太空“生命护盾”之航天服压力防护功能解析

在载人航天任务中，航天服是保障航天员在太空环境中生命活动和工作能力的关键，按用途可分为舱内航天服和舱外航天服。舱内航天服主要用于航天员在飞船发射和返回、交会对接，或飞船发生泄漏、压力突然降低的时候穿着；舱外航天服则是航天员出舱活动时使用的个体防护装备，相当于小型载人航天器，用于生命和作业保障，在空间站任务阶段，航天员需要执行出舱任务时，就会穿上舱外航天服。

航天服的结构设计、材料选择以及工效性能等直接关系到航天员在太空中的生命安全和任务执行情况。它不仅是航天员的重要防护装备，更是保障任务成功的关键因素之一。其中，航天服的压力防护是航天服最基本也是最重要的功能之一，能为人体建立起赖以生存的压力环境。

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航天服必须具备压力防护能力

在高真空、低压力的空间环境下，人体无法自主呼吸，也无法维持正常的血液循环和代谢过程。环境压力的迅速变化容易导致内含气体空腔的器官发生机械损伤，随着压力的降低，因体内惰性气体析出而容易引发减压病；同时由于氧分压降低，机体缺氧的各类症状随即发生，在极端低压环境下，还将造成体液沸腾等严重后果。因此，航天服必须具备足够的压力防护能力，为航天员建立起一个稳定的密闭承压环境。

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早期任务中通用的压力防护体系

航天服的压力防护功能是通过航天服的压力服（简称压力服）实现的，压力服是由高空飞行全密闭增压式防护服的基础上发展而来。由于载人航天技术的早期目标是实现近地轨道的发射再入以及突破和验证出舱活动技术，出舱任务时间短，工作项目相对简单，对活动能力要求较低，因此在飞行任务中，美国、苏联通常选用舱内和出舱任务通用的压力防护体系。压力服与生命保障系统（或供氧调压装置）结合构成航天服系统，在结构设计上均采用软式结构。

当航天员在舱内执行任务时，航天服作为航天器压力防护的备份，在舱体出现压力应急（泄漏）时，防护空间环境因素的危害，保障航天员的生命安全及必要的工作能力。当航天员开展出舱活动时，航天服则在此基础上增加热防护和生保背包，保障个人生命安全与健康。

以苏联为例，航天员尤里·加加林在穿着SK系列航天服完成人类首次太空飞行之后，科研人员在SK系列航天服基础上优化尺寸、改进设计，研发了兼具舱内活动与出舱活动功能的金雕型(BERKUT) 航天服。1965年3月18日，苏联航天员阿列克谢·列昂诺夫身着金雕型航天服完成了人类历史上首次出舱活动。

▲苏联航天员阿列克谢·列昂诺夫进行了世界航天史上第一次太空漫步

该航天服首次使用了备份气密层，研发了真空环境热防护系统，并采用40.6kPa、27.4kPa两种压力模式和双层可拆卸式面窗，真空屏蔽外层可以有效隔热，同时保护航天服内部结构免受辐射和机械损伤。但在此次出舱活动中，由于气压问题造成服装充压膨胀，航天员最终通过减压才返回舱内。可见，航天服在设计、研制与验证的每个环节都尤为重要。

▲金雕型(BERKUT) 航天服展示

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当前各国采用了不同的压力服系统

随着载人航天技术的发展和载人航天任务的变化，在空间站建设运营期间，载人天地往返常态化，近地轨道出舱频率、时间以及任务复杂度都显著增加，在采用适宜的压力制度的基础上，要求航天服既具有更完备的舱内压力应急防护能力，也能满足舱外活动不同的应用环境和使用需求，特别是舱外航天服必须具备更高的防护性能和生命保障功能。为此，各国在航天服总体构型上采用了不同的压力服系统：舱内采用软式结构，保持了软式航天服轻质和易赋形特征；舱外则采用半硬式结构，尽可能提高加压作业的灵活性、穿脱的方便性以及空间环境防护的安全性。

当前，我国使用的舱内航天服为头盔与躯干肢体服连为一体的密闭拟人形态软式结构，采用开放式通风供氧，由航天头盔、压力服、航天手套、压力调节器、通风供氧组件等组成。其中，压力服由气密层和限制层构成，前者有良好的气密性，防止服装加压后的气体泄漏；后者起到主要的承力作用，限制气密层的过度膨胀，保证基本的人体赋型，由高强度、耐磨损的材料制成。压力调节器能够自动维持服装内规定的工作压力，为航天员创造合适的气压等生存条件。

▲神舟十七号乘组身着舱内航天服开展任务训练

而我国自主研制的空间站“飞天”舱外航天服，整体上采用半硬式结构。服装压力防护原理与航天器一致，同时为保证其适体性、活动性等工效保障功能，整体设计为带有活动关节的拟人形态压力容器，内部通过气体建立满足人体生理需求的压力制度，既对真空环境有效防护，又可在舱外作业中具备足够的活动能力，通过足够的气体压力防护，使得人体皮表具有自我限制能力。

▲用于开展出舱活动的“飞天”舱外航天服

航天服的压力防护功能是保障航天员在太空中生命安全的关键因素之一。未来，随着载人航天近地轨道任务常态化，深空探测任务逐步实施，航天服压力防护技术将面向三个方向：一是面向全硬式零预呼吸的压力服，高压力制度可减少或者取消出舱准备活动时吸氧排氮的过程；二是短期内以低压力制度的软体结构为主结构，通过深入研究和优化关节技术、轻量化承压结构机构技术、先进材料技术以及成型工艺等关键环节，逐步推进航天服技术的革新，研发出能够适应不同任务需求的变压力制度软式压力服；三是实现向局部机械反压式压力服的技术跨越，从而提高航天服的性能和舒适度，更确保航天员在太空环境中的安全与健康。

【参考资料】

[1]张万欣,李潭秋,尚坤,李猛.航天服压力防护技术发展与构想[J].航天医学与医学工程,2018,31(02):121-129.

[2]陈树刚,席林斌*,李潭秋,刘冀念,刘磊刚.舱内航天服现状及发展趋势[J].载人航天,2021,27(06):782-787.

[3]张万欣.航天服系统设计与关键技术分析[J].载人航天,2022,28(02):145.

[4]张万欣*,廖前芳,李金林,丁凌艳 等.空间站飞天舱外航天服系统设计与验证[J].中国科学:技术科学,2022,09:2-3.

本文转载自公众号：中国载人航天

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