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层层剥开宇航服,这就是一艘宇宙飞船

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从皮肤到星空,十四层材料,一只背包。剥开之后会发现:那件白色宇航服根本不是衣服,是一艘只够装下一个人的宇宙飞船。


人们以为宇航服首先是为了保暖。在地球上这个直觉几乎总是对的,真空里刚好相反。没有空气可以对流,热走不掉,冷也进不来,真空本身就是最好的保温瓶。真正的麻烦是人自己在发热。

阳光直射的低地球轨道,宇航服表面可以到摄氏一百二十度左右;翻进阴影,同一块布会掉到零下一百五十多度。冷热两端只隔一条头盔的弧线。人还在按自己的节奏干活:安静时产生大约一百瓦热量,像一盏亮着的灯泡;搬设备、拧螺栓,可以到三四百瓦,短时冲过八百瓦。这些热量如果排不出去,核心体温很快就会超出安全范围。所以这件衣服要同时做三件互相打架的事:把真空挡在外面,把氧气和气压留在里面,再把人产的热排到宇宙里去。

NASA把这套系统叫舱外活动装置(EMU)。1983年它第一次随航天飞机STS-6出舱,此后四十多年,美国宇航员几乎都套着这件白衣服在外面走路。地球上整套约一百二十七公斤,服装部分约三十八公斤,其余主要是背后的背包。工程师清点软体,会数出十一到十四层,差别在于液冷管和那五到七张镀铝薄膜算不算独立一层。


▲数字艺术家LeContemplateur把它剥成六件可以独自站立的「人体」。图上是六组功能,真正清点起来更细,逻辑就是这六组。

●贴身层:尿布、网眼和九十米水管

穿EMU之前,先穿的还不是宇航服。最里面是最大吸收服装(MAG),说白了就是成人纸尿裤。一次舱外活动六个半到八小时,中途不能解开任何一层,大约能兜住一两升液体。然后是通信帽,宇航员叫它「史努比帽」:耳机和麦克风缝在弹性帽子里,连到背包的无线电。有人还会再加一件薄内衣,把皮肤和后面那些硬管子隔开。

图里最右边的网眼连体衣,就是这组贴身层。尼龙经编,透气、贴身,不保压,不隔热,也不挡陨石。只提供一层跟皮肤好相处的界面。没有它,液冷管会在8小时里把皮肤勒出印子。


▲再往外是液冷通风服(LCVG):尼龙和氨纶做成的紧身衣,里面织进七十到九十米细管,拆成四十多条回路,从后腰爬过胸背、大腿、小臂,再回到背包。冷却水大约每分钟1.8公斤,贴着皮肤把热带走。胸前的控制模块可以调节旁路,相当于给这套水冷加了一个温度旋钮。宇航员给它起过外号:意大利面服。

没有它,加压航天服就是一口密封的高压锅。真空不能对流,外层隔热又把辐射压得很低,人产的热只能积在里面。阿波罗之后,长时间出舱都带着这条水路。

水把热带到背包,真正把它扔掉的是多孔板升华器。循环的冷却水并不喷出去,喷出去的是另一路补给水:它在真空一侧结成冰,再直接从冰变成气,带走大量潜热。几乎没有运动部件,所以可靠。代价是消耗补给水,把热以蒸汽的形式扔进宇宙。头盔里同时还要有氧气流过面部,把二氧化碳、水汽和体热带回去处理。


●气囊层:不漏的气球,和勒住气球的布

液冷服外面,才算进入真正的宇航服。

加压气囊是涂了聚氨酯的尼龙牛津布,只做一件事:气密。维持大约4.3磅/平方英寸(psi,约29.6千帕)的纯氧。海平面是14.7 psi,五分之四是氮气。EMU把总压降到大约三成,气体换成纯氧,肺泡里并不缺氧气。缺氧不是主风险。主风险在另一头:压力再高,关节就会变成硬香肠。


▲所以气囊外面必须再套约束层,材料是涤纶,有的部位加上承力织带。气囊负责不漏,约束层负责不胀。没有约束,4.3 psi会把人吹成光滑人偶,手臂锁直,手指胀成五根胶囊。图里那件一圈圈横带、关节镂空的灰色人体,就是这条逻辑:带子吃掉沿圆周把圆筒撑开的力,裁片给肘、膝、肩留出弯曲的余地。

