桑婉霞，刘灿明

（东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051）

0 引言

航天服是一种保障航天员生命安全的系统，要求其既能保护航天员免受极端温度、辐射、微流星体等恶劣太空环境的侵害，又能提供良好生存环境；且在太空作业时，需具备通信及手动操作等方面的支持能力。航天服是由高空航空服演变而来，其最初设计目标是维持人体在高空条件下的正常生理功能[1]；随着人类对外太空探索的不断深入及航天任务的多样化，各航天国家设计了可满足不同功能需求的航天服，如舱内航天服、舱外航天服、太空舱内/舱外兼用航天服、航天飞机用发射/返回/逃生航天服、舱外活动装置（EMU）以及商业航天服等[1-10]。20 世纪60 年代，“阿波罗”（Apollo）计划[1]中，美国在登月航天服生命保障背包中增加“太空升华器”，并在服装内加入了采用液体运输热量的液冷服层，用于应对航天员月球表面作业时间长、热负荷大的散热需求。2020 年，美国推出“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划[3,11]并研制了新型航天服——探索式舱外活动单元（exploration Extravehicular Mobility Unit, xEMU）。该航天服外形虽与用于国际空间站太空行走的宇航服相似，但通过增加一系列防尘部件并重构便携式生命支撑系统（portable life support system, PLSS）提升了其安全性，使用先进材料和技术增强了其灵活性，改进了通信系统，通过组件模块化设计和可升级，使其能适用于多个空间探测目的地[12]。另外，目前美国各研究机构也在开展未来宇航服的设计，包括Trotti 工作室与麻省理工大学合作设计的“生物装”宇航服，目的是增强航天员探月或探火时的机动性。苏联研制过软式、半硬式登月服及舱外航天服[5-8]；俄罗斯已经具备成熟的登月航天服研制技术，随着火星探测的升温，俄罗斯星星公司（Star）也在进行火星任务航天服的研制工作[9]。

随着我国一系列载人航天工程的成功实施，我国的航天地位迅速提升。2008 年9 月27 日，航天员翟志刚身穿国产“飞天”舱外航天服圆满完成了中国人的首次太空漫步。2021 年7 月和11 月，先后各有2 名航天员身着中国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服成功走出空间站核心舱执行任务。经过不断优化，我国“飞天”舱外航天服目前在轨操作的可达域、精细度和灵活性等方面都有所提高[13]。如何使航天服既功能完备又可体现出我国独特的文化魅力是值得思考的问题。后续载人探月工程任务的规划和设想逐渐提上日程，对我国自主设计登月航天服提出了更高要求。

本文针对我国月球探测任务，主要从服装工艺设计的角度给出登月航天服的总体概念设计：采用基于模型的系统工程方法（MBSE），利用SysML（Systems Modeling Language）[14]搭建了登月航天服模型，着眼于功能和月面环境适应性，对其头盔、躯干服装、手套、靴子、生命保障背包以及安全性可靠性设计进行逐一说明，旨在为我国航天服的设计改进提供参考。

1 月面环境特点及对航天服的影响

登月任务航天器在往返地月之间经历高真空、宇宙射线和微流星体等环境，着陆后的月面环境[12]相比地球表面环境更为恶劣，主要还涉及极端高低温、月尘以及月面微重力等。

月面宇宙射线辐射强度是空间站轨道高度的2～3 倍，且太空中有大量微流星体撞击月面，要求月面航天服具有足够的抗辐射和防撞击性能。

月面昼夜温度约在-180～120 ℃之间剧烈变化[15]。对航天服的隔热保温性能要求更高，外层要防止辐射热量进入，内层要防人体热量过度散失，并保持材料在高低温交变下的完整性和耐久性。

月尘粒径仅约为几十μm，由于静电、微重力等因素，可能在登月航天服表面沉积，进而对服装造成磨损，甚至渗透进航天服内层，导致密封失效[16]。月尘对航天服的危害主要有：1）吸附在头盔面窗，会影响航天员的视线，如果航天员在舱外活动过程中进行擦拭，还可能造成面窗及手套的永久磨损；2）沉积在登月服外层，会增加服装材料的磨损，加速材料老化；3）侵入压力服表面，可能侵入外防护层、隔热和防微流星层、气密限制服之间，导致轴承和关节的活动力矩增大、磨损及密封失效等问题；4）侵入服装内部后会污染生命保障系统。

