人造重力航天服饰及装置研究

◎吴锋

自第一颗人造卫星成功发射后，人类对太空的探索已取得了飞速发展，太空探索不断迈入新的台阶。随着我国天问一号如期奔向火星、嫦娥五号首次实现月球采样返回，特别是天宫空间站即将建成，中国如今已进入太空探索的“头部玩家”。人类载人航天实践早已证明失重对骨骼系统有明显的影响，可以引起骨密度减小、骨质脱钙、骨组织结构改变、骨力学性能降低等。而随着载人航天技术的发展、航天员在外太空停留时间的增加，生活和工作在太空对航天员的健康影响将极大增强。本文提出一种带人造重力环境的航天服饰及装置，使航天员在太空舱内外能像在地球时一样方便的行走和工作。采用重力加力器、重力拉力层、头帽拉力带及辅助装置，解决骨密度下降，肌肉流失等问题，有利于航天员的身心健康，提升航天员的国际形象。

从古至今，人类对太空的探索从未间断。自第一颗人造卫星成功发射后，随着科技水平的发展，人类对太空的探索已取得了飞速发展，太空探索不断迈入新的台阶。2020年，我国天问一号如期奔向火星、嫦娥五号首次实现月球采样返回，中国已进入太空探索的“头部玩家”。

随着我国空间站的建成，航天员登陆空间站，在外太空的时间将极大延长，但生活和工作在太空将对航天员的健康造成不利影响（图1 为中国空间站）。人类载人航天实践早已证明失重对骨骼系统有明显的影响，可以引起骨密度减小、骨质脱钙、骨组织结构改变、骨力学性能降低等。从国际空间站返回地球的航天员虽然笑对记者镜头，却很难站立。这是因为航天员在空间站工作时，地心引力对他们几乎没有什么影响，在微引力的作用下人体重量接近于零，全身肌肉比较放松，长此以往，肌肉得不到锻炼，就会出现萎缩的情况，回到地球后，他们全身乏力，无法正常行走。美国宇航局生物学家沙尔米·拉布哈塔查尔娅表示：零重力将对航天员的健康产生一系列影响，如骨密度下降，肌肉流失和视力下降等问题。因此人造重力一直以来就是太空探索的重要研究领域之一。

图1

一、人造重力分类

早在1883年，航天事业的先驱、前苏联的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就率先提出了人造重力这一概念；而且论证了旋转可以产生人造重力的可能性。目前在太空探索人造重力理论研究领域，主要有以下几种：

第一就是不断加速来模拟地球重力体验。这种方法虽然简单明了，但是却很费燃料，一直保持重力加速度需要消耗大量的能量，原理简单，但操作层面不可行。

第二是通过旋转来制造离心力，让宇航员们额外体验到一种力，这种离心力就可以带来重力体验的效果。

第三是通过电磁场额外施力形成人造重力。

第四是采用弹力和摩擦力，形成人造重力环境。

在现实中，设计与制造环形空间站非常困难，需要高熔度、高韧性、高强度的优质宇航材料，并且外太空科学实验研究需要空间站的失重环境，因此采用旋转方式制造人造重力的方式目前仍在研究。利用电磁场成人造重力受制于环境影响，目前也未采用。利用弹力和摩擦力产生的人造重力环境对宇航员而言最易实现也相对较简便、对周边环境影响也较小，目前主流的企鹅服基本都属于这一类型的范畴。

二、方案设计

航天员在空间站工作时，在微引力的作用下人体重量几乎是零，容易形成骨质疏松、肌肉流失等现象。而且在太空舱内处于飘浮状态，工作有诸多不便；因为失重，在太空出舱时易飘动，做外部检查工作更具有一定的风险性。若能穿戴一套带有人造重力环境的航天服，配以辅助装置，这些问题就就迎刃而解了。

本文提出一种带人造重力环境的航天服饰及装置，能使航天员在太空舱内外无需借助固定物前进，能像在地球时一样方便的行走和工作，如图2、图3 所示。其中序号标识部分名称如下：1.头帽重力拉力带，2.重力拉力层，3.连衣裤航天服，4.拉力弹簧组，5.腰关节固定圈，6.航天裤，7.固定架连接条，8.摩擦片架 压紧座，9.滚珠定位圈，10.重力调节螺帽，11.摩擦力定位片，12.弹簧，13.内双头螺圈，14.内棘轮扣，15.定位螺钉，16.滚珠，17.单向转动内棘轮座，18.摩擦片，19.外棘轮扣，20.固定架连接条，21.大腿固定包片，22.航天裤。

图2

图3

该航天服饰可分为三层，外层内层中间层。外层加包纱层防涨，衣、裤各有充气口，按需充气，充气后对全身施压，采用不同的弹力压，在无重力的情况下能使轻如鸿毛的肌肉不再膨胀，如图4 所示。衣服的弹力大于裤子，既增加了腿脚的供血，又可降低骨质酥松。另外在大腿、小腿活动关节处采用摩擦片结构的重力加力器，对不同的航天员进行定制，达到基本符合每位航天员腿部重量要求，这样在太空舱失重情况下，抬腿时用力才可基本与在地球一样，保护关节和肌肉不退化。

