◎吳鋒
自第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射后,人類對太空的探索已取得了飛速發(fā)展,太空探索不斷邁入新的臺階。隨著我國天問一號如期奔向火星、嫦娥五號首次實現(xiàn)月球采樣返回,特別是天宮空間站即將建成,中國如今已進入太空探索的“頭部玩家”。人類載人航天實踐早已證明失重對骨骼系統(tǒng)有明顯的影響,可以引起骨密度減小、骨質(zhì)脫鈣、骨組織結(jié)構(gòu)改變、骨力學(xué)性能降低等。而隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展、航天員在外太空停留時間的增加,生活和工作在太空對航天員的健康影響將極大增強。本文提出一種帶人造重力環(huán)境的航天服飾及裝置,使航天員在太空艙內(nèi)外能像在地球時一樣方便的行走和工作。采用重力加力器、重力拉力層、頭帽拉力帶及輔助裝置,解決骨密度下降,肌肉流失等問題,有利于航天員的身心健康,提升航天員的國際形象。
從古至今,人類對太空的探索從未間斷。自第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射后,隨著科技水平的發(fā)展,人類對太空的探索已取得了飛速發(fā)展,太空探索不斷邁入新的臺階。2020年,我國天問一號如期奔向火星、嫦娥五號首次實現(xiàn)月球采樣返回,中國已進入太空探索的“頭部玩家”。
隨著我國空間站的建成,航天員登陸空間站,在外太空的時間將極大延長,但生活和工作在太空將對航天員的健康造成不利影響(圖1 為中國空間站)。人類載人航天實踐早已證明失重對骨骼系統(tǒng)有明顯的影響,可以引起骨密度減小、骨質(zhì)脫鈣、骨組織結(jié)構(gòu)改變、骨力學(xué)性能降低等。從國際空間站返回地球的航天員雖然笑對記者鏡頭,卻很難站立。這是因為航天員在空間站工作時,地心引力對他們幾乎沒有什么影響,在微引力的作用下人體重量接近于零,全身肌肉比較放松,長此以往,肌肉得不到鍛煉,就會出現(xiàn)萎縮的情況,回到地球后,他們?nèi)矸α?,無法正常行走。美國宇航局生物學(xué)家沙爾米·拉布哈塔查爾婭表示:零重力將對航天員的健康產(chǎn)生一系列影響,如骨密度下降,肌肉流失和視力下降等問題。因此人造重力一直以來就是太空探索的重要研究領(lǐng)域之一。
圖1
早在1883年,航天事業(yè)的先驅(qū)、前蘇聯(lián)的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基就率先提出了人造重力這一概念;而且論證了旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生人造重力的可能性。目前在太空探索人造重力理論研究領(lǐng)域,主要有以下幾種:
第一就是不斷加速來模擬地球重力體驗。這種方法雖然簡單明了,但是卻很費燃料,一直保持重力加速度需要消耗大量的能量,原理簡單,但操作層面不可行。
第二是通過旋轉(zhuǎn)來制造離心力,讓宇航員們額外體驗到一種力,這種離心力就可以帶來重力體驗的效果。
第三是通過電磁場額外施力形成人造重力。
第四是采用彈力和摩擦力,形成人造重力環(huán)境。
在現(xiàn)實中,設(shè)計與制造環(huán)形空間站非常困難,需要高熔度、高韌性、高強度的優(yōu)質(zhì)宇航材料,并且外太空科學(xué)實驗研究需要空間站的失重環(huán)境,因此采用旋轉(zhuǎn)方式制造人造重力的方式目前仍在研究。利用電磁場成人造重力受制于環(huán)境影響,目前也未采用。利用彈力和摩擦力產(chǎn)生的人造重力環(huán)境對宇航員而言最易實現(xiàn)也相對較簡便、對周邊環(huán)境影響也較小,目前主流的企鵝服基本都屬于這一類型的范疇。