此外，月球表面重力为地球重力的1/6。穿着登月航天服的航天员会感受到服装的重量。为保证舒适性和操控灵活性，较近地轨道舱外航天服而言，登月航天服还须满足一定的轻量化要求。

2 中国登月航天服总体概念设计

2.1 登月航天服总体设计

结合我国载人登月的目标，登月航天服的基本要求是保证航天员在轨飞行期间、月面短期出舱进行科学探索时的生命安全，以及工作的舒适性和便捷性。虽然登月航天服与飞船、着陆器等航天器相比，其体积和质量都相对较小，但作为最小的载人航天器，登月航天服除须具备基本的压力控制、氧气供应、极端热环境防护、人体平衡控制、服内微环境的通风净化、测控与通信保障、电源供应、航天员视觉防护与保障，以及具有良好活动性能的关节系统和应急供氧等功能外，还须有防辐射、防微流星体、防月尘等功能[17]，并尽可能轻质化。由此梳理出包括舱内服和舱外服（含生命保障背包）的登月航天服的总体设计原则为：

1）充分考虑航天服的月面环境适应性，采取高安全高可靠性设计，确保航天员的生命安全；

2）舱内服部分采用独立的便携生保技术[18]，可以与航天器通过脐带连接；

3）采用非再生环控生保技术，生命保障背包在满足小型化、轻量化要求的前提下，满足月面航天员独立出舱活动时间要求；

4）满足航天员月面活动的舒适性与灵活性；

5）存储体积小、重量轻，满足航天器空间布局要求及重量要求。

基于以上原则开展了舱内/月面兼用登月航天服设计。此登月航天服分为舱内服部分与舱外月面服部分（含生命保障背包）。航天员身着舱内服部分乘飞船，舱外月面服部分随着陆器由运载火箭分别发射入轨，这样可减轻飞船系统的发射重量。载人飞船与着陆器在轨交会对接形成组合体后，航天员由载人飞船转移至着陆器[19]。航天员出舱登月前身着舱内服从舱外服的后背进入，然后将生命保障背包通过断接系统安装于登月航天服的后背。根据月面任务需求在生命保障背包内配置包括氧气和饮用水在内的相应数量的消耗品，消耗品可更换。

为了满足航天员月面活动的舒适性与灵活性，每套登月航天服是为航天员量身定制，版型紧凑，贴合身体。

根据热防护需求，登月航天服主体颜色为白色；图案除采用五星红旗进行渲染外，又加入了中国传统纹样“海水江崖纹”（如图1 所示）。“海水江崖纹”由“水波纹”与“山石”组合而成，象征福山寿海、国家稳固统一。该纹样整体色调为蓝色，色彩灵感源于我国的青花瓷。纹样分为上、中、下三个部分：上部用宝剑头代替“山石”，宝剑头的形态酷似直冲云霄的火箭；下部的“水波纹”酷似火箭喷射出的火焰；中部则选用符号化的“祥云纹”，即祥瑞之云气，寓意吉祥、喜庆、成功的愿望以及对美好生活的向往。此定制纹样不仅可以增加登月航天服的美观度，也可以通过美好寓意的纹样来寄托对祖国的祝福与载人登月成功的希冀。

图1 登月航天服定制纹样Fig. 1 Patterns of the designed lunar EVA spacesuit

2.2 航天服模型

登月航天服主要由头盔、服装、手套、靴子和舱外生命保障背包等组成。采用基于模型的系统工程方法（MBSE），利用SysML[14]搭建了登月航天服模型，如图2 所示。

图2 基于SysML 表述的航天服组成模型Fig. 2 Model of lunar EVA spacesuit in SysML language

登月航天服重量约束为90～120 kg，由于月球表面重力为地球重力的1/6，则其在月面的重量约为15～20 kg，此重量不宜继续增加，否则会大大增加航天员的负荷，严重影响航天员月面活动的灵活性。

