張萬(wàn)欣

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094）

1 引言

天地往返和空間出艙活動(dòng)能力是當(dāng)前載人航天技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。 隨著中國(guó)空間站建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，航天員將面臨經(jīng)常性天地往返、長(zhǎng)時(shí)間在軌駐留和高頻次出艙作業(yè)任務(wù)，未來(lái)的月球、火星、小行星等深空探測(cè)任務(wù)，將給工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。 航天服為人體建立起賴以生存的微小環(huán)境，具備個(gè)體防護(hù)能力和工效保障能力，是載人航天必備的個(gè)人防護(hù)裝備。

本文針對(duì)近地軌道和未來(lái)空間探索目標(biāo)的環(huán)境特點(diǎn)以及多目的地的任務(wù)規(guī)劃，通過對(duì)航天服的任務(wù)需求和功能分析，明確功能分配，給出航天服功能實(shí)現(xiàn)的方案構(gòu)想，并提出關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，為未來(lái)先進(jìn)航天服的研制提供思路與參考。

2 任務(wù)分析

載人航天典型任務(wù)階段如圖1 所示，近地軌道出艙需要經(jīng)歷地面發(fā)射入軌、近地軌道飛行及出艙、著陸返回等任務(wù)階段；而對(duì)于未來(lái)月球探測(cè)，還需要經(jīng)歷地月空間轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行及出艙活動(dòng)、月面著陸、月面出艙、月面上升、返回再入等任務(wù)階段。 針對(duì)每個(gè)任務(wù)階段，航天服的功能可歸納為2 種情況：①當(dāng)飛行器艙體出現(xiàn)壓力應(yīng)急（泄漏）時(shí)，航天服需為航天員提供壓力防護(hù)，保障航天員操作飛行器安全返回；②在不同軌道及地外行星表面開展艙外作業(yè)時(shí)，為航天員提供正常生命活動(dòng)和作業(yè)能力保障。

圖1 載人航天典型任務(wù)階段Fig.1 Typical mission phases of manned spaceflight

3 功能分析

以載人登月任務(wù)為例，分析討論登月服功能需求。

3.1 生命保障功能分析

根據(jù)載人飛船和登月著陸器的艙內(nèi)環(huán)境，近地軌道、環(huán)月軌道和月面環(huán)境，分析各類環(huán)境因素對(duì)航天員的生理影響，確定登月服的防護(hù)功能需求。

1）氣體環(huán)境控制。 環(huán)境壓力的迅速變化容易導(dǎo)致內(nèi)含氣體空腔的器官發(fā)生機(jī)械損傷，隨著壓力的降低，因體內(nèi)惰性氣體析出而容易引發(fā)減壓病。 同時(shí)由于氧分壓降低，機(jī)體缺氧的各類癥狀隨即發(fā)生，在極端低壓環(huán)境下，還可能造成體液沸騰等嚴(yán)重后果。 針對(duì)低氣壓或真空環(huán)境，首先要為航天員建立一個(gè)微小的密閉承壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)壓力防護(hù)功能；同時(shí)維持航天服內(nèi)的工作壓力，按需提供氧氣供給，以補(bǔ)償航天員的代謝耗氧及航天服的泄漏，實(shí)現(xiàn)供氧調(diào)壓功能；此外，還要保證航天服內(nèi)的氣體成分滿足呼吸用氣的要求，實(shí)現(xiàn)氣體凈化功能。

2）熱環(huán)境控制。 在高溫環(huán)境中，人體熱平衡受到破壞，工效受損，耐力下降，嚴(yán)重的將危及健康甚至生命安全，典型的應(yīng)激反應(yīng)是全身性熱緊張。 低溫環(huán)境下，人體會(huì)出現(xiàn)冷緊張，且對(duì)于肢端影響最為明顯。 以手部為例，當(dāng)皮膚溫度降至15 ～20 ℃時(shí)，手部靈巧性降低，皮膚溫度降至8 ℃以下時(shí)，觸覺敏感度會(huì)嚴(yán)重下降。針對(duì)極端冷熱環(huán)境，首先應(yīng)盡量減少空間熱環(huán)境對(duì)航天服內(nèi)環(huán)境的影響，即減少航天服內(nèi)外的熱交換，提供熱防護(hù)功能。 同時(shí)，需要將航天服內(nèi)的溫度和濕度環(huán)境控制在人體舒適的范圍，合理設(shè)計(jì)服內(nèi)溫度場(chǎng)分布，將人體代謝和設(shè)備產(chǎn)熱、產(chǎn)濕等排到航天服外，實(shí)現(xiàn)服內(nèi)的溫濕度控制功能。

