服装新贵——宇航服设计探微yd18113
王鸣 沈阳航空工业学院工业设计系服装设计与工程专业, 辽宁沈阳 110034
收稿日期： 2004-10-12
作者简介：王鸣( 1957-) , 男, 辽宁沈阳人, 副教授
原载：沈阳航空工业学院学报2004/12；135-137
【摘要】宇航服作为服装成员中新贵是近几十年出现的, 它的设计元素、设计法则、设计理念是鲜为人知的。维系生命系统的功能设计、高科技成果综合体现、功能与审美结合是它设计的重要元素与理念。从功能上分, 有舱内用和舱外活动用宇航服; 从服装内的压力上分, 有高压和低压宇航服; 从结构上分, 有软式、硬式和软硬结合式宇航服。宇航服的设计能力与制作水平, 是一个国家的综合国力、高科技发展水平和航天事业发展水平的体现。
【关键词】宇航服; 设计探微; 理念元素; 功能与审美
【中图分类号】 V445. 3 文献标识码: A 文章编号: 1007 1385( 2004) 06 0135 03
宇航服又称航天服, 它是宇航员在宇宙空间穿用的有压力的服装, 属于防护服。中国古代把天上穿的衣服称为“天衣”。首位进入太空的中国宇航员杨利伟就是穿着这种“天衣”遨游太空的。随着我国“神舟”五号载人飞船的发射成功, “神州六号“载人飞船即将发射, 载人航天工程成了人们的热门话题, 国人对包括宇航服在内的太空科学热情空前高涨。宇航服带给人们的是更浓重、神秘的色彩。宇航服的神秘性使人们产生了渴望了解它的动机。
1 维系生命系统的功能设计
宇航员进入太空并登上月球, 并非是仙境而实在是个险境。宇航员在太空的工作、生活环境非常恶劣, 不仅有高真空、缺氧、极度的温度变化和可怕的宇宙辐射, 而且还有陨星、微陨石和微陨尘等危及宇航员的身体健康和生命安全。宇宙太空中至少有四个足以至人死地的因素(1) 没有大气压力, 这会令人体涨裂; (2) 没有氧气, 会使人窒息而亡; (3) 极端的低温和高温, 从零下100 摄氏度以下到零上100 摄氏度以上, 没有人能在这种环境中生存; (4) 太空中充满了各种天体发出的利箭——宇宙辐射, 这些利箭不仅会射伤我们的皮肤, 而且会穿透我们的身体, 使内脏器官发生病变等等。
宇航服设计的主要目的是为了保护宇航员的生命, 它的核心职能是起“生命卫士”的作用, 其次是美观设计。根据宇航员的活动范围和航天任务, 宇航服设计应当满足以下几个条件: (1) 能使位于太空中的人体处于加压状态; (2) 能供给保障宇航员生命安全所必需的氧气, 消除二氧化碳, 并能够控制温度和湿度; (3) 能使宇航员在宇宙空间具有各种活动能力, 并能使宇航员的疲劳减轻到最低限度; (4) 穿戴和脱下方便; (5) 具有防护宇宙射线辐射的能力; (6) 能经得起微流星的冲击; (7)具有应付太空意外事故的能力。
航天服的种类很多, 从功能上分, 有舱内用应急救生服和舱外活动航天服; 从服装内的压力上分, 有高压航天服和低压航天服; 从服装结构上分, 有软式航天服、硬式航天服和软硬结合式航天服。
