太空环境中舱外航天服的外层防护问题yd18128
邓传明, 于伟东 东华大学纺织学院, 上海, 200051
收稿日期: 2003-04-08
国家863 项目资助(863-704)
原载：东华大学学报(自然科学版) 2 0 0 4 /8；110-116
【摘要】舱外航天服是人类太空探索和活动的基本条件, 这里着重论述了太空的各种环境及其对出舱人体外层防护的要求和应用研究并针对太空环境的特点, 讨论了各种条件下的防护机制、有效防护的实现以及防护材料应该具备的性状。尤其是文中穿插了实际研究的一些想法和结果, 这为出舱人体防护材料的综合功能设计提供了基拙。
【关键词】 太空环境, 宇航服, 防护材料, 舱外航天服
【中图分类号】: T S 9 41.73
载人航天是人类的一项宏伟而富有挑战的事业, 其意义是多方面的: 它是综合国力水平的体现,是科技发达的象征, 是取得航天领先地位的必要条件。太空的特殊环境为科学研究如生命科学、生物技术、天文和天体物理等提供了理想的实验场所,更是材料加工、能源利用、医药加工的特殊环境和基地。载人航天活动不仅拥有无法估量的军事应用潜力和控制力, 而且能够成为推动经济综合发展的巨大杠杆。
2002年12月30日“神舟四号”的发射成功, 为把中国航天员送上太空奠定了坚实的基础。这是自1992年9月, 中国正式启动实施载人航天计划,1999年11月自主研制的第一艘试验飞船“神舟一号”发射成功后的又一个重大突破。从“神舟一号”到“神舟四号”均为无人飞船,“一号”为形式样船且无空间试验;“二号”为正式样船, 由轨道舱、返回舱和推进舱组成, 飞船技术状态与载人飞船基本一致并首次进行了微重力环境下的空间生命科学、空间材料、空间天文和物理等领域的实验;“神舟三号”在技术上完全处于载人状态的正样无人飞船, 且与“神舟二号” 同样集中于高层大气探测上, 主要进展的是利用前两次的成果进行了一系列的载人模拟;而“神舟四号”除继续进行“神舟二号”和“神舟三号”已做的高层大气探测外, 首次进行高能辐射和低能辐射等空间环境的探测。
可以看出, 空间环境及其变化是关系载人航天器和航天员安全的重大课题。“神舟四号”的飞行试验, 及其对综合性空间环境的预报和监测, 无论是对航天飞船还是对航天员的安全来说都是至关重要的。经过此四次飞行试验以及将要进行的第五次发射, 我国对空间环境及预报方法的研究已取得基本数据和有了重大进展, 这不仅为航天工程提供了安全保障, 而且为我国的宇航员的上天、出舱提供了可能。由于太空环境的复杂和苛刻, 人类在太空舱内的活动尚可, 而对完成空间对接、太空站的维护、星球探索所必需的舱外活动、人体的防护成为关键中之关键, 因此有必要对此作一表述。
1 特殊环境与要求
宇宙航行是以整个宇宙空间为活动环境的, 因此, 我们必须对宇宙环境有一定的了解。太空环境是一个微重力、高真空、超高或超低温、强辐射和等离子体的环境[1] 以及可能愈来愈多的太空垃圾构成的空间[2]。其特殊性、复杂性、危险性可想而知。因此这对载人航天的整个系统, 尤其是舱外航天员的生命保障系统[3]提出了相当严格的要求。
1.1 空间特殊环境
1.1.1 微重力
微重力环境它是太空飞行中最重要的环境因素。用美国宇航局科学家的话说, 它是系统的表观质量小于其实际质量的环境。在现实生活中我们所谓的失重(零重力)很难产生, 科学家用飞机作抛物线飞行, 能产生大约1 % 的重力环境。而在绕地球运行的航天器上, 可产生百万分之一的重力环境[4]。在米制单位中, 百万分之一称为微, 即10-6 ,因此在此尺度的重力环境就称之为微重力环境。
1.1.2 高真空
依据宇宙爆炸说[5], 在宇宙大爆炸后, 形成了氢和氦两种元素, 其中氢占3/4 , 氦占1/ 4。后来它们大多数逐渐凝聚成团, 形成星系和恒星。恒星中心的氢和氦递次发生核聚变, 生成氧、氮、碳等较重的元素。在恒星死亡时, 剩下的大部分氢和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空中。其中最主要的仍然是氢, 但非常稀薄, 每立方厘米只有0.1 个氢原子, 在星际区中稍多一些, 每立方厘米约1 x 104 个左右[1]。我们知道, 在地球大气层中, 每立方厘米含有1010个氮和氧分子。由此可见, 太空是一个高真空环境。
