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金缕玉衣,价值连城。还有比金缕玉衣更昂贵的衣服吗?有,那就是“航天服”。
如果有人问你:什么人是航天员?你可能回答凡是在太空中旅游的人都是航天员。如果按照这个定义,我们每个人都是航天员。因为我们虽然站立在地球表面,但我们是以每小时数千千米的速度在太空运行。我们的地球就是一艘巨大无比的永不停止的载人飞行器。我们站在地球表面在太空旅游,由于有地球环境的保护,不会受到极端恶劣的太空环境的伤害。
如果人们要想离开地球独立完成太空旅游,他们就得有一个人工的保护层就是各种航天飞行器。这些航天飞行器的外壳是用金属、玻璃、工程塑料和复合材料制成,而舱内有环境控制与生命保障系统,向航天员提供与地面相似的压力、氧气、温度和湿度等。如果航天员还想离开航天飞行器到舱外去活动,或者航天飞行器故障失去密封性,对航天员生命造成威胁,这时也同样需要一个人工的保护层,这个保护层就是航天服。航天中用于出舱活动的航天服我们称为舱外航天服;用于在舱内防止座舱失去气密性,保护航天员生命的航天服称为舱内航天服。如果没有航天服的保护,航天员连1分钟也活不成。例如1971年6月30日,前苏联“联盟”11号飞船在完成预定任务返回地球时,当“联盟”号飞船按预定程序再入大气层的过程中,飞船座舱内的压力平衡阀在168km高度上提前打开(通常该阀门在低空高度为5km时才打开),造成密封舱内的空气在很短的时间内全部漏光,形成爆炸减压。同时,又由于“联盟”号座舱比较狭小,在返回过程中3名航天员均未穿航天服,致使3名航天员因缺氧而死亡。为了防止这次事故的重演,苏联在以后的航天中,在所有复杂飞行阶段,如发射、变轨、对接和返回过程中,航天员必须穿上航天服。
人们对于服装的认识往往只局限于蔽体、保暖、美观、大方等特点,可是当人类进入太空就会发现,航天服的作用已超出了传统范畴。因为,太空接近真空的压力环境、极端的温度环境、缺乏生命所需的氧气、空间碎片和空间辐射的威胁等,都需要航天服为航天员在太空的生活和工作提供一个良好的防护和保障“时装”系统。
航天服是航天员必备的个人防护救生装备。航天服有舱内航天服和舱外航天服。舱内航天服是航天飞行中飞船出现压力应急时,航天员不出舱,在舱内穿着的航天服;舱外航天服是航天员离开飞船座舱,进行舱外活动或太空行走,人体暴露于宇宙空间时所使用的航天服。前者结构和系统比较简单,后者较为复杂。由于当前“神舟”号飞船没有出舱活动的任务,因此,航天员只配备了舱内航天服及其配套装置。
1舱内航天服组成
我国研制的航天服属于软式结构、低压力的航天服。服装具有压力显示和压力自动安全装置,在加压条件下,航天员可手操纵控制。
舱内航天服用于飞船座舱发生泄漏,压力突然降低时,航天员及时穿上它,接通舱内与之配套的供氧系统,服装内就会立即充压供氧,并能提供一定的温度保障和通信功能,保证航天员在飞船发生故障时能够安全返回。航天员在正常航行时一般是在飞船上升和下降时穿上,防止在发射或返回阶段发生故障。
舱内航天服的结构形状,考虑到飞船返回着陆采用座舱软着陆模式,因此,舱内航天服采用头与躯干肢体服装连为一体的“软式”类型结构和开放式通风供氧方式,它由压力服装、头盔、手套、应急供氧和通风管路组成。
压力服装
