航天服系统设计与关键技术分析

2022-04-27张万欣

载人航天 2022年2期

张万欣

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094）

1 引言

天地往返和空间出舱活动能力是当前载人航天技术发展的焦点和竞争点。随着中国空间站建设的稳步推进，航天员将面临经常性天地往返、长时间在轨驻留和高频次出舱作业任务，未来的月球、火星、小行星等深空探测任务，将给工程实现带来更大的挑战。航天服为人体建立起赖以生存的微小环境，具备个体防护能力和工效保障能力，是载人航天必备的个人防护装备。

本文针对近地轨道和未来空间探索目标的环境特点以及多目的地的任务规划，通过对航天服的任务需求和功能分析，明确功能分配，给出航天服功能实现的方案构想，并提出关键技术要点，为未来先进航天服的研制提供思路与参考。

2 任务分析

载人航天典型任务阶段如图1 所示，近地轨道出舱需要经历地面发射入轨、近地轨道飞行及出舱、着陆返回等任务阶段；而对于未来月球探测，还需要经历地月空间转移、环月飞行及出舱活动、月面着陆、月面出舱、月面上升、返回再入等任务阶段。针对每个任务阶段，航天服的功能可归纳为2 种情况：①当飞行器舱体出现压力应急（泄漏）时，航天服需为航天员提供压力防护，保障航天员操作飞行器安全返回；②在不同轨道及地外行星表面开展舱外作业时，为航天员提供正常生命活动和作业能力保障。

图1 载人航天典型任务阶段Fig.1 Typical mission phases of manned spaceflight

3 功能分析

以载人登月任务为例，分析讨论登月服功能需求。

3.1 生命保障功能分析

根据载人飞船和登月着陆器的舱内环境，近地轨道、环月轨道和月面环境，分析各类环境因素对航天员的生理影响，确定登月服的防护功能需求。

1）气体环境控制。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，还可能造成体液沸腾等严重后果。针对低气压或真空环境，首先要为航天员建立一个微小的密闭承压环境，实现压力防护功能；同时维持航天服内的工作压力，按需提供氧气供给，以补偿航天员的代谢耗氧及航天服的泄漏，实现供氧调压功能；此外，还要保证航天服内的气体成分满足呼吸用气的要求，实现气体净化功能。

2）热环境控制。在高温环境中，人体热平衡受到破坏，工效受损，耐力下降，严重的将危及健康甚至生命安全，典型的应激反应是全身性热紧张。低温环境下，人体会出现冷紧张，且对于肢端影响最为明显。以手部为例，当皮肤温度降至15 ～20 ℃时，手部灵巧性降低，皮肤温度降至8 ℃以下时，触觉敏感度会严重下降。针对极端冷热环境，首先应尽量减少空间热环境对航天服内环境的影响，即减少航天服内外的热交换，提供热防护功能。同时，需要将航天服内的温度和湿度环境控制在人体舒适的范围，合理设计服内温度场分布，将人体代谢和设备产热、产湿等排到航天服外，实现服内的温湿度控制功能。

3）辐射环境防护。高能辐射对人体产生致癌、中枢神经系统影响、退行效应、辐射综合症等伤害。而在月球飞行中，银河宇宙射线持续作用，太阳粒子事件对暴露剂量产生极大的影响，同时高能银河宇宙射线粒子撞击月表后会产生次级粒子，特别是穿透性很强的中子，将对航天员产生较大影响。通过航天服材料选择和结构设计，提供一定的辐射防护能力及自身的耐辐射能力，并结合出舱活动的时段选择，实现辐射环境防护功能。

4）力学和噪声环境防护。登月过程中会有冲击、振动与过载影响和噪声影响。地面发射、月面着陆／上升以及返回再入中产生的冲击、振动与过载会造成人体生理影响甚至损伤。环境噪声不仅会产生听阈偏移、头晕、恶心等生理影响，还会引发心理效应，如烦躁、工作效能下降等。一方面，针对地面发射、月面着陆／上升以及返回再入的力学环境，需要通过结构设计，保证人体免受冲击、振动和过载的伤害；另一方面，需要进行降噪处理，保证人耳附近的噪声水平低于安全阈值。

5）月尘环境的影响。在月面活动过程中，月尘沾染在航天服上带入舱内，航天员吸入后会造成人体伤害。此外，还会对航天服的性能造成影响，如面窗透光率降低、热防护能力降低、材料磨损、密封失效等。通过材料及其结构复合设计，提供一定的月尘防护，减少月尘附着和透过，提高耐磨性能，同时针对转动轴承等机构进行防尘结构设计。

