“飞天”舱外航天服的发展与演变

2021-11-05 09:46:56


2008年9月27日,我国航天员进行首次太空行走,中国研制的第一套舱外航天服“飞天”第一次在距地球300多公里的茫茫太空“亮相”。


据中国载人航天工程办公室消息,截止北京时间2021年7月4日11时02分,航天员刘伯明、汤洪波身着中国自主研制的新一代“飞天”舱外航天


服,已先后从天和核心舱节点舱成功出舱。


第二版 舱外航天服飞天简介


舱外航天服类似一个小飞行器,因为它有自带供电、气源、制冷和空气控制等技术,能独立实现环境控制和生命保障。


我国研制的“飞天”舱外航天服每套总重量120公斤,造价约3000万元人民币,可靠系数0.997,可在太空环境下工作4小时,具有环境控制与生命


保障及舱外通信功能,各项技术指标完全满足“神七”飞行任务需要。


在“神七”气闸舱里,有2套舱外航天服,分别为我国研制的“飞天”舱外航天服和俄罗斯研制的“海鹰”舱外航天服。


舱外航天服主要由头盔、服装、手套和靴子组成,其主要功能有:空间环境防护,包括真空压力防护、空间热防护、空间辐射与微尘流防护;


工效保障,包括操作工效保障、视觉保障;环境控制与生命保障,包括供氧调压、通风净化、主动遥控等。


在技术上,舱外航天服的研制主要有以下几个难点:活动密封技术、高度集成、安全可靠性设计技术、地面模拟试验。之前,只有美、俄两国


有舱外航天服。


航天服的左臂上印着鲜红的国旗,右臂上有两个大字:“飞天”。,“飞天”是中国研制的第一代舱外航天服,整体设计和各部件的设计、组装都


是中国人自己完成的。就完成目前任务的能力而言,接近国际水平。


第三版 舱外航天服的内部构造


如果忽略“暗藏”在航天服上的种种“机关”,“飞天”很像一件加厚、特大码的羽绒服。服装通体纯白,躯干像盔甲,四肢像面包。从上到


下依次是头盔、上肢、躯干、下肢、压力手套和靴子,背上还有一只1.30米高的大背包。


那么,舱外航天服的内部构造是怎样的?


