任务复杂多样，新一代舱外航天服大升级

近日，美国宇航局再次授予两家商业航天公司合同，分别研发新一代舱外航天服。新时代，航天员任务更加复杂多样，有望深入探索外星球。在不同的应用环境下，舱外航天服需要具备哪些技术特征？不同用途的舱外航天服又会有哪些异同之处呢？

穿戴“小型宇宙飞船”

随着太空探索活动越来越频繁，克服潜在风险的需求也越来越迫切。为了抵御宇宙空间中的极端温度、无数碎片、高能辐射等威胁，航天员在缺乏严密保护的舱外工作时必须穿上特殊服装，这就是舱外航天服。

形象地比喻，舱外航天服不仅是衣服，更像是“小型宇宙飞船”，时时刻刻维持着航天员身体健康，还不能严重降低他们的活动效率，又要减轻身体负担。而且后两点在舱外航天服的发展过程中越来越重要。

载人航天早期，航天员不会冒险出舱，穿着舱内航天服即可。而且，舱内航天服需要具备基本的救生功能，如应急供氧系统、水上着陆浮力系统、通信系统等，所以苏联航天员也称之为“救生服”。

在研发航天服方面，美国推进“水星计划”时有些“偷懒”，直接将海军战斗机飞行员的压力服修改后使用，不具备救生功能。不料，曾有飞船着陆时发生故障，航天员被迫在海面上艰难求生。

美国新一代舱外航天服注重提升航天员下半身活动能力

于是，20世纪60年代中期，美国推进“双子座计划”，兼顾舱室内外环境的航天服研制工作更受重视。1965年，“双子座4号”任务完成了美国首次、全球第二次太空行走，新一代航天服保障了航天员安全。不过，航天员返回后建议增强舱外航天服的“活动性”，尤其是提升手臂、肩部部位和手套穿戴后的灵活性。

美国舱外航天服迅速改进，典型成果就是A7L。1969年7月20日，阿姆斯特朗在月球上留言“个人的一小步，人类的一大步”时，就是穿着这款登月航天服。除了基本需求外，A7L登月航天服和之前的舱外航天服相比，最显著的特征是配备了便携式生命保障系统，可以用于供氧、降低二氧化碳浓度、排散身体热量等。可以说，A7L是美国第一代具备完善的自主生命保障功效的舱外航天服系统。

当然，受时代所限，“阿波罗计划”使用的登月航天服也有一些缺点，比如过于笨重、活动不便、无法重复利用等。这些不足之处也成为美国宇航局推动研发新一代舱外航天服的动力。

20世纪70年代，美国新一代舱外航天服研发工作启动，要求可重复使用，能适应不同身材的航天员，且能维持长时间的舱外活动。1983年，学名“舱外机动装置”的舱外航天服首次帮助航天员出舱活动，至今仍被国际空间站驻站人员使用。

“重返月球”要求更多

“舱外机动装置”已使用了40年，不论是从使用寿命还是从环境适应性、可维修性来看，都难以支撑美国宇航局当前的核心项目“阿尔忒弥斯计划”。因此，美国宇航局启动了新一代舱外航天服研发，学名叫做“探索舱外机动装置”，简称xEMU。

其实，早在2007年，美国宇航局就希望获得新一代航天服，但进度很慢。虽然先后有Z-1、Z-2、Z-2.5等试验品性质的航天服问世，却始终未能“更进一步”。为加快进度，美国宇航局不得不寻求外援，向公理太空公司、柯林斯航天公司等商业航天求助。

尽管内幕因素比较复杂，但美国宇航局对新型舱外航天服提出的设计指标更加苛刻，无疑是其研发不顺利的重要原因。

要求一，确保航天员拥有更高的出舱频率和更长的舱外活动时间。具体来说，在维持较高的人体代谢率的前提下，航天员单次出舱时间不小于8小时。过去的舱外航天服很难支持航天员出舱这么久，而且活动剧烈程度也比不上未来任务目标。

要求二，具备更出色的环境适应性。根据美国宇航局的计划，xEMU不仅能够适应近地轨道和月球表面的恶劣环境，未来实施改进后，还能支持航天员登陆火星。

这就意味着，新款舱外航天服既要适应近地轨道的微重力环境，又要及时调节系统，适应月球、火星等外星球上的不同重力环境，更要加强防护性能，抵御突然来袭的碎片、辐射以及可能带电、有毒的外星球尘埃。比如，月球表面近似真空绝压环境，火星表面存在微弱大气，舱外航天服怎样兼顾适应两种截然不同的外星球环境？显然是开发难点。

要求三，必须拥有更长的使用寿命。目前国际空间站驻站人员使用的舱外航天服依赖货运飞船的周期性补给，往往在轨使用2年后送回地面维修。考虑到外星球距离遥远，特别是未来航天员很可能在月球、火星上建立永久基地，与地球之间往返耗时，所以必须显著降低xEMU的维修和整备难度。比如，舱外航天服快速消耗的水、氧气等生命物资有必要实现在轨加注补充。当前，美国宇航局计划将xEMU的在轨使用寿命延长到8年。

要求四，实现更佳的机动性和灵活性。“阿波罗计划”结束后，舱外航天服主要用于近地轨道任务，设计侧重于保障航天员上半身的灵活性，毕竟在外太空飘荡环境中不需要“脚踏实地”。但要想登陆月球和火星，航天员必须穿戴让下半身活动更敏捷的舱外航天服，实现“全表面机动能力”，方便地跳、跑、弯腰、下蹲。此外，为了方便女性航天员参与深空探测，新一代舱外航天服也需要考虑女性的身体条件。

不难看出，美国宇航局希望xEMU能够满足多样化任务，适应不同环境。为此，美国宇航局决定先研发标准版xEMU，再根据任务环境变化，衍生出不同版本的xEMU。这个研发思路也要求xEMU具备模块化特色，主要的单机和功能模块都能实现便捷更换、在轨维修。

值得一提的是，尽管美俄航天合作逐渐分道扬镳，但美国研发xEMU仍然向俄罗斯“取经”，取消集成式便携式生命保障系统，计划采用独立的双风机和双泵结构。这样既可避免水侵入电气线路，又能降低对热控回路的供水压力。同时，它还计划设置3组独立电源，以便应对突发状况。

然而，这种分布式、冗余化设计也带来了麻烦，比如其总重可能超过183公斤，比上一代增重近50%，对航天员显然是沉重负担。由此，我们也不难理解为何新型舱外航天服迟迟难产了。（作者：林溪 图片来源：Axiom公司、Collins公司 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）