宇航服生产过程揭秘，为何当今世界，只有中、美、俄可以生产？

近年来，不少国家都开始准备新一轮的太空建设，美国、欧洲航天、中国、日本、印度等国家都纷纷将自己的计划公布了出来，未来的20年里，人类兴许能够进入到太空建设的一个新阶段。但只有真正做到了载人航天才能被称之为太空强国，这是为什么？

中国是当今世界第二大太空强国

在很大程度上，这取决于宇航服研究和航天技术的融合，从人类的航天历程来看，至今只有中国、俄罗斯、美国做到真正的载人自主航行。如果无法进行载人飞行，也就谈不上太空建设，而光有载人飞行技术却没有宇航服也不行。

一套合格的宇航服究竟有多重要？宇航服是如何制作出来的？宇航服涉及到哪些方面的研究？宇航服的整体结构与一般的工作服又有哪些不同？本文将从当前宇航服的制作研发、宇航服发展历史以及未来宇航服的设计研发来回答这些问题，一起揭秘宇航服的生产过程。最后我们再来看看，当今世界为何只有中、美、俄三个国家能够生产宇航服？

航天服是保障航天员的生命活动和工作能力的个人密闭装备

宇航服的起步

如果说载人航天是人类在太空探索中的一次重要飞跃，那么宇航服的出现可以说赋予了未来无限的可能。因为它的出现，宇航员可以在外太空、真空和极端温度的恶劣环境下进行工作，并且能够维持人体的生命系统。

科学家们为了保障在不同场景下，宇航员能够顺利地完成工作，由此研发出了三种类型的宇航服，即舱内宇航服（IVA）、舱外宇航服（EVA）、舱内/舱外宇航服（IEVA）。

我国自主研发的舱内航天服（IVA）

由于IVA的使用主要在航天器中，因此不存在压力的问题，所以也是所有宇航服中最轻便舒适的服装。如果需要涉及舱外活动，就必须使用EVA或者IEVA，这两套服装可以保护宇航员不受微流星体以及极端温度的影响，同时还避免了空间条件的影响，提供了一定移动性和功能性。

在高空低压的环境下，为了保证飞行员不受“阿姆斯特朗极限”的影响，就必须穿着特定的加压服保障飞行员安全。20世纪30年代时，科学家们就鼓捣出来了第一套极端高海拔的全压服，这给后来的宇航服研发提供了一定的设思路。

舱内航天服（IVA）的结构示意图

人类最早的宇航服设计使用是苏联在60年代开发出的SK-1（索科尔）宇航服，可以说这套宇航服几乎是后来所有宇航服的原型，而这套服装的第一使用人便是尤里·加加林。后来这套宇航服的升级版也在礼炮号、和平号空间站的任务中有过使用。

与美国的宇航服不同的是，苏联的宇航服研发理念并没有考虑什么舒适性，一切以实用、工作性能为主，而美国则倾向于使用最新的材料和技术来提供最高水平的舒适性和性能。

太空第一人尤里·加加林：载人航天的开端

美国在早期的太空探索和太空竞赛期间，迫于苏联的压力，美国一口气研发了数套宇航服。50年代初期完成的宇航服主要应用于飞船内部，而且设计灵感来自美国海军的高空喷气式飞机压力服，还不具备出舱任务的能力。在亚轨道飞行的任务测试中，这套原型服装只有两层压力保护，并且飞行员还很难活动自己的四肢。

美国和苏联的几种宇航服

到了60年代，在水星计划、双子座计划的背景下，这个时期的宇航服得到了很大的改善，特别是双子座计划中，宇航服被研发出了3套服装，2套用于舱内，1套用于舱外。

双子座计划下的宇航服有了7层防护，最外层由镀铝聚酯薄膜组成，并且提供了更多的热保护和微流星体的保护。不过这套服装还是有很大的不足，例如头盔面罩很快就会起雾，并且冷却系统不足以快速去除热量和水分。