航天員在空間站工作時,在微引力的作用下人體重量幾乎是零,容易形成骨質(zhì)疏松、肌肉流失等現(xiàn)象。而且在太空艙內(nèi)處于飄浮狀態(tài),工作有諸多不便;因為失重,在太空出艙時易飄動,做外部檢查工作更具有一定的風(fēng)險性。若能穿戴一套帶有人造重力環(huán)境的航天服,配以輔助裝置,這些問題就就迎刃而解了。
本文提出一種帶人造重力環(huán)境的航天服飾及裝置,能使航天員在太空艙內(nèi)外無需借助固定物前進,能像在地球時一樣方便的行走和工作,如圖2、圖3 所示。其中序號標(biāo)識部分名稱如下:1.頭帽重力拉力帶,2.重力拉力層,3.連衣褲航天服,4.拉力彈簧組,5.腰關(guān)節(jié)固定圈,6.航天褲,7.固定架連接條,8.摩擦片架 壓緊座,9.滾珠定位圈,10.重力調(diào)節(jié)螺帽,11.摩擦力定位片,12.彈簧,13.內(nèi)雙頭螺圈,14.內(nèi)棘輪扣,15.定位螺釘,16.滾珠,17.單向轉(zhuǎn)動內(nèi)棘輪座,18.摩擦片,19.外棘輪扣,20.固定架連接條,21.大腿固定包片,22.航天褲。
圖2
圖3
該航天服飾可分為三層,外層內(nèi)層中間層。外層加包紗層防漲,衣、褲各有充氣口,按需充氣,充氣后對全身施壓,采用不同的彈力壓,在無重力的情況下能使輕如鴻毛的肌肉不再膨脹,如圖4 所示。衣服的彈力大于褲子,既增加了腿腳的供血,又可降低骨質(zhì)酥松。另外在大腿、小腿活動關(guān)節(jié)處采用摩擦片結(jié)構(gòu)的重力加力器,對不同的航天員進行定制,達到基本符合每位航天員腿部重量要求,這樣在太空艙失重情況下,抬腿時用力才可基本與在地球一樣,保護關(guān)節(jié)和肌肉不退化。
圖4
由于在地球上存在重力,人類的上下關(guān)節(jié)負荷是不一樣的,如頭部關(guān)節(jié)只需負擔(dān)頭部的重量故較小,但腰背部的關(guān)節(jié)形狀,由于每個關(guān)節(jié)部位上部負荷均不相同,越到下部腰和股骨部就需負擔(dān)整個上身的重量,受力情況不同,形成上部較細長,越向下逐步變得越短越粗,這就是人類關(guān)節(jié)生長的物理現(xiàn)象。在外太空失重情況下,需做好相應(yīng)的防護,避免骨質(zhì)酥松和骨肉流失,可采用編織用彈力裝置服飾,并且不同部位要施加不同的阻力。該航天服飾及裝置在地面穿著時有一種壓力感,由于重力加力器的作用,在地球引力作用下尤如增加了一條大腿的重量,但在外太空微重力環(huán)境下便會正常,因為在外太空和太空艙內(nèi)失重情況下抬大腿力正好是重力加力器對大腿的重量補償,不會再四處飄??;當(dāng)大腿放下時由于腿無重力,依靠復(fù)位彈簧即可把腿放置在太空艙地面。
同時為方便行走,可在太空鞋底部加設(shè)磁鐵、在太空艙內(nèi)地板上安裝鐵片。在太空艙外工作時,小腿上部磁鐵吸住使上部固定,下部雙腳鞋子底部磁鐵或電磁鐵吸住折疊式座鐵片,航天員的下腿部有了四點固定,就會如在地球上一樣在艙外工作了,降低出艙風(fēng)險。為防止磁力可能造成的影響,可采用很小的電磁鐵加防磁護圈,使用時打開電源,并且實際上航天員在微重力情況下只需很小的吸力即可方便地行走。
航天員穿戴該服飾后,也可在跑步機上進行鍛煉,鍛煉時抬腿用力效果基本上與在地球上鍛煉相差不大。因為所需用力與在地球上時基本一致,鍛煉時心跳也會加快,增加了供血覆蓋面,同時使用彈力衣褲能分別對身體不同部位施壓,血液可向腿部供應(yīng),使全身脊柱及肌肉受到節(jié)奏性的壓力,各部位肌肉及關(guān)節(jié)筋骨不容易產(chǎn)生暫時性的退化,有效避免產(chǎn)生骨質(zhì)酥松。這樣航天員即使在太空停留時間較長,在返回地球時只需要給服飾卸壓,出艙后不需要人扶持,便可以自行方便行走,極大地便利了航天員的工作和生活,有利于航天員的身心健康并提升這一特定群體的外在形象。