从内到外,舱外服分为6层:由特殊防静电处理过的棉布织成的舒适层,橡胶质地的备份气密层,复合关节结构组成的主气密层,涤纶面料的限


制层,通过热反射来实现隔热的隔热层,以及最外面的外防护层。外层的防护材料可耐受正负100摄氏度以上的温差变化,堪称国内最贵的服装


面料。 服装上肢(袖子)和下肢(裤腿)的长度可以根据每个航天员的身长进行调节。通过调节大小,一套航天服可以用于不同身材的航天员


,身高1.60米-1.80米的人都可以穿。


——最里面一层是舒适层,它是用特殊处理过的棉布制成,最大特点是绝对不起静电,因为舱外服里面是纯氧,一有静电就会着火。

——备份气密层,由1毫米左右的橡胶板构成,与上肢等关联结构粘贴在一起,形成相匹配的形状。

——主气密层,这一层所用的橡胶布的气密程度是滴水不漏。它是个整体结构,完全覆盖服装主要的关节结构包括躯干、背包。它既要能充气


加压,又不能让服装过于膨胀,还要让各关节活动自如,技术难度非常大。

——限制层,是用强度很高的材料构成,因为无论是备份气密层,还是主气密层,承受的压力是很小的。可以说,限制层是主承力层。

——真空屏蔽隔热层,它由5-7层涂铝的聚酯薄膜构成,各膜之间用网络物隔开,贴在一起形成应对真空温差、辐射等恶劣环境的强大屏蔽。

——外防护层,是一种特殊的纺织面料,目前是国内最昂贵的布料,可以在温度±100℃之间保持完好无损,耐磨损、反射性强,太阳光照射上


去后都反射回去了,吸收很少。


第四版 “飞天”的整体结构


头盔:面窗细分四层


“飞天”头盔的制作材料由黑龙江一家科研院所提供。头盔的面窗共有4层,其中两层充压结构间将被充入高纯氮气。外面还有一层防护面窗,


再外层则是滤光面窗。滤光面窗对太阳光的折射率很低,一旦航天员迎着高强光照面,就可拉下这层面窗。

头盔的两侧还各有一个照明灯,能够照亮服装的胸前部分,这有利于航天员在光照不足的阴照面操作。

与照明灯一样位于头盔两侧的还有报警指示灯,一旦服装出现意外,报警灯就会闪起,并能发出语言报警。

此外,“飞天”头盔上还装有摄像头,可以拍摄航天员出舱操作时的情景。

飞天头盔的优点在于其视野比其他同类产品要大,这在制造技术上要求很高,相关的科技人员花费了数年时间才攻下头盔制造的难关。


前胸设备:通过手腕反射镜操作


“飞天”舱外航天服的前胸是其“大脑”所在。


服装胸前的电控台是电器系统的核心,内有服装加电、泵、风机、数管、照明、电台开关、OLED显示器、机械式压力表等设备。


与电控台相邻的是气液控制台,它控制着服装气路和液路系统的核心部件,里面有20多个阀门,以保证正常供氧和应急供氧,切换主备氧气瓶


和气体压力主备设施。


“飞天”服装前胸的操作开关有10多个,其中的消声键可以两用,包括消除警报声,以及显示器在两个屏幕中切换。


有趣的是,因为视野所限,航天员并不能看到胸前和腰胯部的设备,只能通过两只手腕上的反光镜反射进行操作。


手套触觉:灵敏度可捡铅笔


“飞天”航天服的肩、肘、腕三个上肢关节是气密轴承装置,双层密封但能转动,其中有专用的调节带,可以调节尺寸适合不同人穿用。因为


出舱活动主要靠上肢,所以下肢的膝、踝关节活动能力没有上肢要求高,但下肢和裆部都有多处调节带。


“飞天”航天服的手套在指尖部分只有一层气密层,可以保持触觉。这些手套分不同型号。制造时将14个人的手部数据利用三维扫描技术,制


造出适合亚洲人的手套,分大小号,其灵敏度可以帮助航天员握住25毫米如铅笔般粗细的东西。


挂钩双绳:舱外活动交替使用


“飞天”航天服上有两根脐带,其中01号脐带长8米,02号脐带长4米。这种脐带将航天服与飞船连接在一起,航天员出舱后,在自主模式下并


不用电脐带,但一旦出现意外,作为应急供氧管的脐带就会发挥作用。


航天服上的2个安全挂钩对于这次任务非常重要。航天员出舱时,挂钩可以起到安全防护作用,使航天员出舱不脱离舱体。


这两个挂钩上的绳子一长一短,一根3米,一根1米。1米的绳子承重1吨,由于比较短可以防止缠绕,它呈折叠状,一旦在外力作用下展开,就


表明航天员已经离开飞船。另一根3米长的绳是弹簧绳,可拉长,也能承受1吨重。


具体操作时,出舱的航天员要交替使用两个挂钩,像攀岩那样才能实现舱外活动。


穿衣程序:自下而上


上天后航天员要将挂在气闸舱壁上的服装产品从支架上取下,放在服装架上,解包,检查,进行组装。


穿衣时,航天员先坐在舱外服背包门框上。背包两侧是供氧部件,航天员先把下肢穿好,把服装与液冷服连接。液冷服能散热70%-80%,是弹性


网状织物制成并带有帽子,在网格之间穿有注满水的软管,软管结构主要集中在人体头部、躯干、大腿等部位。液冷服的肩肘和腰部等怕凉的


地方都加了特殊的羊毛毡进行防护。


飞天航服:可用五次


“飞天”航天服的每一处设计极其讲究,小到一个襻扣都要考虑实际应用。据专家介绍,我国自行研制的“飞天”舱外航天服因为不带有制动


装置,所以与美国航天服不同,而接近于俄罗斯航天服。


这套服装可以重复使用5次左右。但据消息人士称,神七的飞行任务中,“飞天”舱外航天服将留在气闸舱中留轨,不过其中的手套要带回。


第五版 舱外航天服中的精密技术


躯干壳体:保护生命的盔甲


躯干壳体是舱外航天服的主体,是航天服的装配集成中心,各种设备、仪器都要与之连接,是舱外航天服研制的重中之重。


舱外航天服躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构,与背包系统装配后共同承受地面运输、上升段的各种载荷,具有压力防护、载荷支撑、密封等功


能,是名副其实的航天员的生命“盔甲”。神奇的是,这副“生命盔甲”的躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构,壁厚仅1.5毫米。


