文/宮浩欽 劉楊

科技引領時尚
——航天服設計的功能要求和形式特點

文/宮浩欽 劉楊

航天服是太空之旅人類必備的功能性裝備，是惡劣太空環(huán)境里航天員穿在身上的生命保障系統(tǒng)，它所涉及的科技門類龐雜，是典型的高科技產品。高端頂尖科學技術的運用成就了航天服獨特的科技之美，在實現(xiàn)技術突破之后，設計師的創(chuàng)意會有自由施展的空間。

航天服；功能；形式

太空行走是載人航天水平的一個重要標志，2008年9月25日，“神舟七號”成功發(fā)射，航天員翟志剛身著“飛天”航天服順利出艙完成太空行走，標志著我國在科技創(chuàng)新征程上跨出了一大步。航天服是此次載人航天工程最核心的技術之一，嚴格說來它不是一件服裝，而是一個小型載人航天器，它具備密封座艙保障生命安全的全部功能，是一項具有高科技含量的工業(yè)產品。本文就航天服設計的歷史演進、功能需求、基本結構及其美學訴求等四個方面內容進行梳理，對航天服設計的功能與形式之間的關系及其未來發(fā)展趨勢略作探討。

圖1 阿波羅登月服的組成

一、航天服設計的歷史演進

1、 國外航天服的設計

最早的航天服是由美國高空飛行員波斯特在上世紀30年代主持研制的。為了打破高空飛行的世界記錄，需要一種應對高空缺氧同時避免飛行員在高空受到低氣壓侵害的裝備，主持設計研制的第一款高空加壓服裝，成為今天航天服的前身。上世紀50年代，蘇聯(lián)和美國才分別在此基礎上各自開始研制航天服。1961年4月21日，蘇聯(lián)拜克努爾航天基地的“東方號”宇宙飛船把加加林送上太空，他身著的航天服是伴隨人類飛出大氣層的第一套艙內航天服。

第一件艙外航天服是蘇聯(lián)的“金鷹”航天服。1965年3月18日，蘇聯(lián)“上升2號”發(fā)射成功，航天員列昂諾夫身著“金鷹”航天服成為太空行走的第一人。列昂諾夫通過一間壓差隔離室來到艙外，依靠一根5米長的“臍帶”與飛船內的生命保障系統(tǒng)相連。列昂諾夫在太空中行走了12分9秒，身上的“金鷹”航天服卻因為內部壓力過高膨脹起來，致使列昂諾夫連曲退彎臂這樣的簡單動作都難以完成，“金鷹”航天服暴露出嚴重的設計缺陷，此時航天服的直徑已經達到190cm，遠遠超過了120cm的艙門直徑，列昂諾夫嘗試多次回艙都不成功，情急之下釋放了航天服中的空氣，使航天服癟了下來才勉強回到氣閘艙。列昂諾夫的太空冒險啟發(fā)美國人改進了雙子座計劃中航天服的設計。改進后的宇航服關節(jié)處不再使用纖維連接，改用壓力氣囊和內部網狀襯里，在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟綸混紡材料織成的網，這樣在控制宇航服的膨脹同時也保證了關節(jié)的相對靈活性。新的宇航服甚至還增設了尿液的處理裝置，優(yōu)化了航天服的設計。

隨著美蘇太空科技競爭的展開，航天史上又迎來了第二代航天服，這就是ATL型艙外航天服，美國航天員阿姆斯特朗曾身著這種改進后的航天服在距地球25萬英里的月球表面成功行走。阿波羅登月之前，美國人對航天服又進行了一次較大的設計更動，使航天服在設計上完善起來。1966年賽爾南的太空行走和1967年1月27日阿波羅火災事故，促使美國航天局開始研制防火性能更加優(yōu)越的宇航服。阿波羅航天服的設計與過去相比，一個重大突破就是采用了便攜式的生命保障系統(tǒng)，它可以連續(xù)工作7個小時，此外還配備了一個后備維生系統(tǒng)，在緊急情況下可以贏得30分鐘寶貴應急排險的時間。另外，阿波羅宇航服在一些細節(jié)上也不乏可圈可點之處，例如在肩膀、肘、髖關節(jié)、膝蓋等處采用波紋管式橡膠關節(jié)，靈活性和運動性都得到了進一步的提高，“冷卻內衣”的成功設計也為日后的航天服設計所一直沿用。

圖2 美國雙子座航天服的“臍帶式”軟管

2、中國艙外航天服的設計

“神舟5號”和“神舟6號”航天員所使用的艙內航天服，是我國自主研制的。它整體上由頭盔、服裝上身、服裝下身、航天靴、手套、液冷通風服、尿液收集袋、通訊系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、輔助氧氣瓶等部分組成，服裝部分就由14層構成，頭盔重量輕，隔音、隔熱、防碰撞、減震好，面窗上設有特殊的氣流或防霧涂層。

