用上3D打印、航天器回收材料
作者丨临风
编辑丨海腰
首图丨法新社
9月12日，在距离地表700公里的地球轨道上，北极星黎明号（Polaris Dawn）指挥官Jared Isaacman成为第一位执行EVA（舱外活动）的私人宇航员。
15日，载人龙飞船溅落在墨西哥湾，结束了5天任务，标志着“北极星黎明”任务结束，SpaceX第五次私人宇航员任务顺利完成。
图源：SpaceX，“北极星黎明号”四名机组人员
Jared Isaacman是一名亿万富翁，支付企业Shift4 Payments的创始人，此次北极星黎明号飞行是他委托SpaceX进行的私人载人航天飞行。画面显示，机组成员Jared和Sarah Gillis轮流从龙飞船的舱门中出现，分别花了约10分钟时间测试SpaceX的EVA套装。这次出舱是一次“站立”出舱，宇航员没有从航天器中飞出。
这次舱外行走中的SpaceX宇航服，是SpaceX历经2年多时间开发的新款宇航服，相较NASA传统宇航服更加轻便、合身。据报道，北极星黎明号中宇航员所着的宇航服几乎全是柔软材质，采用了从航天器中回收的热绝缘和防辐射纺织设计，更加易于制造，成本更低。
用上3D打印、航天器回收材料
首次商业太空行走是商业航天业的里程碑，没有政府资金参与，主打一个“平民有钱真能上天”。这也是Jared Isaacman第二次上太空，在此之前，他发起了Inspiration4全平民航天任务，希望提高知名度，为圣裘德儿童医院募捐。那次飞行也是他与SpaceX合作，且完全由Jared出资，带一名癌症患者、一名医生和一名小学老师乘坐龙飞船上天，在轨道上停留了3天。
“北极星黎明”是北极星计划的任务一，该计划是由Jared Isaacman与SpaceX签约进行的太空私人飞行计划，同样目的明确。计划分为3步，前两次将使用Crew Dragon完成，除第一次任务验证SpaceX舱外服的可靠性，还有“拯救”哈勃太空望远镜的任务，而第三次将是SpaceX星舰运载火箭的首次载人发射任务。
图源：维基百科
北极星计划官网显示，9月10日进行的任务一，有高轨载人飞行、首次商业太空行走、基于Starlink的太空通信与健康影响研究四大目标。据SpaceNews，猎鹰9号将龙飞船送入椭圆轨道，达到1408.1公里的高空，也达到了目前载人地球轨道任务的最高高度。
图源：北极星黎明官网
太空行走发生在9月12日，也就是龙飞船绕地飞行约6圈后，将距离降低至距离地表约720公里的地方，在澳大利亚和新西兰的上空时，Jared Isaacman从舱门走出，随后是SpaceX工程师Sarah Gillis。
此外，这次任务测试了新的通信技术，特别是Starlink的激光太空通信技术，计划为未来的月球、火星及更远的太空任务铺平道路。
据《华盛顿邮报》，龙飞船没有专门的气闸舱，因此采用“全舱减压”的办法，将整个飞船作为气闸舱，整个飞船的返回舱全部放气至真空状态，直至与太空环境压力平衡后打开飞船顶部舱门。Jared和Sarah交替执行出舱活动，回到机舱后关闭舱口并开始用氧气和氮气重新加压。
从视频画面可以看出，在出舱时宇航服略微有膨胀，每位宇航员带有一根“脐带”在太空行走时控制冷却和氧气。这个过程中，宇航员的没有更换宇航服，做到舱内、舱外航天服一体化。
图源：YouTube
舱外活动是十分危险的活动，太空中没有空气供应，宇航员将暴露在太阳辐射和宇宙射线之中，并有极端冷或极端热的温度情况。并且，舱外宇航服还需具备关节灵活性和机动性，方便宇航员执行各类操作和任务。
今年5月，SpaceX的首套舱外宇航服（EVA，extravehicular activity）首次亮相，是基于载人龙飞船的黑白舱内活动服（IVA，intravehicular activity）的演变，在关键区域进行了增强和改进，使其重量轻，同时能在严酷的外太空环境中保护宇航员。
这次行走，SpaceX的舱外宇航服成为关注焦点，网友称其中暗藏“黑科技”。“它像一套用织物做成的盔甲”，首席宇航服工程师Erik Kraus说。
首先是视觉上的直观感受，相较传统的舱外宇航服，SpaceX的舱外服相当简洁、轻薄，就像穿了一套连体工装。因需携带生命支持系统应对太空中的极端条件，以前的宇航服往往被设计为肥大、沉重的外形，一套宇航服类似一台小型航天器，穿脱方式有“背入式”、“腰入式”和“双平面穿入式”等，需组装完成。