呼吸系统:进出气关口


舱外航天服上有呼吸系统,这是为航天员自动供给人造空气、排出废气、调节安全气压和净化航天服内异味的关键系统,关系到航天员的生命


保障和呼吸舒适度。


据悉,舱外航天服内的空气质量,既能自动将多种气体混合成人造空气,又能及时自动排除人体废气,还能自动将服内气压控制在安全范围值


以内,并能自动净化服内异味,保证呼吸舒适度。


电脐带:万无一失的生命通道


在航天员离开“神舟七号”走向神秘太空时,与飞船连接全靠一条“电脐带”,这个包括航天服电缆网、挂包电缆网和航天服气压调节行程开


关等在内的系统均承担着向航天服各组成部分供电和传输信号的重要使命。


“电脐带”还是一根可以随时把航天员拉回舱内的“绳子”,其上的脐带数据处理器可以将采集到的航天服、舱载设备信息实时传送给飞船的


数管分系统,并将自身的信息通过测控通信传回地面。这样,航天员在太空行走的安全性得到了充分的保障。“电脐带”的柔软度如同普通的


胶质水管一般,良好的柔软度保证了航天员在太空活动灵活自如。


第六版 中国舱外航天服三大优势


中国研制的舱外航天服有自己的优势,主要表现在三个方面:


首先,中国的舱外航天服采用更多数字化技术,在信息采集、数据传输等方面均采用数字化手段。


而俄罗斯的“海鹰”航天服研制于上世纪七、八十年代,当时数字技术还不发达,因此采用的是模拟技术。


其次,中国的舱外航天服在与飞船联接时,采用CDMA制式,而“海鹰”航天服用的是短波通信方式。


第三,中国的舱外航天服在肘关节、膝关节等处,继承了舱内航天服的优点,相对来说比较柔软,这样航天员的行动也就更灵活。


第七版 “飞天”五大创新提高出舱工作效率


舱外航天服,是航天员在太空行走和工作的交通工具。为方便航天员出舱工作,提高工作效率,我国科研人员精益求精,对服装的关键部件进


行了技术创新。


头盔面窗。在太空中,保持视野清晰并非易事。出舱时,有时会遇到-100℃的低温,头盔面窗的温度也会下降,而航天员口鼻中散出的热气就


会在面窗上结雾,妨碍航天员的视野。为此,科研人员采取通风去湿法、双层面窗法,保障了面窗的透明度。


关节结构。为了减少活动阻力,科研人员通过研究虾外壳的结构,创新出套接式的关节结构,既保证各关节强度和气密性,又保证了灵活性。


手套。出舱行走主要靠手来完成,为保证手套有足够的灵活性,科研人员在3年多时间内,先后对材料进行了几十次调配,最终确定了最佳方案


。目前,该手套可以轻松握住气闸舱外的栏杆。


气液控制台。它可以说是服装的“心脏”,体积不大的盒子里,集中了20多种阀门。所有气路系统要向服装供气,什么时候供、供多大,航天


员都可以通过高度集成的控制台来完成。


电子显示系统。为了方便航天员更好地观测数据和参数,进行出舱活动,电子显示系统采取最先进的OLED技术,色彩艳丽,耐热性能强,可靠


性高,强光下也能保证看得清清楚楚。


第八版 舱内舱外服大比拼


电控台、气液控制台、气液组合插座、应急供氧管、电脐带……躯干外壳上分布着各种仪器。一个只有汉语辞典大小的控制台里,集成了20多


种阀门,每个阀门又是一个更精巧的开关集合体。


那么,同样都是航天服,舱外航天服跟舱内航天服有什么不同?


舱内航天服只保证压力,但舱外航天服什么都要管。飞船里的大多数功能,都要在舱外航天服里实现。


总的来说,舱外航天服为航天员提供三方面的保障。


一是辐射、真空、微流尘等环境的防护;


二是生命保障,也就是要保持一个适合人生存的气体和温度湿度环境;


