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航天服设计的15个秘密

 2014/4/11 11:47:06    程序员俱乐部  我要评论(0)
  • 摘要:“阿波罗”号宇航员所穿的航天服Z-2航天服麻省理工学院研制的机械反压服6.宇航局负责设计私营公司负责制作航天服的设计和测试工作由宇航局的科学家在实验室进行。完成这些工作后,航天服进入制造阶段。宇航局将他们的设计送交私营公司,由他们负责制作。艾奇逊指出:“我们提出总体设想和具体要求,让他们了解我们需要制造怎样的航天服。我们与一系列私营公司合作,让他们按照我们提供的规格制造。”工程师一次只设计一款航天服。2005年“星座&rdquo
  • 标签:设计

“阿波罗”号宇航员所穿的航天服
“阿波罗”号宇航员所穿的航天服

Z-2 航天服
Z-2 航天服

麻省理工学院研制的机械反压服
麻省理工学院研制的机械反压服

  6. 宇航局负责设计私营公司负责制作

  航天服的设计和测试工作由宇航局的科学家在实验室进行。完成这些工作后,航天服进入制造阶段。宇航局将他们的设计送交私营公司,由他们负责制作。艾奇逊指出:“我们提出总体设想和具体要求,让他们了解我们需要制造怎样的航天服。我们与一系列私营公司合作,让他们按照我们提供的规格制造。”工程师一次只设计一款航天服。2005 年“星座”计划开始后,他们每 3 到 5 年便设计一款原型。

  7. 确定部位手工缝合

  在阿波罗时代,航天服进行手工缝合。你可能认为随着技术的不断进步,这种做法已成为历史,但实际情况并非如此。航天服的最内层被称之为“气囊”,就像一个内充空气的气球,使用机器密封和缝合。气囊上方是约束层,赋予气囊强度和结构。艾奇逊表示:“约束层确保气囊处于特定位置,承受航天服的所有负载,防止气囊在宇航员弯曲肘部或者施压时承受太大压力。”

  约束层仍需要手工缝合。艾奇逊说:“我们有一个房间,里面都是缝纫工,操作不同类型的缝纫机,具体取决于需要缝合航天服的哪一个部位。手工缝合的精确度极高,某些部位的精确度可达到1/16 英寸(约合 1.6 毫米),精确度之高令人难以置信。”在缝合确定部位时,缝纫工使用特定的缝线,具体取决于这个部位是否需要更大强度或者弹性。

  8. 采用最新技术

  工程师采用 3D 激光扫描仪和 3D 打印机设计Z-2 航天服。这在历史上还是第一次。

  9. 航天服允许漏气

  航天服允许漏气,但只是少量漏气。艾奇逊指出整套航天服允许的最大漏气量为 100 SCCM (标准状态毫升/分)。为了确保航天服不漏气,在制作时必须满足设计师提出的各种要求,各部位还要接受严格测试。缝份使用尺子测量,样品被故意毁坏,以确定是否满足强度方面的要求。艾奇逊说:“测试人员会使用一台机器拉扯缝合部位或者织物本身。”

  拿到全套航天服后,设计师也会亲自测试。艾奇逊说:“我们进行结构和泄露测试,对航天服进行充气,使其压力达到正常操作压力的 1.5 倍——太空行走时的压力是 4.3 PSI——以测试结构的稳固性,确定缝合部位是否存在任何漏洞或者出现漏气现象。在此之后,我们进行结构测试,让压力回到正常操作压力,而后再次进行泄露测试。”

  10. 没有定制航天服

  为每一名宇航员定制航天服显然不具有成本效益。航天服的制作采用一个模块系统,这是导致航天服笨重的部分原因。艾奇逊表示:“在将所有组件组装在一起时,最后的航天服的尺寸往往超过各个组件的简单之和,适于更多人群。从小号、中号到大号,我们会制作一系列组件,根据宇航员的体型选择组件并进行组装。这种方式有助于空间站的后勤保障工作。”目前,国际空间站上的组件可以组装 4 套 EMU 航天服,此外还有大量备用组件。模块系统也便于航天服的维护。如果一个组件发生破损,工程师只需进行替换,无需制造一套新的航天服。

Z-1 航天服
Z-1 航天服

Z-2 航天服
Z-2 航天服

  11. 工程师一次只研发一款航天服

  鉴于航天服设计和测试工作的复杂性和严格性,工程师一次只研发一款航天服。艾奇逊说:“我们希望了解哪些设计有用,哪些设计没用,而后开始下一阶段的工作。”从概念到设计再到原型和测试,制作一款新航天服需要很长时间,通常超过一年时间。Z-2 航天服的制作将于 3 月开始,8 月结束,而后开始测试工作。

