圖片來源：美國國家航空航天局（NASA）
在火星上，宇航員將需要比目前使用的宇航服更輕便、更靈活的宇航服。 |
一個孤獨的身影，穿著笨重的宇航服，緩慢地走過一個巨大的隕石撞擊坑。岩石荒漠景觀顯得寒冷、乾燥且充滿敵意——這與火星頗為相似。事實上，這個人正在測試宇航員如果要去紅色星球可能穿的宇航服。
這個場景發生在加拿大高北極地區的德文島，這裡是地球上最接近荒涼的火星環境的地方。德文島上直徑20公里的豪頓隕石坑，是大約2300萬年前隕石撞擊的結果，是唯一已知位於極地沙漠環境中的隕石坑，這使其成為測試火星任務宇航服的理想場所。美國宇航局目前沒有立即派遣男性或女性前往紅色星球的計劃。但是，幾家公司一直在為火星開發宇航服。
“說原型有點誇張，”漢密爾頓桑德斯特蘭德航天系統國際公司的初步設計工程師埃德·霍奇森說。“我們一直在研究火星任務宇航服的概念，認識到挑戰是巨大的，我們需要儘可能多的準備時間。”漢密爾頓桑德斯特蘭德的子公司ILC Dover公司生產太空梭宇航員在太空行走時使用的宇航服。他們的概念宇航服被稱為I-suit。大衛克拉克公司生產太空梭宇航員在起飛時穿的橙色宇航服，也製造了一款火星概念宇航服，即D-suit。美國宇航局約翰遜航天中心使用外部公司的元件建立了第三款宇航服，即H-suit。
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美國宇航局今天用於艙外活動（EVA）的宇航服是一種24年前的模組化設計，它從阿波羅、天空實驗室和太空梭專案應用發展而來。在這些宇航服中，所謂的下軀幹元件（LTA），大致相當於褲子和靴子，由腰部元件、褲子元件和靴子元件組成。這些部件由織物製成，但使用金屬軸承連線在一起。織物實際上是一種輕描淡寫的說法：該材料包含一層聚氨酯塗層尼龍，然後是滌綸、氯丁橡膠塗層尼龍、五層鍍鋁聚酯薄膜和外層特氟隆、凱夫拉爾和諾梅克斯。
與LTA相對的是HUT，即硬上軀幹，由玻璃纖維製成，並連線到手臂、手套和頭盔。主生命支援子系統（PLSS）連線到HUT的背面。它類似於揹包，為宇航員提供氧氣。PLSS還控制宇航服內的氣壓，以及流過服裝以保持宇航員涼爽的氧氣和水的溫度。HUT去除宇航服內部空氣中的溼度、異味和二氧化碳，並攜帶通訊裝置和感測器。一個輔助氧氣包連線到PLSS的底部，用於緊急氧氣和其他生命支援功能。在HUT的前面，宇航員攜帶一個顯示和控制模組（DCM），該模組讓他們瞭解PLSS的狀態。整個裝置由內置於PLSS中的電池供電。
這個複雜的系統在地球上變得相當重，大約300磅。在失重的太空中，這不成問題，但是在另一個星球上穿著如此沉重的裝備移動將是另一回事。“（火星）任務將需要一個重量不到當前系統一半的系統，”霍奇森解釋說。“它必須是重量的一半，因為我們在行星表面以0.38g（地球重力的0.38倍）的重力執行。”我們星球的月球是人類唯一踏足的天體，其重力相比之下微不足道，僅為地球重力的0.16倍。
圖片來源：美國國家航空航天局約翰遜航天中心 H-suit是正在探索用於未來任務的三種宇航服設計之一。 |
火星任務的持續時間也明顯比月球任務長，這會帶來額外的問題。“你可以去月球，在那裡待幾天，進行三次太空行走然後回家。當我們去火星時，目前最好的情況是，你將需要在途中花費六個月的時間，”霍奇森說。一旦航天器到達行星，它只能停留幾天。為了儘量減少時間和燃料的消耗，火星任務必須在火星和地球的太陽軌道使它們彼此靠近的時候進行。但是，隨著行星繼續它們的路徑，它們將越來越遠，使得返回旅程更加困難和耗時。或者，機組人員可能會在火星上停留兩年，並在行星再次彼此靠近時返回。但是，如此漫長的任務將需要極其有效地利用船上可用的資源。回收利用在任務的所有方面都至關重要，但再生系統的重量也往往更重。
