基本介紹
- 中文名：航天飛行員裝備
- 類別：航天服、機械臂、手錶、背包
航天服的發展筒史,航天服基本要求與主要功能,航天服基本要求,航天服具備功能,航天服的分類與基本結構,按用途範圍分類,基本結構,結構詳細介紹,“太空噴氣背包”,基本參數,工作原理,航天表,機械臂,類型,結構,
航天服的發展筒史
航天服是在航空密閉服的基礎上發展而來的。美國於1959年改進。海軍研製的MKIV型密閉服( 美國稱全壓服) ，用於第一艘載人飛船水星計畫。接著改進X一15試驗飛機用的密閉服，用於第二系列的載人飛船雙子星座。經過進一步改進提高性能用於第三系列的阿波羅計畫與天空實驗室。目前正在致力於研製用於太空梭的性能較完善的航天服與性能完善的高壓全活動型航天服。
美國第一次出艙活動是於1965年6月雙子星座4號航天員E· 懷特( E.W hi te) 。穿著最初期的艙外用航天服G _4C型.活動性能也不佳。在空間活動21分鐘。利用手控行動裝置( 火箭槍) 做些直線移動和轉動。通過7m 長的“ 臍帶” 與船艙相連.從中供氧.通風( 60L/m i n) .通話並傳導人體資料。服裝具有真空禁止層.防微流塵層.頭盔有濾光鏡。服內絕對壓力為186~207m m H g( 24.8~27kPa) ，服裝漏氣量不超過0.2L/m i n。
雙子星座8號採用的航天服增添了強迫通風引射器.帶” 長達38米。9號用G _4C航“ 臍天服在航天靴外表增添了防火層.防護自動移動裝置火箭推動器( 由簡單的火箭槍發展性能較完善的該裝置) 產生的高熱。
圖2
阿波羅系列用於實現月球考察。因之。航天服的防護性能較完善，採用A7L型航天服( 圖2) 頭盔是由聚碳酸酯製成的全透明鐘罩型。前面有供水供流動食物活門。在月球上帶上微流塵防護罩( 詳見航天頭盔) 。靴子具有良好的隔熱性能( 詳見航天靴) 。服裝較G -4C具有更多的層次與防護性能 。阿波羅7~14號用的航天服是A7L型.15與16號用的是A7LB型。此類型活動性能都較差.但艙外服由於增添了液冷服.通風散熱性能良好.顯著地提高了服裝功效學性能.為保證在月球上長達數小時執行任務。提供了有利條件。天空實驗室採用A7LB型航天服。
航天服外觀太空梭用航天服正在改進提高。按設計指標.同阿波羅服相比.研製中的航天服為軟胎與硬胎相結合的聯合服。胸部為硬胎結構.並同背包生命保證系統連成一體.穿脫時間短.活動性好.漏氣量低.並通過微機隨時顯示有關參數提供給航天員新的信息，服裝與背包生命保證系統可反覆使用。但如圖所示.服裝臃腫.在有限空間的船艙里難以實用。
美國致力於研製的高壓全活動型航天服。已有RX系列、AX系列，AES服等。這些處於試製階段航天服的基本功能是適應於1個大氣壓力制度的艙壓.不需吸氧排氮.具有高水平的活動性能:其改進的基本技術關鍵是身體各主要活動部位具有不同類型的等容結構( 詳見下述的氣密限制層)。
蘇聯初期飛船東方號( 1961年) 航天服同航空用密閉服無大差異。為適應出艙活動人體力學的需要.在活動性能方面稍有改進。上升2號航天員里昂諾夫於1965年3月出艙活動時.在空間僅停留10分鐘。上升號服的層次與防護性能較全面( 見表) ，後來的聯盟號服在結構上有新的改進.改為軟胎與硬胎結合的聯合服.並同頭盔和背包生命保證系統連成一體.在背部設有大開口。供身體進出。衣袖與褲子仍由織物製成的軟胎結構。較以往航天服具有如下優點:重量輕、穿脫( 實際上是進出) 快，無人幫助只需2~3分鐘。氣密性好。肢體關節部位安置軸承和軟滾珠.活動性能有所提高。服內環境採用再生式和循環高壓供氧.通過氫氧化鉀吸收二氧化碳。通過離心式風扇實現服內氧氣環境。採用氣冷式通風散熱與降溫的液冷結構( 美國由阿波羅服開始採用) ，並為保險起見，採用雙層氣密層( 見表)