登月航天服主要与着陆器接口，而着陆器为航天员出舱提供保障，包括：为航天员穿脱航天服提供空间与辅助设施；航天员在舱内着登月服时着陆器通过脐带为服装供气、供水、供电、控温和除湿；航天员在月面独立活动时，着陆器与登月航天服进行信息交互，保障舱外活动顺利开展。

3 登月航天服分部设计

3.1 头盔

登月航天服头盔采用3D 打印定制而成。为登月航天服配置了两款头盔：第一款采用仿生可折叠设计思路，仿穿山甲鳞片可收缩功能，节省储存空间（如图3(a)所示）；第二款采用360°全视场设计理念，大大增加了宇航员舱外作业的可视范围（如图3(b)所示）。头盔配有面窗、温度计、头戴通信组件、自动导航系统和防窒息系统。

图3 设计的两款头盔Fig. 3 Two kinds of helmet: bionic helmet and full-field-ofview helmet

头盔面窗为4 层透镜面窗：最外层镀金透镜可以减弱可见光、紫外线和红外线能量；次外层透镜能够提供冲击保护和热控制；最内两层为压力防护层。为防月尘，面窗采用耐磨涂层、耐磨材料等提高自身的耐磨性能；同时采用“易撕纸”技术，将多层薄膜黏贴在面窗表面，在月面活动期间，航天员可根据需要一层一层撕掉。为防止面窗出现严重磨损或因撞击而损坏，面窗采用了可快速更换的设计，航天员可自行更换防护面窗后继续执行任务。另外加大了面窗可透视面积，提高了头盔向下的视野范围。

头盔内嵌有通信组件和自动导航系统。对头戴通信组件进行了冗余设计，有2 个耳机接收器和2 个柔性旋筒式麦克风，避免因某个耳机或麦克风失效而影响月面活动任务。头盔两侧各有1 个照明灯以及报警指示灯，头盔内屏可根据需要显示目的地路线，并可以语音播报。头盔上设置有防窒息装置，避免因通风管阀故障威胁航天员的生命安全。

头盔内部安装有防冲击内衬：一是对航天员的头部进行防冲击保护；二是内衬设置有沟槽，保证头部具有良好的通风环境，通风量与头盔内温度测量值形成闭环控制。

3.2 航天服主体躯干部分

航天服整体呈人形（如图4 所示），采用一体化仿生设计理念，背部为穿/脱式结构，航天员单人可自行穿脱航天服。航天服内设置电源系统、信息系统、生命保障系统及废物管理系统等。

图4 登月航天服Fig. 4 Lunar EVA Spacesuit

航天服上躯干由半硬式结构和软的织物构成，半硬式结构可助航天员承受各种外力，上肢软织物结构有利于航天员较自如活动；下躯干使用一种全织物软关节和轴承构成，此种设计可极大提高航天员月面活动的灵活性。

登月航天服的舱内服部分由内向外主要包含耐穿内衣层、通风/供氧/液冷服层和抗压层。其中：耐穿内衣层与航天员直接接触，采用特殊防静电处理过的舒适耐穿棉布织物制成；通风/供氧/液冷服层兼具为航天员进行通风、冷却、供氧和除湿的功能，其内缝制有聚氯乙烯通风管，可为服装内通风及为航天员供氧，在人体热交换活跃区域更多布置液冷管可去除人体代谢产生的多余热量；抗压层主要采用橡胶材料制成，用于密封舱内应急充气加压后抗压。

登月航天服的舱外月面服软织物部分由内向外主要包含加压气囊层、气密限制层、隔热和防微流星层、外防护层。其中：加压气囊层采用尼龙材料制成，用于月面活动前服装充气加压后承压；气密限制层采用聚酯纤维织物制成，以保持服装气密，限制加压气囊向外膨胀；隔热和防微流星层由多层织物制成，用于隔热和防微流星体；外防护层的主要功能是防辐射、隔热和防月尘，因此采用耐热尼龙制成，选用基于表面涂覆的微观薄膜被动防护材料进行月尘防护，采用能减小可见光及红外吸收率的材料以降低所吸收的外热流[20]，保护航天员不受月面过冷或过热环境的侵袭，同时加强了其隔热性能设计以防止内部热量散失和空间辐射热流的传导。

