一文揭秘各国舱外航天服前世今生
3月21日，神舟十九号航天员蔡旭哲和宋令东身着中国空间站舱外航天服，圆满完成第三次出舱活动。目前，空间站舱外航天服性能良好，状态稳定，已经顺利保障空间站任务19次出舱活动，单件服装最高使用达17次，超额完成“3年15次”寿命指标。空间站舱外航天服是我国首个在轨开展寿命评估工作的飞行产品。那么为什么要“延寿”使用？舱外航天服的安全性如何保证？今天让我们来了解一下各国的舱外航天服吧。
舱外航天服是航天员舱外活动过程中的核心装备，承担保障着航天员在舱外活动中的生命安全和高效作业。据了解，中国空间站舱外航天服是第二代“飞天”舱外航天服，按照设计标准，使用寿命为“在轨贮存3年，期间出舱使用次数不小于15次”。与第一代“飞天”舱外航天服相比，第二代具有使用时间更长、安全可靠性更高、机动灵活性更好、测试维修性更强的特点，保障航天员执行出舱活动更加安全高效。
据专家介绍，空间站舱外航天服秉承着集约高效的原则，延寿的目的是最大化发挥舱外服在轨应用效能，节约工程成本。达到寿命指标后，科研团队不仅要对空间站舱外航天服进行寿命评估，构建天地联动、科学合理的舱外服健康监测和寿命评估方法体系；同时，系统识别寿命短板，便于后续服装寿命升级。从而达到既风险可控又延长寿命的目的。2004年7月，我国正式立项并启动了舱外航天服的研制。神舟七号首次出舱任务的成功，标志着我国基本掌握了舱外航天服系统的研发技术。
神舟七号首次出舱伴随着我国空间站任务的进展，对出舱活动提出更高的要求，2012年，我国开始新一代“飞天”舱外航天服的研制，经历了9年的设计验证与改进，于2021年2月正式出厂，随货运飞船入轨，在空间站首次使用。新一代“飞天”舱外航天服是典型的轨道基舱外服，能够长时间在轨贮存、使用寿命长、可靠性要求高，可以满足多乘组使用，并且航天员能够在轨维护和检查服装，更换消耗品等，并制定了可行的在轨维护程序，解决了液冷回路循环水的长期贮存难题。其穿脱方式为“背入式”，其采用了半硬式的拟人结构，且满足“一对多”的适体性原则，即以一套服装多人穿用，被动适体性与主动适体性相结合，兼顾个性与共性要求。上躯干为硬结构，采用单一参数的固定结构，根据目标着服人群身体参数，包络最大范围；下躯干与上肢采用主动适体性设计，根据航天员人群身体参数确定参数范围，通过调节结构实现局部尺寸调节；手套同样采用被动与主动适体性耦合设计，根据航天员人群手部参数分型，着服航天员可根据自身手部参数选配，同时手掌围度可调，以获得更好的操作性。
中国载人航天工程30年成就展上展出的“飞天”舱外航天服未来，我国的舱外航天服设计思路是模块化、轻量化、多用途一体化设计。例如在实现复杂环境一体化防护、功能模块化的互换性、外部接口的兼容性等基础上，最大程度地减少舱外航天服的自身重量，提高其灵活性与机动性，以充分适应不同探测任务下，各种人机配套模式的适用需求。美国舱外航天服被称为“出舱活动装置”（Extravehicular Mobility Unit, 以下简称EMU) 。EMU的初始设计需求并非一开始就是面向空间站出舱应用。在航天飞机时代，EMU的设计要求是保证满足100次航天飞机任务、15年的使用寿命，每次飞行任务结束后，将EMU带回地面，进行全面的检查、维护和修理，供下次使用，属于典型的地面基舱外服。
