新型宇航服能让人类在月球上永久定居吗

北京时间 8 月 31 日消息,据国外媒体报道,为了重返月球,并让人类实现在月球上永久定居,美国国家航空航天局(NASA)正在开发名为“xEMU”的新型宇航服,据称其配备了最先进的生命维持系统

1969 年 7 月 20 日,作为阿波罗 11 号任务的一部分,尼尔・阿姆斯特朗踏上了月球表面,(巴兹・奥尔德林是第二个踏上月球的人),并说出了那句著名的话:“这是我的一小步,却是人类的一大步。”从那时起,陆续有 12 个人在月球表面行走过。

登月任务大部分是由轨道飞行器和着陆器完成的,并没有在月球上建立任何永久性的人类基地。不过,NASA 已经公布了其雄心勃勃的阿耳特弥斯(Artemis)计划,试图在月球表面建立一个用于科学调查的永久基地,并为未来的火星任务提供中继点。

在月球表面的永久存在与在月球上进行数天的行走然后返回地球是完全不同的。这需要开发新的火箭、宇航服和模块化基础设施,为人类在月球上的长期活动提供保障。接下来,就让我们更深入地了解在月球表面生活所面临的挑战。

月球的生存挑战

人类的身体就像一台机器,在地球上,我们能以最佳的状态运转。但在月球上,如果我们想长期生活甚至永久定居,就需要克服以下挑战:

(1)月球的引力大约是地球的六分之一。这样的低重力环境使气体分子无法存在于在月球表面附近。因此,月球缺乏与地球相当的大气层,大气压力极低(只有 3.0×10^-15 bar,与地球相比几乎就是真空)。

(2)在真空中,液体的沸点急剧下降,这意味着液体会自发地形成气体。此时,人体肺部的空气会膨胀,体液也会膨胀,挤压器官组织和血管,导致腹胀。长期暴露(>90s)在真空中是致命的(参见 1971 年的联盟 11 号飞船减压事故)。

(3)缺少大气也就意味着缺少氧气。由于缺少大气压,肺部原先存在的氧气会迅速扩散出肺部。此外,氧气缺乏还意味着人体不能通过呼吸向肺部输送更多的氧气。器官停止接收含氧血液,人体也会因为大脑停止工作而昏厥。持续缺氧无疑是致命的。

(4)此外,缺乏强磁场和臭氧层意味着人体将暴露在外太空的有害电离辐射当中,这可能会导致一系列问题。

(5)在地球上,人类的肌肉骨骼系统已经适应了一定的重力。失重状态会加速肌肉萎缩和骨骼系统衰弱,有点类似于长期卧床的病人。

(6)月球的温度变化很大,从白天的 120 摄氏度到晚上的零下 130 摄氏度。

(7)每年数以百万计的陨石撞击,高昼夜温差和缺少空气,都使月球表面聚集了非常细的、类似于玻璃碎片的颗粒。这些碎片会损坏仪器和宇航服。

火箭和太空服技术的新进展

在月球上建立人类的永久基地需要将大量的有效载荷(食物、水、备件、氧气和其他维持基地运行所需的必要物品)定期被运送到月球。这促使 NASA 开发了一些新的技术,其中最突出的是以下两项:

(1)由猎户座飞船(Orion Spacecraft)、空间发射系统(SLS)和地面勘探系统(Exploration Ground System)组成的深空运输系统。

(2)xEMU 航天服。

让我们来深入了解一下 xEMU 宇航服。

太空服必须满足的要求

1)基本的生存要求

・提供一个稳定的模拟大气压,与地球上的大气压相当;

・提供可呼吸的氧气并去除二氧化碳(二氧化碳涤气);

・保持舒适的温度,进行温度调节;

・提供辐射防护;

・提供宇宙尘埃和太空碎片的防护。

2)二级要求

满足这些要求的宇航服可以使宇航员在太空中保持生产力。

・使四肢活动自如;

・清除并回收身体排泄物;

・提供通信系统;

・提供完成特定任务所需的配件,例如在太空行走期间,修理和安装模块所需要的专门工具,其中一些必须嵌入到太空服内部或放置在太空服上;

・放置必要食物和饮料的袋子。

美国新一代宇航服:舱外探索活动单元(xEMU)

自 1982 年以来,NASA 宇航员进行舱外活动时一直穿着的宇航服被称为“舱外活动单元”(EMU)。最新的阿耳特弥斯任务激励了新一代宇航服,即舱外探索活动单元(xEMU)的开发。据估计,这款新型宇航服将于本世纪 20 年代中期交付使用。

xEMU 的组件

(1)探索便携式生命支持系统(xPLSS)

xPLSS 是负责维持太空服内生存条件的系统。简而言之,这是一个配备了生存必要系统的背包,该系统包括一个主氧气供应装置(主氧回路)和一个备用氧气供应装置(次级氧回路)。气体主要储存在气瓶中(约 20700 kPa),安装在 xPLSS 背包上。

主氧回路执行以下功能:为头盔提供呼吸用的氧气,并为整个宇航服提供氧气以保持对身体的压力并保持通风(将呼出的二氧化碳从头盔中去除)。

(2)呼吸氧气供应装置

头盔中具有泡沫装置,对头部均匀施加 20.7 kPa 的压力。气瓶中的氧气通过管道系统进入宇航服的上半身部分,最终进入头盔的后部。氧气的流速为每分钟 0.17 立方米。当氧气流到头盔前部时,可以将人体呼出的二氧化碳置换到收集管中(二氧化碳涤气)。

(3)恒定压力装置

这套宇航服具有一个气囊层,由 xPLSS 提供的氧气充气。该气囊可以对人体躯干均匀施加 20.7 kPa 的压力。

(4)温度调节装置

温度调节的设计包括两个部分。第一个部分是可以适应不同体型的液体冷却服,它可以从 xPLSS 接收冷水,并让冷水围绕整个衣服循环,保持约 20 摄氏度的温度。当水吸收热量后,会回到 xPLSS 中的太空服水膜蒸发器(SWME),这是该系统的第二个部分。

SWME 由微孔组成(约 10^-6 m),外部保持低压状态。当温水接触到这些微孔时,由于另一侧的压力较低,水就蒸发并失去热量。剩余的水通过 SWME 后冷却下来,可以再次注入太空服。

(5)食物和饮用水供应装置

宇航服的上半身部分包含了用于携带食物棒和饮用水的袋子。这些补给品的主要来源将是“母舰”,即月球基地。宇航员在进行舱外活动之前需要做好膳食计划。

建立月球永久基地的第一步大致会在本世纪 20 年代中期实现,因为相关技术仍处于不同的发展阶段。考虑到 NASA 以往的登月记录,以及该项目的合作性质,我们可以相当有把握地说,在月球上永久基地确实是可能的。国际空间站曾经被认为是不可能的,但现在仍在运行,成为人类最伟大的成就之一。下一个这样的成就可能就是月球基地。

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