服內(nèi)就能被重新轉(zhuǎn)化成為可呼吸的氧氣。

　　終極目標(biāo)——登陸火星

　　紐曼最大的心愿就是能夠在人類決定向火星發(fā)射考察隊(duì)之前，將生物航天服擺在航天員的衣柜里。上圖展示了一位登陸火星的航天員穿戴生物航天服的概念圖。這種新型生物航天服主要由一套彈性緊身服和一個(gè)增壓頭盔組成，航天員首先穿上具有彈性的生物航天服，然后再套上一層“硬殼”背心，背心上裝有一個(gè)便攜式生命保障系統(tǒng)，提供保障航天員生命環(huán)境的機(jī)械反壓力，氣壓自由流入頭盔，并通過置于服裝內(nèi)的氣管進(jìn)入手套和靴子內(nèi)部。

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