淺談宇宙空間的航行安全

淺談宇宙空間的航行安全

宇宙的特征是巨大的庫函數(shù)，它有效地吸引著人們的注意力。在這令人神往的天疆里,存在著豐富的資源:高真空、微重力的環(huán)境,可以使人們完成許多在地球上難以制造的藥品和工業(yè)材料生產(chǎn);取之不盡的太陽能,可以幫助人類擺脫地球能源危機的困擾;月球、火星、小行星等有望成為人類新的家園。應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù),使用化學(xué)燃料,原子反應(yīng)堆,多級火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計等可以使速度達到每秒幾十公里,使久居全地球上的人類實現(xiàn)了進入宇宙空間的新時代。這里所指的宇宙空間,實際上是在太陽系內(nèi)旅行,在太陽系的旅行實際上是行星之間的航行,為了明確起見叫做星際航行。行星之間是一個危害人類生存的極端惡劣環(huán)境。如真空、高溫與低溫、太陽輻射、宇宙線和流星等,在行星之間航行會處于失重的狀態(tài),為了保護航天員在星際航行的安全,防護措施通常有兩種:一種環(huán)境保護,將航天員保護在密閉座艙里,與外界隔絕;二是個體防護,將航天員保護在特別的航天服(又稱宇宙服)里。1航天服的使用功能航天服是保證航天員在整個航天過程中生命安全和執(zhí)行任務(wù)的一種個人防護裝備。航天服基本要求:(1)飛船在軌道上作正常狀態(tài)航行(常態(tài)航行)中,為了不妨礙航天員的工作和活動,應(yīng)該可以把頭盔的面窗打開或?qū)㈩^盔脫掉,也可以將手套脫掉或必要時將整個航天服脫掉。當座艙失壓而處于應(yīng)急狀態(tài)(應(yīng)急航行)時,應(yīng)該立即穿好并處于充氣加壓的密閉狀態(tài),以保證航天員不受低壓和缺氧的危害。(2)航天員在宇宙空間(座艙外或月球等天體上)進行科學(xué)考察,安裝和修復(fù)飛船外表面金屬設(shè)備,或進行空間救生以及軌道站組裝時,由航天服給航天員提供一個與外界隔絕的保證生存的密閉小環(huán)境,以便不受宇宙環(huán)境因素的危害。此時由背包生命保障系統(tǒng)建立必要的大氣環(huán)境,并要有體位穩(wěn)定和移動裝置以保證航天員能隨意行動。(3)彈射離艙時,用以防止速壓、高空低溫的危害;降落到海上時,又可用來防寒抗浸、水上漂浮,保證航天員安全返回。航天服應(yīng)具備如下功能:(1)人體吸入的氧氣壓力,不低于187㎜Hg(2.4gkPa);(2)人體受到的大氣壓力取決于服裝壓力制度;(3)服裝處于加壓狀態(tài),人體關(guān)節(jié)容易活動;(4)服裝處于加壓狀態(tài)圍徑膨脹度低,縱徑不伸長;(5)堅固可靠,不破裂;(6)加壓與不加壓狀態(tài),呼吸自如,無阻力;(7)人體各部位受壓一樣,無局部壓迫感;(8)服內(nèi)環(huán)境二氧化碳不高于5㎜HG(0.67KPA)(9)服內(nèi)溫度不超過26℃,濕度不高于60%;(10)服內(nèi)環(huán)境(壓力、氧氣、二氧化碳、溫濕度)控制系統(tǒng),自動工作,10秒鐘內(nèi)壓力達到規(guī)定水平。(11)服裝容易穿脫,時間按服裝類型而定,最長不應(yīng)超過5分鐘;(12)頭盔面窗透明度高,視野廣。視物不畸變。不結(jié)霧結(jié)霜;頭盔脫戴方便快捷,面窗開閉快捷容易;(13)落水時,備有必需救生裝置;(14)防輻射熱,紫外線、紅外線、宇宙線;(15)防微流塵;(16)防寒保暖。