此外，航天服还需提供话音／数据采集、处理和通信功能、电源与配电功能，实现航天服通信和自主模式下电源供给。

3.2 作业保障功能分析

针对载人飞行器舱内作业，在座舱压力应急时，航天员需着航天服操作航天器应急返回。因此航天服需要具备良好的穿脱性，保证在应急情况下快速穿脱；具备良好的适体性，不能产生机械压痛，也不能影响活动，更不能影响精细动作所需要的触觉；还要具备良好的空间性，保证人-服在舱内有足够的活动空间；更要具有良好的活动性和基本视野，保证航天员能够着服操控舱内设备。

针对微重力轨道舱外复杂作业，除了舱内作业所需的人-服能力外，更关注的还有视野与视觉防护能力、关节活动性（特别是上肢）、微重力环境下姿态控制能力、手套操作的灵活性和作业安全保障性。

针对月表复杂地貌舱外作业，与轨道舱外复杂作业相比，不同的是微重力环境变为低重力环境、空间作业变为复杂地貌作业。因此，航天服功能上要增加低重力环境下姿态控制能力、下肢的活动能力以及人机协同能力。

3.3 功能组成

综上，针对生命保障任务需求，航天服需具备11 个功能：压力防护、供氧调压、通风净化、热防护、温湿度控制、辐射防护、冲击／振动／过载防护、噪声防护、月尘防护、信息通信和供配电；针对作业能力保障，需保证穿脱性、适体性、活动性、姿态控制、视觉与视野、手套灵活性、作业安全保障性和人机协同方便性等9 个功能。安全性是核心，适体性是根本，活动性（灵活性）是关键，视觉和视野是保障，方便性是发展方向。不同类型的航天服，针对不同任务具有不同的功能，如图2 所示。

图2 登月航天服功能组成Fig.2 Functions of lunar spacesuit

4 功能实现

4.1 压力防护

压力防护通过压力服实现，按防护原理分为两种模式：正压防护和反压防护。目前在用航天服均采用正压模式，正压防护的原理与空间飞行器一致；同时为保证服装的适体性、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。特点是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。正压防护服从预防减压病角度考虑，以满足零预呼吸条件为判据，又可分为低压服和高压服，但因结构复杂、上行重量大等问题高压服至今未得到实际应用。

反压式防护航天服工作原理类似于高空飞行的管式抗荷服，主要特征是头部呼吸使用气体环境，身体其余部分使用弹性材料，引入了非延长线设计概念，利用人工材料代替人体皮表的限制能力，可以保证优异的活动能力，是先进压力防护的新技术。目前，因头部头盔转换接口、穿脱等关键技术还未突破，该技术尚停留在概念研究阶段。

4.2 供氧调压

压力服建立了压力环境，而气体补偿和压力的维持则通过供氧调压功能实现。舱外航天服通常利用自身携带的高压氧源，通过供氧压力调节器等阀门按需供氧，以补偿人体代谢耗氧和压力服的泄漏，维持和控制服内的工作压力。舱内航天服根据其使用特点，在舱载供氧支持下实现压力控制。

4.3 通风净化

在微重力和低重力条件下，气体成分控制首先需考虑服内气体的流动，带走口鼻区的CO及其他有害气体。利用风机为动力源，建立服装内规定流量的闭式通风循环，实现服装内强迫对流通风，将气体带入净化装置，利用净化装置去除航天员代谢产生的CO及其他微量有害气体，保障服装内特别是头盔内的氧浓度和温度及湿度均匀分布，且气体成分满足医学要求。舱内航天服则是开放式通风净化，由舱载支持设备提供气体流动的动力。

4.4 温湿度控制

舱外航天服的温湿度控制通过被动热防护+主动温湿度控制策略实现。其中被动热防护是指热隔绝，阻断服内环境与外部环境的热传递，通过真空屏蔽隔热服实现，利用外层材料与多层镀铝箔膜对太阳辐射的高反射、低吸收性能，保证服外的辐射热尽量少地进入服内，同时服内热尽量少地漏出。此外，手指局部采用高热阻材料，将手部抓握接触的热传导降至最低。服内的热量则需通过主动温湿度控制系统实现调控，通常有2 条换热途径：一是液冷散热，是主要散热模式，占70%～80%，通过以液冷服、循环泵及冷源形成的液冷循环回路，吸收人体代谢产热、各电子产品产热以及化学反应产热，流经冷源时进行热量交换；二是通风散热，即辅助散热模式，通过服装内强迫对流通风，同样是流经冷源完成热量交换。水升华器或蒸发器作为舱外航天服的唯一冷源，利用水三相变化的物理特性，带走服内多余热量，与被动热防护系统共同维持服装内稳定的温湿度环境。

