日前,埃隆·马斯克旗下的SpaceX公司成功完成了全球首次商业航天载人出舱活动,是首次穿越地球辐射带的出舱活动。在看到马斯克航天服的外观设计后,很多网友都觉得,马斯克的航天服相当简洁,看起来就很科幻,进而觉得中国舱外服的设计很笨重,是落后的表现,再说到航天员,马斯克的操作让很多人误以为真的随便找一个普通人经过短期的训练就能执行太空任务。
简洁的背后是马斯克商业选择,他需要制造一些亮点,同时商业航天活动娱乐为主,满足富豪们太空飞行的梦想。以下这几点知识有必要了解下了。
一、马斯克舱外服的简洁科幻设计背后:舍弃了供能系统马斯克的创新理念不仅局限于火箭、飞船的研发,也包括了宇航服的设计。与国际空间站和中国空间站使用的传统舱外服不同,马斯克的舱外服外观极具现代感,似乎是为科幻电影而设计的。
在比较日常的情形中,比如手机方面,人们会对比哪个公司的研发投入多,哪个公司的专利多,但是对于专利中的外观专利,人们都并不怎么在意。马斯克的航天服就有点类似于手机中的外观设计,这类设计最容易完成,将固有的信息更改就可以,放在手机上,那就是长宽厚度,弧线的曲率等等的改变,这很艰难吗?意义在哪里?马斯克舱外服的简洁设计背后是以牺牲某些关键供能系统为代价的,尤其是生命支持系统。
传统的舱外服如NASA的EMU,通常设计得十分笨重且复杂,必须自带一个完整的生命支持系统,来为宇航员在太空中提供氧气、压力、温度调节以及废气排放等功能,舱外作业时间长,需要维生系统保持航天员的清醒,也需要保持相当的灵活,需要能够远距离移动。生命支持系统使得宇航员能够在外太空中进行长时间的活动,长达6到8小时不等,还能提供充足的空气、维持气压的稳定以及对抗剧烈的温度变化,支持宇航员在恶劣环境下的生存。
然而,马斯克的舱外服为了实现外观的简洁设计,选择了舍弃这些笨重的生命支持系统,转而依赖飞船上的脐带绳为宇航员输送氧气,虽然让航天服看起来更加简洁、轻便,甚至显得科幻,但也让宇航服在功能性上存在诸多限制。
依靠脐带绳提供氧气使得宇航员活动范围被限制在飞船周围,无法进行远距离作业,而中国空间站和国际空间站上宇航员能够离开飞船、在太空中自由行动的传统设计有很大的区别。其次,马斯克的舱外服省去了许多压力调节功能,意味着舱外服无法独立维持人体所需的正常气压,必须依赖其他技术手段,才能避免宇航员在出舱时面临减压病的威胁。
这种功能上的取舍也正是为了追求外观设计和商业航天的便捷性所做出的妥协,他不需要完成多少的科研成果,他直接收飞船票就赚回了成本。贾里德·艾萨克曼为这次商业航天,付出了很多的资金,具体多少大家可以自行去了解。
二、舱外服压力不足,灵活又麻烦的减压程序马斯克舱外服的压力维持功能更加不足,航天员们在出舱前需要通过更高浓度的氧来置换体内细胞中的氮气。太空环境压力极低,舱外服内压力不足的种极端条件可能会引发一种名为减压病(decompression sickness, DCS)的病症。减压病通常发生在从高压环境(例如潜水)突然进入低压环境时,体内的氮气从液态状态迅速变为气态,形成气泡,从而引发关节疼痛、呼吸困难,甚至可能危及生命。
传统的舱外服通过设计出一个加压的环境来降低宇航员的身体免受外界低压的影响,使他们能够在低压甚至真空环境下生存。而马斯克的舱外服为了保持设计的简洁和轻便,舍弃了大部分的加压系统,在出舱过程中,航天员的身体直接暴露在较低的压力环境中,为了避免减压病,这次商业太空行走采取了取巧的办法。
