深空服

警报响起时，他已经站了起来，希望火星车没有拍摄到他，但他知道，他脸朝下趴在火卫一表面的举动已被记录下来，供后人参考。面罩的光纤显示屏发出不祥的闪光：防护服破裂。他的身体，或者说身体的一小部分，已经暴露在火星卫星的真空环境中。

宇航员的死因有很多种，但减压是最可怕的死因之一。宇航服被刺破意味着必须紧急逃往避难所，否则身体周围的纯氧层会流失，缺氧会导致人昏厥。压力迅速下降并不可怕，但后果很严重：体内的水分开始蒸发并试图逸出，肺部塌陷，循环停止。

不过，今天没有人死亡，至少在火卫一上没有。他穿的宇航服不是加压气球。实际上，它恰恰相反——是一种挤压式宇航服，用智能记忆合金网格将其与身体紧密结合，用直接的机械反压代替氧气垫。结果是贴身而灵活；它移动所需的能量更少，并增加了宇航员步行的距离。而且，如果宇航服破裂，它仍然可以使用：可以用太空探险家的 Ace 绷带当场修补，它自己的形状记忆合金会拉紧以封住裂口。

等到补丁到位，警报就停止了。表皮生物传感器和路径规划算法缩短了宇航员在地面上的行走距离，从六英里缩短到四英里多一点。当他的心率稳定下来时，他会打电话给任务控制中心，反对走这条捷径。严重的瘀伤不会要了他的命。而且他也不是从家里走了一亿英里才折返的。

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人类要想进一步深入太阳系——小行星、火星卫星，甚至火星本身——就需要一套新的太空服：一套能够让他们穿越深空、轻松穿越外星表面并在各种潜在致命危险中生存的太空服。“如果加压太空服上出现一个小洞，那就是重大紧急情况。任务结束；尽快返回安全避难所，”航空生物医学工程师、麻省理工学院技术与政策项目主任达瓦·纽曼 (Dava Newman) 说道。

即便是当今最先进的宇航服也仅限于低地球轨道，而且宇航服的设计从未考虑过离开航天器。1986 年挑战者号失事后，NASA 开始使用先进乘员逃生服 (ACES) 来保护航天飞机宇航员在发射和重返大气层期间的安全。但它几乎不适合服役。由于航天飞机的控制装置不是为宇航服操作而设计的，飞行员经常不戴笨重的手套飞行，这让他们很容易受到压力快速泄漏的影响。宇航服的生命维持系统是临时的，整个舱室的软管都被胶带粘住。现在航天飞机计划已经结束，宇航员穿着 1973 年推出的俄罗斯版 ACES。

美国宇航局的另一套宇航服，舱外机动装置 (EMU)，与其说是一套衣服，倒不如说是一艘价值数百万美元、装满液冷管道的宇宙飞船。这套宇航服用于太空行走，于 1983 年首次进入太空；其大部分面料在冷战期间都是最先进的。尽管这套宇航服的制造商 ILC Dover 一直在试验自修复聚合物，尽管美国宇航局一直在推动开发用于超薄隔热的气凝胶等先进材料，但这些技术尚未应用于 EMU。

下一个航天时代不应该只靠旧衣服，也不应依赖世界各地实验室中孵化的大量材料和设计。随着私人接管轨道和亚轨道发射，以及人类登陆火星的首次呼声，将有更多的人进入太空，其中一些人将长途跋涉。他们应该拥有一套不仅能保证他们安全，还能实现他们抱负的宇航服。

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发射服

首批新宇航服将是 ACES 的精简版继任者，只是它们不是为目光冷峻的导弹操作员设计的，而是为花费数十万美元进入太空的新一批飞行员和乘客设计的。这些被称为舱内活动服或发射进入服，是航天工业的下拉式氧气面罩，其真正功能（包括增压和一定程度的生命支持）是在紧急情况下启动的。

在与宇航服制造商签订的初始合同中，SpaceX 规定压力服必须看起来“很酷”。由于这是设计师首次与 NASA 以外的客户打交道，他们被迫接受新的挑战。在与宇航服制造商轨道装备公司签订的初始合同中，SpaceX 规定压力服必须看起来“很酷”。轨道装备公司首席设计师克里斯·吉尔曼说：“政府合同中不会出现这种措辞。我喜欢这样。”然而，要设计出很酷的宇航服也存在障碍。发射进入宇航服外形笨重，是一件超大号的连体衣，内嵌头盔和手套的刚性接口，加压时需要足够空间充气，就像篮球一样——尤其是在座位处，这样宇航员就不必站起来。吉尔曼计划用战术缝线来弥补这种“宽松臀部”的缺陷。 Final Frontier Design 的联合创始人 Ted Southern 通过 Kickstarter 众筹平台为其 3G Suit 筹集了初始资金，他希望像时装设计师一直使用的那样，利用图案来改善合身度。“我真的认为这是关键，”他说。“越拟人化，看起来就越酷。”