1.1.3 高温与低温
自宇宙大爆炸以后, 随着宇宙的膨胀, 温度不断地降低。虽然随后有恒星向外辐射热能, 但恒星的数量是有限的, 而且其寿命也是有限的, 所以宇宙的总体温度是逐渐下降的。经过10 多亿年的历程, 太空已经成为高寒的环境。对宇宙微波背景辐射(宇宙大爆炸时遗留在太空的辐射) 的研究证明, 太空的平均温度为2.735 K。而且另外一个方面, 暴露在太阳射线中时, 宇宙飞船表面的温度会超过100℃, 甚至更高。
1.1.4 各种辐射
在太空中, 不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射,各种天体也向外辐射电磁波, 许多天体还向外辐射高能粒子, 其中已知的包括α、β、γ、X 等射线。例如, 银河系有银河宇宙线辐射。太阳系有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射(太阳耀斑爆发时向外发射的高能粒子) 和太阳风(由太阳日冕吹出的高能等离子体流) 等。许多天体都有磁场, 磁场俘获上述高能带电粒子, 形成辐射性很强的辐射带, 如在地球的上空, 就有内外两个辐射带[1]。由此可见, 太空还是一个强辐射场环境。
1.1.5 微陨星和太空垃圾
随着一个又一个人造卫星等各类航天器的升空, 本来十分纯净的太空, 已变得越来越不干净了,太空垃圾已经形成一种巨大的威胁。加之原本外来微星体和陨石的存在与袭击, 尽管概率很低, 但太空仍是一个危险的环境。这些快速运动的危险物体最主要的就是空间碎片和微陨星[6]。空间碎片包括废弃了的火箭、卫星, 卫星的整流罩, 火箭推进剂贮箱, 各种散落的物质, 如火箭燃料剩余的液滴、核动力源的冷却液、载人航天活动中宇航员掉落的工具、废弃物以及航天器表面涂层老化掉下来的油漆斑块等, 还有火箭和航天器爆炸、碰撞过程中产生的碎片。它们中的大部分仍然留在地球和太阳系的周围。太空陨石颗粒主要是天体的碎片和太空垃圾, 其最大的特点是以超出音速几倍的速度飞行。一块直径1 mm 碎片的撞击, 就足以使得航天器的工作瘫痪; 也能击穿航天员的航天服, 危及航天员的生命。一块直径3 mm碎片的能量, 相当于一颗手榴弹爆炸; 而一块直径1 cm 大碎片的能量, 则相当于一辆时速为10 0 km 的小汽车, 足以把卫星撞毁; 而直径10cm 的碎片将可能击毁整个航天飞船[7]。
1.2 特殊环境防护的一般研究
航天服分舱内和舱外, 前者只是应急时的防护, 功能相对有限, 更多地强调人体工学性; 而后者不光是形式上地柔性, 它更包括生命保障系统、防护系统和通讯控制系统等, 生命保障和防护就显得尤为重要。美国人采用将多种防护功能进行复合,强调柔性结合; 而俄罗斯人则采用层合防护, 强调实用。对于上述环境, 硬质的太空舱可以通过各种材料复合和加厚达到防护的目的。而对于在舱外
活动的宇航员, 则需要特殊的柔性材料的组合或复合完成防护, 显然难度和要求都大大增加。
1.2.1 微重力防护
从“神舟二号”起人们就开始关注微重力下的各种空间生命科学、材料科学、空间物理等领域的实验。“神舟三号”、“神舟四号” 已经相继开始使用暖体假人作为模拟取得了一些成果。在缺乏重力的情况下, 人体上所有与重力有关的感受器都发生异常: 四肢已经感受不到质量, 肌肉不需要收缩和放松, 因为身体不需要维持一定的姿势。人体重力感受器官内耳已无关紧要, 航天员会感到自己身体和载人航天器都上下倒置。当航天员用手推拉航天器舱壁时, 航天员未感到自己身体在前后运动,而是感到航天器在前后运动, 自己身体则是静止不动的。另外, 由于重力的向下吸引, 全身的体液开始向上半身和头部转移, 大量的体液转移到航天员的胸部以后, 可能会产生像地面心脏病人并发生肺水肿那样的情况。因此对航天员本身的体能素质也提出了很高的要求[8]。