1956年10月8日.我國第一個火箭飛彈研製機構國防部第五研究院成立.著名科學家錢學森任院長.揭開了我國航天事業的序幕
2003年10月15日.我國“ 神舟” 五號載人飛船成功發射升空。中國太空第一人楊利偉。圓了中國人千年飛天夢。
航天員所穿的航天服是由高強度滌綸做成的。重約10kg.由於我國首次太空飛行沒有安排出艙活動.所以人員配備了艙內航天服。艙內航天服主要用於救生目的.當飛船座艙發生泄漏.壓力突然降低時.航天員穿上它.接通艙內供氧系統.就能確保全全。
國產艙內航天服系乳白色鑲有天蘭色的邊線.穿著舒適。具有國際先進水平，由3部分組
( 1) 限制層:保護服裝內成:層結構的;
( 2) 氣密層:具有良好的透氣性;連線內衣褲。航天員穿戴的頭盔
( 3) 散溫層:由聚碳酸酯製成。能隔熱、隔音和防碰撞。
手套與航天服配套，加壓充氣後具有良好的活動性能和保暖性能。
航天服基本要求與主要功能
航天服是保證航天員在整個航天過程中生命安全和執行任務的一種個人防護裝備。
航天服基本要求
( 1) 飛船在軌道上作正常狀態航行( 常態航行) 中。為了不妨礙航天員的工作和活動，應該可以把頭盔的面窗打開或將頭盔脫掉.也可以將手套脫掉或必要時將整個航天服脫掉。當座艙失壓而處於應急狀態( 應急航行)時.應該立即穿好並處於充氣加壓的密閉狀態.以保證航天員不受低壓和缺氧的危害。
( 2) 航天員在宇宙空間( 座艙外或月球等天體上) 進行科學考察.安裝和修復飛船外表面金屬設備.或進行空間救生以及軌道站組裝時.由航天服給航天員提供一個與外界隔絕的保證生存的密閉小環境.以便不受宇宙環境因素的危害。此時由背包生命保障系統建立必要的大氣環境.並要有體位穩定和移動裝置以保證航天員能隨意行動。
( 3) 彈射離艙時用以防止速壓、高空低溫的危害；降落到海上時.又可用來防寒抗浸、水上漂浮，保證航天員安全返回。
航天服具備功能
( 1) 人體吸入的氧氣壓力，不低於187m m H g( 2.49kPa) ;
( 2) 人體受到的大氣壓力取決於服裝壓力制度:
( 3) 服裝處於加壓狀態。人體關節活動容易:
( 4) 服裝處於加壓狀態圍徑膨脹度低.縱徑不伸長:
( 5) 堅固可靠，不破裂;
( 6) 加壓與不加壓狀態，呼吸自如。無阻力;
( 7) 人體各部位受壓一樣，無局部壓迫感:
( 8) 服內環境二氧化碳不高於5m m H G ( O .67KPA)
( 9) 服內溫度不超過26℃，濕度不高於60%:
( 10) 服內環境( 壓力、氧氣、二氧化碳、溫濕度) 控制系統。自動工作10秒鐘內壓力達到規定水平。
( 11) 服裝容易穿脫，時間按服裝類型而定.最長不應超過5分鐘:
( 12) 頭盔面窗透明度高，視野廣。視物不畸變。不結霧結霜；頭盔脫戴方便快捷。面窗開閉快捷容易:
( 13) 落水時，備有必需救生裝置:
( 15) 防微流塵;
( 16) 防寒保暖。
航天服的分類與基本結構
按用途範圍分類
( 1) 艙內用:水星服、阿波羅服( N —PG A) 。太空梭EIS( 艙內應急) 服，東方號服、YF200S服.中國神舟5號和神舟6號航天服。