图源：网络，SpaceX IVA、SpaceX EVA
而SpaceX的舱外服将一套复杂的系统给做了集成化。据大刘科普频道，一套传统的宇航服有十几层结构，第一层内衣层直接与皮肤接触监测宇航员心率、体温和呼吸，第二层利用多个细管液温调节，相当于一个贴身的空调，第三层加压层填充气体提供压力，第四层约束层会将气体约束为符合人体工学的形状，第五层是由各类纤维组成的坚硬外壳，能抵御碎片撞击。
尤其是舱外宇航服更需满足保温、气压、防护和灵活性四大特点。大刘介绍：“而SpaceX宇航服从简约、时尚的角度出发，要求工程师在逆向时尽可能简化传统的构造，把很多功能进行简并设计。”在EVA宇航服中，SpaceX通过“脐带”将纯氧替换内部的氮氧混合气，既能维持压力，也能维持呼吸，同时调节温度。简化设计，一服两用。
SpaceX的舱外服与传统的舱外服相比，重量极大减轻。据资料，NASA近地轨道出舱活动的航天服基本型重约115KG（增强型重约145KG），我国第二代“飞天”航天服重量增加至130KG。尽管SpaceX的EVA舱外服重量还未可知，但有网友在reddit讨论帖中指出，SpaceX龙飞船内IVA舱内服重约10公斤。因其舱外服不带有救生系统，重量很可能比航天飞机ACES或NASA的EMU轻得多。
不像传统舱外服有多层装备，这身航天服穿起来很方便。SpaceX的舱外服腰部设计有螺旋拉链，前臂上的拉链在宇航员不戴手套的情况下可以打开并允许徒手操作，便于快速穿脱。且航天服设计可针对各种体型进行扩展，以适应不同宇航员的身材，确保每位宇航员能找到合适的尺寸，且各个部件可以相对容易地组装和拆卸。
从官网介绍来看，SpaceX的舱外服的主色系是白黑，头戴特殊涂层头盔，脚踏一双长靴，更贴合人类身形。外层主体织物是SpaceX新开发的一类阻燃弹性材料，织物隔热保暖，便于制造且提高了宇航服的柔韧度。
图源：北极星黎明官网
那条连接宇航员与内部设备的“脐带”上有一个刻度盘，用于控制宇航服内温度，提供太空行走期间的额外氧气。
据介绍，该舱外服具有灵活机动性。手腕、肘部、腰部和腿部的弯曲关节处可提供加压的活动能力，创新的半刚性旋转接头在加压前保持柔软，同时允许手臂旋转。如Sarah探出舱门时，可以旋转手腕把住横杆。
宇航员的头盔是他们的护目镜。因为头盔带有铜/氧化锡涂层，能起到隔热、除雾和保护眼睛接受未经过滤的阳光直射的作用，有导电性可以起到电磁屏蔽作用。此外，这个护目镜的特殊涂层可以调节光的反射和折射，同时也是一个科技感较强的平视显示器（HUD）和摄像头。
它在太空行走时才会工作，根据实际情况显示宇航员所处环境的压力、温度和相对湿度指数。同时，它还将检测宇航员暴露在太空真空中的时间。这些系统为宇航员的太空行走提供关键信息和视觉辅助。
在舱外时，宇航服的密封性与宇航员的生命紧密关联。SpaceX舱外服的冗余头盔密封、闭锁机构的锁定装置及增加的内部阀门用于容错的压力控制，确保在5.1Psia下运行的坚固性和安全性，可以兼顾舱内和舱外活动。
在太空的特殊环境内，宇航服的鞋子在失重条件下更需提供脚部的保护和支撑。值得一提的是，该宇航服的靴子由猎鹰9号和龙飞船的后备箱使用的热材料制成，能在太空中的高温和低温情况下都能提供热性能。
还有一个关键亮点，SpaceX佩戴的头盔是3D打印制成，采用聚碳酸酯材料，重量更轻，并能实现快速生产，降低成本和时间。在这次测试中证实，3D打印头盔能够经受深空极端条件的挑战。
北极星黎明计划的机组人员反馈，宇航服的效果很好。当Sarah出舱时，她感觉自己还能在航天器外多待一会儿。
图源：YouTube
从成本上来说，因使用了轻质、阻燃材料，集成了生命支持系统，重复利用热材料，可以合理推测，SpaceX的舱外航天服显著低于过亿美元造价NASA的EMU航天服。
SpaceX舱外航天服是否能支持长时间的太空行走还未可知，从实际的视频可以看出，身体探出舱外的宇航员行动缓慢，动作较僵硬。而航天飞机时代的EMU设计为服务100次航天飞机任务及15年的使用寿命。因此，两者的长期使用效益无法直接比较。
进度远超NASA新一代舱外宇航服
据报道，SpaceX的宇航服是由好莱坞电影服装设计大师Jose Fernandez旗下的Ironhead Studio打造，Jose本人提供了外观设计建议，再由SpaceX根据设计来实现宇航服的制作制造。该工作室曾负责《X战警》《复仇者联盟》《蝙蝠侠》《神奇女侠》的服装设计。
