文/宫浩钦 刘杨

科技引领时尚
——航天服设计的功能要求和形式特点

文/宫浩钦 刘杨

航天服是太空之旅人类必备的功能性装备，是恶劣太空环境里航天员穿在身上的生命保障系统，它所涉及的科技门类庞杂，是典型的高科技产品。高端顶尖科学技术的运用成就了航天服独特的科技之美，在实现技术突破之后，设计师的创意会有自由施展的空间。

航天服；功能；形式

太空行走是载人航天水平的一个重要标志，2008年9月25日，“神舟七号”成功发射，航天员翟志刚身着“飞天”航天服顺利出舱完成太空行走，标志着我国在科技创新征程上跨出了一大步。航天服是此次载人航天工程最核心的技术之一，严格说来它不是一件服装，而是一个小型载人航天器，它具备密封座舱保障生命安全的全部功能，是一项具有高科技含量的工业产品。本文就航天服设计的历史演进、功能需求、基本结构及其美学诉求等四个方面内容进行梳理，对航天服设计的功能与形式之间的关系及其未来发展趋势略作探讨。

图1 阿波罗登月服的组成

一、航天服设计的历史演进

1、 国外航天服的设计

最早的航天服是由美国高空飞行员波斯特在上世纪30年代主持研制的。为了打破高空飞行的世界记录，需要一种应对高空缺氧同时避免飞行员在高空受到低气压侵害的装备，主持设计研制的第一款高空加压服装，成为今天航天服的前身。上世纪50年代，苏联和美国才分别在此基础上各自开始研制航天服。1961年4月21日，苏联拜克努尔航天基地的“东方号”宇宙飞船把加加林送上太空，他身着的航天服是伴随人类飞出大气层的第一套舱内航天服。

第一件舱外航天服是苏联的“金鹰”航天服。1965年3月18日，苏联“上升2号”发射成功，航天员列昂诺夫身着“金鹰”航天服成为太空行走的第一人。列昂诺夫通过一间压差隔离室来到舱外，依靠一根5米长的“脐带”与飞船内的生命保障系统相连。列昂诺夫在太空中行走了12分9秒，身上的“金鹰”航天服却因为内部压力过高膨胀起来，致使列昂诺夫连曲退弯臂这样的简单动作都难以完成，“金鹰”航天服暴露出严重的设计缺陷，此时航天服的直径已经达到190cm，远远超过了120cm的舱门直径，列昂诺夫尝试多次回舱都不成功，情急之下释放了航天服中的空气，使航天服瘪了下来才勉强回到气闸舱。列昂诺夫的太空冒险启发美国人改进了双子座计划中航天服的设计。改进后的宇航服关节处不再使用纤维连接，改用压力气囊和内部网状衬里，在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟纶混纺材料织成的网，这样在控制宇航服的膨胀同时也保证了关节的相对灵活性。新的宇航服甚至还增设了尿液的处理装置，优化了航天服的设计。

随着美苏太空科技竞争的展开，航天史上又迎来了第二代航天服，这就是ATL型舱外航天服，美国航天员阿姆斯特朗曾身着这种改进后的航天服在距地球25万英里的月球表面成功行走。阿波罗登月之前，美国人对航天服又进行了一次较大的设计更动，使航天服在设计上完善起来。1966年赛尔南的太空行走和1967年1月27日阿波罗火灾事故，促使美国航天局开始研制防火性能更加优越的宇航服。阿波罗航天服的设计与过去相比，一个重大突破就是采用了便携式的生命保障系统，它可以连续工作7个小时，此外还配备了一个后备维生系统，在紧急情况下可以赢得30分钟宝贵应急排险的时间。另外，阿波罗宇航服在一些细节上也不乏可圈可点之处，例如在肩膀、肘、髋关节、膝盖等处采用波纹管式橡胶关节，灵活性和运动性都得到了进一步的提高，“冷却内衣”的成功设计也为日后的航天服设计所一直沿用。

图2 美国双子座航天服的“脐带式”软管

2、中国舱外航天服的设计

“神舟5号”和“神舟6号”航天员所使用的舱内航天服，是我国自主研制的。它整体上由头盔、服装上身、服装下身、航天靴、手套、液冷通风服、尿液收集袋、通讯系统、生命保障系统、辅助氧气瓶等部分组成，服装部分就由14层构成，头盔重量轻，隔音、隔热、防碰撞、减震好，面窗上设有特殊的气流或防雾涂层。