圖3 背包式環(huán)控生保系統(tǒng)

“神舟7號”所使用的“飛天” 艙外航天服，整體上呈乳白色，局部鑲有天藍色的邊線，它在系統(tǒng)設計上借鑒了美俄艙外航天服的部分技術特點，具有很高的技術創(chuàng)新性。“飛天”航天服在整體上屬于軟硬混合結構（半硬式結構），整體高度2米，背包高度1.3米，可調節(jié)大小，適合身高1.6-1.8米的航天員穿著；加注狀態(tài)下約重120千克；出艙活動期間采用40千帕的氧壓力制度，抗壓能力120千帕；外層耐溫±110℃；可靠性系數(shù)0.997；獨立工作時間為4-6小時；地面上自行脫穿時間為2-3分鐘，在太空中從準備工作到完全穿好，約15小時。 “重而不笨、行動靈活”，是中國“飛天”艙外航天服的一個特點。設計師們在艙外航天服的肩、肘、腕等關節(jié)處，使用了氣密軸承。在軸承的作用下，航天員的手腳可以隨意轉動，同時能嚴格保證氣密性。航天服背部是傳統(tǒng)的背包式生命保障系統(tǒng)，打開背包的“門”，穿著液冷服的航天員就可以直接鉆進衣服里，航天服胸前有“V”字型拉鏈，使用十分方便。系統(tǒng)設備安裝按照模塊化、集成式布局原則設計，完全由我國自主研制具備國際先進水平。

二、航天服設計的功能需求

1、太空環(huán)境對航天服的功能要求

航天員在艙外活動期間，會受真空、復雜多變的電離輻射環(huán)境，劇烈交變的高低溫度以及微流星體，空間碎片等艙外環(huán)境的威脅，這些惡劣的環(huán)境要求任何艙外航天服都必須具備以下基本功能：

第一、恒定氣壓。航天服必需封閉性良好，內部氣壓恒定。人類長期生活在地球環(huán)境中，為了抵抗空氣中的大氣壓力，人體內存在與大氣壓力相同的壓力與之平衡。而太空是一個沒有大氣壓力的真空環(huán)境，如果人在太空環(huán)境中不采取任何防護措施，血液就會因為體內的壓力而沸騰，肌肉組織也會向外膨脹甚至炸裂。因此航天服必須密閉性能良好，否則宇航員的生命將受到威脅。

第二、阻隔輻射。航天服的設計必須采取有效防護，避免各種輻射傷害?？臻g電離輻射環(huán)境中的主要成分是質子和電子，當這些粒子與人體相互作用時，將在人體內部組織細胞中引起電離、原子位移和化學反應，危害航天員的健康。此外，太陽紫外線輻射、銀河宇宙線，對宇航員的健康也是重大威脅。

第三、控溫保溫。航天服必須具有良好的控溫、保溫性能，從而保證人體的熱平衡不會受到破壞。太空中的溫差很大，被太陽照射的一面，溫度可以持續(xù)上升到120攝氏度，而背陰的一面溫度卻可以下降到零下10攝氏度。如何在200攝氏度的溫差中維持宇航員的體溫一直是航天服需要攻克的難關。

第四、抵御隕石沖擊。航天服的制作材料必須具有較好強度，能夠經受小隕石輕微的撞擊。微流星體與空間碎片也威脅著宇航員的安全，微流星體與空間碎片運動速度很快，當它與載人航天器或出艙活動航天員相撞會釋放巨大能量，甚至可能像流彈那樣穿透航天服危及生命。

第五、維持生命活動。航天服必須具有良好的生命保障系統(tǒng)，提供維持生命所需的氧氣，處理身體代謝的廢物，維持生命活動。長時間穿用的艙外宇航服還應當能夠滿足宇航員飲水、進食和大小便。

第六、幫助太空行走。航天員在艙外活動中需要執(zhí)行常規(guī)、非常規(guī)與應急等多種形式的任務，需要配備獨立的動力系統(tǒng)來幫助太空行走。

除此之外，還要求要求航天服重量輕、方便穿著，能夠防火、防脹、防變形等等。

2、航天服設計的主要技術手段

復雜的太空環(huán)境使艙外航天服的研制成為一項規(guī)模龐大的系統(tǒng)工程，是多學科多專業(yè)的綜合集成。

第一、為了恒定氣壓，航天服必須具有較好的密閉性和強度，選用強度較高的材料。此外為了方便航天員的行動，在各個重要的關節(jié)部位都要求有較高的靈活性，加設有柔軟的護墊，因此充氣之后的航天服就顯得肥大而臃腫。

