美国和苏联宇航服的发展
苏联人将宇航服定义为在太空飞行中,能够保护宇航员免受外界环境影响,保护其生命活动的一种装备,一般包括压力服和生存支持系统。美国对宇航服的定义是:能使宇航员在太空中生存并进行有效工作的系统。总之,航天服一方面要保证航天员的生命安全,另一方面也要能够保证航天员在太空中能够正常工作。
航天服可以保护人体免受真空、高低温、太阳辐射、微流星等环境因素的影响。一般由特种服装、头盔、手套、太空靴组成。从功能上看,宇航服可分为三类:舱内宇航服、舱外宇航服和舱内舱外宇航服。从服装的内压来说,有低压服装和高压服装;从结构上看,可分为软式、硬式和软硬结合式三种宇航服。
普通的航天服大致可以分为四层:第一层是内衣,由纯棉或棉麻制服制成。第二层是隔热层,与内衣结合,用羊毛制品或合成纤维片材制成,起到保温隔热的作用。第三层是通风散热层,结构独特。它是由很长的微型管道连接到衣服上制成的。当人体与外界隔绝时,可以把人体产生的热量、水分、气味带出去。第四层是气密加压限制层,不仅要充气加压,使身体有足够的压力,不能漏气,不能使衣服过于膨胀,防止外穿,还要使各关节活动自如。因此,该层结构的选材和设计难度较大,是航天服装的关键层。
早期的航天服实际上是在航空防护装备的基础上发展起来的。在地球表面,海拔每升高5.5公里,气压就会降低一半。同时,随着海拔的升高,气温也会明显下降。海拔每升高3.1 km,气温将下降16℃。所以,随着航空技术的发展,飞机能达到的高度越来越高,飞行员面临的环境越来越差。因此,高空防护装备在这样的需求下发展迅速。从最初简单的氧气管和氧气面罩,逐渐发展到全压服。
在大量借鉴高空航空服装经验和技术的基础上,如限制层和气密层的双层结构、承力系统和软接头结构的设计、手套机构的设计、气密承力和头盔结构的设计、服装的尺码体系等。1931年,苏联研制出世界上第一台样机Y-1,没有活动关节,人不能移动和工作。随后苏联研制了带有活动关节的Y-2和带有通风供氧系统的CK-UATL全压服。1959年,苏联研制出C-10宇航服。由于早期航天器的载荷能力有限,在太空飞行中是否使用舱内航天服,专家们意见不一。直到8月1960才正式下达任务书,决定研制舱内航天服。苏联的第一套宇航服CK-1是在新型防护服C-10和B-3的基础上研制的,应该会在随后的首次载人航天飞行中成功使用。
美国宇航服的发展也是在高空航空防护服的基础上发展起来的。从1920开始,美国开始研制高空压力服,即解决供氧和热防护问题。先后研制出S-1压力服和X-15压力服。后来X-15服装只做了一点点改进就直接用于美国水星计划的首次载人航天。
苏联研制的舱内航天服主要有:“东方”飞船用CK航天服,其中CK-1为男航天员型号,CK-2为女航天员型号:“联盟”12~“联盟”40任务用“鹰-K”救生航天服;鹰KB救生航天服是一种过渡产品,用于联盟T飞船和钻石空间站项目。鹰KB-2救生航天服用于联盟T-2之后的所有飞船,包括联盟TM和联盟TMA飞船;雨燕救生航天服是在鹰式救生航天服的基础上发展起来的。在暴雪号航天飞机上使用过,只进行了无人飞行试验。