图3 背包式环控生保系统

“神舟7号”所使用的“飞天” 舱外航天服，整体上呈乳白色，局部镶有天蓝色的边线，它在系统设计上借鉴了美俄舱外航天服的部分技术特点，具有很高的技术创新性。“飞天”航天服在整体上属于软硬混合结构（半硬式结构），整体高度2米，背包高度1.3米，可调节大小，适合身高1.6-1.8米的航天员穿着；加注状态下约重120千克；出舱活动期间采用40千帕的氧压力制度，抗压能力120千帕；外层耐温±110℃；可靠性系数0.997；独立工作时间为4-6小时；地面上自行脱穿时间为2-3分钟，在太空中从准备工作到完全穿好，约15小时。 “重而不笨、行动灵活”，是中国“飞天”舱外航天服的一个特点。设计师们在舱外航天服的肩、肘、腕等关节处，使用了气密轴承。在轴承的作用下，航天员的手脚可以随意转动，同时能严格保证气密性。航天服背部是传统的背包式生命保障系统，打开背包的“门”，穿着液冷服的航天员就可以直接钻进衣服里，航天服胸前有“V”字型拉链，使用十分方便。系统设备安装按照模块化、集成式布局原则设计，完全由我国自主研制具备国际先进水平。

二、航天服设计的功能需求

1、太空环境对航天服的功能要求

航天员在舱外活动期间，会受真空、复杂多变的电离辐射环境，剧烈交变的高低温度以及微流星体，空间碎片等舱外环境的威胁，这些恶劣的环境要求任何舱外航天服都必须具备以下基本功能：

第一、恒定气压。航天服必需封闭性良好，内部气压恒定。人类长期生活在地球环境中，为了抵抗空气中的大气压力，人体内存在与大气压力相同的压力与之平衡。而太空是一个没有大气压力的真空环境，如果人在太空环境中不采取任何防护措施，血液就会因为体内的压力而沸腾，肌肉组织也会向外膨胀甚至炸裂。因此航天服必须密闭性能良好，否则宇航员的生命将受到威胁。

第二、阻隔辐射。航天服的设计必须采取有效防护，避免各种辐射伤害。空间电离辐射环境中的主要成分是质子和电子，当这些粒子与人体相互作用时，将在人体内部组织细胞中引起电离、原子位移和化学反应，危害航天员的健康。此外，太阳紫外线辐射、银河宇宙线，对宇航员的健康也是重大威胁。

第三、控温保温。航天服必须具有良好的控温、保温性能，从而保证人体的热平衡不会受到破坏。太空中的温差很大，被太阳照射的一面，温度可以持续上升到120摄氏度，而背阴的一面温度却可以下降到零下10摄氏度。如何在200摄氏度的温差中维持宇航员的体温一直是航天服需要攻克的难关。

第四、抵御陨石冲击。航天服的制作材料必须具有较好强度，能够经受小陨石轻微的撞击。微流星体与空间碎片也威胁着宇航员的安全，微流星体与空间碎片运动速度很快，当它与载人航天器或出舱活动航天员相撞会释放巨大能量，甚至可能像流弹那样穿透航天服危及生命。

第五、维持生命活动。航天服必须具有良好的生命保障系统，提供维持生命所需的氧气，处理身体代谢的废物，维持生命活动。长时间穿用的舱外宇航服还应当能够满足宇航员饮水、进食和大小便。

第六、帮助太空行走。航天员在舱外活动中需要执行常规、非常规与应急等多种形式的任务，需要配备独立的动力系统来帮助太空行走。

除此之外，还要求要求航天服重量轻、方便穿着，能够防火、防胀、防变形等等。

2、航天服设计的主要技术手段

复杂的太空环境使舱外航天服的研制成为一项规模庞大的系统工程，是多学科多专业的综合集成。

第一、为了恒定气压，航天服必须具有较好的密闭性和强度，选用强度较高的材料。此外为了方便航天员的行动，在各个重要的关节部位都要求有较高的灵活性，加设有柔软的护垫，因此充气之后的航天服就显得肥大而臃肿。