有人介绍说,这次太空减压的准备工作在飞船起飞后没多久就开始啦。“北极星黎明”任务用了“一种特别新、特别不一样的办法”来搞减压,包括“慢慢地降低舱里的压力,还有把氧气浓度提高”。美国哥伦比亚广播公司网站在 12 号介绍,跟国际空间站上的减压程序不一样,载人“龙”飞船的这个过程大概得要 45 个小时,差不多2天的时间,缓慢适应减压过程。相对而言,中国或者国际空间站的减压程序,需要24小时左右,相较于这次商业航天行走时间短了很多。
还有一个问题是,体温的维持。舱外作业过程中,航天员体力上的消耗很严重,而这又会产生大量的热量,热量不及时散出去,在地面上会导致中暑,在航天服内也类似,体温升高短时间可能没事,但是长时间会让神经系统过热导致精神萎靡甚至发生高热的惊厥晕厥等等。因此传统的舱外服,内部设置有液体冷却系统,通过内置的冷却系统将航天员的体温维持在比较合适的水平,马斯克的舱外服也缺乏这方面的供能。
这次商业航天活动中,宇航员吸了两天的纯氧,尽可能地置换细胞内的氮气,这只是短期有效的解决办法,因此这次出舱行走的时间比较短,简单说就是因为它很难支撑长时间的复杂舱外作业活动。传统的航天服看着笨重,但是能为航天员提供饮用水、冷却水,维持航天员的体温,因此可以支持长达8小时的舱外活动。
三、航天员业余又不业余,不是随便拉个人就可以马斯克的商业航天,让很多人觉得,似乎随便拉一个人就能直接进行太空行走的任务。实际上,此次马斯克的出舱活动由经过1至3个月训练的业余航天员执,这些航天员并非专业的宇航员,因此他们的训练内容主要集中在身体适应太空环境,而非复杂的技术操作,并不是说他们不需要接受训练,也就是富豪们有时间抛开杂务进行这样的训练。这一方面体现了商业航天的普及化趋势,但同时也表明了任务的实际难度较低,更多是为了展示技术的可行性,而非执行高难度的太空作业。
传统的宇航员在执行舱外任务之前,通常需要经过多年的高强度训练,包括复杂的技术操作、应急处理能力、太空行走技能等。而马斯克的航天员训练计划更加简化,主要集中在身体调节和适应太空环境。对于这些业余航天员来说,最重要的并不是掌握技术操作,而是如何让身体在低压、缺氧、辐射等极端条件下维持正常功能,训练内容主要围绕如何通过吸纯氧等手段来调节体内的气体成分,防止出舱时因压力不足导致减压病。同时,还需要学习一些基本的太空作业技巧,如如何在舱外服的限制下移动和操作,如何通过脐带绳系统获取氧气和电力支持。
马斯克的舱外服虽然外观简洁,具有极强的科幻感,但在功能性上却存在诸多妥协。为了实现这种简洁设计,航天服舍弃了许多关键的供能系统,特别是生命支持系统和压力调节功能。这一设计使得航天员必须依赖脐带绳输送氧气,并通过吸纯氧来置换体内氮气,避免减压病的发生。同时,尽管这次出舱任务是由业余航天员执行,他们仍需要经过数月的训练以适应太空环境。因此,尽管这次任务在技术和商业航天历史上具有突破意义,但也暴露了当前商业航天在舱外活动中的诸多技术瓶颈和局限。
外观可以设计的很好看,很科幻,可是核心的功能,因为部件无法缩小,比如舱外服的供氧系统,氧气罐你总不能缩小吧,冷却系统也不能缩小吧。这些核心的供能才是舱外服最需要的。别看现在玩的花,未来马斯克如果要进行月球着陆或者火星着陆,航天员要舱外行走更长时间,其舱外服的设计就必然会笨重起来,只能在一些不是很必须的功能上做文章。