3）輻射環(huán)境防護(hù)。 高能輻射對(duì)人體產(chǎn)生致癌、中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響、退行效應(yīng)、輻射綜合癥等傷害。 而在月球飛行中，銀河宇宙射線持續(xù)作用，太陽(yáng)粒子事件對(duì)暴露劑量產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)高能銀河宇宙射線粒子撞擊月表后會(huì)產(chǎn)生次級(jí)粒子，特別是穿透性很強(qiáng)的中子，將對(duì)航天員產(chǎn)生較大影響。 通過航天服材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供一定的輻射防護(hù)能力及自身的耐輻射能力，并結(jié)合出艙活動(dòng)的時(shí)段選擇，實(shí)現(xiàn)輻射環(huán)境防護(hù)功能。

4）力學(xué)和噪聲環(huán)境防護(hù)。 登月過程中會(huì)有沖擊、振動(dòng)與過載影響和噪聲影響。 地面發(fā)射、月面著陸／上升以及返回再入中產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)與過載會(huì)造成人體生理影響甚至損傷。 環(huán)境噪聲不僅會(huì)產(chǎn)生聽閾偏移、頭暈、惡心等生理影響，還會(huì)引發(fā)心理效應(yīng)，如煩躁、工作效能下降等。一方面，針對(duì)地面發(fā)射、月面著陸／上升以及返回再入的力學(xué)環(huán)境，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證人體免受沖擊、振動(dòng)和過載的傷害；另一方面，需要進(jìn)行降噪處理，保證人耳附近的噪聲水平低于安全閾值。

5）月塵環(huán)境的影響。 在月面活動(dòng)過程中，月塵沾染在航天服上帶入艙內(nèi)，航天員吸入后會(huì)造成人體傷害。 此外，還會(huì)對(duì)航天服的性能造成影響，如面窗透光率降低、熱防護(hù)能力降低、材料磨損、密封失效等。 通過材料及其結(jié)構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)，提供一定的月塵防護(hù)，減少月塵附著和透過，提高耐磨性能，同時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承等機(jī)構(gòu)進(jìn)行防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

此外，航天服還需提供話音／數(shù)據(jù)采集、處理和通信功能、電源與配電功能，實(shí)現(xiàn)航天服通信和自主模式下電源供給。

3.2 作業(yè)保障功能分析

針對(duì)載人飛行器艙內(nèi)作業(yè)，在座艙壓力應(yīng)急時(shí)，航天員需著航天服操作航天器應(yīng)急返回。因此航天服需要具備良好的穿脫性，保證在應(yīng)急情況下快速穿脫；具備良好的適體性，不能產(chǎn)生機(jī)械壓痛，也不能影響活動(dòng)，更不能影響精細(xì)動(dòng)作所需要的觸覺；還要具備良好的空間性，保證人-服在艙內(nèi)有足夠的活動(dòng)空間；更要具有良好的活動(dòng)性和基本視野，保證航天員能夠著服操控艙內(nèi)設(shè)備。

針對(duì)微重力軌道艙外復(fù)雜作業(yè)，除了艙內(nèi)作業(yè)所需的人-服能力外，更關(guān)注的還有視野與視覺防護(hù)能力、關(guān)節(jié)活動(dòng)性（特別是上肢）、微重力環(huán)境下姿態(tài)控制能力、手套操作的靈活性和作業(yè)安全保障性。

針對(duì)月表復(fù)雜地貌艙外作業(yè)，與軌道艙外復(fù)雜作業(yè)相比，不同的是微重力環(huán)境變?yōu)榈椭亓Νh(huán)境、空間作業(yè)變?yōu)閺?fù)雜地貌作業(yè)。 因此，航天服功能上要增加低重力環(huán)境下姿態(tài)控制能力、下肢的活動(dòng)能力以及人機(jī)協(xié)同能力。