( 2) 艙外用:A7LB阿波羅登月服.AES太空梭空間活動服.中國神州7號航天服。
( 3) 艙內外共用雙子星服，上升號服、禮炮號服、
基本結構
艙內用航天服通常由頭盔、外罩、氣密限制層、通風供氧結構、使暖層、內衣、手套和航天靴等組成。
圖1
艙外用航天服由於防護性能和使用性能要求高.在結構和防護性能上比艙內服有所增添。圖1表示艙外航天服與其配套的附屬檔案示意圖。
結構詳細介紹
外罩
外罩是服裝最外的一層.其用途是保護氣密限制不受磨損.彈射跳傘時保護限制層不受速壓的損壞。防火。艙外用服裝的外罩還應防護空間環境因素的危害。常用的外罩材料主要有聚間苯二甲醯間苯二胺.俗稱為H T一1的織物.塗聚四氟乙烯的纖維織物，聚酯纖維織物等。艙外用航天服的外罩表面還應具有必要的光學性能.對光的反射率高.即對波長為O .36~0.75微米的可見光的吸收係數越低越好.顏色應選用白色或在織物的表面鍍鋁。為了適應長時間在月球表面上活動的需要.必須提高外罩的防護性能。登月服外罩還可選用直徑為3~5pm 的玻璃纖維布。在膝部和肘部增加由細金屬絲編制的防護網。月球表面上還有可能遇到繼發的隕石碎塊.其速度雖不大( 1。1.5公里/秒) 。但仍具有破壞力。故需要防護層加以防護。該層還可以防備微流塵的破壞作用。l xl 0-6。l xl 0一克以上的微流塵就能夠擊空一般的防護層.破壞氣密層。造成爆發性減壓。直接危害生命。小於l xl 0-，克的粒子的碰撞也能損壞飛船上的光學儀器、觀察窗、太陽能電池組件等.航天服外罩也將受到輕傷。登月報的防護層通常採用氯丁像膠尼龍布。
真空隔熱禁止層
該層的用途是保護航天員在艙外或月球上活動時.不受外界環境過熱或過冷的侵襲。在太陽光照射下.防止輻射熱透入服裝里:在太陽的陰影里( 背陽側) ，防止服裝內部熱散失。在月球表面上輻射熱量大，灰塵也多。若灰塵附著在外罩表面.會降低光學性能.增大吸熱率.故需要提高真空隔熱禁止層的隔熱值。屏板是10岣厚的鋁箔，或用表面鍍鋁的塑膠薄膜製成.後者的優點是強度大。重量輕.導熱係數也低。通常採用的是有金屬鍍膜的聚酯薄膜( 或聚醯胺薄膜) 和卡普龍編制的網狀襯墊製成的。
氣密限制層
該層包括氣密層與限制層兩個層次。由於二者多是結合在一起的整體結構.特別是硬胎結構( 橡膠與織物模壓成型) .故合稱為氣密限制層。氣密層應選用漏氣量甚微的膠卡或膠布。採用縫紉成型的軟胎結構時.由於膠布具有一定的漏氣量難以維持在最低水平。為了減少由地面上攜為了提高關節的活動性能.多年來工程設計人員曾試製了波紋管式、網狀限制式、桔瓣式和氣密軸承轉動式等多種形式的結構。
通風結構與水冷服
由於氣密層既不透空氣又不透水汽.必須把人體不斷排出的熱量和水汽排出服裝。當戴上頭盔或面窗關閉使航天員處於密閉狀態時.還必須供給氧氣並排除廢氣.以確保航天員呼吸新鮮空氣。所有這些生理衛生學要求，均需通過服裝通風結構來完成。通風結構的設計應滿足以下原則:
A、通風氣流分布到全身各部位.不應有死區:
B、通風氣流應沿身體表面緩慢流動.以便充分地帶走熱和濕氣.更有效地利用通風流量:
C、選定身體幾個主要部位。確定通風部位的流量分配比例。帶到空間氣體容量，
保暖層與內衣保暖層