压力服装由躯干肢体服、压力调节器、压力表及颈部防水隔膜组成。其中躯干肢体服与头盔盔壳是由气密层和限制层组成,它具有可操作性能,用来维持服装的气密、承受服装压力、保持人体形态不变;压力表则放置在航天服的左前臂,用于指示服装内压力。通常在座舱正常压力下,航天员穿着服装,关闭面窗进行呼吸时,保证能呼吸到外面的空气。压力调节器在飞船压力应急条件下,控制舱内航天服内规定的绝对压力。在常压下可通过手动关闭,对服装进行加压,以便检查服装的气密性。当服装压力超过规定的压力时,能自动放气。 在压力服装的研制过程中,关键技术是气密性,要防止在工作压力下,总漏气量≤1升/分钟。我们开始研制初期发现,服装的穿脱口处的气密拉链是关键技术。因为要求拉链气密,打开和关闭拉链的使用寿命要长,于是就委托全国的专业拉链生产厂全力攻关。经数年的努力也没有攻克难关,因为拉链的使用寿命和气密性是一对矛盾,互相抵消,始终达不到规定的技术性能指标。后来,研究人员找到了解决的办法。解决的办法是将气密层的穿脱口,用尼龙绳牢固捆扎,置于服装的限制层内,再将限制层的不具有气密性的普通超长拉链关闭即可。当服装加压时,气密层向外膨胀,紧贴在限制层内,压力越大,气密层捆扎部位越紧贴限制层,保证不泄漏气体的可靠性越大,这么一来,让人头痛的关键技术也就迎刃而解了。
奇特的头盔和手套
航天员在航天飞行中所戴的头盔,不仅能隔音、隔热和防碰撞,而且具有减震好、重量轻的性能。头盔为软盔壳,与压力服装连成一体,紧贴在航天员头盔盔壳里面的是通风衬垫,具有隔热和消声作用。
头盔面部的面窗是为了给航天员提供良好的视野,以便可以看到飞船内外的景象。为了扩大面窗左右视野,增加人面部盔腔空间,提高面窗防雾效果和观察舒适,面窗设计为等壁厚的椭球面结构。面窗启闭结构采用手动、双自锁、保险式机械结构,内表涂覆长效防雾剂,连同头盔通风结构,防止面窗结雾。
航天员戴的手套由压力手套、腕部断接器和舒适手套组成。其中压力手套又由用于承受掌部张力和限制掌部加压后鼓胀的掌部限制组件和采用织物手套双面浸天然乳胶成型的掌指压力手套以及腕关节组成。
腕部断接器和舒适手套都有其特殊的作用。
应急供氧通风组件
通风组件采用管道式结构,通风气体从软管经风量分配盘进入服装,风量按比例送至头部和四肢末端,经周身各处后,汇流到腹部,最后由压力调节器流出服装。
在飞船座舱压力应急时,提供通风供氧组件对头盔内供氧气,用以保障航天员呼吸用氧和压力服内头、颈部通风散热、清除或稀释呼出气体排出的水分及CO2。当飞船座舱压力正常情况下,航天员穿着压力服待命时,全身通入座舱空气,用以供氧、清除CO2和水分以及通风散热。
通信头戴的作用
通信头戴通俗地讲起到对讲机的作用。提供航天员穿着压力服时,在飞船发射、轨道压力应急和返回过程中的通话。
航天员经训练后,佩带通信头戴在125分贝高噪音环境条件下,通信语句可懂度为85%,接受重复3次的关键指令语句可懂度为100%。在125Hz至8000Hz噪声频率下,防护耳罩具有噪声防护功能,平均隔声15分贝。由此可知,其具有很好的保护航天员听觉器官免受噪声危害的功能。
通信头戴装置由防噪声耳罩、坚固耐用的送话器、网状结构的通信帽套以及保证可听声压级的语音放大器组成。
内衣、工作服的特殊作用
航天员内衣是贴身穿的服装,当航天员穿着航天服或工作服时,均需先穿着内衣。由于内衣可直接吸汗,便于穿脱航天服或工作服。同时内衣还能直接调节人体皮肤温度和贴近内衣的空气层温、湿度,使人体皮肤处于良好的生理功能状态。
内衣采用高支纯棉薄针织物面料或棉、人造丝交织的导汗布。
缝制为连身式紧身结构。
舱内工作服是航天员在飞船入轨后正常飞行时脱去舱内航天服后穿的服装。选用经阻燃处理的TC面料,采用连身式或分身式长袖服形式,连身式舱内工作服款式与连身式内衣基本相同,领口为立领,腰部有松紧。分身式结构由上衣茄克衫和裤子组成,领口、袖口、裤口及穿脱口与连身式结构相同,在上衣下摆处有松紧带。 与舱内工作服相适配的舱内工作袜采用抗菌袜,返回着陆后穿用的工作鞋采用硬底、软帮式轻便鞋结构。'