第二、为了阻隔辐射，航天服的保护层采用高级混合纤维制成，面料内层还有橡胶包裹，这类面料能够抵抗紫外线和强烈的宇宙辐射。

第三、为了控温保温，近代对于宇航度控温技术重大改革的是1969年美国阿波罗登月中阿姆斯特朗穿着的改进后的ATL型航天服。航天服内有一层为“冷却内衣”，这种几乎盖住全身的网状内衣缝入了长达100米盘成网状的管子，冷水在管道内循环，带走体热，非常有效地控制和保持住了航天服内的温度。这种最初在“阿波罗”航天服上使用的这种特殊的“冷却背心”，时至今日依然在航天服设计中广泛沿用。

第四、为了抵御陨石冲击，航天服的高强度要求来自于内部冲压密闭和外部抵抗微小陨石撞击。当代航天服解决强度问题时，一方面是在保护层中利用特殊合成纤维制成“防弹衣”，像抵御子弹一样抵御微小陨石袭击；另一方面是在约束层内利用多种橡胶材料协助保护层抵御微小陨石撞击，充当了航天服的缓冲层。

第五，为了维持生命活动，舱外航天服的生命保障系统分为“脐带式”和“自主式”两种类型。前者是通过一根脐带式管道，由航天器舱载生命保障系统向舱外的航天服内提供通风、供养，并控制航天服内的气体环境参数。“自主式”航天服自带有一个完整轻便的生命维持系统装置，包括氧气瓶、水罐、通风装置以及泵和过滤装置，一个调节空气和冷却水温的调节器以及一组电池。此外，宇航服上还配有生物测量装置可以通过贴在宇航员身上的电极，使宇航员的心电、呼吸、血压等生理信号直接通过飞船遥测系统传到地面控制中心；一个无线电联络装置与地面联系，这些装置就成为航天服背后的巨大“旅行箱”造型。

第六，为了帮助宇航员太空行走，新的航天服还设计了临时机动装置，宇航员可以手动控制让它喷出氮气，来帮助宇航员在太空中移动，其控制系统具有自动姿态保持功能，姿态精度为±1.25°，也被安放在航天服背面的“背包”里。

图4 中国“飞天”舱外航天服

三、航天服设计的基本结构

舱外航天服是航天员出舱活动期间最重要的生命保障装备，整套系统有两千多个零部件，结构十分复杂。

1、航天服主体的基本结构

一套航天服的制作通常要十几层才能基本满足太空行走的基本要求，这也是航天服从外面看起来宽大臃肿的另外一个原因，它在功能上由内到外可以分为五层。

第一层是与皮肤直接接触的贴身内衣层，配有监测宇宙太阳辐射的机能，避免航天员误入危险的高辐射区，对航天员的生活环境进行动态监控，此外还配有监测记录心率、体温、呼吸等生理数据的计量设备。

第二层温度调节层，采用了热管液体调温的新技术，排列了大量聚氯乙烯细管，管中的液体流动能够带走身体产生的热量，控制航天服内的温度。

第三层加压层，这一层用橡胶密闭，充满了相当于一个大气压的空气，以保障宇航员处于正常的压力环境。

第四层是约束层，这层的主要功用是控制充气后航天服的形态，同时抗拒太空中的微小陨石的冲击。

第五层是航天服的表层，由高强度的合成纤维制成，用来抵御陨石的冲击和紫外线的伤害。

2、航天服的辅助设备及配套服饰

除了上述五层之外，航天服的“背包”内还备有氧气瓶、水罐、通风装置、过滤装置、温度控制装置等一整套生命维持系统。航天服通常的辅助设备包括：（1）头盔；（2）送话器；（3）宇航徽记；（4）通信工具；（5）供养和排放二氧化碳的装备；（6）通信和医用传感器的连接器；（7）调节衣服的压力、温度和湿度的装置。（8）宇航员专用表；(9)压力表，随时显示宇航服内的压力；（10）通风设备：宇航员上飞船之前，需要通过这个设备透气，同时排掉多余的热量。

航天服整体上可以分为头盔、手套、靴子、航天服主体四个部分。与航天服配套的头盔通常使用高强度的聚碳酸脂制成，通过压力密封项圈和航天服相连。手套的设计必须确保航天员能够操作紧密仪器，通常需要根据宇航员手模型制作压力汽囊，外面覆盖多层超绝缘材料，以隔离热量、承受摩擦。大拇指和食指部位采用硅橡胶材料，保证一定程度的灵敏“触觉”。靴子也是在压力靴的外面，除了橡胶鞋底外为金属纤维织物，kapton薄膜和玻璃纤维布，保证了靴子的轻盈和隔热。

