图片来源：美国国家航空航天局（NASA）
在火星上，宇航员将需要比目前使用的宇航服更轻便、更灵活的宇航服。 |
一个孤独的身影，穿着笨重的宇航服，缓慢地走过一个巨大的陨石撞击坑。岩石荒漠景观显得寒冷、干燥且充满敌意——这与火星颇为相似。事实上，这个人正在测试宇航员如果要去红色星球可能穿的宇航服。
这个场景发生在加拿大高北极地区的德文岛，这里是地球上最接近荒凉的火星环境的地方。德文岛上直径20公里的豪顿陨石坑，是大约2300万年前陨石撞击的结果，是唯一已知位于极地沙漠环境中的陨石坑，这使其成为测试火星任务宇航服的理想场所。美国宇航局目前没有立即派遣男性或女性前往红色星球的计划。但是，几家公司一直在为火星开发宇航服。
“说原型有点夸张，”汉密尔顿桑德斯特兰德航天系统国际公司的初步设计工程师埃德·霍奇森说。“我们一直在研究火星任务宇航服的概念，认识到挑战是巨大的，我们需要尽可能多的准备时间。”汉密尔顿桑德斯特兰德的子公司ILC Dover公司生产航天飞机宇航员在太空行走时使用的宇航服。他们的概念宇航服被称为I-suit。大卫克拉克公司生产航天飞机宇航员在起飞时穿的橙色宇航服，也制造了一款火星概念宇航服，即D-suit。美国宇航局约翰逊航天中心使用外部公司的组件创建了第三款宇航服，即H-suit。
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美国宇航局今天用于舱外活动（EVA）的宇航服是一种24年前的模块化设计，它从阿波罗、天空实验室和航天飞机项目应用发展而来。在这些宇航服中，所谓的下躯干组件（LTA），大致相当于裤子和靴子，由腰部组件、裤子组件和靴子组件组成。这些部件由织物制成，但使用金属轴承连接在一起。织物实际上是一种轻描淡写的说法：该材料包含一层聚氨酯涂层尼龙，然后是涤纶、氯丁橡胶涂层尼龙、五层镀铝聚酯薄膜和外层特氟隆、凯夫拉尔和诺梅克斯。
与LTA相对的是HUT，即硬上躯干，由玻璃纤维制成，并连接到手臂、手套和头盔。主生命支持子系统（PLSS）连接到HUT的背面。它类似于背包，为宇航员提供氧气。PLSS还控制宇航服内的气压，以及流过服装以保持宇航员凉爽的氧气和水的温度。HUT去除宇航服内部空气中的湿度、异味和二氧化碳，并携带通信设备和传感器。一个辅助氧气包连接到PLSS的底部，用于紧急氧气和其他生命支持功能。在HUT的前面，宇航员携带一个显示和控制模块（DCM），该模块让他们了解PLSS的状态。整个装置由内置于PLSS中的电池供电。
这个复杂的系统在地球上变得相当重，大约300磅。在失重的太空中，这不成问题，但是在另一个星球上穿着如此沉重的装备移动将是另一回事。“（火星）任务将需要一个重量不到当前系统一半的系统，”霍奇森解释说。“它必须是重量的一半，因为我们在行星表面以0.38g（地球重力的0.38倍）的重力运行。”我们星球的月球是人类唯一踏足的天体，其重力相比之下微不足道，仅为地球重力的0.16倍。
图片来源：美国国家航空航天局约翰逊航天中心 H-suit是正在探索用于未来任务的三种宇航服设计之一。 |
火星任务的持续时间也明显比月球任务长，这会带来额外的问题。“你可以去月球，在那里待几天，进行三次太空行走然后回家。当我们去火星时，目前最好的情况是，你将需要在途中花费六个月的时间，”霍奇森说。一旦航天器到达行星，它只能停留几天。为了尽量减少时间和燃料的消耗，火星任务必须在火星和地球的太阳轨道使它们彼此靠近的时候进行。但是，随着行星继续它们的路径，它们将越来越远，使得返回旅程更加困难和耗时。或者，机组人员可能会在火星上停留两年，并在行星再次彼此靠近时返回。但是，如此漫长的任务将需要极其有效地利用船上可用的资源。回收利用在任务的所有方面都至关重要，但再生系统的重量也往往更重。
