舱外航天服是如何工作的?

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秋天如约而至,天气渐凉,我们会多加衣物来免受寒冷的侵袭。“衣服”有时可以起到保护的作用。外太空中“危险重重”,如果没有穿航天服就走出飞船,那么——

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因为缺氧,你会在15秒甚至更短时间内昏迷。

2

因为外部气压很小或者气压为零,你的血液和体液可能“沸腾”,然后冻结。

3

由于沸腾的体液,你的组织和器官(皮肤,心脏和其他脏器)可能会膨胀。

4

你可能会面临极端的温度变化。例如,在阳光下,温度可能达到华氏248℉(120℃),在阴影下会迅速降至-148℉(-100℃)。

5

你会接触到各种类型的辐射,如宇宙射线,太阳辐射的带电粒子(太阳风)。

6

你可能会受到高速移动的微小尘埃、岩石(微流星体)或卫星及航天器碎片的撞击。

那么舱外航天服应该满足哪些条件呢?

1

有加压的环境;

2

给航天员供氧,同时去除二氧化碳;

3

即使航天员做很繁重的出舱活动和频繁进出阳照区和阴影区,也能保持舒适的温度;

4

在一定程度上保护航天员免受微流星体和辐射的伤害;

5

在航天服内,让航天员能有清晰的视线,能够轻松自如地移动,并能与其他人(地面控制员,其他航天员)交流。

2015年12月21日,NASA航天员在进行太空行走

关于航天服

航天员翟志刚身穿国产“飞天”舱外航天服进行中国首次太空出舱活动

事实上,航天服的研制是一个庞大的系统工程。

就像轮胎一样,航天服实质上是一个受到一层氯丁橡胶涂层纤维包裹的“膨胀气球”。对航天服的“气球”部分施加的限制向内部的航天员提供气压,这就好比在纸管内吹气球一样。航天服通过提供空气压力防止航天员的体液沸腾。

大多数航天服是在低于正常大气压的环境下工作的,因此,在航天员适应太空行走之前,必须降低航天飞机本身或气闸舱的机舱压力。否则,由于航天服和舱内的压力变化,太空行走的航天员会有患减压病的危险。

航天服内不能使用正常的空气——78%的氮气,21%的氧气和1%的其他气体——因为低压会使肺部和血液中氧气浓度变低,这是很危险的,就像攀登珠穆朗玛峰时一样。大多数航天服提供纯氧用于航天员呼吸。这些氧气或通过脐带从飞船或航天服生命维持系统中获取。

飞船和国际空间站里都有正常的混合空气,这些混合空气可以模拟地球上的大气环境。因此,在穿上航天服进行太空行走之前,航天员必须预先呼吸一段时间纯氧,清除血液和组织中的氮气,最大限度地减少风险。

NASA航天员完成国际空间站第200次太空行走

在航天服的狭小空间内,二氧化碳浓度有可能达到致命水平。因此,多余的二氧化碳必须从航天服中清除掉。航天服使用氢氧化锂罐来去除二氧化碳。这些过滤罐位于航天服的生命维持背包或航天器中。

为了应对极端的空间环境,大多数航天服都使用织物层(氯丁橡胶、涤纶等)以达到很强的绝热效果,并覆盖有反射外层(聚酯薄膜或白色织物)以反射阳光。航天员的身体会产生热量,尤其是在进行剧烈活动的时候。如果产生的热量没有及时消除,航天员产生的汗水就会使头盔蒙上一层水雾,而且同时航天员会严重脱水。在“双子星”任务中进行太空行走时,航天员尤金·塞尔南的体重就减轻了数磅。航天服采用了风扇/热交换器吹冷气或液冷服降温的方法来排走多余的热量,如水星和双子座计划就是使用前面一种方法,而液冷服降温的方式则从“阿波罗”计划一直使用到今天。

航天服拥有多层耐用织物,如涤纶或芳纶,以此来保护航天员免受微流星体的撞击。 这些织物层也能够防止航天服在飞船、行星或月球的裸露表面上意外破裂。

航天员张福林在太空行走

需要指出的一点是:航天服只能提供有限的辐射防护,其中一些防护得益于它内置的聚酯薄膜反射涂层,但是航天服对太阳耀斑的辐射防护能力不强。因此,太空行走常常要在太阳活动不剧烈的时间段进行。

航天服的头盔多是由透明塑料或耐用聚碳酸酯制成的。大多数头盔上都有反射阳光的覆盖物和用于减少眩光的有色遮阳板,其原理和太阳镜一样。在太空行走之前,头盔的内侧面板上都会被喷上防雾化合物。为了便于航天员能够看到阴影处的目标,现代航天服头盔都安装了照明系统。

在臃肿的航天服内,活动是非常困难的。为了解决这个问题,航天服的织物上配备了特殊的接缝或锥形设计,帮助航天员手、手臂、腿、膝盖和脚踝能正常地弯曲。

俄罗斯航天员谢尔盖·梁赞斯基在进行太空行走

航天服配有无线电发射器/接收器,这样太空行走的航天员可以与地面控制器或其他航天员进行交谈。 航天员还佩带着带有麦克风和听筒的耳机。发射器/接收器放置在航天员的胸包/背包里。

在失重环境下,如果你推动某个物体,你就会朝着相反的方向飞去。早期太空行走的航天员报告了很多关于运动时位置保持的问题。当他们试图转动扳手时,他们就会飞向相反的方向。因此,航天器上都配备了脚限制器和扶手,以此帮助航天员在微重力环境下作业。此外,在执行任务之前,航天员会在地球上利用中性浮力水槽练习太空行走。

在休斯顿中性浮力实验室,4位航天员在哈勃维修任务中对哈勃望远镜进行水下模拟维修

NASA还开发了一些航天服机动装置,这些装置可以使航天员在不受航天器的束缚下在太空中自由移动。其中一种被称为载人机动单元(MMU),是一种带有操纵杆控制的气体推进器动力椅。NASA还开发了一种可以背在身上的氮气推进装置,称为“舱外活动简便救援装置”(SAFER)。当航天员和航天器分离时,这种装置可以帮助航天员返回飞船或空间站。 SAFER可装载1.4千克的氮气推进剂,并可以将航天员的速度最多改变约3米/秒。

来源:太空梦想