人類遲早會再次踏上月球——如果 NASA 的阿耳忒彌斯計劃按計劃進行，也許在本十年中期就能實現。除此之外，2030 年代或 2040 年代前往火星的公共或私人載人任務似乎不再僅僅侷限於科幻小說。但是，當宇航員在其他世界邁出這些步伐時，他們會穿什麼呢？為阿耳忒彌斯計劃採購巨型火箭和未來主義飛船一直是 NASA 最廣為人知的障礙，但其為月球設計新型宇航服的努力也同樣具有挑戰性。自 2007 年以來，該航天機構已花費估計 $4.2 億美元 用於新的宇航服設計，但實際上並未投入使用任何一套。最終，在所有這些不成功的嘗試之後，上個月 NASA 宣佈，它已選擇外包這項工作，並選擇了兩家公司來為前沿領域打造下一代高階時裝。
這兩家公司——德克薩斯州的公理空間公司和北卡羅來納州的柯林斯航空航天公司——將各自獨立開發新的宇航服，作為 NASA 探索艙外活動服務 (xEVAS) 合同的一部分。NASA 已為這項聯合工作撥款總計 35 億美元，直至 2034 年，並計劃從這兩家公司購買宇航服作為一項服務，這將使這兩家公司都可以自由地製造和銷售更多宇航服，用於非 NASA 的商業任務。在地球軌道上演示這些宇航服之後，它們將用於首次阿耳忒彌斯著陸，目前計劃於 2025 年進行。這次任務被稱為阿耳忒彌斯 III，將有兩名宇航員，一名男性和一名女性，他們將穿上其中一家公司的宇航服，冒險登上月球表面。未被選中執行首次著陸的公司將改為為後續的阿耳忒彌斯任務提供宇航服。
“這對我們來說是歷史性的一天，”NASA 約翰遜航天中心主任 Vanessa Wyche 在 6 月 1 日宣佈授標的新聞釋出會上說。“當我們到達月球時，這些宇航服將創造歷史。”
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陷入困境的開發
這兩家公司的入選是在 2021 年 NASA 徵集新的宇航服提案之後進行的，因為國際空間站 (ISS) 上使用的現有艙外機動裝置 (EMU) 宇航服對於月球表面探險來說過於笨重和僵硬。超過 40 家公司註冊了他們的興趣，包括 SpaceX 和藍色起源，但 只有公理空間公司和柯林斯公司 在 2021 年 12 月的截止日期前提交了最終提案。在 6 月晚些時候釋出的 來源選擇宣告 中，NASA 對公理空間公司提出的宇航服 AxEMU 和柯林斯公司提出的目前未命名的宇航服都給予了高度評價。
透過設計，這種公私合作伙伴關係將允許這兩家宇航服制造商也向航天機構以外的機構提供他們的服務，可能包括公理公司目前正在開發的私人空間站的訪客。“公理公司將使用 AxEMU 來支援我們所有的客戶，”公理公司的 xEVAS 計劃經理 Mark Greeley 說。“AxEMU 能夠支援客戶希望的任何環境中的[太空行走]，”他說。柯林斯公司也在做同樣的計劃。“我們不希望這僅僅是為 NASA 定製的設計，”柯林斯公司高階技術研究員、前宇航員 Dan Burbank 說。“這應該是一套商業上合適的宇航服，也能滿足私人宇航員的需求。”
人員在公司設施中為柯林斯航空航天公司宇航服的原型進行機動性測試。圖片來源：柯林斯航空航天公司
