人类航天服进化史

航天服（spacesuit）是保障宇航员生命活动和工作能力的个人密闭装备，可防护在太空环境下的真空、高低温、太阳辐射和微流星等因素对人体的危害。例如，在真空环境中，人体血液中含有的氮气会变成气体，使体积膨胀。如果人不穿加压气密的航天服，就会因体内外的压力差悬殊而发生生命危险。
随着科技的进步，航天服也不断向前发展。航天服最早是从飞行员抗压服的基础上发展起来的。自那以后，航天服的技术含量越来越高，甚至可以成为一个小型的飞船进行独立的飞行活动。
俄罗斯“海鹰”航天服



这是俄罗斯“海鹰”航天服的一个模型。2006年2月3日，由于该模型已经失去了存在的价值，俄罗斯决定将其毁掉，随后该航天服内被塞满了电池、内部传感器和无线电发射机并被送入太空。几周后，由于和大气层发生碰撞并产生了剧烈的摩擦，“海鹰”航天服被烧毁。
早期抗压服



人们很早就认识到，在飞行的过程中，如果爬升的高度越高，上层的氧气就越稀薄，因此人类迫切需要一种可以提供氧气的设备，所以热气球驾驶员和随后的飞行员是最早发明抗压服的。第一个抗压服出现在1894年，是由一个澳大利亚人用铁丝框和防水布做成的。
美国人弗雷德·桑坡（Fred Sample）于1918年7月16日首次为抗压服申请专利，并将其定义为“为飞行员飞越高海拔地区或者登山者爬过高山时提供氧气的设备”。早期的抗压服是由具有弹性的材料制成的，而且和现代航天服有许多共同之处，比如都是气密性服装，头盔可自由穿戴以及拥有可以提供压缩空气的管道。
改进后的抗压服



美国人威利·波斯特（Wiley Post）是第一个独自飞越全世界的飞行员。他也是抗压服的主要发明者。1934年4月，他前往位于洛杉矶的BF古特里奇轮胎厂，询问该厂可否制造“一种橡胶服装，可以让我在大约5500英尺的高度仍然能正常的操作飞行”。在穿上这种抗压服后，波斯特成功的飞越了40000英尺的高度，从而创下了新的记录并发现了“喷射气流”现象。波斯特随后对抗压服进行了改进。他在面料中加入了棉花，并引入了带有玻璃面罩的金属头盔。整个抗压服也由好几层组成，看起来和现代宇航员非常相似。
在1940年到1943年期间，美国几家公司被邀请参与研发或制造新一代抗压服。很多公司研发的产品和当时的科幻片中所描述的非常相似，都是由透明的、圆圆的塑料头盔以及密闭的、由橡胶和棉花面料制成的紧身服，这严重限制了飞行员的活动空间，只有科利公司推出的XH-5号模型（右图）在创新上取得了突破。XH-5号将抗压服的膝部、臀部和肘部分成可独立穿戴的几部分，这种设计可以让飞行员更自如的行动。
第一代航天服

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第一个真正进入太空的航天服是前苏联的SK-1 航天服。1961年4月12日，前苏联宇航员尤里·加加林乘坐“东方1号”飞船开创了人类首次进入太空的创举，他当时穿的宇航服就是SK-1 航天服。这款航天服不仅可以提供全面抗压能力，同时还有一个辅助的生命支持系统。
在重新进入大气层以后，加加林需要从飞船中弹出并使用降落伞着落。加加林的降落地点是一处农田，当时一个农夫和他的女儿恰好在耕作。加加林后来回忆道，“当他们看着我穿着橘红色的航天服、带着大大的头盔并拖着降落伞走过来时，这对父女吓得一直往后退。我告诉他们不要害怕，我跟他们一样都是苏联人。我刚刚从太空降落到地球上，需要向莫斯科打电话报告。”
美国航天服