在微重力环境下不管是舱内还是舱外对于航天员的活动都提出了严峻的考验。航天员只是借助推拉舱壁来控制身体的悬浮和移动。微重力环境会引起肌肉萎缩和骨质脱钙。前者可以从航天员在太空中加强锻炼来改善; 而后者除了加强营养外, 还有待生命科学的研究。微重力的材料防护可能较为次要, 但舱外服对人体的舒适弹性和柔性则相当重要。
1.2.2 真空防护
宇航员在航天过程中最有可能的危险是突然暴露在极低气压的环境中, 而引起的爆发性或恶性缺氧, 以及体液沸腾气胀和减压病。因此保持宇航员身体周围具有一定的压力至关重要。初期的航天服就是一个简单的压力服, 压力值取决于座舱压力制度, 由于材料、设计原理、制作工艺、财力等因素所限, 美、俄都采用低压制度宇航服, 压力值在22.6 -33.8 kPa。现在使用的航天服大多以29.6 kPa纯氧维持内压。正常飞行时, 舱内最理想的环境为大气条件: 101.3 kPa 气压和氧(20 %)/氮气(80% ) 的气体。在应急时或在出舱活动时, 从大气压力101.3 kPa 降到29.6 kPa 纯氧环境中, 必须进行减压, 否则就有发生减压症危险的可能。低压力制度防护要求相对较低, 但宇航员素质要求较高; 而高压力制度(5.2 kPa)时, 虽减压不需要吸氧脱氮, 但防护体系的重量过重、体积过大。
1.2.3 高低温与热辐射防护
当宇航员出舱活动时将面临极端苛刻的环境条件, 面阳的辐射温度可能高达120℃ 以上; 背阳的温度可能会低于-100℃ 以下[9]。这对宇航服防护材料提出了极高的要求。其一防护材料必须耐高温和低温; 其二要有很好的反射和隔绝热辐射功能; 其三在高、低温环境中保持原有性状。因此, 材料应该具有耐高、低温和防热辐射作用, 以及稳定的力、光、热学性能。
1.2.4 太空辐射防护
我们知道, 宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流, γ射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制, 由于辐射线的作用可使辐射物体的原子或分子激活和离子化, 产生游离基, 分子链断裂和材料破坏以及对人体产生损伤。因此, 出舱服的设计一方面要防止本身的破坏, 另一方面更主要的是对人体的防护。
高能辐射还包括其他形式, 据报道[10], “神舟四号”穿越南大西洋和南美洲上空时, 可能会遇上成千上万的带电粒子。当地球磁场颤动剧烈时, 甚至会将很远处的太空粒子带到飞船轨道。这种带电粒子的速度从每秒几百m 到几万km不等, 其中的高速带电粒子不仅可以穿透飞船, 干扰电子设备的工作, 甚至还能烧毁设备芯片。而大量低速粒子打到飞船上可能使飞船表面产生上千伏的静电, 由此产生的电磁干扰会影响飞船与地面的通信联系。显然这种带电程度以及高能、低能辐射都会威胁到宇航员的生命, 故出舱则防护是重中之重。
1.2.5 防碎片与微陨星
对于碎片直径大于1 cm 物体的冲击, 光靠舱外航天服是无法完成人体外层防护的, 也就是说严格意义上的人体外层防护粒子直径是在1 cm 以下。对于粒子直径约在1 cm左右的防护, 研究人员已经开发出相应的部分材料。其结构为: 第一层为薄而脆的铝网或者陶瓷纤维, 第二层为坚韧铝层或Kevla ®纤维。当然也可以采取在出舱服外层再添加刚性罩, 实现被动防护。典型的Whipple 防护结构是天体物理学家Whipple 在20 世纪40 年代提出一种双层板防护系统[11]。该结构由前板、后板和一定的间隙组成。
