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        航天壓力服:航天員生命守護(hù)者

        2023-03-14 02:22:28湯川學(xué)
        太空探索 2023年3期
        關(guān)鍵詞:返回艙獵鷹航天員

        文/湯川學(xué)

        ▲中國航天員目前使用的壓力服

        隨著中國空間站的全面建成,我國航天員出現(xiàn)在大眾視野中也越來越多,許多人可能會(huì)注意到一個(gè)細(xì)節(jié),就是航天員們在火箭升空時(shí)及在飛船返回中,總會(huì)穿著一種很特別的衣服,它外表藍(lán)白相間,全身還有一些管線。這種特別的衣服,就是航天員們的生命守護(hù)者——壓力服。

        從航空到航天

        壓力服最早出現(xiàn)在航空領(lǐng)域。在人類獲得了通過飛機(jī)飛行的能力后,航空業(yè)迅速興起,各式各樣的新式飛機(jī)在20世紀(jì)早期不斷出現(xiàn),航空業(yè)呈現(xiàn)出一派生機(jī)勃勃、萬物競發(fā)的景象。而在那時(shí),人們便發(fā)現(xiàn),隨著飛機(jī)逐漸飛得越來越高,除了溫度不斷降低必須做好防寒保暖措施外,大氣壓力也在不斷降低,飛行員們在長時(shí)間高空飛行時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)減壓病,影響到健康和航空安全,“壓力服”這個(gè)概念也由此誕生。

        顧名思義,壓力服就是可以在服裝內(nèi)維持一定氣壓的衣服。雖然現(xiàn)在的飛機(jī)已經(jīng)有了加壓機(jī)艙,大部分飛行在1萬米左右的飛機(jī)并不需要飛行員或者乘客穿這種復(fù)雜的衣服,但是在一些有時(shí)需要在超高空飛行的飛機(jī)上,比如在戰(zhàn)斗機(jī)或者偵察機(jī)上,仍然需要穿戴好壓力服。

        在二戰(zhàn)結(jié)束后,飛機(jī)迅速進(jìn)入了噴氣時(shí)代,又高又快的噴氣式飛機(jī)迅速取代螺旋槳飛機(jī)在天空中飛行。在朝鮮戰(zhàn)爭中,駕駛著噴氣式米格-15戰(zhàn)斗機(jī)的蘇聯(lián)飛行員呼吁配備專業(yè)好用的壓力服。為了能夠生產(chǎn)出先進(jìn)的壓力服,一家專門研究生產(chǎn)壓力服的集團(tuán)成立,即星辰科研生產(chǎn)聯(lián)合體,該聯(lián)合體在1994年改制成為了一家股份制公司。該公司在成立之初的目的是給空軍和航天項(xiàng)目提供壓力服和彈射座椅,后來在壓力服和彈射座椅領(lǐng)域擁有了深厚的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)。目前,俄羅斯所使用的所有航空和航天壓力服全部由星辰公司生產(chǎn)。

        ▲上世紀(jì)30年代飛行員進(jìn)行高空巡航時(shí)穿戴的壓力服

        ▲加加林穿著SK-1壓力服前往發(fā)射場

        創(chuàng)造了歷史的壓力服

        1961年4月12日,蘇聯(lián)航天員尤里·阿列克謝耶維奇·加加林穿著SK-1型壓力服進(jìn)入了太空,成為了世界上第一個(gè)進(jìn)入太空的航天員。

        最初,設(shè)計(jì)東方號飛船的第一設(shè)計(jì)局認(rèn)為航天器的設(shè)計(jì)十分安全,并不需要穿戴這種復(fù)雜的壓力服,只需要穿著可以保溫的衣服就可以,并且壓力服和為之配套的生命維持設(shè)備本身有著不輕的重量,把這些多余的重量省出來可以安裝額外的儀器。最后科羅廖夫拍板,可以省出500千克的重量給壓力服和生命維持設(shè)備,但是這些東西必須在1960年末之前到位,而星辰局出色地完成了工作。