第二、為了阻隔輻射，航天服的保護層采用高級混合纖維制成，面料內層還有橡膠包裹，這類面料能夠抵抗紫外線和強烈的宇宙輻射。

第三、為了控溫保溫，近代對于宇航度控溫技術重大改革的是1969年美國阿波羅登月中阿姆斯特朗穿著的改進后的ATL型航天服。航天服內有一層為“冷卻內衣”，這種幾乎蓋住全身的網狀內衣縫入了長達100米盤成網狀的管子，冷水在管道內循環(huán)，帶走體熱，非常有效地控制和保持住了航天服內的溫度。這種最初在“阿波羅”航天服上使用的這種特殊的“冷卻背心”，時至今日依然在航天服設計中廣泛沿用。

第四、為了抵御隕石沖擊，航天服的高強度要求來自于內部沖壓密閉和外部抵抗微小隕石撞擊。當代航天服解決強度問題時，一方面是在保護層中利用特殊合成纖維制成“防彈衣”，像抵御子彈一樣抵御微小隕石襲擊；另一方面是在約束層內利用多種橡膠材料協(xié)助保護層抵御微小隕石撞擊，充當了航天服的緩沖層。

第五，為了維持生命活動，艙外航天服的生命保障系統(tǒng)分為“臍帶式”和“自主式”兩種類型。前者是通過一根臍帶式管道，由航天器艙載生命保障系統(tǒng)向艙外的航天服內提供通風、供養(yǎng)，并控制航天服內的氣體環(huán)境參數(shù)?！白灾魇健焙教旆詭в幸粋€完整輕便的生命維持系統(tǒng)裝置，包括氧氣瓶、水罐、通風裝置以及泵和過濾裝置，一個調節(jié)空氣和冷卻水溫的調節(jié)器以及一組電池。此外，宇航服上還配有生物測量裝置可以通過貼在宇航員身上的電極，使宇航員的心電、呼吸、血壓等生理信號直接通過飛船遙測系統(tǒng)傳到地面控制中心；一個無線電聯(lián)絡裝置與地面聯(lián)系，這些裝置就成為航天服背后的巨大“旅行箱”造型。

第六，為了幫助宇航員太空行走，新的航天服還設計了臨時機動裝置，宇航員可以手動控制讓它噴出氮氣，來幫助宇航員在太空中移動，其控制系統(tǒng)具有自動姿態(tài)保持功能，姿態(tài)精度為±1.25°，也被安放在航天服背面的“背包”里。

圖4 中國“飛天”艙外航天服

三、航天服設計的基本結構

艙外航天服是航天員出艙活動期間最重要的生命保障裝備，整套系統(tǒng)有兩千多個零部件，結構十分復雜。

1、航天服主體的基本結構

一套航天服的制作通常要十幾層才能基本滿足太空行走的基本要求，這也是航天服從外面看起來寬大臃腫的另外一個原因，它在功能上由內到外可以分為五層。

第一層是與皮膚直接接觸的貼身內衣層，配有監(jiān)測宇宙太陽輻射的機能，避免航天員誤入危險的高輻射區(qū)，對航天員的生活環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)控，此外還配有監(jiān)測記錄心率、體溫、呼吸等生理數(shù)據(jù)的計量設備。

第二層溫度調節(jié)層，采用了熱管液體調溫的新技術，排列了大量聚氯乙烯細管，管中的液體流動能夠帶走身體產生的熱量，控制航天服內的溫度。

第三層加壓層，這一層用橡膠密閉，充滿了相當于一個大氣壓的空氣，以保障宇航員處于正常的壓力環(huán)境。

第四層是約束層，這層的主要功用是控制充氣后航天服的形態(tài)，同時抗拒太空中的微小隕石的沖擊。

第五層是航天服的表層，由高強度的合成纖維制成，用來抵御隕石的沖擊和紫外線的傷害。

2、航天服的輔助設備及配套服飾

除了上述五層之外，航天服的“背包”內還備有氧氣瓶、水罐、通風裝置、過濾裝置、溫度控制裝置等一整套生命維持系統(tǒng)。航天服通常的輔助設備包括：（1）頭盔；（2）送話器；（3）宇航徽記；（4）通信工具；（5）供養(yǎng)和排放二氧化碳的裝備；（6）通信和醫(yī)用傳感器的連接器；（7）調節(jié)衣服的壓力、溫度和濕度的裝置。（8）宇航員專用表；(9)壓力表，隨時顯示宇航服內的壓力；（10）通風設備：宇航員上飛船之前，需要通過這個設備透氣，同時排掉多余的熱量。