舱内航天服的性能、重量
舱内航天服用于航天员在载人飞船发射、返回和轨道压力应急时穿用,与飞船的环境控制与生命保障系统的供气调压、航天服循环分系统配套,为航天员创造合适的体表压力、气体成分、温湿度等生存条件,穿着舱内航天服能完成必需的操作活动,是保证人体生命安全的个人防护装备。
全套服装总重145千克,在39kPa±2kPa应急充压供氧过度压力下维持时间3小时;在28kPa±2kPa应急工作压力下,维持时间3小时。总持续时间为6小时。进口风温应急时,航天员穿着航天服并完成与座舱环境控制与生命保障系统对接的时间不超过10分钟。全套服装的造价估计在5至10万元人民币左右,是我们平日穿着的任何高档服装价格无可比拟的。这比美国的登月航天服的造价还是便宜得多,登月航天服的成本为1048万美元,对我们来说简直是一个天文数字。
2能工作的“服装”
昂贵的航天服不是单纯意义上的服装,穿上它,人类就能在太空生活、做实验、观察其他星球了。这是为什么呢?因为航天服每时每刻都在工作着。
舱内航天服在使用条件下,需保持服装内有足够的气体压力和充足的氧气供应,同时还需保持一定的气流速度以带走航天员呼出的CO2和其他有害气体,以及一定的人体代谢产热和湿气。当飞船座舱出现意外失压时,启动舱内航天服系统救生,可在6小时内保证航天员的生命安全,实现应急返回着陆。
在正常和应急飞行期的工作状态
舱内航天服在不同飞行期间工作状态不同,正常和应急飞行期间使用的状态有值班状态和准备状态、工作状态三种。这三种状态有什么不同呢?
航天员穿好舱内航天服坐在飞船返回舱内,航天服进入值班状态,连接通风供氧管路和通信线路,头盔面窗处于开启状态。航天员不戴手套,裆部拉紧带松弛。这时候航天服帮助航天员呼吸舱内大气。主要用于进舱后等待发射和返回着陆后在舱内等待救援出舱的工况。
与值班状态不同,舱内航天服准备状态时头盔面窗关闭,航天员戴好手套,拉紧裆部系带,保持航天服气密性,并用舱内大气通风。主要用于飞船临近发射、准备返回时返回舱与轨道舱分离及再入大气层阶段。
当飞船入轨后以椭圆轨道向圆轨道推进的变轨飞行时,航天员也需穿航天服处于准备状态,一旦返回舱出现失压,能立即启用航天服救生。
如何理解工作状态呢?在准备状态基础上,以21升/分钟供氧流率向舱内航天服内供纯氧,同时阻断舱内的航天服通风管路。主要用于返回舱气密性破坏或飞船供气调压系统故障的应急飞行情况。
需要每个航天员注意的是,飞船在轨飞行期间,当座舱(包括返回舱及轨道舱)总压或氧分压出现“应急告警”级报警后,航天员应在10分钟内完成下列操作:迅速穿好航天服,连接好通风供氧管路和通信、医监生理信号线路,戴好手套,关闭面窗,系好束缚带,检查服装密封性。
这种工作模式是以保证航天员生命安全为出发点,在6小时压力应急飞行期间,保证航天员不缺氧,不承受重度的热负荷,减少发生减压病的概率,使航天员维持较舒适的热生理状态。这无疑是舱内航天服的功劳。
为方便航天员能快速自行穿脱航天服,并具有高度可靠的结构密封性,现代航天服在结构性能上已得到不断改进,已由早期的气密拉链式、口袋式发展为目前腰部截断的上下衣结构后开口式结构。
总之,航天员所穿的又贵又重的航天服已涉及到机械、纺织、化工和测控通信、热、电等以及航天医学工效学诸多领域,具有很高的高技术密集度,航天科技人员为此付出难以估量的心血和汗水。他们的努力终将迎来中国载人航天事业的飞跃。
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