1982年4月19日前苏联在礼炮7号空间站的舷窗上增加了透明的塑料盖子来防护空间碎片和流星体。1990年9月在美国航空航天学会“空间计划和技术会议”上, 与会专家建议自由号空间站采用多冲击屏蔽技术。1997年1月8日美国国家研究委员会发表了题为“空间站对流星体和空间碎片的防护” 的报告。报告认为因为空间站要在空间运行15 年, 它对空间的碰撞特别脆弱, 需要降低它的风险。建议优先考虑俄罗斯的舱段, 因为这是第一个有人居住的舱段, 需要进行更多的屏蔽试验。还建议必须降低航天服的空间碎片穿透风险和做好除灾难性穿透降压事件以外的应急准备等。当然中国在这方面也做了很多工作, 早在1989年, 当时的航天工业部就委托中国空间技术研究院召开了由多个部门专家参加的全国性空间碎片研讨会)[12]。1990年, 以航天工业部的专家为核心成立了跨部门的“ 中国空间碎片研究组”, 开展了对航天器的碎片防护和减少空间碎片生成的研究, 重点对以前中国航天活动可能产生的空间碎片进行了调查、统计,在此基础上提出了一份关于中国空间碎片问题的国家报告, 并与美国航宇局有关部门进行了交流。1995 年, 中国国家航天局加人IADC (机构间空间碎片协调委员会) 并进行空间碎片的观测、建模和防护的一系列研究和合作[12]。
2 出舱的人体防护方法与防护材料
从太空特殊环境的人体防护, 尤其是外层防护来说, 主要是: 高、低温度的隔绝; 光、热和各种电磁辐射的隔绝; 各种快速微粒的冲击、刺割防护以及在高温、低温、真空条件下, 外层防护材料的稳定性和耐久性。同时在达到这些目的时, 应该保持材料的柔性和适体性。已有的防火阻燃, 防辐射, 防生
化作用, 防弹纺织柔性材料的研究虽有许多[13-14],但是大多为单一行为或者在常温常压下。相对太空特殊环境的综合防护功能研究, 由于所查资料的非公开性, 这里只能做一些综述讨论。
2.1 材料与应用方法
2.1.1 材料及其选择
目前应用比较成熟的是将Gortex、Nome x®(芳纶1313)、Kevlar®(芳纶1414 )进行组合成形作为最外层材料, 或前苏联Dacron (聚醋) 的平纹棉麻织物与涂有铝的Mylar 层合[15]以克服单独使用的低效果[16]。
例如, 航天服的手套是较易受损的部分。其损坏会引起压力损失, 危及宇航员的生命, 所以材料一般选用纤维加涂氯丁橡胶复合而成的布。又如头盔材料最主要是反射太阳光热、防止冲击, 且不妨碍宇航员的视线, 一般选用聚碳酸醋等这类材料[15]。
目前外层防护基布材料一般以高性能纤维制品为主, 尤其是芳纶1313 (Nomex®) 和芳纶1414(Kevlar®)及其混合纱。该纤维原料本身耐高温和阻燃性好, 尤其是Nomex®。而在力学性质上,Kevlar®相比较优。Kevlar® 长丝虽强度高, 但伸长小, 刚性大, 加工中的力学损伤大, 见表1 实用设计与加工的舱外航天服外层织物的测试结果*（国家8 63 项目实施内部试验报告. 东华大学, 2002, 12）Nomex®纤维虽强度和模量相比Kevlar®要低, 但纤维柔韧性好, 成纱和织造损伤小, 尤其是其光反射和红外辐射性能好, 导温系数低。如果采用这两种纤维的混合和交织, 既可提高织物的力学性能;又可方便实际加工; 同时还可保证较好的光学性能和热稳定性。
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表1 Kevlar®织物加工中的各种损伤率 |
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2.1.2 组合设计方法
“双子星”号航天服的外层防护材料结构是: 最外层白色, 用抗高温尼龙织成, 防止事故性损坏和反射太阳光; 第二层是网状束缚层, 在加压时保持航天服的形态; 第三层是气囊。“阿波罗”航天服的外层防护材料结构是: 最外层为光、热辐射防护层,兼顾微流星防护, 保证冷、热环境隔离, 第二层是由
质量轻的超绝缘材料制成的, 由聚酞亚胺薄膜、玻璃纤维和聚酯薄膜组成; 第三层是气囊, 用涂有氯丁橡胶的尼龙制成。尽管这种防护织物较厚但带有回旋状的关节, 包括踝关节、膝关节等, 仍能做到运动自如。目前更为复杂的舱外航天服EMU(Extravehieular Mobility Unit )
外层防护结构: 最外层由耐磨材料制成, 下面5 层是涂铝的聚醋薄膜, 再下面是涂氯丁橡胶的防裂材料, 然后是一层限制压力囊的尼龙袋[17]。
