淺談航天服裝的發(fā)展

淺談航天服裝的發(fā)展

太空行動(dòng)是載人航空航天水平的重要標(biāo)志。25.2008年9月，“神舟號(hào)”成功發(fā)射。翟志丹首先通過“飛天”號(hào)服順利著陸，標(biāo)志著中國(guó)在科技創(chuàng)新方面經(jīng)歷了一步一步的一步。航天服是此次載人航天工程最核心的技術(shù)之一，嚴(yán)格說來它不是一件服裝，而是一個(gè)小型載人航天器，它具備密封座艙保障生命安全的全部功能，是一項(xiàng)具有高科技含量的工業(yè)產(chǎn)品。本文就航天服設(shè)計(jì)的歷史演進(jìn)、功能需求、基本結(jié)構(gòu)及其美學(xué)訴求等四個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行梳理，對(duì)航天服設(shè)計(jì)的功能與形式之間的關(guān)系及其未來發(fā)展趨勢(shì)略作探討。一、天衣設(shè)計(jì)的歷史發(fā)展1、太空行走的航天服最早的航天服是由美國(guó)高空飛行員波斯特在上世紀(jì)30年代主持研制的。為了打破高空飛行的世界記錄，需要一種應(yīng)對(duì)高空缺氧同時(shí)避免飛行員在高空受到低氣壓侵害的裝備，主持設(shè)計(jì)研制的第一款高空加壓服裝，成為今天航天服的前身。上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)和美國(guó)才分別在此基礎(chǔ)上各自開始研制航天服。1961年4月21日，蘇聯(lián)拜克努爾航天基地的“東方號(hào)”宇宙飛船把加加林送上太空，他身著的航天服是伴隨人類飛出大氣層的第一套艙內(nèi)航天服。第一件艙外航天服是蘇聯(lián)的“金鷹”航天服。1965年3月18日，蘇聯(lián)“上升2號(hào)”發(fā)射成功，航天員列昂諾夫身著“金鷹”航天服成為太空行走的第一人。列昂諾夫通過一間壓差隔離室來到艙外，依靠一根5米長(zhǎng)的“臍帶”與飛船內(nèi)的生命保障系統(tǒng)相連。列昂諾夫在太空中行走了12分9秒，身上的“金鷹”航天服卻因?yàn)閮?nèi)部壓力過高膨脹起來，致使列昂諾夫連曲退彎臂這樣的簡(jiǎn)單動(dòng)作都難以完成，“金鷹”航天服暴露出嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷，此時(shí)航天服的直徑已經(jīng)達(dá)到190cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了120cm的艙門直徑，列昂諾夫嘗試多次回艙都不成功，情急之下釋放了航天服中的空氣，使航天服癟了下來才勉強(qiáng)回到氣閘艙。列昂諾夫的太空冒險(xiǎn)啟發(fā)美國(guó)人改進(jìn)了雙子座計(jì)劃中航天服的設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的宇航服關(guān)節(jié)處不再使用纖維連接，改用壓力氣囊和內(nèi)部網(wǎng)狀襯里，在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟綸混紡材料織成的網(wǎng)，這樣在控制宇航服的膨脹同時(shí)也保證了關(guān)節(jié)的相對(duì)靈活性。新的宇航服甚至還增設(shè)了尿液的處理裝置，優(yōu)化了航天服的設(shè)計(jì)。隨著美蘇太空科技競(jìng)爭(zhēng)的展開，航天史上又迎來了第二代航天服，這就是ATL型艙外航天服，美國(guó)航天員阿姆斯特朗曾身著這種改進(jìn)后的航天服在距地球25萬英里的月球表面成功行走。