阿波罗计划的宇航服

相比之下，中国的航天工程起步晚，很多时候都需要依靠自主研发。好在中国和俄罗斯关系还不错，宇航服的研究设计在很大程度上得到了俄罗斯的援助。我国宇航服的原型主要来自于索科尔和奥兰这两套宇航服的升级版，并且研发完成了所有类型。

宇航服从设计到制作，再到使用都需要一个漫长的过程，而且还需要丰富的航天工程经验，以及大量的经费。从另一方面来讲，宇航服的设计制作几乎都是从零做起，此前也没有任何可以参考的书籍，许多知识理论都是在实践的过程中一步步积累起来的。因此这也是为什么至今只有中、俄、美三国拥有这种制造能力。

我国自主研制的“飞天”舱外航天服（EVA）

那么这样一套宇航服在研发到使用的过程中需要经历哪些开发工作？

宇航服的基础设计有哪些？

工程师和科学家们想要研发出这样一套服装得考虑诸多因素，一方面来自于外太空环境的影响，另一方面还要考虑宇航员的活动和任务内容。例如在微重力环境下，从一个点移动到另一个点，这需要优秀的肩部、手臂以及手部的机动性，而腿部和腰部又是需要活动量最大的部位，因此需要保证最大化的高机动性、灵活度和触感。

现代宇航服可以说是一种组合式服装，我们在电视上所看到的宇航服实际是IEVA的一部分，内部还有IVA。宇航员的第一套宇航服是一种降温服，它主要由弹性氨纶材料和水管组成。超过90米的水管会被编织在这件紧身衣一般的服装上，除了头部、手、脚之外，这套服装会覆盖整个躯体。

神七舱内航天服（EVA）的结构与作用示意图

整个服装如同一套水冷系统一般，冷冻液会经由水管循环带走宇航员身体散发出的热量，由此起到调节体温的作用。并且服装上面还有通风孔能够保证汗水可以被有效吸附，帮助宇航员进行血液循环。这套循环冷却系统能够维持数小时，一般配合IVA或者EVA使用。

有了内部的基础保护后，这才开始进入到外层的太空服。这里我们以美国的舱外机动装置（EMU）宇航服为例，这套宇航服是专门为宇航员进行太空行走设计的宇航服，并且不需要连接到轨道器。

EMU宇航服的拆解示意图

首先是它的原料，EMU的编织材料由多种合成聚合物构成，最内层由尼龙经编材料制成，另一层由弹性可穿戴聚合物氨纶组成，最后还有一层尼龙聚氨酯涂层，这层编织物会参与宇航服的加压。在压力抑制层中，编织结构由涤纶、聚酯化合物组成。

其他合成编织物还有氯丁橡胶、镀铝聚酯薄膜、凯夫拉纤维、Gortex（一种被广泛用于冲锋衣的防风、防水、透气薄膜材料）、Nomex（诺梅克斯芳纶，耐热性能在250℃内，有过滤和绝缘效果）等。

航天服装备示意图，左上角为蒸馏水控制内部温度的“内衣”

除了合成纤维以外，其他混合原料也必不可少，上躯干的玻璃纤维是主要材料。太空行走期间还有氢氧化锂作为去除二氧化碳和水蒸气的过滤器。宇航服的电池结构有一部分来自于银锌混合物，头盔部分主要由聚碳酸酯材料组成，另外还包括各种组件所需要的电子电路套装控制。

想要完成这套服装的设计和组装并不容易，宇航服可以说是人类服装设计的天花板了。

它是宇航员们完成太空任务的重要设备

制作一套宇航服有多难？

在IVA和IEVA服装中，生命维持系统可以看作一个独立的背包装置，这里面备有氧气、二氧化碳去除过滤器、电源、通风风扇和通讯设备。氧气罐中的氧气能够提供7小时左右的供应，旁边还有一个辅助氧气包，它能提供30分钟的紧急供氧。