今天的宇航服在真空中运行，并利用这种情况来发挥其优势。宇航服内的空气像气球一样将其膨胀，分离宇航服织物的不同层，并形成非常有效的绝缘。“如果你试图挤压气球，你挤得越多，它就越难挤，因为压力正在上升，”美国宇航局约翰逊航天中心的发言人菲尔·韦斯特解释说。“如果你试图弯曲气球，它不会很容易弯曲。”一些金属轴承，即所谓的活动轴承，因此也充当关节，让部件彼此旋转。其他特殊的关节让宇航员弯曲宇航服，同时保持其整体压力恒定。
真空还允许当前的宇航服将二氧化碳传递到环境中，这个过程在火星上不会发生，因为火星的大气中主要含有二氧化碳。尽管火星的大气层非常稀薄，但行星上的风可能会造成问题。“很明显，火星上的灰尘会被吹得到处都是，”韦斯特说。“即使火星上的风速很快，由于压力很低，感觉并不强烈，但它仍然会吹起灰尘。我们预计灰尘的行为方式与月球上的灰尘非常相似，它会进入一切东西，”他说。目前的宇航服不能防止这种灰尘侵入，这可能会使活动轴承失效，并损害已经需要大量维护的宇航服的其他组件。
辐射是另一个主要问题。“我们的大部分舱外活动经验，特别是宇航服，都是在地球磁场的保护范围内进行的，”霍奇森解释说。“当我们在月球上行走时，我们处理了一些更具挑战性的辐射环境，但是任务持续时间太短，这并不是一个大问题。”到目前为止，还没有人找到一种可行的防辐射形式，可以将其整合到宇航服中。目前限制暴露的唯一方法是限制在室外花费的时间。
除了辐射防护之外，在航天器外花费更多的时间也需要更大的灵活性。“当你使用航天飞机或空间站时，我们称之为太空行走，但这有点用词不当，”韦斯特说。“它实际上更像是太空漂浮。你真的只是拉着扶手前进，用你的手走路。你可以通过非常有限的腿部活动来走动，就像月球上的宇航员所做的那样。但是我们希望为宇航员提供比这更大的灵活性，这样他们就不会受到如此大的限制。”他说，在火星上，“你希望能够捡起岩石，勘测地形，并在你摔倒时把自己扶起来。”
为了应对这些要求，正在开发的火星宇航服采取了不同的方法。“H-suit比I-suit具有更多的刚性部件；I-suit具有更多的织物部件，”韦斯特说。“它们在相似的位置有一些轴承，但你进出它们的方式不同。我们最近在去年秋天在亚利桑那州沙漠测试了I-suit和H-suit，看看它们的表现如何。”
汉密尔顿桑德斯特兰德的研究人员还在研究改进宇航服中的显示和控制模块，以用于国际空间站和航天飞机任务。例如，当前美国宇航局宇航服上的系统仅以简单的文本处理和显示有关宇航服的信息。但是，当载人火星任务成为现实时，宇航服可能会包含一个集成的计算机设计，宇航员可以在同一台计算机上监控宇航服信息和“待办事项”列表。该系统还可以用于通信和提供参考数据。
汉密尔顿桑德斯特兰德团队正在考虑一种可以将信息投影到头盔遮阳板或宇航员视网膜上的技术。他们还在研究小型腕戴式设备。但是韦斯特对此持怀疑态度：“你走多远是关键。我的意思是，你是会采用花哨的信息显示，试图将视频数据或来自探测器的信息传输给宇航员，”他说，“还是你会限制自己，使其更加直接？你如何处理所有这些信息？”
霍奇森认为，这种显示设备可以大大简化火星探索者的生活。“你可以做的一件事是让宇航员能够进行他想做的对表面的详细检查，而无需反复跪在表面上，这需要使用你可以在棍子末端携带的摄像头，并将图像直接传输到你的宇航服中的显示器上，”他说。“所以你可以在不必走近它的情况下近距离接触岩石。”韦斯特认为这些方面在开发火星宇航服中是次要的。“谁知道当我们去火星时会存在什么样的处理和显示能力？我认为这些类型的东西可以选择集成到宇航服包中。我们最大的挑战是可靠性和重量，以及获得具有这些功能的移动宇航服。”