        SK-1型壓力服是一人一套的定制航天服,該型壓力服可以在另一個(gè)人的幫助下10分鐘內(nèi)穿著完畢。整個(gè)壓力服由外層橙黃色布料與內(nèi)部的橡膠制內(nèi)襯制成,每一件壓力服都通過剪裁橡膠并粘接來進(jìn)行定制,面罩整個(gè)直接連接在壓力服上,不可拆下。

        在壓力服的右肋骨處有通氣軟管,軟管可以連接在東方號飛船的維生設(shè)備中,維生系統(tǒng)可以保障壓力服氣壓并且濾除航天員呼出氣體中的二氧化碳。為了確保在加壓時(shí)航天員的活動(dòng)能力,在人的胳膊和腿的彎曲區(qū)域,壓力服內(nèi)部有一種特殊的軟鉸鏈。在飛船減壓環(huán)境中,在鎖緊面罩后壓力服將會(huì)提供一個(gè)安全的氣壓環(huán)境,飛船內(nèi)的氣瓶將會(huì)提供氧氣來保持航天員生命體征。

        SK-1壓力服可以保證航天員在飛船減壓或者冷卻系統(tǒng)故障時(shí)維持約5小時(shí)的生命體征,以及在從飛船彈射后落在地面或者濺落在水中時(shí)提供保護(hù)。該壓力服相較美國第一種航天壓力服更先進(jìn)的一點(diǎn)是,它自帶一個(gè)太空廁所。1963年,世界上第一位女航天員瓦蓮京娜·捷列什科娃進(jìn)入太空,穿著的SK-2與SK-1基本相同,但在廁所方面進(jìn)行了針對女性的調(diào)整。

        ▲ “聯(lián)盟11號”乘員組

        慘痛的教訓(xùn)

        在世界上第一個(gè)多乘員航天器“上升1號”升空時(shí),3名航天員都沒有身著壓力服,因?yàn)楫?dāng)時(shí)的火箭運(yùn)力有限,為了保證載人航天器重量不會(huì)超標(biāo),確保航天器可以坐進(jìn)3名航天員,壓力服及其配套維生系統(tǒng)都被省略了。一直到蘇聯(lián)載人航天器進(jìn)入聯(lián)盟號飛船時(shí)代后的一段時(shí)間里,壓力服及其配套維生系統(tǒng)也沒有回歸,直到一場慘劇的發(fā)生,才讓蘇聯(lián)重新認(rèn)識到了壓力服及其配套維生設(shè)備的重要性。

        1971年4月19日,蘇聯(lián)成功發(fā)射世界上第一個(gè)空間站——禮炮1號。1971年6月6日,聯(lián)盟11號飛船成功進(jìn)入到禮炮1號,成為了世界上第一組進(jìn)駐空間站的航天員。剛開始一切都十分順利,航天員們在軌完成了各項(xiàng)工作,在6月29日返回地面時(shí),卻出現(xiàn)了意外。

        29日晚上11時(shí)16分,“聯(lián)盟11號”的返回艙降落在哈薩克斯坦的沙漠,前來接應(yīng)的人員聯(lián)系艙內(nèi)的航天員,毫無應(yīng)答。在打開艙門后,接應(yīng)人員發(fā)現(xiàn)3名航天員,指揮官喬治·多布羅沃爾斯基,工程師弗拉迪斯拉夫·沃爾科夫、維克多·帕薩耶夫已經(jīng)沒有了生命體征。

        通過研究飛船內(nèi)的黑匣子發(fā)現(xiàn),聯(lián)盟11號飛船在150千米高度,返回艙分離后,內(nèi)部空氣迅速從返回艙中逸出,在短短115秒內(nèi),返回艙內(nèi)就幾乎變成真空,3名航天員在返回地面前就已經(jīng)犧牲了。