关节一弯,如果内部容积变了,人就在用肌肉对抗气压做功。EMU把肩、肘、髋、膝做成近似恒容的褶纹关节,有点像可弯的吸管,再在肩、腕加上轴承。每次设计问的都是同一件事:手臂能不能转到该到的角度,而不把里面那团氧气挤到别处。

4.3 psi是红线。再低,靠近体液的饱和蒸气压,水会在组织里变成气体,医学上叫体液沸腾——不是电影里的人体爆炸,但已经足够危险;再高,手套立刻变硬。美国舱外服四十年来挨着这根线走。俄罗斯海鹰服大约5.8 psi,预呼吸可以短一些,灵活度被拿走一截。

国际空间站舱内是14.7 psi的空气,服内是4.3 psi的纯氧,出舱前必须先吸一段时间纯氧,把组织里的氮气置换出来,否则降压时氮气会变成气泡,就是潜水员熟悉的减压病。这套预呼吸规程可以长达数小时。阿波罗指令舱本身就是大约5 psi的纯氧,几乎不必预呼吸——那是整艘飞船的大气制度给衣服买来的便利。国际空间站做不到,因为它还要防火,还要让人在里面至少住半年。

1966年12月14日,NASA技术员吉姆·勒布朗在休斯敦真空舱里测航天服,软管脱开,压力掉到大约0.1 psi,相当于三万六千米高空。他往后踉跄时,感觉舌头上的唾液开始冒泡,随后失去意识。大约八十七秒后,舱室加压到相当于四千多米高度,他醒过来,长期损伤几乎没有。真空不是把人撕开,它先从湿润的黏膜开始,把水变成蒸汽。


●盔甲层:银色保温瓶,白色外壳

▲约束层外面是热微流星体防护服(TMG)。图里那件皱巴巴的银色装备,是这一组里最好看的部分,却不是全部。

贴着约束层的是氯丁橡胶涂层尼龙,抗穿刺、抗撕裂,也给里面娇气的薄膜垫一层。中间是五到七层镀铝迈拉——手臂和腿上往往更多——薄膜之间用涤纶网隔开,免得贴死。最外面才是那件全世界都认识的白衣服。

镀铝薄膜干的是保温瓶的活。每一层铝把红外反射回去,真空里层与层之间几乎没有传导和对流,热只能靠辐射一点点跨过去。多层叠起来,等于把人装进一只开口极少的保温瓶。卫星、探测器外面那些金灿灿或银闪闪的「锡纸」,和这里是亲戚。宇航服不能靠变厚来解决问题,厚了就弯不了手臂。缝线是天敌,针脚会变成热桥,所以层与层要错开缝合,不给热量一条直路。

氯丁橡胶那一层常在科普图里被省掉,但工程师不敢省。微流星体和轨道碎片速度每秒十到七十公里,尺寸多半只有十分之一毫米到几毫米。TMG不是装甲板,更像简化的惠普尔防护:外层先把来袭物撞碎、撞热,碎片在夹层里散开,内衬再接住残渣,尽量不让它们碰到气囊。气囊一旦穿孔,4.3 psi开始往外跑。主氧和备用氧能撑的时间,是按小漏来算的,不是按开洞。


▲最外面那层叫正交织物(Ortho-fabric),把Gore-Tex(膨体聚四氟乙烯,防水、表面不容易老化)、Nomex(阻燃芳纶)和Kevlar(抗撕裂抗穿刺,防弹衣里那种)织在一起。它要耐磨、抗紫外线,被工具刮、舱壁蹭的时候不能把里面的薄膜撕开,还要在阳光下保持该有的反射率。

白色并不是审美需要。镀铝外壳不太吸收阳光,自身的热也散不出去;白织物吸收少、向外辐射红外强,正好是EMU需要的。


▲水星号和双子座号外面镀过铝;阿波罗1号火灾之后改成白色贝塔布,既为了阻燃,也为了把阳光弹回去。EMU把这条白线接了下来。俄罗斯「海鹰」也是白的。在没有空气的地方,颜色就是温度计。