舱内航天服, 也叫舱内压力救生服, 用于飞船座舱发生泄漏, 压力突然降低时, 宇航服自动系统会接通舱内与之配套的供氧、供气系统, 服装内就会立即充压供气, 并能提供一定的温度保障和通信功能, 让航天员在飞船发生故障时能安全返回。舱内航天服的设计通常是为每一位航天员定做的, 它是在高空飞行密闭服(简称压力服) 基础上发展起来的。它制作比较轻便, 在不加压时穿着比较舒适、灵活。一般由航天头盔、航天衣服、供氧软管、通风装置、可脱戴手套、航天靴及一些附件组成。航天头盔, 多带有密闭的启闭机构和球面形的全景面罩; 航天衣服是有压力的衣服, 是航天服的主体, 多为连体式结构, 一些维系生命系统的装置都安排在衣服里外; 通风装置能够给穿着航天服的宇航员提供全身的通风, 使宇航员处于相对舒适的环境中。当座舱出现压力应急时, 通风装置机会自动关闭, 使航天服处于密封供氧状态。要求服装具有很好的气密性, 能够在充气加压时保持拟人形态, 并保证人体关节活动; 航天手套带有密封轴承和腕部断接器, 既可以把航天手套戴在压力服的袖口上, 保证气密性, 也可以将手套脱掉; 靴子多为与压力服构成整体的靴子, 也有设计带“断接器”的可穿脱式封密靴子。
舱外航天服设计要复杂的多, 它可以看成是一个可以操作活动的最小载人航天器。这种宇航服增加了航天员出舱进入宇宙空间活动的背包式生命保障系统的设计。设计时除了具有舱内航天服所有的功能外, 还增加了防辐射、隔热、防微陨石、防紫外线等功能。舱外航天服主要由外套、气密限制层、液冷通风层、头盔、手套、靴子和背包装置等组成[1]。(1) 外套, 由多层防护材料组成的真空隔热屏蔽层, 具有防辐射、隔热、防火、防微陨石的功能。外套整体结构是: 采用硬质躯干设计, 头盔与躯干为一整体, 不能跟随宇航员头部运动;(2) 气密限制层, 是舱外宇航服最重要的部分, 通常选用无毒性、重量轻、抗压强度高、伸长率小的织物和橡胶材料制成, 它的作用是保持服装气密,限制服装膨胀, 通过气密轴承和一个自由度的关节连接来保证四肢各关节活动; (3) 液冷通风层在气密限制层内, 在服装的躯干和四肢部位有网状分布的塑料细管, 液体流过时可将热量带走; (4)头盔设计均通过颈圈与服装连接, 一种是面窗可随意启闭, 在应急减压时可自动或手动关闭并自锁。另一种是由聚碳酸酯模压出整体头盔形体。头盔外部还有防护罩和护目遮阳装置; (5) 手套、靴子与服装是通过断接器连接, 袜子和气密限制层连成一体。
背包装置, 又被称为便携式生命保障系统。两侧装有双臂和生命保障系统组件, 背包装置主要由氧气瓶和供气调压组件、水升华器、水冷却循环装置、空气净化组件、通风组件、通信设备、应急供氧系统、控制组件、报警系统和遥测系统等组成。它能够为航天员提供呼吸用氧, 并控制服装内的压力和温度, 清除宇航服内二氧化碳、臭味、湿气和微量污染。舱外宇航服设计要求能保证航天员在舱外独立工作8小时以上。
2 “综合即创造”的设计理念
宇航服设计与制造属于高科技前沿领域, 是多种行业高科技成果的综合体现。“综合即创造”[2] 的设计理念在宇航服设计中得到充分展现。一种新款宇航服的诞生, 多是采取新技术、新工艺、新材料和多学科交叉综合制造完成。例如: 舱内航天服设计, 通常结构设计为4-14 层, 以14 层为例, 最里层是液冷通风服的衬里; 衬里外是液冷通风服(它是由尼龙弹性纤维和穿在上面的许多输送冷却液的塑料细管制成) ; 液冷通风服外是两层加压气密层; 然后是限制层(用来限制加压气密层向外膨胀) ; 限制层的外面是防热防微陨尘服, 由8 层组成; 最外一层是外套; 而舱外航天服的结构可多达25 层以上。在宇航服设计制作时, 要把废物处理装置和生物测量装置缝在结构复杂的多层宇航服内。废物处理装置即用高性能吸收材料收集尿液; 生物测量装置是从贴在航天员身上的电极, 通过生物测量带、服装电接头传递测量数据,心电、呼吸、血压等生理信号直接通过飞船遥测系统传到地面飞行控制中心。这些都要采取许多特定的生产技术来解决处理。而且, 生产环境要求十分严格, 一件宇航服的设计到制作要有成百上千道工序。