2生成航天服系統(tǒng)按用途范圍分類:(1)艙內(nèi)用:水星服、阿波羅服(N-PGA),航天飛機EIS(艙內(nèi)應(yīng)急)服,東方號服、YF200S服,中國神舟5號和神舟6號航天服。(2)艙外用:A7LB阿波羅登月服,AES航天飛機空間活動服,中國神州7號航天服。(3)艙內(nèi)外共用:雙子星服,上升號服,禮炮號服?；窘Y(jié)構(gòu):艙內(nèi)用航天服通常由頭盔、外罩、氣密限制層,通風(fēng)供氧結(jié)構(gòu)、使暖層、內(nèi)衣、手套和航天靴等組成。艙外用航天服由于防護性能和使用性能要求高,在結(jié)構(gòu)和防護性能上比艙內(nèi)服有所增添。圖1表示艙外航天服與其配套的附件示意圖。3航天服的防護性能航天服是在航空密閉服的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。美國于1959年改進。海軍研制的MKⅣ型密閉服(美國稱全壓服),用于第一艘載人飛船水星計劃。接著改進X-15試驗飛機用的密閉服,用于第二系列的載人飛船雙子星座。經(jīng)過進一步改進提高性能用于第三系列的阿波羅計劃與天空實驗室。目前正在致力于研制用于航天飛機的性能較完善的航天服與性能完善的高壓全活動型航天服。美國第一次出艙活動是于1965年6月雙子星座4號航天員E·懷特(E.White),穿著最初期的艙外用航天服G-4C型,活動性能也不佳。在空間活動21分鐘。利用手控行動裝置(火箭槍)做些直線移動和轉(zhuǎn)動。通過7m長的“臍帶”與船艙相連,從中供氧,通風(fēng)(60L/min),通話并傳導(dǎo)人體資料。服裝具有真空屏蔽層,防微流塵層,頭盔有濾光鏡。服內(nèi)絕對壓力為186～207mmHg(24.8～27kPa),服裝漏氣量不超過0.2L/min。雙子星座8號采用的航天服增添了強迫通風(fēng)引射器,“臍帶”長達38米。9號用G-4C航天服在航天靴外表增添了防火層,防護自動移動裝置火箭推動器(由簡單的火箭槍發(fā)展性能較完善的該裝置)產(chǎn)生的高熱。阿波羅系列用于實現(xiàn)月球考察。因之,航天服的防護性能較完善,采用A7L型航天服(圖2)頭盔是由聚碳酸酯制成的全透明鐘罩型。前面有供水供流動食物活門。在月球上帶上微流塵防護罩(詳見航天頭盔)。靴子具有良好的隔熱性能(詳見航天靴)。服裝較G-4C具有更多的層次與防護性能(參見表)。阿波羅7～14號用的航天服是A7L型,15與16號用的是A7LB型。此類型活動性能都較差,但艙外服由于增添了液冷服,通風(fēng)散熱性能良好,顯著地提高了服裝功效學(xué)性能,為保證在月球上長達數(shù)小時執(zhí)行任務(wù),提供了有利條件。天空實驗室采用A7LB型航天服。航天飛機用航天服正在改進提高。按設(shè)計指標,同阿波羅服相比,研制中的航天服為軟胎與硬胎相結(jié)合的聯(lián)合服。胸部為硬胎結(jié)構(gòu),并同背包生命保證系統(tǒng)連成一體,穿脫時間短,活動性好,漏氣量低,并通過微機隨時顯示有關(guān)參數(shù)提供給航天員新的信息,服裝與背包生命保證系統(tǒng)可反復(fù)使用。但如圖所示,服裝臃腫,在有限空間的船艙里難以實用。美國致力于研制的高壓全活動型航天服,已有RX系列、AX系列,AES服等。這些處于試制階段航天服的基本功能是適應(yīng)于1個大氣壓力制度的艙壓,不需吸氧排氮,具有高水平的活動性能;其改進的基本技術(shù)關(guān)鍵是身體各主要活動部位具有不同類型的等容結(jié)構(gòu)(詳見下述的氣密限制層)。蘇聯(lián)初期飛船東方號(1961年)航天服同航空用密閉服無大差異。