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我国空间站航天员出舱,身穿的3000万元衣服,为何无法带回地球?

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太空行走无疑是航天任务里最危险的活动之一,宇航员需要脱离太空舱的保护,只靠一件宇航服维持自己的生命。正因为难度非常高,所以到现在为止,也只有中美俄三国掌握核心技术。为了能支持舱外活动,舱外宇航服的材料和设计要求非常高,我国一件舱外宇航服的造价就高达3000万人民币

但尽管如此,太空行走也没有办法像电影中那样潇洒,宇航员出舱活动就像穿衣服出门一样简单。更让人难以相信的是,这么昂贵的衣服,居然没有办法带回地球,最终的命运只有坠入大气层烧毁这一条路。那么问题来了,出仓活动到底有多麻烦,宇航服又为什么无法带回地球呢?

舱外宇航服科技含量有多高?

太空是一个完全不适合生命存在的地方,这里没有空气,不仅没有办法呼吸,也没有维持人体内外压平衡的大气压。虽然处于太空之中,人的血液不会直接沸腾,但是减压病和肺部气体疯狂的外泄,会让人在短短15秒内失去意识。


Tips:减压病是由于高压环境作业后减压不当,体内原已溶解的气体超过了过饱和界限,在血管内外及组织中形成气泡所致的全身性疾病。

更可怕的是,太空中的温度也非常极端,在太阳照射的时候可以高达121度,阳光照射不到就会迅速跌至零下157度,正负温差高达300度,任何生物都无法应对这样夸张的变化。而且宇宙空间中还充满了致命辐射以及微型流星,只要稍有差池,宇航员就会死亡。但是,空间站的维护维修,以及一些实验都只能靠宇航员出舱亲手操作。于是,可以保证宇航员可以在太空短暂活动的舱外宇航服便应运而生。


Tips:辐射的能量从辐射源向外所有方向直线放射。物体通过辐射所放出的能量称为辐射能。辐射按伦琴 /小时(R)计算。辐射有一个重要特点,就是它是“对等的”。

作为生命维持系统,舱外宇航服的要求非常苛刻,它需要为宇航员提供足够的大气压,并且供应水和氧气,同时也要吸收二氧化碳、水蒸气和其他有害气体。而在材料上,舱外宇航服需要隔绝外部温度的变化,并且维持宇航员的正常体温,同时也要有一定的防弹功能,还能抵抗宇宙射线。而最重要的是,在满足以上所有条件的同时,宇航服还要足够轻便灵活,可以让宇航员在太空中完成复杂的操作任务。如此高的要求,也在情理之中了。


Tips:宇宙线亦称为宇宙射线,是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。

现在我国的舱外宇航服的成本大概是3000万人民币左右,而美国1980年设计出的舱外宇航服造价大概在1500万美元左右,折算一下相当于如今的1.5亿美元,而这些都只是宇航服的价格,背后最关键的生命维持系统背包并没有算在里面。

生命维持系统背包是舱外宇航服最核心的装备,也是区别舱内宇航服和舱外宇航服的关键。这个大背包里包含压力调节系统、供氧系统、废气过滤以及循环通风等设备。虽然美国没有公开价格,但有学者推测,这一套衣服的总价值大概在2200万美元左右,相当于现在的14亿多人民币。虽然现在科技水平提高,材料费用在相应减少,但估计我国的舱外宇航服的整套费用也是一个天文数字。


Tips:生命维持系统是一套复杂的机械设备,它需要考虑到宇航员穿着它之后具备一定时间的独立运行能力,包括持续供氧、散热、水分补充等功能。

我国的舱外宇航服由6层结构,最内层是特殊防静电处理过的棉布织成的舒适层,它可以紧密贴合在宇航员的身上,同时带有空调系统,保证宇航员体温正常,并且吸收汗液。接下来是橡胶质地的备份气密层,它的作用就是为宇航员提供足够的大气压维持生命。再下来是涤纶面料的限制层,保证宇航服在充气的同时不会过度膨胀,影响出舱后的关节灵活度。最后是用来隔热的隔热层。


Tips:静电static electricity,是一种处于静止状态的电荷。在干燥和多风的秋天,在日常生活中,人们常常会碰到早上起来梳头时,头发会经常“飘”起来,越理越乱。