阿波羅登月之前，美國(guó)人對(duì)航天服又進(jìn)行了一次較大的設(shè)計(jì)更動(dòng)，使航天服在設(shè)計(jì)上完善起來。1966年賽爾南的太空行走和1967年1月27日阿波羅火災(zāi)事故，促使美國(guó)航天局開始研制防火性能更加優(yōu)越的宇航服。阿波羅航天服的設(shè)計(jì)與過去相比，一個(gè)重大突破就是采用了便攜式的生命保障系統(tǒng)，它可以連續(xù)工作7個(gè)小時(shí)，此外還配備了一個(gè)后備維生系統(tǒng)，在緊急情況下可以贏得30分鐘寶貴應(yīng)急排險(xiǎn)的時(shí)間。另外，阿波羅宇航服在一些細(xì)節(jié)上也不乏可圈可點(diǎn)之處，例如在肩膀、肘、髖關(guān)節(jié)、膝蓋等處采用波紋管式橡膠關(guān)節(jié)，靈活性和運(yùn)動(dòng)性都得到了進(jìn)一步的提高，“冷卻內(nèi)衣”的成功設(shè)計(jì)也為日后的航天服設(shè)計(jì)所一直沿用。2、“柏拉圖”外航天服的技術(shù)特點(diǎn)“神舟5號(hào)”和“神舟6號(hào)”航天員所使用的艙內(nèi)航天服，是我國(guó)自主研制的。它整體上由頭盔、服裝上身、服裝下身、航天靴、手套、液冷通風(fēng)服、尿液收集袋、通訊系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、輔助氧氣瓶等部分組成，服裝部分就由14層構(gòu)成，頭盔重量輕，隔音、隔熱、防碰撞、減震好，面窗上設(shè)有特殊的氣流或防霧涂層?！吧裰?號(hào)”所使用的“飛天”艙外航天服，整體上呈乳白色，局部鑲有天藍(lán)色的邊線，它在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上借鑒了美俄艙外航天服的部分技術(shù)特點(diǎn)，具有很高的技術(shù)創(chuàng)新性?！帮w天”航天服在整體上屬于軟硬混合結(jié)構(gòu)（半硬式結(jié)構(gòu)），整體高度2米，背包高度1.3米，可調(diào)節(jié)大小，適合身高1.6-1.8米的航天員穿著；加注狀態(tài)下約重120千克；出艙活動(dòng)期間采用40千帕的氧壓力制度，抗壓能力120千帕；外層耐溫±110℃；可靠性系數(shù)0.997；獨(dú)立工作時(shí)間為4-6小時(shí)；地面上自行脫穿時(shí)間為2-3分鐘，在太空中從準(zhǔn)備工作到完全穿好，約15小時(shí)?！爸囟槐?、行動(dòng)靈活”，是中國(guó)“飛天”艙外航天服的一個(gè)特點(diǎn)。設(shè)計(jì)師們?cè)谂撏夂教旆募?、肘、腕等關(guān)節(jié)處，使用了氣密軸承。在軸承的作用下，航天員的手腳可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)能嚴(yán)格保證氣密性。航天服背部是傳統(tǒng)的背包式生命保障系統(tǒng)，打開背包的“門”，穿著液冷服的航天員就可以直接鉆進(jìn)衣服里，航天服胸前有“V”字型拉鏈，使用十分方便。系統(tǒng)設(shè)備安裝按照模塊化、集成式布局原則設(shè)計(jì)，完全由我國(guó)自主研制具備國(guó)際先進(jìn)水平。二、天衣設(shè)計(jì)的功能要求1、航天服的安全性保障航天員在艙外活動(dòng)期間，會(huì)受真空、復(fù)雜多變的電離輻射環(huán)境，劇烈交變的高低溫度以及微流星體，空間碎片等艙外環(huán)境的威脅，這些惡劣的環(huán)境要求任何艙外航天服都必須具備以下基本功能：第一、恒定氣壓。航天服必需封閉性良好，內(nèi)部氣壓恒定。