航天服整體上可以分為頭盔、手套、靴子、航天服主體四個部分。與航天服配套的頭盔通常使用高強度的聚碳酸脂制成，通過壓力密封項圈和航天服相連。手套的設計必須確保航天員能夠操作緊密儀器，通常需要根據(jù)宇航員手模型制作壓力汽囊，外面覆蓋多層超絕緣材料，以隔離熱量、承受摩擦。大拇指和食指部位采用硅橡膠材料，保證一定程度的靈敏“觸覺”。靴子也是在壓力靴的外面，除了橡膠鞋底外為金屬纖維織物，kapton薄膜和玻璃纖維布，保證了靴子的輕盈和隔熱。

圖5 航天員著艙外航天服進行太空行走

四、航天服設計的美學訴求

1、 航天服設計中的形式與功能

由于技術手段的限制，從1970年代到現(xiàn)在，航天服沒有本質性的突變，其設計重點還是在從技術上實現(xiàn)保護宇航員的安全，確保功能實現(xiàn)一直是設計師的中心工作。航天服的設計只能“功能主導形式”，以一種功能的、實用的、穩(wěn)步的狀態(tài)向前發(fā)展。反復出現(xiàn)的臃腫而笨重的設計，逐漸使人們相信：航天服是一種特殊的功能性服裝，它的用途決定了它不會像普通服那樣裝擁有千變萬化的形式。

然而，另外一條“形式主導功能”的完全相反的設計思路也同時存在著。作為和宇航員接觸最密切的航天器材，人們也會更多的關注航天服的美觀，更多地考慮到人機功效、宇航員的情感以及航天服設計中的人文因素，使航天服設計向著人性化的方向不斷邁進。人們渴望穿著便捷的航天服，科幻電影中的緊身設計正逐漸成為許多科學進行不懈的努力的方向。

早在包豪斯時代功能與形式的哲學討論就已為工業(yè)設計界所糾結，而在筆者看來，形式和內容永遠是一體的。沒有無功能的形式，也沒有無形式的功能。在實際的設計當中，二者往往是緊密結合在一起的。航天服設計必須首先考慮諸如壓力、輻射、恒溫、強度等功能需求，正是在一一滿足這些功能的需求的過程中，航天服形成了它原始的獨特的美的形式。

2、航天服的科技之美

航天服凝聚著機械、紡織、化工、測控通信、人機功效、熱、電等眾多尖端科技，它所具有極高的技術密集度，使得航天服的設計形成了一種特殊的科技之美，這種科技之美中蘊含著先進的、嚴謹?shù)?、科學的語言符號，它也是這樣被認知和傳播的。當寬大臃腫的航天服成為高科技的符號，在電視、報刊等大眾媒體上頻繁出現(xiàn)時，似乎也在提醒著人們“形式”已經在轉化，正在為商業(yè)促銷發(fā)揮著重要“功能”。

當航天服這種特定的、代表著高科技的語言符號被人們所接受以后，航天服的外在形式就與“科技”、“嚴謹”的含義形成了一個約定俗成的語言符號組合。同時，人們開始借用這一符號來傳遞科技含義，許多的數(shù)碼產品（其本身蘊含科技語言）會利用航天服的形式語言（圓滾的整體特征、圓形頭盔的形式等）來表達產品本身的想表達的。不僅如此，甚至連普通百姓日常生活中的食品、用品也開始借助航天服的科技符號向消費者傳達產品想要表達的科技信息。國內某知名品牌乳制品廣告中兒童穿著卡通版的航天服宣傳乳制品，號稱“航天員專用乳制品”，給消費者傳達的正是一種科技引領消費的時尚。

美國麻省理工學院的研究人員正在著手研究一種類似緊身衣的輕薄高科技防護服，如果成功實現(xiàn)，那么航天服的傳統(tǒng)形象將會被顛覆。這些設計理念表明即使是航天服這類功能主導的工業(yè)產品的設計，在實現(xiàn)技術突破之后設計師的創(chuàng)意仍可以自由施展。

宮浩欽 (北京航空航天大學工業(yè)設計系副主任，博士 )劉楊（北航工業(yè)設計系碩士生）

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.《人體熱調節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學模擬——航空宇航科學與技術》［M］,北京: 北京航空航天大學出版社， 2005.

[2] 林貴平 王普秀編. 載人航天生命保障技術［M］, 北京: 北京航空航天大學出版社， 2006.

[3] 黃偉芬. 航天員出艙 活動概論［M］,北京: 國防工業(yè)出版社， 2008年.

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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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