舱外宇航服有这么多层结构,还要在充气加压之后依旧保证灵活,这一点一直都是舱外宇航服的设计难点。比如说我国的舱外宇航服,为了保证手肘的灵活度,仿照了龙虾虾尾的仿生结构,而这还不是最难的部件,真正考验技术的是手套的设计

宇航员在维修空间站的时候,常常要进行几个小时的复杂操作,所以要求这个厚厚的手套可以进行长时间的精细操作。为此,手套内部还有滑轮和弦系统以增加灵活性,最外层的面料还要求可以承受反复弯折和硬物穿刺。所以直到现在,各国的舱外宇航中,手套部分一直是需要专门定制的消耗品。而其他的部件都可以多人共用。


Tips:手套是手部保暖或劳动保护用品,也有装饰用的。手套是个很特别的东西,当初它的产生并不是为了实用,只是到近代,它才成了寒冷地区保温必备之物,或是医疗防菌、工业防护用品。

在太空中,任何不起眼的小事,都比在地球上麻烦的多。比如说在太空中产生的各种废物,都没有带回地球的价值,命运只有扔进大气层里烧毁这一个结局。我们现在甚至连一套舱外宇航服都带不回来。

比如说国际空间站上的几套美国宇航服已经用了15年了,尽管已经有了安全隐患,但在没有新宇航服替代的情况下,他们还是在用这4套破旧的衣服进行舱外维护工作的。

宇航员出舱一点也不轻松

在一些科幻电影里,宇航员在太空行走简直像穿套衣服出门一样简单。实际上,想要完成一次太空行走非常麻烦,我们以神舟7号太空行走为例,来看看宇航员到底要做哪些事情。宇航员出舱过程可以分为四个阶段,分别是在轨组装、检查与训练段,出舱准备与过闸段,舱外活动段以及返回过闸段。其中最麻烦的准备阶段,都需要操作将近15个小时。在这4个阶段里,航天员必须经历上百个步骤,其中有8个任务最为重要。


Tips:神舟七号,简称“神七”,为中国载人航天工程发射的第七艘飞船,是中国的第三次载人航天飞行任务,也是中国“三步走”空间发展战略的第二阶段。

第一,组装舱外宇航服:在飞船发射时,为了节省空间,舱外服是打包固定在轨道舱内的。所以宇航员第一步需要启封包裹,把各个组件组装在一起,之后穿上它检测各部件是否工作正常。这是最耗费时间的一项任务。

第二,在轨训练:在穿好宇航服之后,宇航员还要先在舱内进行预演,把所有出舱活动的关键步骤都熟悉一遍。因为神7的宇航员并没有经过真正的太空行走,在地面训练都是在水中模拟出舱环境的,和真实情况有很大的差别。其实,不管经验多丰富的宇航员,在出舱前预演都是非常重要的环节。


Tips:舱外航天服是一个微型的航天器,是航天员走出航天器到舱外作业时必须穿戴的防护装备,以便把航天员的身体与太空恶劣环境隔离开来,并向航天员提供一个相当于地面的环境。

第三,清空轨道舱:训练完成并充分休息之后,宇航员就要清理轨道舱,为轨道舱减压做准备了。现代的宇航服还没有能力做到在保证灵活的条件下,加压到1个大气压的强度。比如美国的现役舱外宇航服,大气压只有29.6千帕,而我国和俄罗斯都是40千帕标准。虽然比美国高,但是还需要做缓慢的减压适应,才能出舱活动。这时轨道舱的压力会和舱外宇航服一起减压,所以轨道舱里承受不了减压的器材都需要搬到返回舱里锁闭舱门。比如说食品、供水器、尿液储箱管路、手持摄像机、医学检查用的血液乳酸仪,等等都要搬出轨道舱。


Tips:轨道舱的主要任务是为航天员空间生活和工作提供一个暂时的空间,随着飞船任务结束轨道舱就失去了继续存在的价值,继续留着,可能会失去动力以后变成太空垃圾,危及地面的安全。

第四,泄压准备:宇航员再次穿好舱外宇航服,随同轨道舱一起缓慢泄压。舱外宇航服会泄压到40千帕时停止,而轨道舱要一直降到两千帕左右。在这之后,宇航员才能打开舱门,进行太空行走等一系列活动。在活动完成之后,宇航员回到轨道舱,还需要经历缓慢的增压适应,才能脱下宇航服休息。看了这些步骤,相信大家已经明白太空行走到底是一件多麻烦的事情了。


Tips:在厂房内发生爆炸时,为了避免厂房主体结构遭到破坏,采取的最有效措施是泄压。就是使爆炸瞬间产生的巨大压力,由建筑物的内部,通过泄压设施向外排放。

在太空中,任何不起眼的小事,都比在地球上麻烦的多。比如说在太空中产生的各种废物,都没有带回地球的价值,命运只有扔进大气层里烧毁这一个结局。我们现在甚至连一套舱外宇航服都带不回来。

为什么舱外宇航服无法带回地球?