為適應(yīng)出艙活動人體力學(xué)的需要,在活動性能方面稍有改進。上升2號航天員里昂諾夫于1965年3月出艙活動時,在空間僅停留10分鐘。上升號服的層次與防護性能較全面(見表),后來的聯(lián)盟號服在結(jié)構(gòu)上有新的改進,改為軟胎與硬胎結(jié)合的聯(lián)合服,并同頭盔和背包生命保證系統(tǒng)連成一體,在背部設(shè)有大開口,供身體進出。衣袖與褲子仍由織物制成的軟胎結(jié)構(gòu)。較以往航天服具有如下優(yōu)點:重量輕、穿脫(實際上是進出)快,無人幫助只需2～3分鐘。氣密性好,肢體關(guān)節(jié)部位安置軸承和軟滾珠,活動性能有所提高。服內(nèi)環(huán)境采用再生式和循環(huán),高壓供氧,通過氫氧化鉀吸收二氧化碳。通過離心式風(fēng)扇實現(xiàn)服內(nèi)氧氣環(huán)境。采用氣冷式通風(fēng)散熱與降溫的液冷結(jié)構(gòu)(美國由阿波羅服開始采用),并為保險起見,采用雙層氣密層(見表)1956年10月8日,我國第一個火箭導(dǎo)彈研制機構(gòu)國防部第五研究院成立,著名科學(xué)家錢學(xué)森任院長,揭開了我國航天事業(yè)的序幕!2003年10月15日,我國“神舟”五號載人飛船成功發(fā)射升空。中國太空第一人楊利偉。圓了中國人千年飛天夢。航天員所穿的航天服是由高強度滌綸做成的,重約10kg,由于我國首次太空飛行沒有安排出艙活動,所以人員配備了艙內(nèi)航天服。艙內(nèi)航天服主要用于救生目的,當飛船座艙發(fā)生泄漏,壓力突然降低時,航天員穿上它,接通艙內(nèi)供氧系統(tǒng),就能確保安全。國產(chǎn)艙內(nèi)航天服系乳白色鑲有天蘭色的邊線,穿著舒適,具有國際先進水平,由3部分組成:(1)限制層:保護服裝內(nèi)層結(jié)構(gòu)的;(2)氣密層:具有良好的透氣性;(3)散溫層:連接內(nèi)衣褲。航天員穿戴的頭盔由聚碳酸酯制成,能隔熱、隔音和防碰撞。手套與航天服配套,加壓充氣后具有良好的活動性能和保暖性能。4天衣結(jié)構(gòu)各類型航天服主要組成部分簡介:4.1維織物的織物結(jié)構(gòu)外罩是服裝最外的一層,其用途是保護氣密限制不受磨損,彈射跳傘時保護限制層不受速壓的損壞,防火。艙外用服裝的外罩還應(yīng)防護空間環(huán)境因素的危害。常用的外罩材料主要有聚間苯二甲酰間苯二胺,俗稱為HT-1的織物,涂聚四氟乙烯的纖維織物,聚酯纖維織物等。艙外用航天服的外罩表面還應(yīng)具有必要的光學(xué)性能,對光的反射率高,即對波長為0.36～0.75微米的可見光的吸收系數(shù)越低越好,顏色應(yīng)選用白色或在織物的表面鍍鋁。為了適應(yīng)長時間在月球表面上活動的需要,必須提高外罩的防護性能。登月服外罩還可選用直徑為3～5mm的玻璃纖維布。在膝部和肘部增加由細金屬絲編制的防護網(wǎng)。月球表面上還有可能遇到繼發(fā)的隕石碎塊,其速度雖不大(1～1.5公里/秒),但仍具有破壞力。故需要防護層加以防護。該層還可以防備微流塵的破壞作用。1×10-6～1×10-4克以上的微流塵就能夠擊空一般的防護層,破壞氣密層,造成爆發(fā)性減壓,直接危害生命。小于1×10-7克的粒子的碰撞也能損壞飛船上的光學(xué)儀器、觀察窗、太陽能電池組件等,航天服外罩也將受到輕傷。登月報的防護層通常采用氯丁像膠尼龍布。4.2織物組織結(jié)構(gòu)或面料該層的用途是保護航天員在艙外或月球上活動時,不受外界環(huán)境過熱或過冷的侵襲。