3.3 功能組成

綜上，針對(duì)生命保障任務(wù)需求，航天服需具備11 個(gè)功能：壓力防護(hù)、供氧調(diào)壓、通風(fēng)凈化、熱防護(hù)、溫濕度控制、輻射防護(hù)、沖擊／振動(dòng)／過載防護(hù)、噪聲防護(hù)、月塵防護(hù)、信息通信和供配電；針對(duì)作業(yè)能力保障，需保證穿脫性、適體性、活動(dòng)性、姿態(tài)控制、視覺與視野、手套靈活性、作業(yè)安全保障性和人機(jī)協(xié)同方便性等9 個(gè)功能。安全性是核心，適體性是根本，活動(dòng)性（靈活性）是關(guān)鍵，視覺和視野是保障，方便性是發(fā)展方向。 不同類型的航天服，針對(duì)不同任務(wù)具有不同的功能，如圖2 所示。

圖2 登月航天服功能組成Fig.2 Functions of lunar spacesuit

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 壓力防護(hù)

壓力防護(hù)通過壓力服實(shí)現(xiàn)，按防護(hù)原理分為兩種模式：正壓防護(hù)和反壓防護(hù)。 目前在用航天服均采用正壓模式，正壓防護(hù)的原理與空間飛行器一致；同時(shí)為保證服裝的適體性、活動(dòng)性等工效保障功能，整體設(shè)計(jì)為帶有活動(dòng)關(guān)節(jié)的擬人壓力容器，內(nèi)部通過氣體建立滿足人體生理需求的壓力制度，既對(duì)真空環(huán)境有效防護(hù)，又可在艙外作業(yè)中具備足夠的活動(dòng)能力。 特點(diǎn)是通過足夠的氣體壓力防護(hù)，使得人體皮表具有自我限制能力。 正壓防護(hù)服從預(yù)防減壓病角度考慮，以滿足零預(yù)呼吸條件為判據(jù)，又可分為低壓服和高壓服，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、上行重量大等問題高壓服至今未得到實(shí)際應(yīng)用。

反壓式防護(hù)航天服工作原理類似于高空飛行的管式抗荷服，主要特征是頭部呼吸使用氣體環(huán)境，身體其余部分使用彈性材料，引入了非延長(zhǎng)線設(shè)計(jì)概念，利用人工材料代替人體皮表的限制能力，可以保證優(yōu)異的活動(dòng)能力，是先進(jìn)壓力防護(hù)的新技術(shù)。 目前，因頭部頭盔轉(zhuǎn)換接口、穿脫等關(guān)鍵技術(shù)還未突破，該技術(shù)尚停留在概念研究階段。

4.2 供氧調(diào)壓

壓力服建立了壓力環(huán)境，而氣體補(bǔ)償和壓力的維持則通過供氧調(diào)壓功能實(shí)現(xiàn)。 艙外航天服通常利用自身攜帶的高壓氧源，通過供氧壓力調(diào)節(jié)器等閥門按需供氧，以補(bǔ)償人體代謝耗氧和壓力服的泄漏，維持和控制服內(nèi)的工作壓力。 艙內(nèi)航天服根據(jù)其使用特點(diǎn)，在艙載供氧支持下實(shí)現(xiàn)壓力控制。

4.3 通風(fēng)凈化

在微重力和低重力條件下，氣體成分控制首先需考慮服內(nèi)氣體的流動(dòng)，帶走口鼻區(qū)的CO及其他有害氣體。 利用風(fēng)機(jī)為動(dòng)力源，建立服裝內(nèi)規(guī)定流量的閉式通風(fēng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)服裝內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)，將氣體帶入凈化裝置，利用凈化裝置去除航天員代謝產(chǎn)生的CO及其他微量有害氣體，保障服裝內(nèi)特別是頭盔內(nèi)的氧濃度和溫度及濕度均勻分布，且氣體成分滿足醫(yī)學(xué)要求。 艙內(nèi)航天服則是開放式通風(fēng)凈化，由艙載支持設(shè)備提供氣體流動(dòng)的動(dòng)力。