人類長(zhǎng)期生活在地球環(huán)境中，為了抵抗空氣中的大氣壓力，人體內(nèi)存在與大氣壓力相同的壓力與之平衡。而太空是一個(gè)沒有大氣壓力的真空環(huán)境，如果人在太空環(huán)境中不采取任何防護(hù)措施，血液就會(huì)因?yàn)轶w內(nèi)的壓力而沸騰，肌肉組織也會(huì)向外膨脹甚至炸裂。因此航天服必須密閉性能良好，否則宇航員的生命將受到威脅。第二、阻隔輻射。航天服的設(shè)計(jì)必須采取有效防護(hù)，避免各種輻射傷害?？臻g電離輻射環(huán)境中的主要成分是質(zhì)子和電子，當(dāng)這些粒子與人體相互作用時(shí)，將在人體內(nèi)部組織細(xì)胞中引起電離、原子位移和化學(xué)反應(yīng)，危害航天員的健康。此外，太陽(yáng)紫外線輻射、銀河宇宙線，對(duì)宇航員的健康也是重大威脅。第三、控溫保溫。航天服必須具有良好的控溫、保溫性能，從而保證人體的熱平衡不會(huì)受到破壞。太空中的溫差很大，被太陽(yáng)照射的一面，溫度可以持續(xù)上升到120攝氏度，而背陰的一面溫度卻可以下降到零下100攝氏度。如何在200攝氏度的溫差中維持宇航員的體溫一直是航天服需要攻克的難關(guān)。第四、抵御隕石沖擊。航天服的制作材料必須具有較好強(qiáng)度，能夠經(jīng)受小隕石輕微的撞擊。微流星體與空間碎片也威脅著宇航員的安全，微流星體與空間碎片運(yùn)動(dòng)速度很快，當(dāng)它與載人航天器或出艙活動(dòng)航天員相撞會(huì)釋放巨大能量，甚至可能像流彈那樣穿透航天服危及生命。第五、維持生命活動(dòng)。航天服必須具有良好的生命保障系統(tǒng)，提供維持生命所需的氧氣，處理身體代謝的廢物，維持生命活動(dòng)。長(zhǎng)時(shí)間穿用的艙外宇航服還應(yīng)當(dāng)能夠滿足宇航員飲水、進(jìn)食和大小便。第六、幫助太空行走。航天員在艙外活動(dòng)中需要執(zhí)行常規(guī)、非常規(guī)與應(yīng)急等多種形式的任務(wù)，需要配備獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)來幫助太空行走。除此之外，還要求要求航天服重量輕、方便穿著，能夠防火、防脹、防變形等等。2、航天服的“冷卻”設(shè)計(jì)復(fù)雜的太空環(huán)境使艙外航天服的研制成為一項(xiàng)規(guī)模龐大的系統(tǒng)工程，是多學(xué)科多專業(yè)的綜合集成。第一、為了恒定氣壓，航天服必須具有較好的密閉性和強(qiáng)度，選用強(qiáng)度較高的材料。此外為了方便航天員的行動(dòng)，在各個(gè)重要的關(guān)節(jié)部位都要求有較高的靈活性，加設(shè)有柔軟的護(hù)墊，因此充氣之后的航天服就顯得肥大而臃腫。第二、為了阻隔輻射，航天服的保護(hù)層采用高級(jí)混合纖維制成，面料內(nèi)層還有橡膠包裹，這類面料能夠抵抗紫外線和強(qiáng)烈的宇宙輻射。第三、為了控溫保溫，近代對(duì)于宇航度控溫技術(shù)重大改革的是1969年美國(guó)阿波羅登月中阿姆斯特朗穿著的改進(jìn)后的ATL型航天服。航天服內(nèi)有一層為“冷卻內(nèi)衣”，這種幾乎蓋住全身的網(wǎng)狀內(nèi)衣縫入了長(zhǎng)達(dá)100米盤成網(wǎng)狀的管子，冷水在管道內(nèi)循環(huán)，帶走體熱，非常有效地控制和保持住了航天服內(nèi)的溫度。這種最初在“阿波羅”航天服上使用的這種特殊的“冷卻背心”，時(shí)至今日依然在航天服設(shè)計(jì)中廣泛沿用。第四、為了抵御隕石沖擊，航天服的高強(qiáng)度要求來自于內(nèi)部沖壓密閉和外部抵抗微小隕石撞擊。