  12. 穿航天服之前需要穿很多层衣物

  在科幻大片《地心引力》中,桑德拉-布洛克饰演的宇航员脱下 EMU 航天服时身上只穿着紧身背心装和短裤。这显然与真实情况不符,被航天服包裹的宇航员实际上穿着很多层衣物,其中包括所谓的最大吸收量衣物(MAG)。艾奇逊表示:“MAG 基本上就是一个尿布,但吸收量远远超过普通尿布。它是你的废物管理系统。MAG 外面是舒适的内衣,剪裁合身的长内衣裤,让宇航员在佩戴液体冷却衣物情况下仍十分舒适。艾奇逊说:“液体冷却衣物在宇航员身穿航天服工作时保持皮肤凉爽。我们可不希望宇航员出一身汗。为此,我们给航天服安装了很多管子,里面有凉水流动,吸收皮肤的热量并将热量排放到太空。”

  13. 加压服制作方式很多

  任何前往太空的人都需进行加压,以保持身体机能正常。保持身体机能正常的最低气压要求是 2.5 PSI,例如肺部膨胀和血液流动。艾奇逊指出略高于这一气压的效果更好。为了做到这一点,宇航员需要穿加压服,例如宇航局宇航员所穿的加压服,或者利用机械反压的衣服,例如麻省理工学研制的机械反压服。艾奇逊说:“你可以把机械反压服理解成紧身湿式潜水服,通过向皮肤施压达到所需的压力水平。”

  上世纪 70 年代,宇航局的保罗-韦伯博士曾研制机械压力服,被称之为“太空活动服”。虽然这款加压服性能出色,但需要很长时间并且在多人的帮助下才能穿上。除了这个缺陷外,机械压力服还有其他缺陷。艾奇逊说:“有一件事情是你必须考虑的,那就是确保身体各部位的皮肤承受的压力均匀分布。凹陷部位或者从扁平变成凹陷的部位——手掌、肘背、膝盖和腹股沟——会在宇航员移动时改变形状。你需要研发性能可靠的材料,置于这些部位并随着它们外形变化相应做出移动。在研发帮助我们在未来 5 到 10 年进行太空探索的技术时,我们面临很多挑战。加压服能够帮助我们探索太空。”

  14. Z-2 航天服尺寸很小

  Z-2 航天服是迄今为止研制的尺寸最小的航天服之一。艾奇逊表示:“Z-1 航天服采用 13 英寸(约合 33 厘米)的圆顶设计。这种设计适合体型较大的男宇航员,但对体型较小的女宇航员来说显得过大。因此,必须对这款航天服进行瘦身。我们对当前的宇航员队伍进行了分析,试图设计一款适合体型处在底部 40% 这一范围的所有宇航员。”Z-2 航天服的目标是适合从处在第 5 个百分位的女性到处在第 99 个百分位的男性的所有宇航员。很显然,这是一个巨大的跨度。

  15. 公众可为喜欢的设计投票

  宇航局的上一款航天服设计Z-1 让人联想到《玩具总动员》中的巴斯光年。艾奇逊表示:“围绕这个话题展开的讨论很多。我们希望利用这一点激发人们的兴趣,促使人们进一步了解航天服。为了收到更好的效果,我们创建了一个投票网站,让网民为自己喜欢的航天服投票。”

  宇航局工程师与费城大学的服装设计系学生合作,设计航天服的外观。整个设计过程与工程师长久以来习惯的方式存在巨大差异。艾奇逊说:“他们采取了一种不同以往的方式,让服装设计系的学生参与其中。我们需要让航天服表达一系列主题,例如爱国主题、传统主题或者科学和技术主题。我们初步选择了 12 个主题,最后将从中挑选出最能代表我们的主题。”基于这一点,工程师和学生设计师挑选了 3 个主题,即仿生、科技和社会趋势主题。

  目前,这些设计还完全处于美学范畴。艾奇逊认为生物发光技术可用于仿生主题航天服。她说:“在登陆其他行星之后,如果我们所处的工作环境日/夜周期恒定,这可能是人员识别的一个理想方式。现在,我们在织物的两侧和上臂位置添加条纹,为每一名宇航员选择不同的颜色,便于辨认。生物发光技术是一种有效的识别方式,能够让登陆行星表面的宇航员受益。”

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