在太陽光照射下,防止輻射熱透入服裝里;在太陽的陰影里(背陽側(cè)),防止服裝內(nèi)部熱散失。在月球表面上輻射熱量大,灰塵也多。若灰塵附著在外罩表面,會降低光學(xué)性能,增大吸熱率,故需要提高真空隔熱屏蔽層的隔熱值。屏板是10mm厚的鋁箔,或用表面鍍鋁的塑料薄膜制成,后者的優(yōu)點是強度大,重量輕,導(dǎo)熱系數(shù)也低。通常采用的是有金屬鍍膜的聚酯薄膜(或聚酰胺薄膜)和卡普龍編制的網(wǎng)狀襯墊制成的。4.3氣密層的材料該層包括氣密層與限制層兩個層次。由于二者多是結(jié)合在一起的整體結(jié)構(gòu),特別是硬胎結(jié)構(gòu)(橡膠與織物模壓成型),故合稱為氣密限制層。氣密層應(yīng)選用漏氣量甚微的膠卡或膠布。采用縫紉成型的軟胎結(jié)構(gòu)時,由于膠布具有一定的漏氣量難以維持在最低水平。為了減少由地面上攜帶到空間氣體容量,必須盡量降低漏氣量。近年來,由于采用了硬胎的模壓成型,此問題得到了較好的解決。為了提高關(guān)節(jié)的活動性能,多年來工程設(shè)計人員曾試制了波紋管式、網(wǎng)狀限制式、桔瓣式和氣密軸承轉(zhuǎn)動式等多種形式的結(jié)構(gòu)。4.4呼吸新鮮空氣由于氣密層既不透空氣又不透水汽,必須把人體不斷排出的熱量和水汽排出服裝。當戴上頭盔或面窗關(guān)閉使航天員處于密閉狀態(tài)時,還必須供給氧氣并排除廢氣,以確保航天員呼吸新鮮空氣。所有這些生理衛(wèi)生學(xué)要求,均需通過服裝通風(fēng)結(jié)構(gòu)來完成。通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足以下原則:A、通風(fēng)氣流分布到全身各部位,不應(yīng)有死區(qū);B、通風(fēng)氣流應(yīng)沿身體表面緩慢流動,以便充分地帶走熱和濕氣,更有效地利用通風(fēng)流量;C、選定身體幾個主要部位,確定通風(fēng)部位的流量分配比例。關(guān)于水冷服另有專文論述4.5服裝及睡衣要求保暖層位于氣密層與內(nèi)衣之間,保護航天員在環(huán)境溫度變動范圍不太大的條件下維持舒適狀態(tài)。應(yīng)選用熱阻大、柔軟、重量輕的特制材料(如羊毛制品,合成纖維絮片等),以便既有良好的隔熱性能,又不因過厚而妨礙動作。為了保證航天服具有全面的防護性能,服裝的層次是很多的,但每一層都不能過厚,以免造成服裝臃腫,妨礙動作,這在工程設(shè)計中是嚴禁的?？紤]到冬季寒區(qū)(如降落后不能立即被發(fā)現(xiàn))停留時,可另外攜帶防寒外罩。在宇宙空間停留時,考慮到防護太陽輻射熱,可增添真空隔熱屏蔽層。因之航天服的隔熱性能取決于各個層次隔熱性能的總和,保暖層僅為其中的一部分。內(nèi)衣直接影響人體皮膚溫度和貼近內(nèi)衣的空氣層的溫度,對皮膚的生理功能也產(chǎn)生直接的影響。故對內(nèi)衣應(yīng)有如下要求:A、柔軟、有彈性、對皮膚無刺激性;B、吸濕性好。在潮濕的狀態(tài)下不應(yīng)粘貼皮膚,以免影響汗的排出和蒸發(fā);C、透氣率高。有利于皮膚表面與周圍空氣之間進行氣體交換。4.6手的技術(shù)結(jié)構(gòu)手套在充分加壓后,不應(yīng)影響手指和手掌活動。手的汗腺分布密度大,又是精神性發(fā)汗的重要部位,必須有良好的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。手指處于肢體末端,血液循環(huán)差;手指分散,散熱面積大,易冷怕寒。