位於氣密層與內衣之間.保護航天員在環境溫度變動範圍不太大的條件下維持舒適狀態。應選用熱阻大、柔軟、重量輕的特製材料( 如羊毛製品，合成纖維絮片等) ，以便既有良好的隔熱性能.又不因過厚而妨礙動作。為了保證航天服具有全面的防護性能.服裝的層次是很多的，但每一層都不能過厚.以免造成服裝臃腫.妨礙動作。這在工程設計中是嚴禁的。考慮到冬季寒區( 如降落後不能立即被發現) 停留時.可另外攜帶防寒外罩。在宇宙空間停留時，考慮到防護太陽輻射熱.可增添真空隔熱禁止層。因之航天服的隔熱性能取決於各個層次隔熱性能的總和.保暖層僅為其中的一部分。內衣直接影響人體皮膚溫度和貼近內衣的空氣層的溫度.對皮膚的生理功能也產生直接的影響。故對內衣應有如下要求:
A、柔軟、有彈性、對皮膚無刺激性:
B、吸濕性好。在潮濕的狀態下不應貼上皮膚.以免影響汗的排出和蒸發:
C、透氣率高。有利於皮膚表面與周圍空氣之間進行氣體交換。
加壓手套
圖2
手套在充分加壓後.不應影響手指和手掌活動。手的汗腺分布密度大.又是精神性發汗的重要部位.必須有良好的通風結構。手指處於肢體末端。血液循環差;手指分散，散熱面積大，易冷怕寒。這些都是解決手套的技術關鍵。手套通常由舒適手套( 相當於人體內衣) 、氣密限制層和附屬檔案組成。在工藝成型上有軟胎結構，也有硬胎結構。二者各有其優缺點。圖6是一般常見的一種航天用加壓手套。為了改善手指的活動.在手指關節部位增添“ 桔瓣” 式結構:為了限制手套的膨脹.增添限制帶( 或金屬限制環) ;為了脫戴方便，手套固定在腕部斷接器上。後者可保證整個手隨意的旋轉。手套也有與整個服裝同樣的活動性能要求。目前的努力方向也是採用等容結構.以便適應手活動的需要。另外.還著重於研究影響手感( 觸覺) 最小的織物。
航天靴
圖7
航天靴的用途是防寒、防潮濕、防低壓對人體的傷害。也防機械性損傷。其設計要求與手套相似，更需合腳，不壓迫局部的Chi na] Personal Protecti veEqui pm ent G PP|皮膚、血管和神經。穿得牢靠，不易脫落，重量輕。航天靴有3種類型。
一是與服裝氣密限制層構成整體.不能單獨脫下:
二是通過斷接器可以穿、脫的氣密靴( 如圖7) ;
三是穿在氣密限制層外面的套靴。
這3種類型各有優缺點。在實踐中都曾被用過。航天靴與服裝一樣.不是常用裝備，僅限於訓練和執行任務期間穿。而且在尚未分型分號大批生產之前僅用一次飛行。故在材料選擇上應考慮這一特點。靴子的外層應重點保證強度、不變形。耐磨不應作為要求。這樣可以做到既滿足性能要求.又保證重量輕。採用新的材料.如靴採用特製的泡沫塑膠。靴面用合成纖維類.並用少量的皮革做鑲邊。登月用的靴子應具有良好的保暖與隔熱性能.保護腳掌不受月球表面高溫或低溫的傷害。對登月靴的要求是能耐+150。2000E的環境溫度。有人考慮用耐高溫的材料製成可以脫下來的靴子.以便滿足這些要求。
背包生命保障系統
背包生命保障系統是一套複雜的裝備。其基本用途是:
( 1) 維持航天服里規定的壓力:
( 2) 供給航天員呼吸用的氧氣。由於採用較低的壓力制度.又要防止產生減壓病.故只有供給純氧才能保證人體的需要。密閉循環迴路的供氧量平均應不少於l 升/分。氧氣推帶量根據艙外活動時間確定:
( 3) 通風散熱和除濕。通風流量平均應有200升/分:
( 4) 向水冷服提供循環水(流量數據見“ 水冷服” );
( 5) 清除人體排出的廢氣。
根據上述基本用途設計的生命保障系統應絕對安全可靠:手控與自控相結合。以自控為主;整個系統緊湊.適於安裝在背包里。背包的體積越小越好。背包過大.過渡艙的直徑必將隨之增大.也會妨礙航天員的活動。所有的部件都是密封的.背包本身可以不密封.只用於存放各部件.並起防護作用。背包應在較小的艙內容易背上或脫下。