宇航服材料方面也尽显高科技综合应用, 如,新型宇航服材料有一种高级“洛科绒”合制而成的介质相变调温服装材料, 在正常体温状态下, 该材料固态与液态共存。用太空相变调温绒线制成服装后, 当人从正常温度环境进入温度较高环境时,相变材料由固态变成液态, 吸收热量; 当人从正常温度环境进入温度较低的环境时, 相变材料从液态变成固态, 放出热量, 从而减缓人体体表温度散发, 保持舒适感。航天英雄杨利伟所穿的宇航服中就应用了一百三十多种新型材料。为了防止膨胀, 宇航服上特制了各种环、拉链、缝纫线以及特殊衬料等等。同时, 保温、吸汗、散湿、防细菌、防幅射等功能也体现在其中。
3 功能与审美的完美结合
宇航服设计主要考虑的是实用性、功能性, 其次才是审美性、装饰性。“实用、经济、美观”是各国宇航服设计的基本原则。我国首位进入太空的航天员杨利伟穿的宇航服被认为是既漂亮又精致, 整体设计为连体式造型, 胸前有两条呈V 字形的拉链。打开拉链, 将腿伸进去, 便可循序地穿在身上。整套衣服的主色调是乳白色的, 局部位置镶有天蓝色的边线, 这种边线既有功能性又有装饰性, 整套服装看上去很轻松、运动感很强。衣服心脏部位有一个可以拧动的圆形装置, 用来调节衣服内的压力、温度和湿度。衣服右腹部位置有一根细管, 是航天员的通信工具; 左腹部位置有两条管路, 是给航天员供氧和排放二氧化碳的设备。这种舱内低压航天服, 除了头盔和胶皮手套,整个航天服是用一种特殊的高强度涤纶做成的,能够满足航天员在飞行上升段和返回地面时的各种要求。虽然这款宇航服设计要求属于比较简单的一种, 但其中所含的科技含量却很高, 而且, 宇航服的功能性与审美性得到了完美结合。
4 结论
目前, 从国际范围看各国宇航服设计重点是在“护体功能”上, 功能性是它设计考虑的唯一重点, 随着航天科技的不断发展, 各国在宇航服设计中的审美性、装饰性的设计元素会逐渐增多。而且还会在向民品转化方面有所突破和发展。这是因为“天衣”的设计与制作技术, 与我们日常生活有紧密的联系, 有些新材料可以使我们生活质量提高, 在消防服, 潜水服, 防毒面具和各种特殊职业服装中, 都有推进作用。这些都会使航天技术向民品转化成为现实的可能, 使“实用、经济、美观“的设计原则得到真正的落实。
总之, 太空宇航服的设计与制作, 是人类智慧的结晶, 为我们人类做出了卓越的贡献, 也将载入科技史册。
参考文献:
[1] 张万周. 俄罗斯舱外活动航天服的发展概述[J] . 中国航天,1998. 6
[2] 张岱年. 综合创造- 张岱年先生学记第二篇. 综合创新[M] . 北京: 清华大学出版社, 2002
[3] 曹智, 白瑞雪. 中国自行研制的航天服安全可靠. 中国军事网.首页- 记实2003. 10. 15
[4] 张国权. 透视宇航员的太空生活[J] . 中国国防报. 2003. 1014.第三版
[5] 赵雁, 杨永贞. 神奇的太空生活[J] . 科学探索, 2003(8)