今天的宇航服在真空中執行，並利用這種情況來發揮其優勢。宇航服內的空氣像氣球一樣將其膨脹，分離宇航服織物的不同層，並形成非常有效的絕緣。“如果你試圖擠壓氣球，你擠得越多，它就越難擠，因為壓力正在上升，”美國宇航局約翰遜航天中心的發言人菲爾·韋斯特解釋說。“如果你試圖彎曲氣球，它不會很容易彎曲。”一些金屬軸承，即所謂的活動軸承，因此也充當關節，讓部件彼此旋轉。其他特殊的關節讓宇航員彎曲宇航服，同時保持其整體壓力恆定。
真空還允許當前的宇航服將二氧化碳傳遞到環境中，這個過程在火星上不會發生，因為火星的大氣中主要含有二氧化碳。儘管火星的大氣層非常稀薄，但行星上的風可能會造成問題。“很明顯，火星上的灰塵會被吹得到處都是，”韋斯特說。“即使火星上的風速很快，由於壓力很低，感覺並不強烈，但它仍然會吹起灰塵。我們預計灰塵的行為方式與月球上的灰塵非常相似，它會進入一切東西，”他說。目前的宇航服不能防止這種灰塵侵入，這可能會使活動軸承失效，並損害已經需要大量維護的宇航服的其他元件。
輻射是另一個主要問題。“我們的大部分艙外活動經驗，特別是宇航服，都是在地球磁場的保護範圍內進行的，”霍奇森解釋說。“當我們在月球上行走時，我們處理了一些更具挑戰性的輻射環境，但是任務持續時間太短，這並不是一個大問題。”到目前為止，還沒有人找到一種可行的防輻射形式，可以將其整合到宇航服中。目前限制暴露的唯一方法是限制在室外花費的時間。
除了輻射防護之外，在航天器外花費更多的時間也需要更大的靈活性。“當你使用太空梭或空間站時，我們稱之為太空行走，但這有點用詞不當，”韋斯特說。“它實際上更像是太空漂浮。你真的只是拉著扶手前進，用你的手走路。你可以透過非常有限的腿部活動來走動，就像月球上的宇航員所做的那樣。但是我們希望為宇航員提供比這更大的靈活性，這樣他們就不會受到如此大的限制。”他說，在火星上，“你希望能夠撿起岩石，勘測地形，並在你摔倒時把自己扶起來。”
為了應對這些要求，正在開發的火星宇航服採取了不同的方法。“H-suit比I-suit具有更多的剛性部件；I-suit具有更多的織物部件，”韋斯特說。“它們在相似的位置有一些軸承，但你進出它們的方式不同。我們最近在去年秋天在亞利桑那州沙漠測試了I-suit和H-suit，看看它們的表現如何。”
漢密爾頓桑德斯特蘭德的研究人員還在研究改進宇航服中的顯示和控制模組，以用於國際空間站和太空梭任務。例如，當前美國宇航局宇航服上的系統僅以簡單的文字處理和顯示有關宇航服的資訊。但是，當載人火星任務成為現即時，宇航服可能會包含一個整合的計算機設計，宇航員可以在同一臺計算機上監控宇航服資訊和“待辦事項”列表。該系統還可以用於通訊和提供參考資料。
漢密爾頓桑德斯特蘭德團隊正在考慮一種可以將資訊投影到頭盔遮陽板或宇航員視網膜上的技術。他們還在研究小型腕戴式裝置。但是韋斯特對此持懷疑態度：“你走多遠是關鍵。我的意思是，你是會採用花哨的資訊顯示，試圖將影片資料或來自探測器的資訊傳輸給宇航員，”他說，“還是你會限制自己，使其更加直接？你如何處理所有這些資訊？”
霍奇森認為，這種顯示裝置可以大大簡化火星探索者的生活。“你可以做的一件事是讓宇航員能夠進行他想做的對錶面的詳細檢查，而無需反覆跪在表面上，這需要使用你可以在棍子末端攜帶的攝像頭，並將影像直接傳輸到你的宇航服中的顯示器上，”他說。“所以你可以在不必走近它的情況下近距離接觸岩石。”韋斯特認為這些方面在開發火星宇航服中是次要的。“誰知道當我們去火星時會存在什麼樣的處理和顯示能力？我認為這些型別的東西可以選擇整合到宇航服包中。我們最大的挑戰是可靠性和重量，以及獲得具有這些功能的移動宇航服。”