        這次慘劇讓設(shè)計(jì)聯(lián)盟號飛船的中央實(shí)驗(yàn)機(jī)械制造設(shè)計(jì)局(第1設(shè)計(jì)局改組)痛定思痛,開始認(rèn)真研究各種可能會(huì)在飛船上升和返回途中威脅航天員生命的情況。

        1972年6月26日發(fā)射的新型聯(lián)盟飛船——聯(lián)盟7K-T型,壓力服重新回歸。而在這之后,再也沒有航天員在乘坐聯(lián)盟號飛船時(shí)喪生,聯(lián)盟號飛船成為世界上最安全的載人航天器之一。

        ▲“獵鷹”-K型是為聯(lián)盟號飛船航天員量身定制的壓力服

        “獵鷹”-K型壓力服

        聯(lián)盟7K-T型飛船是聯(lián)盟飛船中第一型使用壓力服的載人航天器。為了能夠減重并能容納下壓力服所需要的維生設(shè)備,乘員組從3人減至2人。但是新的問題擺在了研發(fā)人員面前。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)并沒有能夠適合在“聯(lián)盟號”中穿著的壓力服,能夠選擇的壓力服基本上都過大過重,為了能夠有一種可以在“聯(lián)盟號”返回艙中使用的壓力服,星辰局再次接到任務(wù),根據(jù)為空軍飛行員設(shè)計(jì)的壓力服進(jìn)行再設(shè)計(jì),做出了“獵鷹”-K型壓力服。

        “獵鷹”-K型壓力服專門為乘坐聯(lián)盟號飛船的航天員們設(shè)計(jì)。為了滿足減重要求,該型壓力服的重量被控制到了10千克。每套壓力服都能連接到返回艙內(nèi)的機(jī)載維生設(shè)備,提供空氣、電、通風(fēng)和水。該壓力服不妨礙航天員在返回艙內(nèi)進(jìn)行各種操作,又能在減壓的情況下保護(hù)航天員的生命,在飛船返回艙偏離航線,落入大海時(shí)壓力服還能讓航天員在水上漂浮。壓力服由兩層外殼組成,外層由白色尼龍帆布制成,并進(jìn)行藍(lán)色飾邊,內(nèi)層由橡膠拼接而成。一個(gè)鉸鏈?zhǔn)剿芰厦嬲种苯舆B接在壓力服上。左手腕有一個(gè)壓力表,也可以佩戴手表,右手腕固定有一個(gè)鏡子。壓力服的手套可以取下。靴子與褲子連接在一起,不可分離,在關(guān)節(jié)處有做褶皺處理方便活動(dòng)。腹部右側(cè)有電氣管,左側(cè)有壓力閥門和通氣管,在地面時(shí)可以與航天員左手提著的空調(diào)相連接。設(shè)計(jì)有兩個(gè)可以裝東西的荷包。在背部等處有可以調(diào)節(jié)身材用的松緊帶。航天員在進(jìn)入該型壓力服時(shí),將通過壓力服正面的開口進(jìn)入,然后通過繩子像系鞋帶一樣密封前部和襠部。

        每一套“獵鷹”壓力服都是根據(jù)航天員身材定制的,航天員在訓(xùn)練中心就會(huì)穿著“獵鷹”壓力服,在為他們定制的座椅上坐上兩個(gè)小時(shí),以保證航天服合身不會(huì)有不適感。然后航天員們會(huì)在真空室內(nèi)重復(fù)相同的步驟。在起飛前,壓力服還有最后的調(diào)整機(jī)會(huì),在起飛和返回地面前,航天員會(huì)將壓力服的電氣和供氣軟管接入維生裝置并扣好面罩,直到確認(rèn)安全后才能打開面罩。這套流程直到現(xiàn)在依然在沿用。

        “獵鷹”-K型壓力服于1971年開始生產(chǎn),在1973年9月27日,由聯(lián)盟12號飛船上的乘員組進(jìn)行了首次使用。而“獵鷹”-K型壓力服也被一直使用,直到1980年更新型的“獵鷹”-KV2投入使用。