当美国加入太空竞赛以后，美国宇航局意识到必须开发自己的航天服。1961年5月5日，艾伦·谢波德(Alan Shepard) 乘坐“自由7号”飞船在亚轨道进行了15分钟的历史性飞行，同时也成为第一位身穿“水星”航天服进入太空的美国宇航员。
“水星”航天服是美国海军高空喷气式飞机抗压服的改进版，拥有氯丁橡胶涂层尼龙构成的一个内层以及由镀铝尼龙构成的一个外层。该航天服是美国宇航局的首款航天服，最初设计的目的只是帮助宇航员抵御来自太空的紫外线和热辐射。这款银光闪闪的航天服和当时六七十年代科幻片中的航天服看起来很相像。
舱外航天服



1965年3月，前苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫乘坐“上升2号”飞船进入太空，并成功完成了世界航天史上第一次太空行走。虽然列昂诺夫身穿的“金鹰”航天服可以提供45分钟的氧气，但是他只在舱外活动了12分钟，因为当时航天服供气系统的安全阀出现了故障，喷出了大量的热气、水蒸气和二氧化碳。更严重的是，列昂诺夫身上的“金鹰”航天服因为在太空膨胀而无法返回气密舱，最后不得不依靠放掉太空服中的一些气体才顺利返回，当时的情景实在是危险至极。
关于这次太空行走的高质量照片非常少，不过前苏联于1967年发售的一枚纪念邮票还是准确的描绘了这一具有历史意义的时刻（上图）。
紧随这件里程碑事件之后，美国宇航员埃迪·怀特（Ed White，下图）上演了美国历史上第一次太空行走。1965年6月，怀特步出“双子星4号”飞船并进入太空。此次出舱活动持续了23分钟，目的是验证出舱活动的可行性，并试验手控机动装置。怀特当时身穿的是“双子星”航天服。该航天服的压力服由6层尼龙组成，抗压头盔上装有耳麦和麦克风，一双由腕圈连接的手套可以让手腕自由的转动。与“水星”航天服相比，这款航天服赋予了宇航员更大的活动空间。
登月航天服


历史上最著名的航天服可能就是美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）登上月球所穿的哪一件了。与普通航天服不同，登月探索需要宇航员和飞船彻底分离，因此科学家为这款航天服设计了背包式生命维持系统。该系统可连续7个多小时供氧，同时还具备了保持气压稳定、过滤二氧化碳和冷却的功能。
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在距离地球25万英里外的月球表面漫步是一个巨大的挑战，因此新的航天服不但必须考虑月球表面粗糙崎岖的岩石、白天的高温等因素，还必须足够灵活，方便宇航员采集样本和建立科学数据站。这款航天服还包括一套贴身穿着的液体冷却衣，它的样式类似连体内衣，衣服纤维内部缝有通心粉式的管道。冷水在管道内循环，带走体热，流回背包，热量再从背包散发出去。阿波罗太空头盔则是由高强度的聚碳酸酯制成，通过压力密封项圈和航天服连接。与“水星”和“双子星”头盔紧紧套在宇航员头上的设计不同，登月头盔是固定在衣服上的，宇航员的头部在里面可以自如的转动。当在月球表面行走时，宇航员还在头盔外加盖面盔，以阻隔伤害眼睛的紫外线，同时让头部和面部保持舒适的温度。
与此同时，前苏联也于1967年设计了自己的登月航天服，名为“金色猎鹰”，不过由于后来前苏联登月计划破产，这款航天服也被束之高阁。与美国登月航天服相比，“金色猎鹰”航天服也有自己的独特之处，比如其生命维持系统可以工作长达10个小时，而且是第一个采用半硬质设计的航天服。更重要的是，它采用的是背入式设计，也就是说航天服的背后像一扇可以开关的门，宇航员可以从背面进入，这种设计方法可以让宇航员更容易的穿上航天服。美国宇航局后来研发的航天服融合了很多“金色猎鹰”航天服的设计理念。
现代航天服