達到這個階段是一個艱苦的過程。2012 年，NASA 公佈了其 Z-1 原型宇航服，該宇航服採用了 綠白相間的設計，這可能會讓未來的月球行走者看起來像巴斯光年。後來它被 重新設計為 Z-2，但開發停滯不前。2019 年，NASA 展示了其旨在用於阿耳忒彌斯任務的嘗試，被稱為探索艙外機動裝置 (xEMU)，但該機構監察長辦公室的審計發現，這些宇航服 將無法為阿耳忒彌斯著陸做好準備；它指出成本和技術問題仍然存在。“人們擔心這是一個永無止境且不可持續的過程，”華盛頓特區國家航空航天博物館的太空歷史學家 Cathleen Lewis 說。但這並不意味著 NASA 內部的宇航服追求會付諸東流——公理空間公司和柯林斯公司都將能夠獲得之前的所有工作成果。“他們可以決定他們想要使用多少 NASA 的設計，”NASA 約翰遜航天中心德克薩斯州分部的艙外活動和人類表面移動計劃經理 Lara Kearney 說。
這兩家公司的宇航服的確切設計仍然是保密的。選擇過程規定，他們都必須證明他們的宇航服能夠滿足 NASA 設定的約 80 項要求。然而，“然後我們讓他們自己決定他們的設計看起來像什麼，”Kearney 說。這些要求與阿耳忒彌斯任務的獨特目標及其與 1960 年代和 1970 年代的阿波羅任務的預期差異有關。阿耳忒彌斯宇航員在月球表面停留的時間將比他們的前輩更長，並將探索更多樣化的地點，包括可能含有水冰的隕石坑的黑暗深處。這些願望要求比阿波羅計劃的宇航服提供的笨拙的搖擺和攀爬能力更強的機動性，也需要更強的適應性：新的宇航服必須滿足 NASA 更加多樣化的現代宇航員隊伍的需求，而不是服務於一支全男性（且全白人）的月球行走者隊伍。“我們必須考慮多樣性，”中佛羅里達大學的太空歷史學家 Amy Foster 說。“我不希望任何人因為他們的體型不適合宇航服而被排除在乘坐阿耳忒彌斯號飛行的機會之外。”
多功能且經久耐用
在要求中，宇航服需要允許每次任務至少進行六次月球表面遠足。每天至少進行一次，每次持續超過八小時。宇航員必須能夠在沒有幫助的情況下進入和離開宇航服，並且在著陸器或棲息地外冒險的總準備時間必須不超過 90 分鐘。
公理空間公司和柯林斯公司都在將其宇航服設計為後入口式。這意味著，與目前在國際空間站上使用的宇航服一樣，無需在氣閘艙內穿上宇航服然後離開航天器，這些新設計可以外部連線到 NASA 原型氣閘艙，稱為宇航服埠。“你實際上可以倒退進入艙門，將你的[宇航服]的外部部分粘合到這個結構上，然後開啟艙門，”Burbank 說。這有助於減少被帶回內部的潛在有害月球風化層或月球塵埃的數量。Burbank 說，使用宇航服埠“消除了風化層危害”。“宇航服的外部沒有任何部分會接觸到航天器的內部。”
公理空間公司艙外機動裝置 (AxEMU) 宇航服的插圖，該公司目前正在德克薩斯州休斯頓開發該宇航服。圖片來源：公理空間公司
部分反映了 NASA 阿耳忒彌斯計劃的目標，即派遣第一批有色人種和第一批女性登上月球，新的宇航服在某種意義上還必須是“均碼”——能夠被各種體格的宇航員在多次任務中互換使用。每套宇航服必須允許 90% 的男性和女性人口穿著，其中包括身高 4 英尺 10 英寸（1.5 米）或 6 英尺 4 英寸（1.9 米），體重 94 至 243 磅（42 至 110 公斤）的任何人。“NASA 試圖進行一次全女性太空行走 [在 2019 年]，但他們不得不不斷推遲它，因為他們沒有合適尺寸的宇航服，”羅德島設計學院的宇航服設計師 Michael Lye 說。“公理空間公司和柯林斯公司的新宇航服將適合更廣泛的人群。”這兩家公司計劃如何滿足這一要求目前尚未公開。