這些都是解決手套的技術(shù)關(guān)鍵。手套通常由舒適手套(相當于人體內(nèi)衣)、氣密限制層和附件組成。在工藝成型上有軟胎結(jié)構(gòu),也有硬胎結(jié)構(gòu)。二者各有其優(yōu)缺點。圖6是一般常見的一種航天用加壓手套。為了改善手指的活動,在手指關(guān)節(jié)部位增添“桔瓣”式結(jié)構(gòu);為了限制手套的膨脹,增添限制帶(或金屬限制環(huán));為了脫戴方便,手套固定在腕部斷接器上。后者可保證整個手隨意的旋轉(zhuǎn)。手套也有與整個服裝同樣的活動性能要求。目前的努力方向也是采用等容結(jié)構(gòu),以便適應(yīng)手活動的需要。另外,還著重于研究影響手感(觸覺)最小的織物。4.7材料選擇的原則航天靴的用途是防寒、防潮濕、防低壓對人體的傷害,也防機械性損傷。其設(shè)計要求與手套相似,更需合腳,不壓迫局部的皮膚、血管和神經(jīng)。穿得牢靠,不易脫落,重量輕。航天靴有3種類型。一是與服裝氣密限制層構(gòu)成整體,不能單獨脫下;二是通過斷接器可以穿、脫的氣密靴(如圖7);三是穿在氣密限制層外面的套靴。這3種類型各有優(yōu)缺點。在實踐中都曾被用過。航天靴與服裝一樣,不是常用裝備,僅限于訓(xùn)練和執(zhí)行任務(wù)期間穿。而且在尚未分型分號大批生產(chǎn)之前僅用一次飛行。故在材料選擇上應(yīng)考慮這一特點。靴子的外層應(yīng)重點保證強度、不變形,耐磨不應(yīng)作為要求。這樣可以做到既滿足性能要求,又保證重量輕。采用新的材料,如靴采用特制的泡沫塑料,靴面用合成纖維類,并用少量的皮革做鑲邊。登月用的靴子應(yīng)具有良好的保暖與隔熱性能,保護腳掌不受月球表面高溫或低溫的傷害。對登月靴的要求是能耐+150～200℃的環(huán)境溫度。有人考慮用耐高溫的材料制成可以脫下來的靴子,以便滿足這些要求。4.8氧量、空氣和液壓系統(tǒng)密集式水生態(tài)系統(tǒng)圖4背包生命保障系統(tǒng)是一套復(fù)雜的裝備。其基本用途是:(1)維持航天服里規(guī)定的壓力;(2)供給航天員呼吸用的氧氣。由于采用較低的壓力制度,又要防止產(chǎn)生減壓病,故只有供給純氧才能保證人體的需要。密閉循環(huán)回路的供氧量平均應(yīng)不少于1升/分。氧氣推帶量根據(jù)艙外活動時間確定;(3)通風(fēng)散熱和除濕。通風(fēng)流量平均應(yīng)有200升/分;(4)向水冷服提供循環(huán)水(流量數(shù)據(jù)見“水冷服”);(5)清除人體排出的廢氣。根據(jù)上述基本用途設(shè)計的生命保障系統(tǒng)應(yīng)絕對安全可靠;手控與自控相結(jié)合,以自控為主;整個系統(tǒng)緊湊,適于安裝在背包里。背包的體積越小越好,背包過大,過渡艙的直徑必將隨之增大,也會妨礙航天員的活動。所有的部件都是密封的,背包本身可以不密封,只用于存放各部件,并起防護作用。背包應(yīng)在較小的艙內(nèi)容易背上或脫下。4.9穩(wěn)定裝置的組成航天員在宇宙空間不能如同在地面上隨心所欲地行動,并隨時都有發(fā)生旋轉(zhuǎn)的可能。為了穩(wěn)定體位并定向活動,必須使用穩(wěn)定體位和空間移動裝置。噴槍是用于航天員在空間行動的一種簡便工具,在上部裝有一個向前方噴射的噴嘴3,在兩側(cè)裝有向后方噴射的噴嘴。手柄上裝有板機。需要行動時將噴槍放在身體重心所在部件,用手按壓板機,起動噴射器,產(chǎn)生推力,即可促使身體移動。穩(wěn)定裝置可保證航天員向任一方向移動并穩(wěn)定體位。該裝置通常