苏联研制的舱外航天服包括:登月用的半刚性“隼鸟”航天服、登月用的“鹰”航天服和出月球任务轨道用的“海鹰”航天服。“迎海”舱外航天服的改进型“迎海-D”可多次重复使用,主要用于“礼炮”6号和“礼炮”7号空间站的舱外活动;海鹰-DM、海鹰-DMA和海鹰-M是海鹰-D的改进型舱外服装,分别应用于和平空间站和国际空间站。苏联的“海鹰”舱外航天服被设计为“基于轨道的”航天服,因此具有良好的在轨维护和修复能力,可以通过四肢关节的调节适用于不同身高和胸围大小的航天员。相比之下,美国航天飞机上配备的“陆基”舱外航天服,可以根据不同宇航员的体型进行组装和配置,以保证体能要求,但只能在地面进行维护和维修。
美国宇航服的发展是由具体项目推动的。具体的载人航天任务有具体的预算,这是航天服研发的重要制约因素。为了省钱,美国航天服的研发采用模块化设计思想,每个模块可以根据所需数量订购。通过组合不同尺寸的模块,可以为宇航员提供近乎量身定制的宇航服。在“阿波罗”计划中,每个宇航员的宇航服都是单独定制的。登月乘员组每个航天员需要3套衣服,训练用1套,飞行用1套,飞行备用1套。登月的备份乘员组每个航天员有2套衣服,训练用1套,飞行用1套。这使得美国国家航空航天局不得不花费大量金钱订购大量宇航服,浪费资源。采用模块化的思想后,航天服的订单量大大减少,节省了有限的资金。
“水星”航天服是一种舱内航天服,是在X-15高空压力服的基础上改进而来。“双子座”计划使“阿波罗”登月计划中使用的舱外航天服和“双子座”计划中使用的舱外航天服成为两用航天服,即不仅用于舱外活动,还在发射和返回阶段起到救生航天服的作用。这主要是由于发射重量的限制,不得不做出选择。在航天飞机和国际空间站计划中,因为运载能力的提高,舱内航天服和舱外航天服是分开的。
苏联航天服的主要研发单位是星际公司。其前身是为前苏联生产高速飞机机组设备的主要厂家:918厂。先后开发了高空救生全压力服、高空飞行全压力服、高空综合飞行服、战斗机飞行员全压力服和轰炸机飞行员全压力服等产品,具有丰富的高空压力服开发经验。1959年,Star公司开始了载人航天全压力服的研发工作。苏联宇航服的研制和管理采用任务书发放的模式。第一实验设计局是航天服的订货方,负责下达研制任务书,明星公司是航天服的承包单位。
与苏联不同,美国宇航服的研制采用招标模式。美国国家航空航天局负责拟定招标书,有兴趣的公司单独或与其他合作伙伴共同提出设计方案,并制作原则和风格的服装参与竞标。经美国国家航空航天局专家委员会评审后,确定中标方案。压力服和人寿保险系统可以由不同的公司开发,美国国家航空航天局或总承包商负责整体集成。美国宇航服的主要研发单位有:B.F .古德里奇航空航天公司、DCC公司、AiResearch公司、HS公司、ILC公司等。此外,美国空军在宇航服的发展中也发挥了重要作用。
苏联和美国的宇航服研发都是独立进行的。然而,随着国际政治格局的变化和国际交流与合作的增加,苏联和美国之间的技术差异逐渐模糊。两国都经历了从舱内航天服与舱外航天服结合到舱内航天服与舱外航天服分离的发展路线。早期由于飞船运载能力有限,舱内航天服和舱外航天服的组合是不得已而为之。运载能力的增加,为舱内航天服和舱外航天服分开配置创造了必要条件。
今年10月,美国发布了新一代宇航服。从设计思路上看,模块化思想更加突出,可以为航天员提供更加灵活的活动,进一步为执行各种复杂的航天任务提供技术支持。并且采用了新的通信技术。过去,宇航员需要在头盔内戴一个名为“史努比帽”的耳机。“史努比帽”的透气性很差,会让航天员全身汗湿。如果宇航员在移动时说话,无线电就会变得断断续续。新的宇航服内置了许多嵌入式智能麦克风。宇航员说话时会自动捕捉声音,与舱外队友、舱内同事或总部的联系会变得稳定清晰。