可以看出, 作为这类用途的材料, 单一结构和性能是无法实现防护的。美、俄的设计和防护结构均依此原理进行为多层复合结构织物。其基本结构原理是: 外层为防护层, 作用为光、热反射层(可能还具有反射高能射线作用) ; 其次是隔绝层, 作为隔绝热和减缓力作用层; 中间为增强层, 其作用为成形复合织物的基本构架和支撑材料并起力学稳定与防护作用; 再次层为封闭层, 以隔绝气体的渗出为气密作用层, 该层即为常规概念的最内层。也就是说, 人体外层的防护主要集中在防护层、隔绝层、和增强层。而每层本身由于其防护内容和重点不一, 选材、选型和设计方案也不相同。
出舱服作为小型舱外活动的生命保障系统, 其外层防护是一个整体防护, 层与层之间的相互作用, 各层的功能与协调, 织物与织物之间或织物与硬件之间的联结[18-19]均必须在其安全性、防护性、适体性条件下进行综合性的考虑与设计。从服装设计角度讲可以从片状成形和成衣设计两部分考虑。后者重点涉及到成衣的质量以及人体工学等因素, 但相对于舱内航天服而言舱外航天服中的人体工学效应显得没有舱内服重要; 而前者主要可以分为一次成形和层状组合。一次成形主要存在接缝、联结技术困难, 因为涉及到刚性和刚性、柔性和柔性以及柔性与刚性材料之间的结合。层状组合功能, 主要从实用性考虑, 将各种太空防护功能分别有重点的由各层来完成, 故在适体性上存在改进。
通常认为, 涂层是EVA(Extravehicular Activity)航天服复合防护织物的最为关键的部分。对于舱外航天服人体外层防护起着密闭防渗、隔热反光、粘结组合、增弹缓冲等多项功能的实现[20]。而所达到的要求又极高, 常见的限制有: 高热、高真空下的不挥发和降解, 低温下的柔性和大变形, 高的热隔绝性和力学稳定性以及功能的特殊性[21]。其中最为主要的是织物表层涂层的高反光性和真空热稳定性。就此要求而言涂层也应该是复合涂层或复合膜[22-23]。
2.2 功能实现与防护机理
2.2.1 高温、低温以及高低温下的稳定性
高温防护主要包括纤维阻燃, 难燃纤维(LOI>27%)和阻燃涂层[24]。其中阻燃纤维中的一些高性能纤维制品应用比较多。纤维阻燃是在材料将发生燃烧或者已经发生燃烧时的阻燃或者抑制燃烧,对于太空条件下的防护而言, 实用性比较小。阻燃纤维主要有氟纶、玻璃、碳、硼、石棉和金属纤维、芳纶、酚醛等等。但较多采用的高聚物高性能纤维。如聚间苯二甲酰间苯二胺纤维Nomex®, 该纤维200℃以上温度连续使用不会出现热分解, 400℃才开始炭化,LOI如表2 所示[25], Nomex®的极限氧指数为30 % 左右, 是优良的难燃纤维, 物理机械性能稳定。
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表2 各纤维的性能 |
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虽无机纤维如玻璃、氧化铝、碳化硅等的耐高温性和稳定性好, 可在1000℃ 高温下仍具有高强高模, 但其耐磨性、柔弹性、适体性、可纺性差, 不适合单独用于人体外层防护材料。所以大多仍采用如Kevlar®、Nomex®等纤维与相关涂层和改性膜技术组合作为高温防护织物。当然也有与有机纤维混纺或通过粘合剂将耐高温无机织物和金属薄膜粘接在一起达到耐高温要求[26 ]。
低温防护实际上是阻止材料因低温脆性而发生断裂, 研究表明断裂应力和弯曲刚度是两个需考虑的最重要的因素[27]。通常的高聚物纤维在低温下具有极优良的柔性, 甚至在(-100)～(-150)℃仍能保持柔性特征。
2.2.2 防真空挥发和稳定性
在正常大气压下, 空气是一个良好的绝缘体。高真空时分子或原子受外界能量作用极易分解成离子和电子, 而产生放电和冷焊接现象。仅真空一项, 就可以引起出舱服的机械变形, 材料的放电升华和局部熔融等现象。目前回避的方式主要是选择耐真空挥发的材料或涂覆材料, 如芳纶1313, 聚酰亚胺材料[28]。另外通常被用作固体润滑材料的过渡金属六B族元素的二硫族化合物也可作为耐真空挥发的材料。其中最典型的就是MoS2, 是由硫和钥原子整齐排列而成的层状晶体。由于硫原子包围钼原子, 表层硫原子能与金属面形成强吸附性。而二硫化钼的加入对提高复合材料的耐磨损和降低摩擦因数十分有利, 且在真空或惰性气氛中1000℃ 以上都很稳定, 有人探讨了二硫化钼改性聚酞亚胺膜的高温稳定性能[29]。
