揭開「太空裝」內部的奧秘

作者 : 胡安,EDN China

一套太空裝的開發成本是多少?其中採用了哪些元件和供應商呢?

目前全球只有美國、俄羅斯和中國能獨立研製太空裝(spacesuit)。

根據美國太空總署(NASA)在 2017 年的報告指出,過去9 年來總計花費2億美元開發艙外太空服裝。自2017年報告至今,又額外花費了2.2億美元——總計4.2億美元。

NASA目前的計畫是在2024年11月之前生產出前兩個可飛行的探索艙外移動裝置 (xEMU),但該機構面臨著大約20個月的交貨延遲。

NASA開發太空裝的開銷,從2008財政年度至2021

製造太空裝很難嗎?

太空裝這麼貴,裡面都有啥?

具體來看,艙外太空裝(xEMU)的系統元件如下圖所示。

xEVA系統元件。(來源:NASA OIG summary of NASA information)

目前,NASA xEMU的供應商包括:

其他元件供應商還包括:

EDN China編輯NASA官網上找到公開的太空裝資訊。(來源:NASA)

基本生命保障系統(PLSS)

太空人在太空中行走時,最離不開的就是是太空裝上面的基本生命保障系統(Primary Life Support Subsystem;PLSS)。在不大的背包中整合了身體機能檢測、系統通風、二氧化碳清除、熱量交換、水分分離、通訊、壓力調節器等數十種技術設備,為太空人提供了在太空行走與生存的必備品。

生命支援系統。(圖片來源:NASA)

PLSS 中還包括水冷設備、一個循環氧氣的風扇和一個雙向無線電。在其背包中的警示系統可以讓太空人知道太空裝是否發生問題。該裝置覆蓋有保護布層。

NASA已經完成的和計畫中的xPLSS開發活動。

設計驗證與測試(DVT)套裝的裝配經歷了許多與xPLSS相關的技術挑戰,導致了工期的延誤。

  • xPLSS控制器的電路板需要重做以更新警告和警示系統,即控制關鍵生命支援元件的航空電子設備。其中一項功能——空對空探索EMU無線電——更新了一項功能,以確保 xEMU 航空電子系統的任何非關鍵故障不會導致通訊系統出現嚴重故障。
  • 太空人用來控制所有關鍵功能的 xPLSS 類似飛行的顯示和控制單元經歷了生產延遲。 最初,NASA使用市售產品建構了一個原型,以確定正確的尺寸。由於開發過程中的設計更改和升級,NASA人員將該單元更換為現有的備用單元,該備用單元為測試提供了適當的功能。
  • 2021年3月,DVT套裝組裝過程因元件故障而暫停。具體來說,工作人員使用了錯誤的規範來建構複雜的xPLSS介面。它的失敗表明了DVT開發過程中的缺陷。NASA人員將此問題歸結為:(1) 進度壓力;(2) 依賴之前使用的測試盒;(3) 團隊之間的溝通中斷;(4) 專案團隊的快速成長,包括缺乏經驗的人員的加入;(5) 在開發測試期間使用未發佈的藍圖。

太空裝的硬殼結構(HUT)

太空裝上半身組件。(圖片來源:NASA)

太空裝的硬殼結構(Hard Upper Torso;HUT)覆蓋胸部和背部。它是一種由玻璃纖維製成的背心,這一材料通常應用於汽車及游泳池。

顯示和控制模組,以及隨身生命維持系統會連結在這一部份。這部份的一個重要功能是作為排水和氧氣流管子的連接。

可調整長短的袖子

太空裝可以不用客製,即有現成不同尺寸的臂組裝零件,定徑環可以使袖子更長或更短。

透過定徑環調整袖子長短。(圖片來源:NASA)

自加熱的手套

太空人必須能夠在戴著太空裝手套的情況下處理和撿起物體。艙外活動(EVA)用於保護太空人免受太空環境的傷害。手套要便於太空人盡可能輕鬆地移動手指。

太空裝的手套。(圖片來源:NASA)

手指是身體上太空時最冷的部份。這些手套的指尖有加熱器。透過軸承元件,手套能夠連接到套管,並允許手腕轉動。

顯示和控制模組

該模組是艙外太空裝的控制台。模組上有開關、控制器、儀表和電子顯示器。

太空人可以從該模組操作隨身生命維持系統。

太空裝內部的喝水包

塑膠水袋扣在HUT內側。一個帶閥門的塑膠管從袋子裡伸出來。吸管和閥門可以調整到靠近太空人的嘴。太空人可以透過咬住閥門打開管子喝水,停止咬合即可關閉閥門。

太空裝的下身

下身由太空裝的褲子、靴子和腰部下半部份組成。其中腰部軸承元件可以幫助太空人移動和轉動。金屬體密封閉合將下身元件連接到上身HUT上。

下身有D形環以連接繫繩,從而將太空人鏈連接到飛船上,保護太空人不會飄走。

透明的頭盔

除了覆蓋太空人的頭部,頭盔還有一個通風墊。該墊將氧氣從隨身生命維持系統和上身HUT引導至頭盔的前部。

頭盔使氧氣保持在頭部周圍,並維持穩定的氣壓下。頭盔的主要部份是透明的塑膠泡沫。

氣泡型的頭盔覆蓋了艙外遮陽板組件,遮陽板上塗有一層薄薄的金,可以過濾掉太陽的有害射線。遮陽板還可以保護太空人免受極端溫度和可能存在潛在撞擊危險的小物體危害。

頭盔上可安裝攝影機和燈。

通訊帽(CCA)

通訊帽(Communications Carrier Assembly;CCA)有時稱為史努比帽,是太空人在頭盔下戴著帽子,包括耳機和麥克風。它連接到太空裝上的無線電。太空人使用CCA,就能與其他機組人員交談並聽到警告音。

液體冷卻和通風服裝

大多數長內衣主要是用於保暖,這款內衣讓太空人在太空漫步時保持涼爽。它由彈性氨綸材料製成,配備91.5公尺的細管。

透過將水泵入太空人皮膚附近的管道,冷卻水在太空人整個身體周圍循環,從而消除太空人運動產生的額外熱量。

衣服上的通風口可以吸走太空人身上的汗水。這些汗水在水冷系統中循環使用。

此外,透過手腕和腳踝處吸入氧氣,有助於氧氣在太空裝內循環。

成人尿布(最大吸收量)

太空人通常持續六個多小時無法休息,因此在他們的太空裝下有額外的吸收材料。

背著氮氣包救生EVA Rescue

艙外活動簡便救援裝置(SAFER)就像一件救生衣。在太空站工作的太空人都會穿著SAFER。太空人通常透過繫繩連接到太空站。如果一名太空人飄向太空,SAFER將協助他/她飛回太空站。

SAFER像背包一樣穿著。它使用小型氮氣噴射推進器讓太空人在太空中移動。太空人可以用一個小操縱桿控制SAFER。

太空服的演變

太空服的演變歷程

本文原刊登於EDN China網站

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論