航天飛機(jī)飛行的軌道高度大約在220~1000千米之間，這里的空氣分子非常稀少，每立方厘米只有1010~1016個，按照物理學(xué)的定義，這已經(jīng)是極端稀薄的空氣狀態(tài)了，如圖1所示。但是，正是因?yàn)榭諝鈳缀醪淮嬖?，太陽射線、重粒子宇宙線等有害射線才能無阻礙地照射到這里，形成了一種對生命極其危險的環(huán)境。為了應(yīng)對這種極端環(huán)境，航天員必須穿戴特殊設(shè)計的航天服才能進(jìn)入到這種環(huán)境中執(zhí)行工作。

圖1 宇宙航天飛機(jī)

航天服是航天員在太空中執(zhí)行任務(wù)時必須穿戴的服裝，它的功能類似于迷你航天器，具有維持宇航員生命系統(tǒng)、保護(hù)航天員的生命安全、保障航天員執(zhí)行航天任務(wù)等眾多功能。根據(jù)不同的功能，航天服可以分為三大類，即艙內(nèi)宇航服（IVA spacesuit）、艙外宇航服（EVA spacesuit）和艙內(nèi)艙外一體式航天服（IEVA spacesuit）。

因?yàn)樘罩惺钦婵窄h(huán)境，無氧氣、無壓力，而且具有強(qiáng)烈的太陽光、流星等輻射源，穿艙外航天服主要是為了防護(hù)真空、無氧、輻射等有害環(huán)境對人體的危害，確保航天員的生命安全，如圖2所示。紡織技術(shù)在艙外宇航服的設(shè)計和制造中起著重要的作用，不僅影響著航天服的舒適性、靈活性和耐用性，還涉及到航天員的生命安全和健康。下面就簡介一下與之相關(guān)的一些技術(shù)和材料。

圖2 艙外航天服

航天服隔熱材料技術(shù)。與普通服裝一樣，航天服也要具備防寒保暖功能?？臻g站軌道在地球的朝陽一面溫度高達(dá)120℃，在陰影一面可低至-140℃，航天服的絕熱防護(hù)設(shè)計至關(guān)重要。國內(nèi)已經(jīng)開展了這類先進(jìn)航天服的隔熱技術(shù)和材料技術(shù)研究，各種無紡織物、纖維材料、多孔織物、氣凝膠合成物等，如圖3所示。對于近地軌道出艙活動中使用的航天服，其被動熱防護(hù)采用與多層隔熱組件結(jié)構(gòu)相同的多層反射隔熱原理，由高反射率的反射屏和低熱導(dǎo)率的間隔層交替疊合而成，多種形式的隔熱材料，通過材料組合設(shè)計驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的真空熱環(huán)境被動熱防護(hù)。氣凝膠類材料不論在高真空和低真空下，都能較好滿足服裝隔熱性能要求，是目前隔熱性最好的材料。目前常見的氣凝膠為無機(jī)硅氣凝膠，是直徑為1~10nm的小硅粒子通過稀松連接形成的高度多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，小孔直徑約為20nm。氣凝膠小孔或真空空隙占總體積的90%或更多，氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其低密度和低傳熱特性。

圖3 氣凝膠隔熱層宇航服

CO₂清除技術(shù)。CO₂是人體代謝產(chǎn)物，通過呼吸不斷排出體外。航天員在艙外航天服密閉環(huán)境中等負(fù)荷下，呼吸熵為0.8，CO₂排出率一般為0.65L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）或1.29g/min，隨著時間積累，CO₂的濃度逐漸升高，過高的CO₂濃度會對人體產(chǎn)生毒性。在艙外活動期間，為確保航天員安全、健康、高效完成任務(wù)，必須使用便攜式生命保障系統(tǒng)，從而將CO₂濃度控制在對人體無害的范圍內(nèi)。從首次載人航天飛行開始，LiOH清除技術(shù)就得到應(yīng)用，金屬氧化技術(shù)是一種應(yīng)用于艙外航天服的可再生式CO₂清除技術(shù)，2000年開始應(yīng)用于國際空間站艙外航天服。這些技術(shù)都需要使用紡織材料作為載體。LiOH清除CO₂技術(shù)發(fā)展至今已非常成熟，采用非再生化學(xué)吸附劑，主要以氫氧化物為主，常用的有無水LiOH和堿石灰。無水LiOH首先吸收氣流中的水汽，生成LiOH的水合物LiOH·H₂O；然后LiOH·H2O吸收氣流中的CO₂，生成LiCO₃。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，每吸收1kg CO₂釋放2031.9kJ熱量。

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