图4

由于在地球上存在重力，人类的上下关节负荷是不一样的，如头部关节只需负担头部的重量故较小，但腰背部的关节形状，由于每个关节部位上部负荷均不相同，越到下部腰和股骨部就需负担整个上身的重量，受力情况不同，形成上部较细长，越向下逐步变得越短越粗，这就是人类关节生长的物理现象。在外太空失重情况下，需做好相应的防护，避免骨质酥松和骨肉流失，可采用编织用弹力装置服饰，并且不同部位要施加不同的阻力。该航天服饰及装置在地面穿着时有一种压力感，由于重力加力器的作用，在地球引力作用下尤如增加了一条大腿的重量，但在外太空微重力环境下便会正常，因为在外太空和太空舱内失重情况下抬大腿力正好是重力加力器对大腿的重量补偿，不会再四处飘浮；当大腿放下时由于腿无重力，依靠复位弹簧即可把腿放置在太空舱地面。

同时为方便行走，可在太空鞋底部加设磁铁、在太空舱内地板上安装铁片。在太空舱外工作时，小腿上部磁铁吸住使上部固定，下部双脚鞋子底部磁铁或电磁铁吸住折叠式座铁片，航天员的下腿部有了四点固定，就会如在地球上一样在舱外工作了，降低出舱风险。为防止磁力可能造成的影响，可采用很小的电磁铁加防磁护圈，使用时打开电源，并且实际上航天员在微重力情况下只需很小的吸力即可方便地行走。

航天员穿戴该服饰后，也可在跑步机上进行锻炼，锻炼时抬腿用力效果基本上与在地球上锻炼相差不大。因为所需用力与在地球上时基本一致，锻炼时心跳也会加快，增加了供血覆盖面，同时使用弹力衣裤能分别对身体不同部位施压，血液可向腿部供应，使全身脊柱及肌肉受到节奏性的压力，各部位肌肉及关节筋骨不容易产生暂时性的退化，有效避免产生骨质酥松。这样航天员即使在太空停留时间较长，在返回地球时只需要给服饰卸压，出舱后不需要人扶持，便可以自行方便行走，极大地便利了航天员的工作和生活，有利于航天员的身心健康并提升这一特定群体的外在形象。

三、重点结构组成

1.重力加力器。在人体重要活动关节加装重力加力器，用腰关节固定架及大腿固定包片安装在航天服上，如图5、图6所示。采用单向转动内棘轮座，在抬腿时转动摩擦片结构要用力，但在太空舱内失重情况下抬大腿力正好是重力加力器对大腿的重量补偿，安装部位衣 裤内均加有布料等衬垫，使穿着舒适。生产制造时须一对一的针对不同航天员的大腿部重量进行测算，完成对航天员的各项测定后才可将关节重力加力器及衬垫安装在个人特制的连衣裤航天服内。可设计相关检测装置，调整好反向用力的施力值，基本达到与每位航天员腿部重量一致的要求，这样在天宫失重情况下行走，抬腿时才可与在地球上行走一样，保护关节和肌肉，避免退化流失。

图5

图6

2.重力拉力层。航天服上采用重力拉力层使全身节脊柱及关节肌肉呈类似于地球上的负重状态。重力拉力层由拉力细弹簧组或弹力材质组成。上身部分前后各安装拉力细弹簧组，可按每条弹簧拉力给航天员单独配备，这样可基本实现与各人在地面时脊柱及关节全身的重力一致。鞋子与裤子采用拉链加带扣的可活动式连接，内用拉链加带扣固定于鞋底部与双肩，拉紧时高度需少于双肩，这样在每走一步伸腿或站立时，足底部与身体双肩的距离缩短，使双肩部拉紧负重加压。这样在失重的情况下每走一部，全身脊柱骨及关节肌肉有节奏性的呈现负重状态，配合关节重力加力器，使航天员在太空舱行走和站立时类似在地球上一样受力，使整个人体关节及肌肉不易退化，与现有航天员舱外用航天服配合使用，更可使航天员出舱后方便攀走工作。

3.头帽重力拉力带。设置头帽重力拉力带，在工作时可使航天员头部柱骨在工作时呈受力状态和在地面一样，休息时可脱掉，即使工作时间较长，返回地面出舱时不会产生头颈柱骨不适情况。

4.磁力装置。为使航天员在太空舱内外行走工作与在地球上一样方便，可在太空舱内地板上和太空舱外安装铁片或折叠式座铁片，为减少整体重量，可按照人类步行距离和需要操作的部位外按需安装使用，如图7 所示。当航天员在太空舱内外行走时，由于鞋子底部设有磁力装置、太空舱内地板上安装有铁片可方便行走；在太空舱外工作时，开启腿部位置的磁力机构便可使上部固定，开启脚底部磁铁机构可固定双脚，这样至少可形成四点位固定，航天员就会如在地球上重力环境一样在太空舱外工作了，需要行走时断开磁力机构即可，操作简单安全便捷。

图7

四、结论

本文提出的人造重力航天服饰及装置，可达到如下几个目的，实施简单，效果显著：

1.方便工作，采用关节重力加力器使抬腿行走用力如在地球上一样，航天员的全身骨头关节负重类似于身在地球，不会因抬腿无重量而减慢心跳使腿部供血不足，可使腿部关节及肌肉不易退化。

2.重力拉力带保证航天员的全身脊柱骨和关节达到和不失重的状态下压力相似，即使在太空舱工作时间较长，整个人体关节及肌肉也有保健效果。

3.由于航天员在舱内外工作抬腿行走用力如在地球上一样，不会导致心跳减慢导致减少血液的流动。

4.使用弹力服或编织式弹力衣裤，使在太空中轻如鸿毛的肌肉在无重力情况下不再膨胀，降低了航天员骨质酥松的产生，对弹力服或弹力衣裤分段实施弹力，还可恢复腿脚的供血量。

5.与现有出舱外用航天服配合使用，可大大降低航天员在太空舱外工作的风险。

6.返回地面出舱时不用人扶持，可自己方便行走，保证航天员的身心健康，提升国际形象。