4.5 适体性

适体性是最基本的工效要求。对于舱外航天服适体性的定义是着服后，头盆高度、胸部围度、臂展长度3 个方向适体，保证航天员穿入后头盆向间隙在3～5 cm，臂展方向关节对位，脱指量满足操作要求，既保证关节对位，又要保证具有一定的活动空间，穿着舒适，无压痛。目前航天服的适体性设计有2 种模式：①飞天舱外航天服和俄罗斯海鹰舱外航天服是典型的轨道基舱外航天服，均采用一对多设计，通过袖长、裤长以及裆高等尺寸调节，实现一套舱外服适应所有出舱航天员的穿着使用；②美国的EMU（Extravehicular Ac⁃tivity Unit）属于典型的地基舱外服，任务后地面进行检测与维修，因此EMU 的躯干、四肢等部组件进行了系列尺寸分型，针对每次任务的航天员在地面组装。但随着航天飞机的退役，EMU 逐渐向天基舱外航天服转换，减少分型，由航天员在轨组装。

4.6 活动性（灵活性）

活动性是保证人服能力的关键，舱外航天服的关节设置与人体关节对应，最大程度地减小舱外航天服与人体关节活动的束缚。轨道出舱舱外服关节设置包括肩、肘、腕、掌指、指、膝和踝，基本与人体关节一致，关节的弯曲由软关节实现，转动由气密轴承实现。

4.7 视觉与视野

盲操作会给出舱作业带来极大风险，通常情况下是禁止的，因此航天服对于视觉和视野保证是必须的。着服后，航天员的视觉和视野保障通过头盔及面窗的工效设计与制造工艺实现，以保障航天员足够的视野、透光率等光学性能满足要求，同时防止紫外辐照等对眼部的损伤和面窗结雾。

4.8 方便性

航天服的方便性分为穿脱方便性和人服空间的方便性。目前在用舱外航天服的穿脱形式有2类：①背入式，包括中国飞天舱外航天服和俄罗斯海鹰舱外航天服，开关门操作通过锁闭机构实现，航天员可以独立完成；②腰入式，美国EMU采用该方式，需要他人协助穿脱。背入式具有较好的自主穿脱性能，是未来星际舱外服斜背入式穿脱结构设计的基础。此外，舱外航天服的空间性决定着与航天器舱门、通道的大小和作业空间的设计，舱外航天服的外轮廓尺寸需满足舱内空间布局、舱门和通道的直径约束要求，保证航天员运动自如。

4.9 安全性

出舱活动中航天员的安全是首要关注的，在设计中，通过生理参数监测和实时话音通信监测航天员的状态，同时通过安全挂钩等措施保证航天员的微重力防漂。此外，为保证在故障情况下航天员仍能安全返回，关键功能应有备份。

4.10 功能模块间的相关性分析

航天服的生命安全保障和作业能力保障两大类功能实现上相互制约，如图3 所示。针对真空环境，需要设计一个带有活动关节的拟人压力容器——压力服，内部通过气体建立满足人体生理需求的压力，即压力制度。压力服既要对真空环境有效防护，又要保证舱外作业中具备足够的活动能力。航天服内的压力制度与座舱内压力制度不同。压力变化是引发减压病的根本原因，为此，需要进行吸氧排氮，而航天服的压力制度决定了吸氧排氮时间，也直接影响着出舱效率，同时还决定着压力服的结构设计。压力服的使用相对于常服活动工效有所降低，如可达域降低、操作阻力增加、手部灵活性变差、容身空间增大等。因此，压力防护与活动工效间的平衡问题是航天服设计中最根本的问题。此外，气体成分和温湿度控制，采用了风机和泵，电机与气流的噪声会影响到语言可懂度、舒适性与出舱安全性；隔热手套的设计降低了手部的触感等。可见生命安全保障措施与人-服工作效能的发挥相互制约、相互影响，需要在系统顶层设计时予以平衡考虑。