美国出舱活动装置（EMU）外形航天服穿脱方式包括背入式、腰入式、双平面穿入式、软穿入式、斜背入式、斜腰入式等，EMU整体采用腰部穿脱结构，头盔在颈部可快速断接，生命保障系统安装固定于非气密的背包内，与舱外航天服连接采用外挂方式。因此航天飞机时代EMU的躯干、四肢等部组件进行了系列尺寸分型设计，针对每次任务的航天员在地面组装，保证适体性。但随着国际空间站计划的实施，为进一步适应国际空间站的出舱活动任务和航天飞机退役后的在轨维护，科研人员对压力服系统进行了改进设计，经历了十多年的时间，研发了轨道基的舱外航天服系统（Shuttle Enhanced EMU) ，重点开展了舱外航天服的可靠性、在轨维修性、延寿及微生物与污染物控制等方面的改进设计。EMU虽然在工作中积累了丰富的经验，但是在使用寿命、在轨维修性、环境适应性等方面已不足以支撑未来深空探测等复杂的任务需求。因此，NASA 于21世纪初展开了新一代舱外航天服(Exploration Extravehicular Mobility Unit, XEMU) 的研发计划。计划的重要内容之一就是开发新一代的便携式生保系统，并将其命名为xPLSS，以全面适应未来复杂多样的任务需求，并在整体设计理念及关键单机技术上均体现出了长足的发展。
NASA自研的下一代舱外航天服（XEMU）在2019年发布会上的展示俄罗斯“海鹰”舱外航天服经历了6次改进的历程：“海鹰” -D、“海鹰” -DM、“海鹰” -DMA、 “海鹰”-M、“海鹰” -MK、“海鹰”-MKC。上世纪60年代中期，为实现月球计划，苏联的“星星”公司提出了新半硬式航天服设计方案，形成了最初的“海鹰”舱外航天服。半硬式舱外航天服的主要特点是硬金属躯干，其与头盔和背包为一体，能够通过背部开口实现快速穿脱。但遗憾的是该型号舱外航天服只做了相应地面试验，并未实践应用。70年代后，苏联将登月计划转为“礼炮”号空间站飞行任务，飞行条件的变化改变了舱外航天服的使用要求。科研人员简化了“海鹰”舱外航天服的裤腿设计，去掉了附加的髋关节，降低并简化了热屏蔽和真空屏蔽层的设计，并用单层遮阳面窗代替了双层遮阳面窗，即形成了“海鹰”-D型舱外航天服。“海鹰”-D型舱外航天服随着出舱任务的日趋复杂，科研人员于80年代中期设计了“海鹰”-DM型舱外航天服。其在“海鹰”-D舱外航天服基础上增加了其中一层气密层织物的强度，提高了上肢的活动性能；设计了气动、液压系统的联合控制板，增加了压力头盔的防护外壳和工作台的照明灯等。经改进，“海鹰”-DM舱外航天服的可操作性和可靠性均被提高。“和平”号空间站任务阶段，航天员需要远离气闸舱长时间进行维修和装配工作。80年代末，“星星”公司对“海鹰”-DM型舱外航天服进行了重大改进，研制出了具有独立电源、无线电遥测与天线装置的“海鹰”-DMA舱外航天服，实现了真正意义上的独立式舱外航天服系统。
俄罗斯“海鹰”舱外服外形随着空间技术向着国际化方向发展，“星星”公司对“海鹰”-DMA型舱外航天服继续改进，最终定型为“海鹰”-M舱外航天服。该航天服的背包入口抬高了60毫米，穿脱更容易，操作也更灵活。同时，科研人员为其增加了躯干的转动功能。随着国际空间站计划的展开，1999年，科研人员对“海鹰”-M舱外航天服再次做出改进，缩短袖长、改进手套结构，更新了袖子与胸甲连接部分；扩大了躯干长度调整范围等，并研制了符合NASA设备的接口，提高了服装的兼容性。2010年11月，“星星”公司将计算机应用到舱外航天服上，通过内置计算机控制环控生保的设置，简化了航天员的操作，这也造就了“海鹰”-MK舱外航天服的问世。2015年，“星星”公司对“海鹰”系列舱外航天服进行了深度改进，并命名为“海鹰”-MKC型。其采用了自动温度控制系统，可根据航天员的冷热程度自动调节液冷服入口水温，保证了出舱航天员的热舒适性，并将舱外服的气密层材料由橡胶材料改为聚氨酯材料，大大延长了舱外航天服的使用寿命。