        ▲ 聯(lián)盟38號乘員組和備份組成員

        “獵鷹”-KV2型壓力服

        在K型壓力服投入使用之后,新型的“獵鷹”壓力服的研制方案就被星辰局提上了日程。1973年到1980年之間,星辰局先后生產(chǎn)出了“獵鷹”-KM型和“獵鷹”-KV型。與K型不同,KM型和KV型采用了一種上下分離的方式,上半身和下半身通過拉鏈連接,兩型還配備了液冷內(nèi)衣用以帶離身體熱量來保證航天員的舒適度。但是由于性能和可靠性、復(fù)雜性等各種原因,這兩型壓力服都沒有投入使用,當(dāng)星辰局推出新一代壓力服時(shí),型號已經(jīng)是KV2型了。

        “獵鷹”-KV2型從1980年開始服役,并一直使用到今天。該型的壓力閥門被移到壓力服正面中間偏上的胸口處,這樣使得航天員可以用任意一只手調(diào)整壓力服壓力水平。重新調(diào)整了電氣和供氧通氣軟管的位置,并且取消了鞋帶式的密封方式,改為了正面兩道方便得多的拉鏈密封,這大幅減少了航天員穿戴壓力服的時(shí)間,不過在襠部這樣的位置還是保留了鞋帶式的密封方式。

        KV2型的材質(zhì)有所改進(jìn),內(nèi)層從K型的橡膠內(nèi)襯變?yōu)榱司奂簝?nèi)酰胺,減輕了重量。KV2型擴(kuò)大了面罩的面積,使得航天員能獲得更好的視野。KV2型并沒有采用KM型和KV型的液冷內(nèi)衣來散熱,依舊使用了和K型相同的風(fēng)冷散熱,這主要是由于液冷散熱需要更復(fù)雜的泵組,并且壓力服的使用時(shí)間都存在重力或者過載,在這種場景使用液冷內(nèi)衣時(shí),體重會(huì)阻礙液冷散熱的正常運(yùn)行。不過KV2型從前型KV型繼承了手部、腿部的設(shè)計(jì)。KV2型依然是左手腕有一個(gè)壓力表,右手腕有一面鏡子,其他方面,KV2型與K型基本相同。

        ▲聯(lián)盟MS-02乘員組出發(fā)

        ▲“獵鷹”KV2型壓力服

        在這里有個(gè)額外的小知識,就是當(dāng)拜科努爾發(fā)射場本地的溫度已經(jīng)降到了光靠壓力服自身已經(jīng)無法給航天員提供足夠的保溫時(shí),工作人員們就會(huì)在航天員上飛船之前為他們穿上額外的保暖服。這種包裹全身的保暖服可以讓航天員們在零下50度時(shí)依然能感到溫暖,而在航天員進(jìn)入飛船后這一身就會(huì)被脫下。因?yàn)槠浼儼椎耐庑停藗儗⑦@一身稱為“大白熊”。

        ▲ 壓力服外面的保暖服

        勞模“獵鷹”

        第一型“獵鷹”壓力服在1973年投入使用,至今已過去半個(gè)世紀(jì)。在這50年歲月里,“獵鷹”壓力服已經(jīng)護(hù)送了幾百名各國航天員從地面出發(fā),并從安全太空返回。而在可見的未來,由于俄羅斯聯(lián)盟號飛船不會(huì)很快退役,與之配套的“獵鷹”壓力服也不會(huì)很快退役,而會(huì)一直服役到俄羅斯的“雄鷹”號飛船投入使用。這一天的到來或許還有些時(shí)日,“獵鷹”這位勞模還會(huì)繼續(xù)保障各國航天員上天返地很長一段時(shí)間。

        ▲日本富豪前澤友作穿著KV2型壓力服正在進(jìn)行2小時(shí)測試

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