此次用于舱外行走的EVA宇航服完全由SpaceX自研，2014年，在其与NASA签订商业航天计划（Commercial Crew Program）合同后，开始为国际空间站的宇航员提供运输服务，在这一背景下，SpaceX开启探索舱外宇航服。
太空行走是“北极星黎明”的任务关键，舱外太空服的研发进度随这场计划推进，历经2年多的研发时间。原计划在2022年底进行，后来被多次推迟。在今年7月，SpaceX为EVA开发的新型宇航服完成验收测试。
“SpaceX的舱外宇航服可能比NASA正在造的宇航服还要好”，YouTube Tech Map评价。有观点称，在SpaceX推动人类首次商业太空行走后，其舱外宇航服可能会成为替代方案。
NASA早在1981年就展开了新一代舱外宇航服（Exploration Extravehicular Mobility Unit，xEMU）的研发，用于宇航员在月球表面行走时穿着。其外形与传统宇航服一致，由舱外压力服和生命维持系统组成。相较旧款，xEMU在内嵌通信系统、增加支撑轴承和材料等方面采用了新的设计。
图源：网络，EMU、xEMU
2022年9月，NASA舱外活动服务（xEVAS）合同要求开发下一代宇航员太空服支持Artemis登月计划，选择了“NASA前员工含量极高”明星创企Axiom和老牌航天Collins两家公司，合同价值12.6亿美元。
Axiom舱外机动装置（AxEMU）在NASA新一代宇航服xEMU原型的基础上进行改造。今年3月，Axiom完成了初步的设计审查，相较原计划要晚一些。NASA在德克萨斯州的活动上展示了首套原型宇航服。“Axiom的下一代宇航服不仅将使第一位女性踏上月球，还将为更多人探索月球进行科学研究提供机会，”NASA局长Bill Nelson表示。
因此外形上，Axiom的舱外服与xEMU设计非常相似，多层保护、体型肥大，成本高。
图源：Axiom，AxEMU
据公开资料，NASA与Axiom的合作方式是商务合同，即NASA从Axiom购买月球行走服务，后者可以主动寻找商业客户来支持月球行走。Axiom对xEMU结合先进技术做了改进，适应90%的美国男性和女性，并将在生命支持系统、压力服和航空电子设备中应用现代技术创新。
而据2024年月美国政府问责署（GAO）发布的《NASA：重大项目评估》里显示了NASA的EVA开发进度。Axiom相对较快，早在2022年12月就完成了任务概念审查，且建造了模拟太空环境的人体在真空环境测试的宇航服组件，同时也有进度延误风险。
此外，Axiom还需要跟同时制造宇航服的公司竞争，要解决部分组件独家供应商的问题，他们所寻求的服装组件在全球范围内供应数量有限。Axiom的代表人士提到，为其头盔提供涂层的公司倒闭了，需要寻找替代解决方案，也将延误进度。Axiom的竞争者同样也包含同期的另一家公司，Collins。
Collins在2023年4月完成了综合任务概念审查和认证基线审查，但因项目不符合NASA的质量和完整性的要求，还需完成国际空间站宇航服的机组人员能力评估，才能完成初步设计审查。由于文件审批的延误，进度大大推迟。而且在今年6月，因成本问题，Collins退出了合同，这意味着新一代舱外航天服的进度会更滞后。
尽管进度慢，NASA选择走稳妥的路，舱外活动和人类地面机动性项目经理Lara Kearney表示：“NASA利用行业能力和专业知识，尽可能安全、有效、高效地提供月球行走服务。”
有分析表示，尽管SpaceX的舱外宇航服简约设计，节省了类似阿波罗宇航服等宇航服上的安全和冗余设备，但会存在缺陷，即用料减少导致防破性能冗余下降，缺少修复工具包，一旦“脐带”断裂因SpaceX舱外服独立生存性能不足将带来隐患。并且，SpaceX宇航服没有外显屏信息告知相邻宇航员宇航服状态，不能及时相互救援。
同时，NASA也选择拥抱新的创新技术，探索利用3D打印技术改进宇航服设计。如前两年，NASA选择了十多项早期研究支持未来的太空任务，由创新先进概念（NIAC）计划资助，其中就包括一项：为火星探索制定高性能太空服4.0项目，使用包括3D打印在内的技术制造宇航服。
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