这就是宇航服设计的新业务：满足商业客户的需求，无论是将生存能力塞进更小的体积，还是在结构和材料选择上提出新颖、节省成本的创新。3G 宇航服——第一套宇航服预计最早于明年 1 月交付给西班牙航空航天初创公司 zero2infinity——取消了一些金属部件。Final Frontier 正在考虑用高性能塑料替换其他部件。对于 Orbital Outfitters 提供给 XCOR Aerospace 用于其亚轨道双座飞机Lynx的 IS3 宇航服，该公司正在探索使用一次性部件。密封宇航服的内胆层等部件可以在每次发射前更换。

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探索服

要超越低地球轨道，宇航员需要的不仅仅是一套新的发射进入宇航服。他们需要一套用于探索的万能宇航服。NASA 最近推出了 Z-1 宇航服，这是一系列试验台设计中的第一套。Z-1 的关节处装有轴承，使其比目前的舱外活动 (EVA) 模型 EMU 更加灵活。它还有一个后入口，可以将宇航服变成自己的气闸，使其能够停靠在栖息地的一侧，以避免被粗糙的月球风化层或腐蚀性的火星土壤所拖累。接下来，该机构将开始研究 Z-2，这两套宇航服的最佳功能将融入 Z-3。如果一切按计划进行，Z-3 将于 2017 年从国际空间站首次太空行走。

但无论 Z-3 带入轨道时具备什么样的功能，它都不太可能采用当今最先进的材料，也无法解决舱外航天服的最大缺点：舱外航天服是人形飞艇，充满足够的氧气以维持生存压力。在移动时，宇航员 75% 的能量都用于与自己的航天服搏斗，使自己巨大的气球动物肢体屈伸，只有 25% 的能量用于实际的探索任务。

麻省理工学院的纽曼希望改变这一比例。自 1999 年以来，她一直在开发 BioSuit，这是一种用另一种系统取代充气加压的宇航服：机械反压 (MCP)。MCP 不是泵入保护性空气缓冲，而是施加均匀的全身挤压，通过机械力产生足够的大气压力。最终的宇航服将更容易移动，仅使用宇航员 25% 的能量。它也将更加耐用，因为机械反压在发生故障时可以轻松恢复。

宇航员需要一套能够应对飞驰的小行星坑坑洼洼的表面和红色星球上的沙尘暴的宇航服。为了使 MCP 成为现实，纽曼需要一种新材料——一种能够紧密结合、符合人体生理复杂曲线、同时又能随运动而弯曲的材料。“过去几年，我们一直在研究 14 种候选技术，”她说。“现在，我们已经将其减少到三种。”一种选择是介电弹性体，它通过电流膨胀或收缩，充当低功率致动器。另一种是形状记忆合金，这是一个统称
可恢复其原始形状和特性的柔性金属。纽曼的团队专注于编织多种合金，包括镍钛合金，它可以根据温度变化变形和重新形成。

纽曼说：“我认为我们已经证明了技术可行性。”她估计，即使每年只投入几百万美元，她也能在三到五年内将这项技术推广到生产出真正的潜水服。

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梦幻套装

载人深空探测任务面临的障碍是巨大的：需要能够经济地往返火星的推进器，需要能够在长达一年的飞行中保护机组人员免受致命银河宇宙射线伤害的航天器。这些都不是明年，甚至可能不是下个十年，但当远距离太空探索的到来时，宇航员将需要一套能够应对各种环境的宇航服，从飞驰的小行星的坑坑洼洼的表面到红色星球上的沙尘暴。为了制造它，设计师需要大量新材料，每种材料都能赋予宇航员新的能力。

遍布宇航服的导电纳米线和电活性聚合物可以从宇航员的运动中获取能量，将加压头盔的护目镜变成半透明的光纤平视显示器。护目镜上叠加的本地地图和预设路线可以通过语音命令打开和关闭。其他数据可能来自表皮生物传感器，通过算法过滤，建议放慢速度以优化能量和空气供应。即使是对近期实现全身 MCP 持怀疑态度的工程师也设想了有限的应用，例如无气手套。

根据目的地，设计师可以更换其他部件。前往小行星的宇航服可能配备靴底，利用壁虎皮肤的干粘性，使其几乎可以在任何条件下附着在表面上，包括快速旋转的天体的近零重力。德雷珀实验室正在开发的稳定器可以安装在宇航服的手臂和腿上：微型陀螺仪带有微型旋转盘，它们可以提供阻力来营造地球重力的感觉，并可能减少零重力下的迷失方向。