4.4 溫濕度控制

艙外航天服的溫濕度控制通過被動(dòng)熱防護(hù)+主動(dòng)溫濕度控制策略實(shí)現(xiàn)。 其中被動(dòng)熱防護(hù)是指熱隔絕，阻斷服內(nèi)環(huán)境與外部環(huán)境的熱傳遞，通過真空屏蔽隔熱服實(shí)現(xiàn)，利用外層材料與多層鍍鋁箔膜對(duì)太陽(yáng)輻射的高反射、低吸收性能，保證服外的輻射熱盡量少地進(jìn)入服內(nèi)，同時(shí)服內(nèi)熱盡量少地漏出。 此外，手指局部采用高熱阻材料，將手部抓握接觸的熱傳導(dǎo)降至最低。 服內(nèi)的熱量則需通過主動(dòng)溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，通常有2 條換熱途徑：一是液冷散熱，是主要散熱模式，占70%～80%，通過以液冷服、循環(huán)泵及冷源形成的液冷循環(huán)回路，吸收人體代謝產(chǎn)熱、各電子產(chǎn)品產(chǎn)熱以及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱，流經(jīng)冷源時(shí)進(jìn)行熱量交換；二是通風(fēng)散熱，即輔助散熱模式，通過服裝內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)，同樣是流經(jīng)冷源完成熱量交換。 水升華器或蒸發(fā)器作為艙外航天服的唯一冷源，利用水三相變化的物理特性，帶走服內(nèi)多余熱量，與被動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)共同維持服裝內(nèi)穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境。

4.5 適體性

適體性是最基本的工效要求。 對(duì)于艙外航天服適體性的定義是著服后，頭盆高度、胸部圍度、臂展長(zhǎng)度3 個(gè)方向適體，保證航天員穿入后頭盆向間隙在3～5 cm，臂展方向關(guān)節(jié)對(duì)位，脫指量滿足操作要求，既保證關(guān)節(jié)對(duì)位，又要保證具有一定的活動(dòng)空間，穿著舒適，無(wú)壓痛。 目前航天服的適體性設(shè)計(jì)有2 種模式：①飛天艙外航天服和俄羅斯海鷹艙外航天服是典型的軌道基艙外航天服，均采用一對(duì)多設(shè)計(jì)，通過袖長(zhǎng)、褲長(zhǎng)以及襠高等尺寸調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一套艙外服適應(yīng)所有出艙航天員的穿著使用；②美國(guó)的EMU（Extravehicular Ac?tivity Unit）屬于典型的地基艙外服，任務(wù)后地面進(jìn)行檢測(cè)與維修，因此EMU 的軀干、四肢等部組件進(jìn)行了系列尺寸分型，針對(duì)每次任務(wù)的航天員在地面組裝。 但隨著航天飛機(jī)的退役，EMU 逐漸向天基艙外航天服轉(zhuǎn)換，減少分型，由航天員在軌組裝。

4.6 活動(dòng)性（靈活性）

活動(dòng)性是保證人服能力的關(guān)鍵，艙外航天服的關(guān)節(jié)設(shè)置與人體關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)，最大程度地減小艙外航天服與人體關(guān)節(jié)活動(dòng)的束縛。 軌道出艙艙外服關(guān)節(jié)設(shè)置包括肩、肘、腕、掌指、指、膝和踝，基本與人體關(guān)節(jié)一致，關(guān)節(jié)的彎曲由軟關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)由氣密軸承實(shí)現(xiàn)。

4.7 視覺與視野

盲操作會(huì)給出艙作業(yè)帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)，通常情況下是禁止的，因此航天服對(duì)于視覺和視野保證是必須的。 著服后，航天員的視覺和視野保障通過頭盔及面窗的工效設(shè)計(jì)與制造工藝實(shí)現(xiàn)，以保障航天員足夠的視野、透光率等光學(xué)性能滿足要求，同時(shí)防止紫外輻照等對(duì)眼部的損傷和面窗結(jié)霧。