當(dāng)代航天服解決強(qiáng)度問題時(shí)，一方面是在保護(hù)層中利用特殊合成纖維制成“防彈衣”，像抵御子彈一樣抵御微小隕石襲擊；另一方面是在約束層內(nèi)利用多種橡膠材料協(xié)助保護(hù)層抵御微小隕石撞擊，充當(dāng)了航天服的緩沖層。第五，為了維持生命活動(dòng)，艙外航天服的生命保障系統(tǒng)分為“臍帶式”和“自主式”兩種類型。前者是通過一根臍帶式管道，由航天器艙載生命保障系統(tǒng)向艙外的航天服內(nèi)提供通風(fēng)、供養(yǎng)，并控制航天服內(nèi)的氣體環(huán)境參數(shù)?！白灾魇健焙教旆詭в幸粋€(gè)完整輕便的生命維持系統(tǒng)裝置，包括氧氣瓶、水罐、通風(fēng)裝置以及泵和過濾裝置，一個(gè)調(diào)節(jié)空氣和冷卻水溫的調(diào)節(jié)器以及一組電池。此外，宇航服上還配有生物測(cè)量裝置可以通過貼在宇航員身上的電極，使宇航員的心電、呼吸、血壓等生理信號(hào)直接通過飛船遙測(cè)系統(tǒng)傳到地面控制中心；一個(gè)無線電聯(lián)絡(luò)裝置與地面聯(lián)系，這些裝置就成為航天服背后的巨大“旅行箱”造型。第六，為了幫助宇航員太空行走，新的航天服還設(shè)計(jì)了臨時(shí)機(jī)動(dòng)裝置，宇航員可以手動(dòng)控制讓它噴出氮?dú)猓瑏韼椭詈絾T在太空中移動(dòng)，其控制系統(tǒng)具有自動(dòng)姿態(tài)保持功能，姿態(tài)精度為±1.25°，也被安放在航天服背面的“背包”里。三、天衣設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)艙外航天服是航天員出艙活動(dòng)期間最重要的生命保障裝備，整套系統(tǒng)有兩千多個(gè)零部件，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。1、航天器和環(huán)境監(jiān)測(cè)一套航天服的制作通常要十幾層才能基本滿足太空行走的基本要求，這也是航天服從外面看起來寬大臃腫的另外一個(gè)原因，它在功能上由內(nèi)到外可以分為五層。第一層是與皮膚直接接觸的貼身內(nèi)衣層，配有監(jiān)測(cè)宇宙太陽(yáng)輻射的機(jī)能，避免航天員誤入危險(xiǎn)的高輻射區(qū)，對(duì)航天員的生活環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，此外還配有監(jiān)測(cè)記錄心率、體溫、呼吸等生理數(shù)據(jù)的計(jì)量設(shè)備。第二層溫度調(diào)節(jié)層，采用了熱管液體調(diào)溫的新技術(shù)，排列了大量聚氯乙烯細(xì)管，管中的液體流動(dòng)能夠帶走身體產(chǎn)生的熱量，控制航天服內(nèi)的溫度。第三層加壓層，這一層用橡膠密閉，充滿了相當(dāng)于一個(gè)大氣壓的空氣，以保障宇航員處于正常的壓力環(huán)境。第四層是約束層，這層的主要功用是控制充氣后航天服的形態(tài)，同時(shí)抗拒太空中的微小隕石的沖擊。第五層是航天服的表層，由高強(qiáng)度的合成纖維制成，用來抵御隕石的沖擊和紫外線的傷害。2、航天服的通信工具及設(shè)備除了上述五層之外，航天服的“背包”內(nèi)還備有氧氣瓶、水罐、通風(fēng)裝置、過濾裝置、溫度控制裝置等一整套生命維持系統(tǒng)。航天服通常的輔助設(shè)備包括：（1）頭盔；（2）送話器；（3）宇航徽記；（4）通信工具；（5）供養(yǎng)和排放二氧化碳的裝備；（6）通信和醫(yī)用傳感器的連接器；（7）調(diào)節(jié)衣服的壓力、溫度和濕度的裝置。