2007年11月3日 星期六

21世紀的太空裝設計

biosuit

人類在過去50年的太空探索行動中,包括太空服裝在內的太空技術日臻成熟。

從1935-1936由美國熱氣球專家馬克‧瑞吉(Mark Ridge)發明的第一個全壓力高空服-「馬克瑞吉服」(Mark Ridge Suit),到1958-1959年美國空軍測試太空船外和月球表面行動服裝,這個測試結果導致了後來更為精緻的設計和成功用於月球登陸的RX系列。

直到最近出現的全新概念的「生物裝」(BioSuit),顯示人類在太空裝設計上的長足進步。

太空服的設計要求

外太空的環境是沒有大氣壓力與氧氣的,太空人必須穿著太空衣以維持生命。雖然在太空梭(shuttle)內可維持一定的大氣壓力,因此並不需要太空衣,但為了在太空梭外工作,就需要太空衣的保護。



自海平面以上1200公呎的高度,大氣是由20%的氧氣和80%的氮氣所組成。而在5500公尺處,大氣的組成密度只有地表的一半。在高度12000公尺處,空氣已是非常稀薄,氧氣也非常稀少,配帶氧氣罩已不足以維生。大約到19000公尺,人必需穿著太空衣來提供呼吸的氧氣,同時保持恆壓狀態使體液處於液態,再越往高處,周圍壓力極速降低將會造成體液內出現沸騰現象。

美製太空衣被加壓了在0.30巴(相當於30% 地球海平面壓力),但因為在太空衣內是百分之百的氧氣,而不是正常的百分之二十的氧氣, 人在太空衣內可呼吸的氧氣量比在高度3000公尺時沒有穿著太空衣的情況更多。就美製太空衣裡的氣壓而言,在進入太空執行任務之前, 宇航員必須呼吸幾個小時的純氧,然後才可進入太空中,這個做法是必要的,為的是避免氮氣溶化在體液裡而不至於導致當氣壓減少時會產生氣體,一般這種現象稱為潛水夫病。俄國和未來美國航空航天局衣服被加壓至0.56巴,並且縮短純氧呼吸時間至半小時。

太空環境除了有超低溫、強輻射和高真空等特點外,還有高速運動的塵埃、微流星體和流動星體,太空衣需具備保護太空人免受撞擊和保持恆溫的功能。同時,因太空中沒有大氣阻擋強烈的太陽,其溫度可高達攝氏120度;在黑暗的地方,又可以降低至攝氏負160度。在阻擋外在的高、低溫的同時,太空衣維生系統必需移除太空人過熱的體溫與水份,通常做法是用涼水環繞太空人穿的內衣周邊,第一次上太空的蘇聯日出號(Voskhod) 和美國的雙子星號(Gemini)太空船的計劃中,太空衣內過熱的情況曾導致許多危機。

新太空計劃對太空服的新要求

早期的美國太空裝是改自為高空軍機與飛行實驗的飛行員設計的減壓裝。最早的設計是1960年代美國的A7L和蘇聯的Krechet太空裝,其設計的目的是為了能在月球表面漫步,並使太空人能在太空船和太空站外工作。

但是由於人類下一步的太空探索行動與往日有極大不同,主要側重於進行月球或火星表面的探索研究,為了達到能在無重力環境下,太空人能在火星表面探勘的目的,目前太空裝的設計勢必尋求改良進步。

對於一個進行月球或火星表面探勘的太空人,他(她)是否還能穿著目前太空科學家為太空梭或太空站微重力環境設計的太空服裝?答案是否定的。作為未來月球或火星表面探險的太空人的服裝,它並不是只為了抵禦外太空的惡劣環境而設計的,它還要必須具有能使太空人活動自如、進行適當科學勘探活動的功能。

目前使用的太空裝顯然不能達到這個目標。就以美國國家航天航空局(NASA)現在所使用的太空裝來說,其設計的重點並不是在於太空人在太空艙和航空站工作時的活動能力,而是為了在太空微重力狀態下,太空人在環繞軌道飛行的太空船內漂浮而設計。目前宇航服的設計滿足不了太空人最終外出到月亮表面去挖掘石頭或到火星表面篩選泥土以獲取是否有水存在訊息的要求。

新型太空服以機械反壓力達到緊身設計

目前最新的「生物裝」與現今太空服最大的不同是,它具有靠機械反壓力使得該服裝能夠緊緊包裹在太空員身上的特點,類似『緊身衣』的設計,而非像以前的太空服,當太空人穿到太空站外面時,氣體壓力會將它鼓脹而看起來臃腫不便。