图3 航天服功能模块相关性Fig.3 Correlation of spacesuit function units

5 关键技术分析

航天服的技术发展由载人航天的高风险、舱外作业高负荷、后勤补给高代价和航天服在轨维护高要求的特点所决定。为了提高航天服系统安全性、可靠性、作业效能和在轨维护能力，美、俄一直未停止航天服的技术改进，但是，从整体而言并没有大的技术突破。近十年来，在载人月球和火星探测牵引下，NASA 对先进技术的研发为航天服的技术更新提供了思路。

降低发射质量、提高机动能力、减少能源消耗、提升人机交互效能是未来航天服技术的发展目标。

5.1 结构与材料技术

材料发展是航天服技术创新的基础，无论是压力服还是空间防护服都是多功能集成的装备，这些关键产品的技术创新与突破直接取决于新材料及其成型工艺的技术成熟度。具体的需求分为4 类。

1）头盔面窗。压力防护、视觉保障和环境防护的综合功能要求头盔面窗材料的特性必须是高强、高透、可耐受高低温环境的透明结构材料。通过成型工艺保证整体制品的低畸变和低角偏差；采用导电、增透、耐磨等复合膜，提升耐磨性，减少月尘粘附；利用调色技术，实现场景随动控制的视觉防护、视觉工效及热防护保障。

2）硬结构。轻量化与动、静力学性能要求半硬式航天服硬结构的材料需要选用高比强度、高比刚度且具备纯氧安全性的材料。复合材料需具备足够韧性和异型曲面成型及二次机加等工艺可行性；对于合金材料，除易于机加、成型外，还需考虑焊接、热处理与表面防护等工艺可行性。气密轴承的结构需要高强度、高刚度、自润滑材料，保证大尺寸薄壁结构稳定。

3）软体结构。软体结构材料包括气密材料和承力材料。气密材料选用低密度、高弹性、抗撕裂、耐老化的橡塑材料，同时考虑其连接工艺（模压、高频焊接、冷粘接等）的可行性，且实现自修复是航天服气密材料的趋势；承力材料选用高强度、低伸长、低克重、高柔性的织物材料，实现压力防护的同时，提高活动工效。

4）空间防护结构。对于航天服最外层材料需具备高强度、低伸长、低克重、高柔性的特点，以满足耐磨、轻量化和活动工效的要求。此外为了实现环境防护，材料表面还需具备低吸收、高反射的光学特性，并具有防辐射和疏尘效应以及等离子体带来电位差等因素的影响；手部还需选用保证隔热的材料，具有高热阻、高柔性、高强度、抗撕裂等性能，并考虑多关节、变厚度、触感好的隔热手套一体成型工艺，以提高手部操作工效的灵活性。

5.2 高效能便携环控生保技术

当前工程应用的便携式环控生保均为消耗性的，包括制冷、CO去除等，增加了服装在轨维护操作复杂程度，每次出舱后需对消耗品进行更换；另一方面增加了保障性难度，所有消耗性资源均需要地面运输补给。因此，高效能、再生式的环控生保技术将会是未来的研究重点，主要包括：

1）再生式CO去除技术。去除CO方法寻求可再生式的CO吸附原理，如固态胺技术，优化制备参数，获得高性能、可再生的CO去除材料；结合航天服通风净化管路设计，小型化吸收器的结构，并减小通风流阻。

2）长寿命、低消耗性冷源。摆脱水升华制冷原理，研究新型高效能冷源技术，如膜蒸发技术，拓宽环境压力等冷源工作条件约束，提升使用寿命，适应未来火星等环境下长时间工作，同时注重轻量化、小型化设计。

3）自动温度控制技术。热舒适性参数化是实现自动温度控制的前提和基础，需建立有效的热舒适性评价方法，结合人工智能等技术的发展，搭建精确的热舒适性控制与预测模型。在控制机构实现方面，受限于航天服布局紧凑和功能冗余要求，考虑使用自动+手动的微型水流量调节装置。

4）废热收集与再利用技术。航天员着服作业过程中会产生大量热能，包括人体代谢产热、设备产热等，当前舱外航天服热设计是将该部分热能导通至冷源，当作废热散失，未来热设计需考虑废热收集和废热利用技术，如实现热能转化及再分配，改善当前服装加热能力短缺，完善温度调控能力，提高人体热舒适性，同时减少服装自身能源消耗。