4.8 方便性

航天服的方便性分為穿脫方便性和人服空間的方便性。 目前在用艙外航天服的穿脫形式有2類：①背入式，包括中國(guó)飛天艙外航天服和俄羅斯海鷹艙外航天服，開關(guān)門操作通過鎖閉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，航天員可以獨(dú)立完成；②腰入式，美國(guó)EMU采用該方式，需要他人協(xié)助穿脫。 背入式具有較好的自主穿脫性能，是未來(lái)星際艙外服斜背入式穿脫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 此外，艙外航天服的空間性決定著與航天器艙門、通道的大小和作業(yè)空間的設(shè)計(jì)，艙外航天服的外輪廓尺寸需滿足艙內(nèi)空間布局、艙門和通道的直徑約束要求，保證航天員運(yùn)動(dòng)自如。

4.9 安全性

出艙活動(dòng)中航天員的安全是首要關(guān)注的，在設(shè)計(jì)中，通過生理參數(shù)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)話音通信監(jiān)測(cè)航天員的狀態(tài)，同時(shí)通過安全掛鉤等措施保證航天員的微重力防漂。 此外，為保證在故障情況下航天員仍能安全返回，關(guān)鍵功能應(yīng)有備份。

4.10 功能模塊間的相關(guān)性分析

航天服的生命安全保障和作業(yè)能力保障兩大類功能實(shí)現(xiàn)上相互制約，如圖3 所示。 針對(duì)真空環(huán)境，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶有活動(dòng)關(guān)節(jié)的擬人壓力容器——壓力服，內(nèi)部通過氣體建立滿足人體生理需求的壓力，即壓力制度。 壓力服既要對(duì)真空環(huán)境有效防護(hù)，又要保證艙外作業(yè)中具備足夠的活動(dòng)能力。 航天服內(nèi)的壓力制度與座艙內(nèi)壓力制度不同。 壓力變化是引發(fā)減壓病的根本原因，為此，需要進(jìn)行吸氧排氮，而航天服的壓力制度決定了吸氧排氮時(shí)間，也直接影響著出艙效率，同時(shí)還決定著壓力服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 壓力服的使用相對(duì)于常服活動(dòng)工效有所降低，如可達(dá)域降低、操作阻力增加、手部靈活性變差、容身空間增大等。 因此，壓力防護(hù)與活動(dòng)工效間的平衡問題是航天服設(shè)計(jì)中最根本的問題。 此外，氣體成分和溫濕度控制，采用了風(fēng)機(jī)和泵，電機(jī)與氣流的噪聲會(huì)影響到語(yǔ)言可懂度、舒適性與出艙安全性；隔熱手套的設(shè)計(jì)降低了手部的觸感等。 可見生命安全保障措施與人-服工作效能的發(fā)揮相互制約、相互影響，需要在系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)時(shí)予以平衡考慮。

圖3 航天服功能模塊相關(guān)性Fig.3 Correlation of spacesuit function units

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

航天服的技術(shù)發(fā)展由載人航天的高風(fēng)險(xiǎn)、艙外作業(yè)高負(fù)荷、后勤補(bǔ)給高代價(jià)和航天服在軌維護(hù)高要求的特點(diǎn)所決定。 為了提高航天服系統(tǒng)安全性、可靠性、作業(yè)效能和在軌維護(hù)能力，美、俄一直未停止航天服的技術(shù)改進(jìn)，但是，從整體而言并沒有大的技術(shù)突破。 近十年來(lái)，在載人月球和火星探測(cè)牽引下，NASA 對(duì)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)為航天服的技術(shù)更新提供了思路。

降低發(fā)射質(zhì)量、提高機(jī)動(dòng)能力、減少能源消耗、提升人機(jī)交互效能是未來(lái)航天服技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

5.1 結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)

材料發(fā)展是航天服技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，無(wú)論是壓力服還是空間防護(hù)服都是多功能集成的裝備，這些關(guān)鍵產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與突破直接取決于新材料及其成型工藝的技術(shù)成熟度。 具體的需求分為4 類。

1）頭盔面窗。 壓力防護(hù)、視覺保障和環(huán)境防護(hù)的綜合功能要求頭盔面窗材料的特性必須是高強(qiáng)、高透、可耐受高低溫環(huán)境的透明結(jié)構(gòu)材料。 通過成型工藝保證整體制品的低畸變和低角偏差；采用導(dǎo)電、增透、耐磨等復(fù)合膜，提升耐磨性，減少月塵粘附；利用調(diào)色技術(shù)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景隨動(dòng)控制的視覺防護(hù)、視覺工效及熱防護(hù)保障。