三是良好的功效保障,保证航天员穿着舱外航天服能开展维修器材等太空作业。


可以说,舱外航天服就是一个“穿在身上的飞船”。


新一代“飞天”舱外航天服


舱外航天服功能


由于太空环境很恶劣,因此航天员出舱时必须穿舱外航天服,以便把航天员的身体与太空恶劣环境隔离开来,并向航天员提供一个相当于地面


的环境。


舱外航天服相当于微型载人航天器,技术很复杂,是一个国家载人航天实力的重要体现。它由服装、头盔、手套和航天靴等组成,其中最复杂


的是服装,由多层组成。最里层是衬里和尿收集装置;衬里外是用于散热的液冷通风层;液冷通风层外是用于产生一定压力的加压气密层;然


后是限制加压气密层向外膨胀的限制层;限制层外是对付舱外大温差变化的隔热层;最外面是保护层,它由多种纤维复合织物制成,具有良好


的柔软性,耐穿透、耐磨损、耐高温、耐燃烧、耐腐蚀,还有防辐射的功能和连接其他装具的接口。


舱外航天服的头盔由头盔壳、面窗结构和颈圈等组件构成,其中的头盔壳所用材料具有强度大、抗冲击等优点。在出舱前,头盔面窗的内部要


喷上防雾剂。手套与服装通过腕圈接连,靴子由压力靴和舱外热防护套靴组成。


舱外航天服在背部装有提供氧气等维持生命所需各种条件的便携式生命保障系统。如果太空行走时间较长,舱外航天服内要装有饮水袋。在饮


水管的旁边还有一个放置食物棒的长孔,航天员只要一伸嘴即可吃到美味可口的棒状食品。


“飞天”舱外服特点


我国太空行走第一人翟志刚2008年穿的“飞天”舱外航天服质量为120千克,高2米,配有1.30米高的生命保障系统背包,可支持至少4小时的舱


外活动,能重复使用5次以上,价值3000多万人民币。


它从内到外分6层:舒适层、备份气密层、主气密层、限制层、隔热层、外防护层,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。服装的四肢装有调节带,通过调节上臂、小臂和下肢的长度,身高1.60~1.80米的人都能穿上这套衣服。最外层防护材料可耐受


±100℃左右的温差变化。


壳体为铝合金薄壁硬体结构,厚度1.5毫米,抗压能力超过120千帕,经得起地面运输、火箭发射时的震动,还能连接服装各个部位,承受整套


服装120千克质量。


“飞天”舱外服采用整体拟人形态半硬式密封结构(躯干是硬式结构,四肢是软式结构),及后背铰链门式穿脱机构;采用闭式循环非再生式


环控生保系统,由高压氧瓶供氧,使用40千帕纯氧压力制度,主要采用水升华器技术实现主动热防护;遥测与控制系统把舱外航天服的工程参


数、航天员的生理参数和话音信号,利用“脐带”方式有线下传或遥测设备无线下传;可由“脐带”模式舱载供电,也能由服装电池自主供电



其指尖部分只有1层气密层,以保持触觉,手指其余部位内有2层真空屏蔽隔热层。手套的手背处装有可以翻折的热防护盖片,它不仅能提高手


指的热防护能力,还能保证手指的关节活动性。在手套的握物部位设置有防滑的凸粒状橡胶。


重而不笨、行动灵活是“飞天”舱外服一大特点。它巧妙地利用了仿生结构,使关节活动更自如。其上下肢的所有关节处使用了气密轴承,使


航天员的手脚可随意转动,又能严格保证气密性。其背包是航天服穿脱口的密封门,在背包内安装了舱外航天服生保设备,背包壳体下端装有


备用氧瓶等。背包关闭通过拉紧钢索和操作关闭手柄完成。


升级版“飞天”舱外服


“飞天”舱外服头盔的视野比其他同类产品要大;头盔上装有摄像头,可拍摄航天员出舱操作;两侧各有1个照明灯,可照亮服装胸前部分,方


便航天员在阴暗面操作;两侧有报警指示灯,在舱外服出现泄露时闪动报警,同时还有语言报警。它的面窗有4层:其中里面两层为充压结构,


即两层之间充高纯氮气和防雾剂,外面是防护面窗,最外层是镀金的滤光面窗,对太阳光折射率低,防止太阳光线直接照射人眼。


躯干外壳装有:电控台、气液控制台、气液组合插座、应急供氧管、电脐带。仅十几平方厘米的电控台里有照明、数码管控、机械式压力表等9


个开关,汉语辞典大小的气液控制台里集成了20多种阀门。


出舱通信分为无线和有线两种方式,它们互为备份,但以无线通信为主。有线通信通过连接航天员腰部左侧的8米长“电脐带”来实现,用于传


输航天员生理参数,还可与地面直接通话。里面有很细的钢缆,不仅能提供备份通信或者能源,也起到一定的安全防护作用。但主要靠舱外服


胸甲右下侧伸出的两根一长一短的橘黄色安全系绳及其挂钩来保障安全。它们内部有弹簧,最长可拉至3米,承受1吨的拉力,我国的设备可保


证2~3倍的安全余量。


在电控系统上,“飞天”舱外服全部采用数字信号处理,显示屏则采用最先进的有机发光显示器技术,使显示器更大、更薄、更省电、更能耐


受高低温,显示色彩更艳丽。


据悉,这次神舟十二号航天员将穿着进行了大量改进与升级的“飞天”舱外服,它已经组装完毕,高度在2米左右,重100多公斤,可支持更长


时间的舱外活动,重复使用次数更多,关节处更加灵活。舱外服的整体效能、可靠性、舒适性有了进一步提高,舱外服的操作动作和信息识别


更加迅速、准确,科技感更强,同时具有中国的审美识别性。


神舟十二号航天员刘伯明表示:“我很期待站在机械臂末端那一刻,面向整个茫茫宇宙,随着机械臂摆动,会有一种飞翔的感觉。”的确,我


们所有人都很期待那一刻。