图5 航天员着舱外航天服进行太空行走

四、航天服设计的美学诉求

1、 航天服设计中的形式与功能

由于技术手段的限制，从1970年代到现在，航天服没有本质性的突变，其设计重点还是在从技术上实现保护宇航员的安全，确保功能实现一直是设计师的中心工作。航天服的设计只能“功能主导形式”，以一种功能的、实用的、稳步的状态向前发展。反复出现的臃肿而笨重的设计，逐渐使人们相信：航天服是一种特殊的功能性服装，它的用途决定了它不会像普通服那样装拥有千变万化的形式。

然而，另外一条“形式主导功能”的完全相反的设计思路也同时存在着。作为和宇航员接触最密切的航天器材，人们也会更多的关注航天服的美观，更多地考虑到人机功效、宇航员的情感以及航天服设计中的人文因素，使航天服设计向着人性化的方向不断迈进。人们渴望穿着便捷的航天服，科幻电影中的紧身设计正逐渐成为许多科学进行不懈的努力的方向。

早在包豪斯时代功能与形式的哲学讨论就已为工业设计界所纠结，而在笔者看来，形式和内容永远是一体的。没有无功能的形式，也没有无形式的功能。在实际的设计当中，二者往往是紧密结合在一起的。航天服设计必须首先考虑诸如压力、辐射、恒温、强度等功能需求，正是在一一满足这些功能的需求的过程中，航天服形成了它原始的独特的美的形式。

2、航天服的科技之美

航天服凝聚着机械、纺织、化工、测控通信、人机功效、热、电等众多尖端科技，它所具有极高的技术密集度，使得航天服的设计形成了一种特殊的科技之美，这种科技之美中蕴含着先进的、严谨的、科学的语言符号，它也是这样被认知和传播的。当宽大臃肿的航天服成为高科技的符号，在电视、报刊等大众媒体上频繁出现时，似乎也在提醒着人们“形式”已经在转化，正在为商业促销发挥着重要“功能”。

当航天服这种特定的、代表着高科技的语言符号被人们所接受以后，航天服的外在形式就与“科技”、“严谨”的含义形成了一个约定俗成的语言符号组合。同时，人们开始借用这一符号来传递科技含义，许多的数码产品（其本身蕴含科技语言）会利用航天服的形式语言（圆滚的整体特征、圆形头盔的形式等）来表达产品本身的想表达的。不仅如此，甚至连普通百姓日常生活中的食品、用品也开始借助航天服的科技符号向消费者传达产品想要表达的科技信息。国内某知名品牌乳制品广告中儿童穿着卡通版的航天服宣传乳制品，号称“航天员专用乳制品”，给消费者传达的正是一种科技引领消费的时尚。

美国麻省理工学院的研究人员正在着手研究一种类似紧身衣的轻薄高科技防护服，如果成功实现，那么航天服的传统形象将会被颠覆。这些设计理念表明即使是航天服这类功能主导的工业产品的设计，在实现技术突破之后设计师的创意仍可以自由施展。

宫浩钦 (北京航空航天大学工业设计系副主任，博士 )刘杨（北航工业设计系硕士生）

Gong Haoqin (Department of Industrial Design; Beijing University of Aeronautics and Astronautics vice director, Doctor) Liu Yang (Department of Industrial Design; Beijing University of Aeronautics and Astronautics Graduate Student)

[1] 袁修干.《人体热调节系统的数学模拟——航空宇航科学与技术》［M］,北京: 北京航空航天大学出版社， 2005.

[2] 林贵平 王普秀编. 载人航天生命保障技术［M］, 北京: 北京航空航天大学出版社， 2006.

[3] 黄伟芬. 航天员出舱 活动概论［M］,北京: 国防工业出版社， 2008年.

[4] 石磊 左赛春. 神舟巡天：中国载人航天新故事［M］, 北京:中国宇航出版社，2009.

[5] 陈善广. 中国航天员风采录［M］,北京：中国宇航出版社, 2008

Technology Leads the Fashion Trend——On the Functional Requirements and Structural Features in the Design of Space

Gong Haoqin Liu Yang

Space suit is the functional necessary equipment of people walking in outer space, also is the astronaut’s life-support system in severe outer space environment. It is a typical high-tech products, containing complicated technology elements. Using of the most advanced technique attributes to the unique beauty technology but also provides a place of innovation for the designers .

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