2）硬結(jié)構(gòu)。 輕量化與動(dòng)、靜力學(xué)性能要求半硬式航天服硬結(jié)構(gòu)的材料需要選用高比強(qiáng)度、高比剛度且具備純氧安全性的材料。 復(fù)合材料需具備足夠韌性和異型曲面成型及二次機(jī)加等工藝可行性；對(duì)于合金材料，除易于機(jī)加、成型外，還需考慮焊接、熱處理與表面防護(hù)等工藝可行性。 氣密軸承的結(jié)構(gòu)需要高強(qiáng)度、高剛度、自潤(rùn)滑材料，保證大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3）軟體結(jié)構(gòu)。 軟體結(jié)構(gòu)材料包括氣密材料和承力材料。 氣密材料選用低密度、高彈性、抗撕裂、耐老化的橡塑材料，同時(shí)考慮其連接工藝（模壓、高頻焊接、冷粘接等）的可行性，且實(shí)現(xiàn)自修復(fù)是航天服氣密材料的趨勢(shì)；承力材料選用高強(qiáng)度、低伸長(zhǎng)、低克重、高柔性的織物材料，實(shí)現(xiàn)壓力防護(hù)的同時(shí)，提高活動(dòng)工效。

4）空間防護(hù)結(jié)構(gòu)。 對(duì)于航天服最外層材料需具備高強(qiáng)度、低伸長(zhǎng)、低克重、高柔性的特點(diǎn)，以滿足耐磨、輕量化和活動(dòng)工效的要求。 此外為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境防護(hù)，材料表面還需具備低吸收、高反射的光學(xué)特性，并具有防輻射和疏塵效應(yīng)以及等離子體帶來(lái)電位差等因素的影響；手部還需選用保證隔熱的材料，具有高熱阻、高柔性、高強(qiáng)度、抗撕裂等性能，并考慮多關(guān)節(jié)、變厚度、觸感好的隔熱手套一體成型工藝，以提高手部操作工效的靈活性。

5.2 高效能便攜環(huán)控生保技術(shù)

當(dāng)前工程應(yīng)用的便攜式環(huán)控生保均為消耗性的，包括制冷、CO去除等，增加了服裝在軌維護(hù)操作復(fù)雜程度，每次出艙后需對(duì)消耗品進(jìn)行更換；另一方面增加了保障性難度，所有消耗性資源均需要地面運(yùn)輸補(bǔ)給。 因此，高效能、再生式的環(huán)控生保技術(shù)將會(huì)是未來(lái)的研究重點(diǎn)，主要包括：

1）再生式CO去除技術(shù)。 去除CO方法尋求可再生式的CO吸附原理，如固態(tài)胺技術(shù)，優(yōu)化制備參數(shù)，獲得高性能、可再生的CO去除材料；結(jié)合航天服通風(fēng)凈化管路設(shè)計(jì)，小型化吸收器的結(jié)構(gòu)，并減小通風(fēng)流阻。

2）長(zhǎng)壽命、低消耗性冷源。 擺脫水升華制冷原理，研究新型高效能冷源技術(shù)，如膜蒸發(fā)技術(shù)，拓寬環(huán)境壓力等冷源工作條件約束，提升使用壽命，適應(yīng)未來(lái)火星等環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，同時(shí)注重輕量化、小型化設(shè)計(jì)。

3）自動(dòng)溫度控制技術(shù)。 熱舒適性參數(shù)化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制的前提和基礎(chǔ)，需建立有效的熱舒適性評(píng)價(jià)方法，結(jié)合人工智能等技術(shù)的發(fā)展，搭建精確的熱舒適性控制與預(yù)測(cè)模型。 在控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方面，受限于航天服布局緊湊和功能冗余要求，考慮使用自動(dòng)+手動(dòng)的微型水流量調(diào)節(jié)裝置。