2008年9月27日的神舟七号飞行任务中,我国宇航员翟志刚穿着中国“飞天”舱外航天服完成出舱任务,刘伯明穿俄罗斯“海鹰”航天服辅助,太空行走总时长不到20分钟。讲道理,他们身上的舱外宇航服还可以继续服役很长时间。一般情况下,它可以在三年内被反复使用15次以上。所以这两套价值不菲的舱外宇航服讲道理可以带回来,换副手套之后就可以接着用了。但可惜的是,这两套衣服最后都留在了轨道舱里,随着轨道舱坠入大气层中烧毁了。


Tips:大气层atmosphere,是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体,是地球最外部的气体圈层,包围着海洋和陆地,大气层的厚度大约在1000千米以上,但没有明显的界限。

这个防热盾的面积和整个返回舱的重量是精密匹配的。什么东西会带上返回舱跟着宇航员回来,什么东西应该抛弃,在当初设计飞船时就已经定好了。

为什么这么浪费呢?究其原因,还是神舟飞船的返回机舱没有办法承受更多的负荷了。虽然只是一套衣服,但是舱外宇航服的总重量已经超过了100公斤,也就是说,想把它带回来就相当于返回舱要多上一个人的负荷。

对于返回舱来说,它的技术难点就在于减速和放热。一般情况下,无人返回舱要求在落地前减速到12米每秒以下,而载人返回舱要求在落地前减速到6到9米每秒以内。这对全靠气动减速的返回舱来说是个不小的挑战。为了获得足够的空气阻力,返回舱都被设计成了圆锥形,最底部的防热盾是返回舱抵抗高热和空气阻力的关键。


Tips:空气阻力,指空气对运动物体的阻碍力,是运动物体受到空气的弹力而产生的。在现实生活中,自由落体也受空气阻力的影响,其速度,接触面积,空气密度等都会影响空气阻力的大小。

这个防热盾的面积和整个返回舱的重量是精密匹配的。什么东西会带上返回舱跟着宇航员回来,什么东西应该抛弃,在当初设计飞船时就已经定好了。

返回舱的重量越大,需要的阻力就越大,也就需要更大的底面积。不仅如此,到了降落的最后阶段,返回舱还要打开巨大的降落伞进一步减速,才能达到安全返回的要求。需要回收的重量越大,需要的降落伞和防护盾就越大,整个返回舱的制造成本就会大幅上升。


Tips:防热盾是航天技术中航天器在进入大气层时保护航天器不被热量破坏的保护层。一些飞机也需要防热盾

尤其是返回舱的隔热盾。在返回途中,隔热盾需要承受上千度的高温。在这样的温度下,任何金属都会失去结构强度,所以隔热盾只有隔热功能,对人物来说是应该尽量减小的废重。所以想把舱外宇航服带回来,就意味着要设计更大的返回舱,用更多的燃料和更大的发动机,才能把它送上太空。从这个角度来看,把宇航服带回来代价太高了。

而且最重要的是,返回舱如果太大,相应的结构强度就会减弱,很有可能发生危险。人命才是真正无价的东西,相比之下,让宇航员为了节省3000万去冒风险,可不是我们的风格。宇航员才是我们的无价之宝,和他们比起来,一套宇航服又算什么呢?而且我国的舱外宇航服经过神舟7号的测试,已经验证了国产宇航服的质量,所以它已经完成了自己的任务。


Tips:返回舱又称座舱,它是航天员的“驾驶室”。是航天员往返太空时乘坐的舱段,为密闭结构,前端有舱门。

而到了现在,我国的空间站正在建设之中,新一代的舱外宇航服在搬运上去之后,就会一直留在空间站里服役到报废为止。在可以预计的未来,这些宇航服在运上去之后,便再也没有机会回到地球了。如果服役期满,它就会像其他废料一样被丢进大气层中完全烧毁。

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