宇航服的下半身为裤子、靴子、内裤、膝盖、踝关节和腰部，并由聚氨酯涂层尼龙压力气囊组成。内外涂层还有五层镀铝聚酯薄膜，以及由特氟龙、凯夫拉纤维和Nomex组成。靴子里还有保暖用的袜子和隔热的鞋头，以此达到最高的保温性能。此外，新款宇航服的储尿装置主要由纸尿裤代替。

宇航服的巨大背包，被各种系统塞得满满当当

除了服装结构，还有电路控制模块、电源系统、电气及机械操作系统等，整套宇航服的重量达到了124公斤左右，有效寿命为15年。现代宇航服的设计几乎都是模块化设计，因此也不存在私人定制，这也可以让多名宇航员之间共享服装的各个模块，一定程度上降低了成本。

在进行制造时，头盔和面罩部分会使用吹塑技术，将聚碳酸酯颗粒注入塑模机中，熔化完成后被压入模具中，由此完成头部的基本构建。

宇航服的结构与作用

生命维持系统会对加压氧气罐进行填充，并加盖放入外壳，二氧化碳会和该装置共同运作。背包配备的内容还有通风风扇、电源、收音机、警告系统等，所有东西组装完成后，上半身才基本完成构建。

整套宇航服的编织层数多达16层，每层基本都是不同的材料，每层执行不同的功能。宇航服里里外外地将宇航员完整地包裹住，高温、低温、辐射、电磁等各种问题都可以有效应对。也许有人会问这套服装的穿着使用到底如何？

在太空中穿着宇航服的概念图

如果宇航服在地球的环境上使用，几乎很难自由活动。但要到了真空或者宇宙中，这套服装带来的笨重感就会消失，并且内部的加压系统能够很好地让宇航员贴合宇航服进行工作。

为了完成制作美国的EMU宇航服，前后有80多家生产厂家参与，每个零部件都是独立进行制作，最小的零件只有0.3厘米。除此之外，所有生产环节和制作流程都有对应的质量控制测试，每个部件都必须严格按照标准制造。例如漏气、减压或者非功能性生命支持系统的测试，任何一个故障都会给宇航员带来严重的后果。

宇航服的水下密封、生命维持系统等多方面测试

美国至今开发出了17套宇航服，俄罗斯的经典款也有3~7套，中国宇航服也随着神舟计划更新迭代了3次以上。无论哪个国家，开发宇航服都需要非常高的工程测量技术、航天飞行经验、化工业、高分子材料研究等，说宇航服集合了人类的所有技术都不足为过。

为了保证宇航服的舒适性，NASA的每套宇航服研发经费都在10亿美元左右，而我国的宇航服价值也在3000万人民币左右。如今宇航服开发已过去多年，未来宇航服又会怎样变化呢？

我国自主研发的宇航服（IVA与EVA）

新式宇航服成为新的未来

新一轮的太空探索计划对宇航服提出了更高的要求，如今的商业飞行计划为宇航服的研发设计提供了新的机会，并且也有新的资本融入了进来。而在未来，宇航服的设计还会进一步优化。

工程师们希望制作出一套完美的宇航服，例如宇航服的手套部分，这也是目前最难设计的地方之一。因为它很难保证在手部得到有效保护的同时，还不会影响到细微的操作。NASA的宇航服就有一个问题在于，它会和宇航员的手部皮肤反复产生摩擦，这会损伤他们的手指，并且因这种机械摩擦还会出现流血问题。

首次商业私人绕月飞行计划中“猎鹰火箭”的概念图

另一方面，工程师们希望未来的宇航服能够拥有现实增强技术，给头盔内部增加一个平视显示器，然后可以提供宇航员们需要的数据和信息。一种可能的材料为ALON的透明陶瓷，它比防弹玻璃更薄，强度却是防弹玻璃的三倍。

未来太空服的构想图

不难想象，在未来，我们能够看到宇航员像科幻电影里面那样，身着轻薄的宇航服，并且头盔还有着各种令人感到惊奇的信息显示系统。宇航服也许在当下离我们普通人过于遥远，但我们可以相信未来每个人都有机会穿着酷炫的宇航服前往自己心仪的星球去旅行。