火星也有自己的挑战，包括温度从 70°F 到 -225°F 不等。“火星上有四季，”参与 Z-1 项目的 NASA 宇航服工程师 Amy Ross 说道。“你实际上可能需要轻便的春季夹克和厚重的冬季外套。”罗斯设想提供不同重量的可拆卸全身工作服，而 Newman 则推动提供真正的外套 - 一种厚度仅为几毫米的气凝胶层服装，具有足够的气体浸渍绝缘层，可抵御火星上最严重的温度下降。ILC Dover 开发了一种受荷叶启发的涂层 - 它模仿了植物的滑溜溜的自洁特性 - 可以限制带入车辆和设施的灰尘量。

Final Frontier 正在研发纳米结构或粉末状化合物，用于制作轻便、灵活的辐射防护服——这是未来宇航服面临的最大挑战之一。目前，舱外宇航服没有辐射防护功能，这迫使 NASA 只能限制宇航员在职业生涯中的太空行走次数。

正如 Orbital Outfitters 的 Gilman 所指出的，“太空服充满了看不见的微妙之处。”每一盎司的质量，以及材料之间每一次潜在的相互作用，都会给这个已经错综复杂的系统增加复杂性。不过，这就是太空服的未来——不是对阿波罗时代装备的渐进式升级，而是多个研究前沿所能提供的最佳成果。宇航员真正探索太阳系的能力将由工程师所掌握的材料决定。其中一些材料可能永远无法在太空中发挥作用。但那些可以发挥作用的材料可能意味着几步象征性的拖沓和一亿英里飞行的步行之间的区别。

埃里克·索夫格 (Erik Sofge) 来自马萨诸塞州，撰写有关科学、技术和文化的文章。

请在下一页详细了解未来的太空服。

未来战衣

对于探索深空的宇航员来说，宇航服必须更时尚、更智能、更灵活。许多可以实现这一点的材料目前都在实验室中。
— 艾伯特·朱

量身定制
未来的宇航服可能不再采用气体加压，而是使用形状记忆合金，例如波士顿 Midé Technology 公司生产的镍钛合金丝编织物，以施加稳定的机械反压力。这种合金将经过热处理，使宇航员穿上宇航服后既能紧密贴合身体，又能适应运动。

增强视觉
如今，宇航员的视线是透过塑料；未来的护目镜可能由一种名为 ALON 的透明陶瓷制成，这种陶瓷比防弹玻璃更薄，但强度却是防弹玻璃的三倍。F-16 飞行员使用的 Lumus Optical 公司生产的平视显示器可以移植到太空头盔上，成为一种全彩色显示器，利用光学棱镜将光线引导到眼睛。

泡沫缓冲器
身体凹陷的区域可能需要另一种形状记忆材料来调节宇航服的反压力。雪城大学生物材料研究所已经开发出这项技术的基础：碳纳米纤维，当被电激活时会产生热量，这可以使泡沫膨胀到预设的形状。

冷却系统
潜水服通过 300 英尺长的管道循环水，带走身体热量。普渡大学
大学工程师创造了一种既能绝缘管道又能产生电能的技术：玻璃纤维（未来是聚合物）上涂有热电纳米晶体，可以吸收热量并释放电能。

保护壳
机械反压力造成的一次错误挤压可能会伤害重要器官。坚固、完全加压的外壳可以提供保护，而不会限制宇航员的活动。为了尽量减少体积并保持硬质和软质材料之间的接触点舒适，每个外壳都将采用 3D 打印以适合其使用者。

自愈手套
到目前为止，防止潜水服或手套破损的最佳方法是用更坚固的层进行加固。ILC Dover 的工程师研究出了一种更好的方法：集成自修复材料，例如嵌入微胶囊化学物质的聚合物。当胶囊破裂时，化学物质会起泡并修复破损的潜水服。

极致隔热
二氧化硅气凝胶约 95% 为空气，可以隔绝剧烈的温度波动。通过在二氧化硅纳米骨架上涂上一层柔性聚合物，阿克伦大学的团队使气凝胶既耐用又柔韧，足以在太空中使用。嵌入的氢还可以阻挡危险程度的辐射。

人造重力
长期处于低重力环境中会导致骨质流失和肌肉萎缩，宇航员每天锻炼 2.5 小时来抵御这些影响。德雷珀实验室开发的设备可以让宇航服更健康。安装在手臂和腿部的陀螺仪可以提供与地球重力类似的阻力。

粘合强度
马萨诸塞大学发明了一种干性粘合剂，巧妙地涂在宇航服上，可以帮助宇航员牢牢抓住表面和工具。这种粘合剂由碳纤维和凯夫拉纤维编织而成，模仿了壁虎脚的皮肤和肌腱结构，使其具有前所未有的强度——但它很容易从表面脱落。

额外力量
为生命维持系统供电的电池必须反复充电。密歇根理工大学正在开发的氧化锌纳米线可以将运动转化为电能。将这种压电线嵌入膝盖和肘部的织物中，可以在太空中提供宝贵的冗余。