4）廢熱收集與再利用技術(shù)。 航天員著服作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，包括人體代謝產(chǎn)熱、設(shè)備產(chǎn)熱等，當(dāng)前艙外航天服熱設(shè)計(jì)是將該部分熱能導(dǎo)通至冷源，當(dāng)作廢熱散失，未來(lái)熱設(shè)計(jì)需考慮廢熱收集和廢熱利用技術(shù)，如實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化及再分配，改善當(dāng)前服裝加熱能力短缺，完善溫度調(diào)控能力，提高人體熱舒適性，同時(shí)減少服裝自身能源消耗。

5.3 高安全、高比能電池技術(shù)

航天服的使用條件決定了其必須具有高安全性，其中航天服的電池是影響安全的因素之一。為實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，航天服電池的要求包含3個(gè)方面：

1）高能電池單體。 能量密度不低于350 Wh／kg（25 ℃）；

2）高安全、高比能的電池組。 電池組的能量密度不低于260 Wh／kg，輸出電壓28 V 條件下總?cè)萘坎坏陀?0 Ah；

3）電池組的安全管理。 需要實(shí)現(xiàn)基于關(guān)鍵功能的高效供配電分級(jí)管理及用電狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并可做到實(shí)時(shí)充電，且電池組循環(huán)壽命不小于50 周。

后續(xù)隨著技術(shù)發(fā)展，綜合空間防護(hù)功能，可適時(shí)引入柔性電池技術(shù)，如柔性鋰電池、太陽(yáng)能電池、織物電池等。

5.4 適于著服應(yīng)用的人機(jī)交互技術(shù)

航天服作為特殊的飛行器，是人-機(jī)高度耦合的集成體，除提供人服活動(dòng)操作能力外，還需關(guān)注人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

1）盔內(nèi)話音通信與降噪。 為了提高舒適性，并保證頭部活動(dòng)空間，利用與航天服頭盔結(jié)構(gòu)相結(jié)合的陣列式揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)系統(tǒng)替代現(xiàn)有的頭戴式送受話話音通信系統(tǒng)將成為未來(lái)趨勢(shì)，同時(shí)通過語(yǔ)音控制與降噪等信號(hào)識(shí)別與模型算法實(shí)現(xiàn)盔內(nèi)話音通信與降噪一體化。

2）信息顯示與交互。 由于航天服自身空間、使用環(huán)境條件和航天手套操作工效等方面的約束，提高了航天服信息顯示與交互設(shè)計(jì)的難度，一體化設(shè)計(jì)是解決該難題的重要方法之一，如戴航天手套操作的觸屏控制、顯示一體化設(shè)計(jì)，攝像、照明及頭盔結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，盔內(nèi)顯示技術(shù)一體化設(shè)計(jì)等。 此外，針對(duì)長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)也將是航天服顯示與交互應(yīng)用方向之一。

3）通信與定位導(dǎo)航。 在通信方面，登月航天服需具備與著陸器、月球車、機(jī)器人以及未來(lái)月球基地的組網(wǎng)通信能力，包括語(yǔ)音、圖像、信息數(shù)據(jù)等，構(gòu)建基于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)相結(jié)合的系統(tǒng)框架，通信天線的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。 此外，登月航天服需與著陸器、月球車等月面系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航與路線規(guī)劃功能。

4）輔助增強(qiáng)系統(tǒng)。 通過配置活動(dòng)輔助增強(qiáng)系統(tǒng)，提高人-服的活動(dòng)工效，提高作業(yè)能力，降低人體負(fù)荷。 包括與活動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)的嵌入式輔助運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，增強(qiáng)上肢的作業(yè)能力；配置可拆卸的外置式下肢運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)系統(tǒng)，提高下肢的運(yùn)動(dòng)能力；針對(duì)航天手套靈巧性、觸感、操作力矩等性能提升的增強(qiáng)系統(tǒng)等。

5.5 小型化信息采集與處理技術(shù)

航天服裝備作為復(fù)雜系統(tǒng)，需具備參數(shù)實(shí)時(shí)采集、處理、分析的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與檢查、異常報(bào)警以及自動(dòng)控制等功能。 針對(duì)輕量化、小型化以及高可靠的需求，信息采集與處理技術(shù)需在以下兩方面突破：