阿耳忒彌斯任務的另一個關鍵目標是收集大量樣本，供後續研究。宇航服必須配備附件來實現這一目標，包括錘子、耙子、鑿子和手持式手電筒。它們還旨在具有極高的機動性，並結合可移動的軀幹和關節，使宇航員能夠在低重力、崎嶇的月球景觀中更自然地移動。“在阿波羅時代，無法讓你的臀部與你的肩膀反向移動，”Burbank 說。“你實際上無法讓你的臀部與你的肩膀不對齊。你可以使用這套宇航服做到這一點。”這些宇航服的質量也比阿波羅時代的宇航服低，使其更容易長時間使用。“我用新宇航服做了俯臥撐，”Burbank 說。“這在我們現在擁有的現有宇航服中是無法想象的。”
未知水域
NASA 對宇航服提出了許多其他高標準，其中一些是前所未有的。它們不得使宇航員承受超過 115 分貝的聲音，這與吹葉機產生的噪音相當。它們必須足夠堅固，以將微隕石刺穿外殼的機率降低到只有 1/2500。受到每組阿波羅登月宇航員儀式性地展開美國星條旗（以及將旗杆錘入出乎意料地堅硬的月球地形的難度）的啟發，宇航服必須包含工具，以幫助阿耳忒彌斯計劃的機組人員攜帶和插上旗幟。令人作嘔的是，宇航服必須能夠在月球行走者在頭盔內反芻的情況下，以某種方式清除多達半升嘔吐物從月球行走者的眼睛、鼻子和嘴巴中排出。
一位宇航員身穿柯林斯航空航天公司宇航服在月球表面的插圖。圖片來源：柯林斯航空航天公司
宇航服還必須在留在月球表面後保持功能——最初根據 NASA 的要求為 210 天，但最終長達三年。這可能允許未來任務中的宇航員重新訪問以前的著陸點並重復使用留下的宇航服，而不是必須攜帶自己的宇航服。“根據著陸點，我們可能能夠去收集並重復使用它們，”Kearney 說。公理空間公司和柯林斯公司也在研究在宇航服內部加入其他技術，例如頭盔內的數字抬頭顯示器。“我們的願景是向機組人員顯示有關宇航服健康狀況、他們自身和[機組人員]健康狀況、通往他們月球車的路徑以及所有這些型別的資訊，”Burbank 說。“你還可以具備穿插紅外影像的能力。”
也許最重要的是，宇航服必須為月球探索的大膽新時代而設計。阿波羅任務保守地專注於月球近側陽光充足的赤道區域，但阿耳忒彌斯任務將冒險進入月球南極更令人生畏的地點。在這裡，宇航員可能會探索月球的一些永久陰影區 (PSR)——隕石坑的角度使得 陽光永遠無法到達其深處。在內部，溫度會驟降至零下 400 華氏度（零下 240 攝氏度），是月球其他地方在為期兩週的月夜期間發現的最低表面溫度的兩倍。來自月球軌道的觀測表明，PSR 可能富含水冰，要麼凍結在表面，要麼混合在月球土壤中，可以獲取並用作飲用水或火箭燃料。NASA 要求新型宇航服能夠在這些寒冷的地方執行至少兩個小時，這將使宇航員有機會在那裡勘探。
“在南極相對較淺的深度埋藏著數億噸水冰，”Burbank 說。“水對於人類在月球上的存在至關重要。因此，你將需要宇航服來實際進行資源開採。”
宇航員可能穿上這些服裝的地方不僅僅是月球。根據 NASA 的指示，這兩套服裝的設計都考慮了未來進行火星任務的最終修改。“AxEMU 在很大程度上是為支援火星[艙外活動]而設計的，”Greeley 說，他指出，雖然“仍有一些開發工作要做”，但該公司正在研究如何應對那顆行星稀薄的大氣層及其更強大的引力場。然而，首先要做的將是瘋狂但有條不紊地衝刺，為首次期待已久的阿耳忒彌斯登月準備宇航服的月球變體。當然，必備火箭的開發延誤可能會使 2025 年的名義截止日期推遲——這可能是最好的，因為在如此短的時間框架內準備如此雄心勃勃的宇航服似乎極具挑戰性，至少可以這麼說。“有很多工作要做，”Lewis 說。但是，無論人類何時再次踏上月球，這項工作都應確保他們擁有閃亮的新服裝來完成這項工作，包括嘔吐物清除系統和所有其他功能。