1.重力加力器。在人體重要活動關(guān)節(jié)加裝重力加力器,用腰關(guān)節(jié)固定架及大腿固定包片安裝在航天服上,如圖5、圖6所示。采用單向轉(zhuǎn)動內(nèi)棘輪座,在抬腿時轉(zhuǎn)動摩擦片結(jié)構(gòu)要用力,但在太空艙內(nèi)失重情況下抬大腿力正好是重力加力器對大腿的重量補償,安裝部位衣 褲內(nèi)均加有布料等襯墊,使穿著舒適。生產(chǎn)制造時須一對一的針對不同航天員的大腿部重量進行測算,完成對航天員的各項測定后才可將關(guān)節(jié)重力加力器及襯墊安裝在個人特制的連衣褲航天服內(nèi)??稍O(shè)計相關(guān)檢測裝置,調(diào)整好反向用力的施力值,基本達到與每位航天員腿部重量一致的要求,這樣在天宮失重情況下行走,抬腿時才可與在地球上行走一樣,保護關(guān)節(jié)和肌肉,避免退化流失。
圖5
圖6
2.重力拉力層。航天服上采用重力拉力層使全身節(jié)脊柱及關(guān)節(jié)肌肉呈類似于地球上的負重狀態(tài)。重力拉力層由拉力細彈簧組或彈力材質(zhì)組成。上身部分前后各安裝拉力細彈簧組,可按每條彈簧拉力給航天員單獨配備,這樣可基本實現(xiàn)與各人在地面時脊柱及關(guān)節(jié)全身的重力一致。鞋子與褲子采用拉鏈加帶扣的可活動式連接,內(nèi)用拉鏈加帶扣固定于鞋底部與雙肩,拉緊時高度需少于雙肩,這樣在每走一步伸腿或站立時,足底部與身體雙肩的距離縮短,使雙肩部拉緊負重加壓。這樣在失重的情況下每走一部,全身脊柱骨及關(guān)節(jié)肌肉有節(jié)奏性的呈現(xiàn)負重狀態(tài),配合關(guān)節(jié)重力加力器,使航天員在太空艙行走和站立時類似在地球上一樣受力,使整個人體關(guān)節(jié)及肌肉不易退化,與現(xiàn)有航天員艙外用航天服配合使用,更可使航天員出艙后方便攀走工作。
3.頭帽重力拉力帶。設(shè)置頭帽重力拉力帶,在工作時可使航天員頭部柱骨在工作時呈受力狀態(tài)和在地面一樣,休息時可脫掉,即使工作時間較長,返回地面出艙時不會產(chǎn)生頭頸柱骨不適情況。
4.磁力裝置。為使航天員在太空艙內(nèi)外行走工作與在地球上一樣方便,可在太空艙內(nèi)地板上和太空艙外安裝鐵片或折疊式座鐵片,為減少整體重量,可按照人類步行距離和需要操作的部位外按需安裝使用,如圖7 所示。當(dāng)航天員在太空艙內(nèi)外行走時,由于鞋子底部設(shè)有磁力裝置、太空艙內(nèi)地板上安裝有鐵片可方便行走;在太空艙外工作時,開啟腿部位置的磁力機構(gòu)便可使上部固定,開啟腳底部磁鐵機構(gòu)可固定雙腳,這樣至少可形成四點位固定,航天員就會如在地球上重力環(huán)境一樣在太空艙外工作了,需要行走時斷開磁力機構(gòu)即可,操作簡單安全便捷。
圖7
本文提出的人造重力航天服飾及裝置,可達到如下幾個目的,實施簡單,效果顯著:
1.方便工作,采用關(guān)節(jié)重力加力器使抬腿行走用力如在地球上一樣,航天員的全身骨頭關(guān)節(jié)負重類似于身在地球,不會因抬腿無重量而減慢心跳使腿部供血不足,可使腿部關(guān)節(jié)及肌肉不易退化。
2.重力拉力帶保證航天員的全身脊柱骨和關(guān)節(jié)達到和不失重的狀態(tài)下壓力相似,即使在太空艙工作時間較長,整個人體關(guān)節(jié)及肌肉也有保健效果。
3.由于航天員在艙內(nèi)外工作抬腿行走用力如在地球上一樣,不會導(dǎo)致心跳減慢導(dǎo)致減少血液的流動。
4.使用彈力服或編織式彈力衣褲,使在太空中輕如鴻毛的肌肉在無重力情況下不再膨脹,降低了航天員骨質(zhì)酥松的產(chǎn)生,對彈力服或彈力衣褲分段實施彈力,還可恢復(fù)腿腳的供血量。
5.與現(xiàn)有出艙外用航天服配合使用,可大大降低航天員在太空艙外工作的風(fēng)險。
6.返回地面出艙時不用人扶持,可自己方便行走,保證航天員的身心健康,提升國際形象。