穩定和移動裝置
航天員在宇宙空間不能如同在地面上隨心所欲地行動.並隨時都有發生旋轉的可能。為了穩定體位並定向活動.必須使用穩定體位和空間移動裝置。噴槍是用於航天員在空間行動的一種簡便工具.在上部裝有一個向前方噴射的噴嘴3.在兩側裝有向後方噴射的噴嘴。手柄上裝有板機。需要行動時將噴槍放在身體重心所在部件.用手按壓板機.起動噴射器.產生推力，即可促使身體移動。穩定裝置可保證航天員向任一方向移動並穩定體位。該裝置通常由以下各主要部分組成:
( 1) 動力系統。用90%的過氧化氫為燃料.用氮氣推動燃料到噴射器.用手調節燃料的供給量。分別各有兩個噴嘴用於向前、向後、後上和向下移動。
( 2) 操縱系統。該系統保證航天員在3個平面上移動時體位的穩定。通常是自動控制。但也可以手控。
( 3) 信號系統。體位的穩定是通過3個陀螺儀來實現。自陀螺儀發出信號控制噴射器的閥門。如果信息超過規定水平以及補償± 50的擾動時.噴射器開始工作。此外.該系統對於各關鍵部件發生故障時可預先發出警報信號.以確保全全。
“太空噴氣背包”
基本參數
這種背包高約1.25米，寬約830毫米，總重150公斤，內裝12公斤液氮，共有24個噴嘴。它像一把沒有坐位的椅子，安在太空人的背上。
工作原理
太空人可以通過扶手上的開關控制24個微型噴嘴，噴射出背包里的壓縮氮氣，從而形成各個方向大小不同的反推力，實現不同方向的移動。有了這種噴氣背包，太空人就能在茫茫太空中隨心所欲地翻筋斗、旋轉，向上、向下、向前、向後地自由移動了。
航天表
航天表是近些年剛出現的，主要功能是辨向和時間
“神七”航天員的航天表實現了一項重大突破：所用機芯為飛亞達首枚自主研發設計的機械機芯。“神七”航天表精確度、耐溫差、防磁等機芯性能指標達到國際領先水平。另外，飛亞達航天表的AM/PM指示，可以讓航天員在漆黑的太空中，清楚地知道地球的晝夜之分，保障航天員的生活規律與地球同步。
機械臂
是機器人技術領域中得到最廣泛實際套用的自動化機械裝置
機械手臂能夠接受指令，精確地定位到三維(或二維)空間上的某一點進行作業。
類型
機械手臂根據結構形式的不同分為多關節機械手臂，直角坐標系機械手臂，球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。右圖為常見的六自由度機械手臂。他有X移動，Y移動，Z移動，X轉動，Y轉動，Z轉動六個自由度組成。
結構
水平多關節機械手臂一般有三個主自由度，Z1轉動，Z2轉動，Z移動。通過在執行終端加裝X轉動，Y轉動可以到達空間內的任何坐標點。
直角坐標系機械手臂有三個主自由度。X移動，Y移動，Z移動組成，通過在執行終端加裝X轉動，Y轉動，Z轉動可以到達空間內的任何坐標點。
合併圖冊對於工業套用來說，有時並不需要機械手臂具有完整的六個自由度，而只需其中的一個或幾個自由度。直角坐標系機械手臂可以由單軸機械手臂組合而成。單軸機械手臂作為一個組件在工業中套用廣泛。下圖為單軸機械手臂。單軸機械手臂的組件化大大降低了工業設計的成本，因專業製造商擁有良好的質量保證和批量生產的優勢，使用組件比自行設計機械手臂更具優勢。常見的直交機械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。
對於半導體製造套用來說，常用的機械手臂是用來搬送晶片的