但目前為止,美國國家航空航天局(NASA)尚未採用「生物裝」擔綱重返月球的任務,這項任務將在2009年開始試航,在接下來的十年內飛行到國際航天站上,在2020年左右返回到月球上。但「生物裝」至少為航天局提供了一款全新太空服的外觀設計,以及製造構想。

「生物裝」的設計關鍵是完全貼身,當被問到如何達到這一步時,美國麻省理工學院航太與工程系統學科的航太學教授達娃‧紐曼(Dava Newman)回答道,他們能夠達到極佳行動能力和靈活彈性,可以自在的彎腰、屈膝去撿拾石頭,所以在四肢關節處的靈活性上做了許多改進。

太空「服裝設計師」

當然這裡所指的「設計師」不是一般意義上的服裝設計師,而是世界頂級的科學家,從事新一代太空服裝的研究和開發。

航太學教授紐曼是目前全世界鳳毛鱗角的太空服裝「設計師」中的一位,她在麻省理工學院的團隊一直在進行上述「生物裝」的太空裝研究計劃。這套新型的太空裝能使太空人移動自如,同時具有集人類最先進的信息技術於一體。

近日,紐曼告訴CNET News.com他們如何設計模型、剪裁太空裝、如何從原型上升到實際宇航服,使太空人能運動自如:

問:您可以描述一下新型太空裝以及您們團隊開發這個太空裝的目標嗎?

紐曼:我們努力尋找在設計概念和製造技術上的突破,使得我們能夠為未來十到二十年的長遠航天活動帶來革命性的太空裝概念。我們認為未來必須為太空人提供的是壓力服(pressure suit)。目前傳統的方法是氣體加壓的服裝,這種設計也很棒,我對當前的系統稱羨/讚賞,但現在我們已決定重回月球,登陸火星,那麼傳統的服裝如何能夠給我們提供行動上的方便和靈活?這個問題已經十分嚴重。它們在微重力環境下表現還不錯,但現在我們需要的是登陸月球的能力,整個環境和任務均不同了。

問:重新設計太空裝對您而言是最大的挑戰嗎?

紐曼:這決定於您採用什麼方法。我們已經採用機械反壓力(mechanical counterpressure)的方式,這意味著皮膚直接承受壓力。因此維持恆定的壓力無疑是一個極大的技術挑戰。我們可以繼續使用美國國家航空航天局 (NASA)和俄國的太空裝來完成太空站從事艙外作業,但它並不是一套星球表面的行動服裝,穿著它,您無法行走、慢跑或跳躍。

問:既然「生物裝」的設計是以貼身為主,但仍有巨大的頭罩。請問有任何方法可以改進這個不成比例的頭罩嗎?

紐曼:我們認為這種頭罩和通常見到的頭罩是一樣的,所以不能說它龐大。當然設備越輕便越好,但為了給太空人有更多的視野範圍,它並不算龐大。若對整套太空裝都是機械反壓力的設計,雖然可以減小頭罩的尺寸,但卻沒有任何益處,反而還有許多缺點。比如,在眼窩部份很難做得緊貼。所以,在頭部沒有必要做機械反壓設計。故我們仍然採用傳統的氣體加壓式頭罩設計,這樣比較舒適。

我們的貢獻是使頭罩能顯示出更多的資訊。目前太空裝並沒有顯示出本身相關資訊技術的地方,因此這正是我們研究的主題之一。對太空人需要顯示何種資訊?我們如何達到?例如太空人自己的心跳速率、剩下多少氧氣等等,又或者月球表面的地形如何?太空人要進行探勘的相關資料,都是值得研究的。

問:今天的太空裝已經使用很長時間了,它們在能夠為太空人服務的能力上是否已到飽和,考慮到即將進行的太空行動。

紐曼:是的,目前的太空裝基本上是限制在太空穿梭器艙內使用的。對於在艙內來說,他是極佳的服裝配備,而在太空站上,他的表現也同樣卓越。當初設計的目標並不是在太空站上歷時幾個月的無重力空間使用,但在新的計劃面前,它被改進後從航天飛機上轉移用於太空站上。相對於美國航空航天局和俄國的太空裝,「生物裝」較靈活彈性,適合做出行走、跳躍的動作。

資料來源:CNET新聞網、Astronautix.com

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