5.3 高安全、高比能电池技术

航天服的使用条件决定了其必须具有高安全性，其中航天服的电池是影响安全的因素之一。为实现轻量化的目标，航天服电池的要求包含3个方面：

1）高能电池单体。能量密度不低于350 Wh／kg（25 ℃）；

2）高安全、高比能的电池组。电池组的能量密度不低于260 Wh／kg，输出电压28 V 条件下总容量不低于30 Ah；

3）电池组的安全管理。需要实现基于关键功能的高效供配电分级管理及用电状态监测，并可做到实时充电，且电池组循环寿命不小于50 周。

后续随着技术发展，综合空间防护功能，可适时引入柔性电池技术，如柔性锂电池、太阳能电池、织物电池等。

5.4 适于着服应用的人机交互技术

航天服作为特殊的飞行器，是人-机高度耦合的集成体，除提供人服活动操作能力外，还需关注人机交互设计。

1）盔内话音通信与降噪。为了提高舒适性，并保证头部活动空间，利用与航天服头盔结构相结合的阵列式扬声器与麦克风系统替代现有的头戴式送受话话音通信系统将成为未来趋势，同时通过语音控制与降噪等信号识别与模型算法实现盔内话音通信与降噪一体化。

2）信息显示与交互。由于航天服自身空间、使用环境条件和航天手套操作工效等方面的约束，提高了航天服信息显示与交互设计的难度，一体化设计是解决该难题的重要方法之一，如戴航天手套操作的触屏控制、显示一体化设计，摄像、照明及头盔结构的一体化设计，盔内显示技术一体化设计等。此外，针对长期技术发展，现实增强技术也将是航天服显示与交互应用方向之一。

3）通信与定位导航。在通信方面，登月航天服需具备与着陆器、月球车、机器人以及未来月球基地的组网通信能力，包括语音、图像、信息数据等，构建基于广域网和局域网相结合的系统框架，通信天线的设计是关键。此外，登月航天服需与着陆器、月球车等月面系统共同实现定位导航与路线规划功能。

4）辅助增强系统。通过配置活动辅助增强系统，提高人-服的活动工效，提高作业能力，降低人体负荷。包括与活动关节结构融合设计的嵌入式辅助运动系统，增强上肢的作业能力；配置可拆卸的外置式下肢运动增强系统，提高下肢的运动能力；针对航天手套灵巧性、触感、操作力矩等性能提升的增强系统等。

5.5 小型化信息采集与处理技术

航天服装备作为复杂系统，需具备参数实时采集、处理、分析的能力，能够实现自动监测与检查、异常报警以及自动控制等功能。针对轻量化、小型化以及高可靠的需求，信息采集与处理技术需在以下两方面突破：

1）微型化传感器。针对航天服系统的状态参数信息（如压力、流量、温度、湿度、气体成分等），采用光纤传感等新型信息采集原理，在保证可靠性的同时，研制微型化、轻量化的传感器系统。同时，减少在轨维护保养操作，提升使用的方便性。

2）集成化微型核心控制模块。相比于分布式设计，控制和处理模块集成化的优势是可以整合计算资源，实现轻量化、小型化，但在一定程度上降低了系统的鲁棒性。因此，需采用系统级集成封装等技术手段，在减少核心控制模块安装空间、功耗等资源需求的同时，保证系统的可靠性。

此外，在数据传输方面采用适用于航天服的可靠、高效的总线设计，实现传输线缆的轻量化。

5.6 航天服寿命评估与预测技术

延长航天服在轨贮存与使用寿命，可以大幅减少上行载荷需求。结合在轨使用情况，建立在轨寿命评估模型，是改进航天服设计及工艺，评估到过寿使用风险的重要手段。

基于产品设计、生产、试验、使用的全寿命周期，综合分析各类地面的材料、单机、分系统和系统试验数据，结合整服在轨使用情况及材料在轨暴露试验，拟合并修正寿命趋势曲线，建立和维护全生命周期的航天服模型。在航天服生命周期的各个阶段，实现对服装的状态评估以及剩余寿命跟踪与预测，并以此为依据，实现延长在轨使用寿命的目标。同时，简化维护操作，降低运营成本。包括：

1）基于在轨使用数据以及地面试验数据、故障仿真数据的系统寿命评估技术；

2）结构材料在轨空间环境影响性能衰退验证与评估技术；

3）液冷回路与供水系统工质相容性验证、工质低挥发与延寿技术；

4）集成装配、软结构生产工艺稳定性与生产效能提升。