1）微型化傳感器。 針對(duì)航天服系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)信息（如壓力、流量、溫度、濕度、氣體成分等），采用光纖傳感等新型信息采集原理，在保證可靠性的同時(shí)，研制微型化、輕量化的傳感器系統(tǒng)。 同時(shí)，減少在軌維護(hù)保養(yǎng)操作，提升使用的方便性。

2）集成化微型核心控制模塊。 相比于分布式設(shè)計(jì)，控制和處理模塊集成化的優(yōu)勢(shì)是可以整合計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化，但在一定程度上降低了系統(tǒng)的魯棒性。 因此，需采用系統(tǒng)級(jí)集成封裝等技術(shù)手段，在減少核心控制模塊安裝空間、功耗等資源需求的同時(shí)，保證系統(tǒng)的可靠性。

此外，在數(shù)據(jù)傳輸方面采用適用于航天服的可靠、高效的總線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳輸線纜的輕量化。

5.6 航天服壽命評(píng)估與預(yù)測(cè)技術(shù)

延長(zhǎng)航天服在軌貯存與使用壽命，可以大幅減少上行載荷需求。 結(jié)合在軌使用情況，建立在軌壽命評(píng)估模型，是改進(jìn)航天服設(shè)計(jì)及工藝，評(píng)估到過壽使用風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。

基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用的全壽命周期，綜合分析各類地面的材料、單機(jī)、分系統(tǒng)和系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合整服在軌使用情況及材料在軌暴露試驗(yàn)，擬合并修正壽命趨勢(shì)曲線，建立和維護(hù)全生命周期的航天服模型。 在航天服生命周期的各個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)服裝的狀態(tài)評(píng)估以及剩余壽命跟蹤與預(yù)測(cè)，并以此為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)在軌使用壽命的目標(biāo)。 同時(shí)，簡(jiǎn)化維護(hù)操作，降低運(yùn)營(yíng)成本。包括：

1）基于在軌使用數(shù)據(jù)以及地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)、故障仿真數(shù)據(jù)的系統(tǒng)壽命評(píng)估技術(shù)；

2）結(jié)構(gòu)材料在軌空間環(huán)境影響性能衰退驗(yàn)證與評(píng)估技術(shù)；

3）液冷回路與供水系統(tǒng)工質(zhì)相容性驗(yàn)證、工質(zhì)低揮發(fā)與延壽技術(shù)；

4）集成裝配、軟結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性與生產(chǎn)效能提升。

5.7 地面模擬試驗(yàn)與驗(yàn)證技術(shù)

為保證航天服性能的可靠性和安全性，必須在地面進(jìn)行全面的驗(yàn)證與測(cè)試，且需在進(jìn)行人服系統(tǒng)試驗(yàn)前，對(duì)系統(tǒng)在模擬的工作環(huán)境和條件下進(jìn)行充分地驗(yàn)證試驗(yàn)，全面驗(yàn)證系統(tǒng)可能運(yùn)行狀態(tài)下的功能、性能及其動(dòng)態(tài)特性和故障預(yù)案與安全措施的合理性。 為此，需要建立一套全面的、可行的地面試驗(yàn)方法和模擬試驗(yàn)平臺(tái)，包括：

1）模擬人體代謝的生理假人。 具有真人皮膚特性，且可根據(jù)人體代謝量的變化以及重力變換而引起的耗氧、CO釋放、心率、出汗等生理活動(dòng)的變化；

2）人服能力仿真與驗(yàn)證。 人體關(guān)節(jié)活動(dòng)與航天服關(guān)節(jié)活動(dòng)角度關(guān)系及對(duì)應(yīng)人體施力與航天服關(guān)節(jié)阻力矩關(guān)系的仿真與量化評(píng)估；

3）微／低重力環(huán)境模擬。 為人-服姿態(tài)控制與作業(yè)能力驗(yàn)證，提供不同重力環(huán)境模擬、運(yùn)動(dòng)捕捉與動(dòng)作分析。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，討論了航天服功能需求，根據(jù)當(dāng)前航天服技術(shù)水平和相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，給出了航天服功能實(shí)現(xiàn)的方案構(gòu)想，并提出未來(lái)航天服研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，為航天服工程研制與未來(lái)航天服技術(shù)突破提供參考。