3.3 手套

登月航天服的手套为压力式手套，也是数据手套，可以触屏操控飞船和着陆器；手套指端设置指尖灯用以辅助航天员月面科考，同时该手套具有防火、防电、智能控温功能（如图5 所示）。该手套采用三维数字扫描技术为每位航天员量身定制，以确保手套舒适灵活。手套通过密封腕圈与服装连接。

图5 手套及仿生机械手Fig. 5 Aerospace gloves and bionic manipulator

手套外层为纤维织物，设置两层气密层，使用特殊隔热橡胶材料制成，可有效降低热传导；手套指尖仅设置一层气密层，是为了保持指尖相对灵敏的触觉；手套掌心设置凸起状橡胶颗粒，以防抓取的物品滑落；手套关节外侧设置碳纤维保护壳，以防摔倒时航天员手掌受伤或损伤手套的气密层。

另外，可采用灵巧仿生机械手（见图5）作为手套的增强辅助工具。将仿生机械手安装至胳膊外侧，机械手可360°旋转，机械臂长度可调节，这样便可克服手套活动性低的缺点，大大拓宽航天员月面工作项目，提高航天员月面工作效率。

3.4 靴子

登月航天靴由压力靴和护套靴组成（如图6 所示），具备防火、防电、防滑功能。护套靴包裹在压力靴外面，以减轻月尘污染，并可降低靴子的磨损。

图6 航天靴Fig. 6 Aerospace boots

3.5 生命保障背包

大多数成年男性的体型从魁梧到偏瘦可划分为倒三角型、倒梯型和H 型。本文登月航天服的生命保障背包采用“倒三角型”设计（如图7 所示），以解放航天员的腰部，使腰部活动更灵活，提高航天员在月面转身、行走、下蹲等活动的自如性。

图7 生命保障背包Fig. 7 Life support package

该生命保障背包具备提供12 h 的舱外生命保障能力；采用液路、气路和电路断接系统。航天员出舱活动前，将独立的生命保障背包通过断接系统与登月航天服后背接口插接到位，然后可拆解开与密封舱连接的脐带，开密封舱舱门出舱，独立开展月面活动。

3.6 安全性可靠性设计

航天服配置全自动压力控制系统，无论外界环境（地球环境、深空环境或月面环境）压力如何变化，均可自动控制服内压力为设定值。

月尘是影响登月航天服可靠性的重要因素之一。因此，舱外月面服采用紧密、耐磨的织物结构和材料，并涂覆专用涂层，以防止月尘透过织物侵入，降低磨损；登月航天服的所有开口部分均采取密封措施，并使其可在轨拆卸和安装，以便于航天员在每次任务后可方便地清理服装及生命保障背包上可能存在的月尘；在不影响轴承活动力矩的情况下，登月航天服的所有气密轴承均采用密封结构；在着陆器密封舱内配备航天服专用除尘装置，可在出舱任务结束后对登月航天服进行彻底清洁。

该登月航天服使用综合电子智能控制技术，在航天员出舱月面活动之前，会提示航天员按流程检查航天服是否穿戴正确；此外，其可智能检测并调节服装内压力、温度、湿度、供水、供氧、除二氧化碳、除有害气体、能源、通信等各功能参数，确保航天员对服装状态及自身安全状况实时尽在掌握。如遇故障，该智能系统会向航天员提示故障原因及解决办法。

此外，登月航天服配备“一键回家”按钮，在服装内设置高精度定位导航系统，并可在头盔内显示屏展示方向路线。航天员在月面遇到紧急突发事件，或在月面探测活动迷失方向时，则可以依靠该功能回到月球基地。

4 结束语

在充分调研美国、俄罗斯及中国航天服的基础之上，考虑月面特殊环境和载人登月任务要求，从服装工艺设计的角度对我国载人登月航天服进行了总体概念设计。采用舱内/月面兼用一体化设计思路；应用基于模型的系统工程方法，利用SysML 对登月航天服进行了系统建模；运用仿生学原理，分别对登月服的头盔、主体躯干部分、手套、靴子、生命保障背包进行了概念设计，结合总体安全性可靠性设计，使得服装兼具功能性、适体性、美观性、灵活性、安全性与可靠性。设计思路可为我国载人登月乃至载人深空探测航天服设计提供参考。