2.2.3 防光热辐射和稳定性
空间中材料的隔热主要是防辐射热。因此织物对光热的吸收率和透射率应该尽可能小, 而光和热的反射系数应该尽可能大。综合考虑紫外、可见和红外光。对宇航服外层防护材料的作用应该是全光谱范围内的反射。白色织物有效地反射可见光, 紫外可通过纳米二氧化物材料涂层防止, 但是红外光谱段的柔性反射性能目前研究较少。理论上, 由于金属和无机物对各波长都有较好的防护作用, 因此纳米材料的掺杂和涂层技术可以改善织物对光和热辐射的隔绝性能。
2.2.4 防宇宙射线与机理
目前舱外航天服的防护材料只是防护一般的低能辐射, 而且是兼顾性的部分防止或阻挡, 其主要着眼点在纤维的选择和织物涂层处理。如采用各种防辐射纤维和耐辐射纤维如碳纤维、聚酰亚胺纤维、Nomex®纤维等; 或者在纤维中添加防辐射剂如硼化物、碳化物[25]等; 或者在织物上作防辐射涂层和覆膜, 膜和涂层中含金属纳米颗粒, 可有效反射和吸收各种辐射线。
2.2.5 防力学冲击与实现
力学冲击即微陨石和空间碎片的防护与实现主要是体现在增强层上。就增强层织物而言, 一般有常规机织物、多层机织物[30]、立体经编针织物[31]、编织物[32]、缝合织物[33]等。俄罗斯人采用的是常规机织物, 美国人采用的是多层织物[34]。常规机织物技术设备简单, 织造难度不大, 织物柔性大、切变大, 但是耐刺割性差, 防护作用稍低。
多层机织物为准三维结构的纺织品, 是由树脂基体或经纱穿层结经而成的层合材料。由于结经和树脂的作用, 层间抗剪切能力大大改善但粘合材料的柔性较差。
立体经编针织物是目前较多选用并有较新专利的成果。其成形方式, 一种为多层铺垫纱的经编绑定织物; 另一种为经编、垫纱和绑定纱三者组合。前者各向同性、强度高、拉伸变形小, 但剪切变形稍大。后者结构协调性较好, 织物柔性较大, 拉伸和切剪变形相对较大。两者通过适当的结构调整, 均能达到很好的力学稳定性和各向同性, 耐刺割性较优。但织物的边和接缝处理较为复杂。
编织物为缠绕和交织织物, 不仅有缠绕制品可以复杂构型和无缝联结的特点, 而且同机织物一样, 纤维间彼此机械锁结, 能有效均分配荷载, 达到较好的机械稳定性。
缝合织物增强复合材料是20 世纪70 年代后期发展起来的一种新型结构织物, 美国航空航天总署(NASA) 的先进复合材料技术(ACT)发展计划促进了缝合技术的发展[35]。缝合织物具有优良的层间性能、柔性好、抗冲击损伤容限和低成本等特性,应该引起足够重视。
3 结论
空间人体防护的关键是舱外航天服的外层防护材料。作为舱外航天服外层防护材料的选择, 从NASA 文献, 美俄的出舱服防护材料设计经验, 相关技术资料与研究分析以及本课题组的研究表明,该材料非单一指标和组成简单的结构材料, 其必须是具备耐高、低温性能和力学稳定性; 优良的热光学性能和稳定性; 高性能的防冲击、刺割和辐射功能以及良好的柔性特征的织物。目前最新的主流基本构架材料为高性能纤维加特殊涂层的多层结构材料可起到外层的热防护、微流星防护、力学和光学稳定和抗辐射。引入轻质、超薄功能的膜材料如聚酰亚胺薄膜和相变材料膜作为一个隔绝防护层也是一种新的构想。但在材料各层联结和功能合理配置的研究设计上存在问题。材料在极端条件下的力学稳定性、功能有效性和作用机理仍需表征与研究, 以使材料更轻、更柔、更安全。
太空环境是复杂和苛刻的, 人们习惯于常态下的表征和结果, 因此应该进行更多的模拟太空环境的试验。如超高、低温性能试验; 光、热、真空复合环境试验以及在此条件下材料的力学、热学、光学稳定性的试验; 防微流星冲击、刺割试验以便在理论和应用上解决保障航天员安全、穿着适体、轻质
的外层防护材料的设计和成形。
这方面的研究国内还刚起步, 而作为中国人飞天梦的实现这是必须进行的工作, 尤其是外层防护材料的功能性、安全性、稳定性及其产品的真正实现。
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