▲白色宇航服包住的还有硬东西。上半身是玻璃钢做的硬式上躯干,像骑士的胸铠,头盔、背包、手臂、下躯干都挂在上面。宇航员从腰部钻进去穿衣服。头盔是聚碳酸酯气泡,外面还有遮光面罩、挡光板、灯和摄像头。那层著名的金膜把红外和可见光大部分弹回去,里面看出去是一个略暗的世界,外面看则是一面单向热镜。

整件衣服最难的一厘米在手套。手指要细、要弯,还要在4.3 psi下保持血供,指尖还得有加热器——阴影里的金属工具会把热从手指抽走。指甲脱落曾经是这行的职业病。这行里有一句几乎不算夸张的话:舱外宇航服的水平,最后卡在手套上。靴子在轨道上相对好说话,因为不走路。但登月任务会把这句话收回去。月尘是带静电的锋利硅酸盐碎屑,往所有缝里钻;南极永久阴影区比轨道阴影更冷。新一代月球靴和月球手套,正在把这组防护改成能在月面走路的版本。


●背包层:真正让人活下来的那只箱子

▲图最左边、上躯干背后那只白箱子,是便携式生命保障系统(PLSS)。没有它,前面十四层只是一套昂贵的密封袋。

背包里叠着几件事。主氧瓶补进纯氧,维持4.3 psi,并补偿泄漏和消耗。通风回路让氧气流过面部,再把呼出的二氧化碳送去吸收。水回路从液冷服回来,经升华器把热扔掉,再送回去。电池给泵、风扇、无线电和加热器供电。胸前那块模块是伸到前面来的仪表盘。肩上或背包顶上通常还有大约三十分钟的应急备用氧。

NASA把整套EMU称为「单人飞船」,这不是修辞。结构、密封、大气、热控、通信、电源、应急,飞船该有的它都有。差别只是载荷是一个人,推进靠两只脚,返回程序是回到气闸。一次出舱按六个半到八小时设计,代谢、二氧化碳、冷却水、电池,哪一条先触底,舱外任务就得结束。


▲这套1980年代的架构已经太老,撑不到下一次登月。


▲新一代月球服外层仍是白的,分层逻辑没有被推翻,只是还得多防月尘,以及更耐寒的靴子。


●剥到最后

▲从右往左看那张图:网眼、水管、白囊、绑带、锡纸、白甲。六件衣服。工程师的清单更细:尼龙、氨纶、九十米细管、聚氨酯尼龙气囊、涤纶约束、氯丁橡胶防撕、五到七张镀铝薄膜、正交织物,外加玻璃钢胸甲、金膜面罩,以及一背包的氧、水、碱和电池。十四层也好,十一层也好,不必在数法上较真。功能是同一句话:在没有大气的地方,给人临时做一件大气。

地球的大气层做这些事时显得漫不经心。头顶这一整柱空气替你挡住大部分陨石,滤掉紫外线,用对流把热从皮肤上拿走,用14.7 psi把体液按在液相里,用百分之二十一的氧让你不必预呼吸。EMU把这件事压缩到大约半厘米的叠层和一只箱子里,每一层都变得很关键。外层管穿刺和阳光,锡纸管辐射,绑带管形状,气囊管真空,水管管代谢,网眼管皮肤。哪一层罢工,人就得在几分钟到几十分钟里回到气闸。

宇航服不是衣服。衣服默认外面还有一个世界。宇航服默认外面什么都没有,世界必须被做在夹层里。那件白色宇航服之所以臃肿、笨拙、昂贵,是因为它把一整层行星,按一个人的尺寸,重新缝了一遍。


主要依据:分层与材料:NASA《穿上航天服去散步》(EG-1998-03-112-HQ);《国际空间站利用指南》(2015)EMU剖面图。液冷与背包:约翰逊航天中心及ICES对液冷通风服、便携式生命保障系统(PLSS)的测试与说明。气压与减压:NASA医官办公室OCHMO-TB-037、OCHMO-TB-050。吉姆·勒布朗1966年真空舱事故,见吉尼斯世界纪录。外层与下一代:阿波罗1号火灾后的贝塔布更换;ICES-2025-56、ICES-2022-265。示意图:数字艺术家LeContemplateur。。」

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