（8）宇航員專用表；(9)壓力表，隨時(shí)顯示宇航服內(nèi)的壓力；（10）通風(fēng)設(shè)備：宇航員上飛船之前，需要通過這個(gè)設(shè)備透氣，同時(shí)排掉多余的熱量。航天服整體上可以分為頭盔、手套、靴子、航天服主體四個(gè)部分。與航天服配套的頭盔通常使用高強(qiáng)度的聚碳酸脂制成，通過壓力密封項(xiàng)圈和航天服相連。手套的設(shè)計(jì)必須確保航天員能夠操作緊密儀器，通常需要根據(jù)宇航員手模型制作壓力汽囊，外面覆蓋多層超絕緣材料，以隔離熱量、承受摩擦。四、天衣設(shè)計(jì)的審美情趣1、航天服的人性化設(shè)計(jì)由于技術(shù)手段的限制，從1970年代到現(xiàn)在，航天服沒有本質(zhì)性的突變，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)還是在從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)保護(hù)宇航員的安全，確保功能實(shí)現(xiàn)一直是設(shè)計(jì)師的中心工作。航天服的設(shè)計(jì)只能“功能主導(dǎo)形式”，以一種功能的、實(shí)用的、穩(wěn)步的狀態(tài)向前發(fā)展。反復(fù)出現(xiàn)的臃腫而笨重的設(shè)計(jì)，逐漸使人們相信：航天服是一種特殊的功能性服裝，它的用途決定了它不會(huì)像普通服那樣裝擁有千變?nèi)f化的形式。然而，另外一條“形式主導(dǎo)功能”的完全相反的設(shè)計(jì)思路也同時(shí)存在著。作為和宇航員接觸最密切的航天器材，人們也會(huì)更多的關(guān)注航天服的美觀，更多地考慮到人機(jī)功效、宇航員的情感以及航天服設(shè)計(jì)中的人文因素，使航天服設(shè)計(jì)向著人性化的方向不斷邁進(jìn)。人們渴望穿著便捷的航天服，科幻電影中的緊身設(shè)計(jì)正逐漸成為許多科學(xué)進(jìn)行不懈的努力的方向。早在包豪斯時(shí)代功能與形式的哲學(xué)討論就已為工業(yè)設(shè)計(jì)界所糾結(jié)，而在筆者看來，形式和內(nèi)容永遠(yuǎn)是一體的。沒有無功能的形式，也沒有無形式的功能。在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，二者往往是緊密結(jié)合在一起的。航天服設(shè)計(jì)必須首先考慮諸如壓力、輻射、恒溫、強(qiáng)度等功能需求，正是在一一滿足這些功能的需求的過程中，航天服形成了它原始的獨(dú)特的美的形式。2、“科技”的“表征”功能航天服凝聚著機(jī)械、紡織、化工、測(cè)控通信、人機(jī)功效、熱、電等眾多尖端科技，它所具有極高的技術(shù)密集度，使得航天服的設(shè)計(jì)形成了一種特殊的科技之美，這種科技之美中蘊(yùn)含著先進(jìn)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒖茖W(xué)的語言符號(hào)，它也是這樣被認(rèn)知和傳播的。當(dāng)寬大臃腫的航天服成為高科技的符號(hào)，在電視、報(bào)刊等大眾媒體上頻繁出現(xiàn)時(shí)，似乎也在提醒著人們“形式”已經(jīng)在轉(zhuǎn)化，正在為商業(yè)促銷發(fā)揮著重要“功能”。當(dāng)航天服這種特定的、代表著高科技的語言符號(hào)被人們所接受以后，航天服的外在形式就與“科技”、“嚴(yán)謹(jǐn)”的含義形成了一個(gè)約定俗成的語言符號(hào)組合。同時(shí)，人們開始借用這一符號(hào)來傳遞科技含義，許多的數(shù)碼產(chǎn)品（其本身蘊(yùn)含科