自1982年以来，美国宇航员开始使用了新一代航天服—舱外机动套装（Extravehicular Mobility Unit ，EMU）。该套装是二件一套的航天服。不同于之前登月航天服得给每一位宇航员量身定做，EMU采用模具化设计，许多零件可以替换。衣服内的普通工作气压为三分之一个大气压，因此宇航员在太空行走前得忍受一下低压，以排除血液和组织中溶解的氮气，从而避免在压力减少的情况下氮以气泡形式在体内释放，这是非常致命的。目前，最大型号的EMU总重约180公斤，包括了液体冷却通风外衣、尿液采集装置、头盔、通信设施、饮水袋和生理指数监测系统，可让宇航员在太空呆上大约8小时。
前苏联也自20世纪70年代开始使用“海鹰”航天服。俄罗斯宇航员在米尔空间站和国际空间站中使用的就是这种航天服。“海鹰”航天服继续沿用了背入式设计，宇航员在五分钟内就可以完成穿戴，其生命维持系统可以工作9个小时。
中国以前苏联“海鹰”航天服为模型开发出了自己的“飞天”航天服。2008年，中国宇航员翟志刚乘坐“神舟7号”飞船进入太空并成为第一个在太空漫步的中国人，他当时穿的就是“飞天”航天服。
载人机动装置



1984年，美国宇航局开始测试一个名为“载人动力装置”的设备。载人机动装置是一种能载送航天员在太空自由飞行的个体装备，它带有24个高压氮气推进器。推进器器安装在“座椅”的不同位置和不同方向，因此宇航员可以围绕航天器精确的控制飞行。
载人机动装置外形象一个背包，由压缩氮气箱、供气系统、喷气推进器、电子控制设备、温度控制装置和蓄电池等组成。该装置不仅可以为航天员提供呼吸用氧，还拥有维持人体所需温度、湿度等生命保障的设备，并装有使航天员与航天器保持在同一轨道上的专门设施。此外，该装置上还安装有两套互为备份的氮气箱和供气系统，防止发生故障危及航天员安全。
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不过，自1986年“挑战号”航天飞机发生爆炸后，基于安全考虑，美国宇航局中止了对该设备的继续研发。
未来航天服



美国宇航局目前正在研发下一代航天服，以便为未来登陆小行星、火星或者重返月球做准备。最新设计的Mark Ⅲ航天服结合了软硬材料，其中硬体部分采用铝合金和不锈钢材料，软体部分采用聚氨酯涂层的纺织材料制成，同时还采用了和前苏联“海鹰”航天服相同的背入式设计。它比目前正在使用的舱外机动套装更轻便、更具灵活性，而且还可以提供和地球大气成分相类似的空气，这样宇航员就不必在穿上套装后进行调整适应了。
另外一种正在设计中的航天服是I-Suit航天服（右图）。该航天服采用了钛金属，其重量只有目前航天服的一半。自2004年以来，这两种航天一直在不断的设计和改进中。
太空活动套装



自20世纪60年代以来，美国宇航局就一直就在研究，是否可以使用机械压力而不是空气压力来保护宇航员。传统航天服是通过对人身体表面施加气压来保护航天员的，而“太空活动套装”则依靠机械压力将材料紧紧的缠绕在人身上，使其像皮肤一样紧贴，唯一需要保持压力的就是宇航员的头盔，因此这种航天服将会非常轻便，而且可以给宇航员更大的活动自由。此外，传统的航天服一旦被微流星体或其他物体刺穿，宇航员必须立刻返回空间站或基地，否则将发生减压威胁生命，而如果这种套装被刺破，它只需像伤口一样包扎起来，衣服其他的部分不会受到影响。
太空活动套装应该采用比较牢固的弹性材料，因为它必须和人体所有的皮肤紧紧的贴在一起。基于这种要求，穿戴这种航天服将会是一件非常困难的事情。来自麻省理工大学太空航空研究院的教授达瓦·纽曼（Dava Newman）曾为美国宇航局设计了一种现代太空活动套装，名为“生物套装”。为了让航天服和人体皮肤保持紧贴，该套装采用了尼龙氨纶材料和聚氨酯泡沫材料。（来源：《连线》 编译：艾芳）
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