來源丨創(chuàng)業(yè)邦（ID：ichuangyebang）
作者丨臨風
編輯丨海腰
首圖丨法新社
9月12日，在距離地表700公里的地球軌道上，北極星黎明號（Polaris Dawn）指揮官Jared Isaacman成為第一位執(zhí)行EVA（艙外活動）的私人宇航員。
15日，載人龍飛船濺落在墨西哥灣，結束了5天任務，標志著“北極星黎明”任務結束，SpaceX第五次私人宇航員任務順利完成。
圖源：SpaceX，“北極星黎明號”四名機組人員
Jared Isaacman是一名億萬富翁，支付企業(yè)Shift4 Payments的創(chuàng)始人，此次北極星黎明號飛行是他委托SpaceX進行的私人載人航天飛行。畫面顯示，機組成員Jared和Sarah Gillis輪流從龍飛船的艙門中出現(xiàn)，分別花了約10分鐘時間測試SpaceX的EVA套裝。這次出艙是一次“站立”出艙，宇航員沒有從航天器中飛出。
這次艙外行走中的SpaceX宇航服，是SpaceX歷經(jīng)2年多時間開發(fā)的新款宇航服，相較NASA傳統(tǒng)宇航服更加輕便、合身。據(jù)報道，北極星黎明號中宇航員所著的宇航服幾乎全是柔軟材質(zhì)，采用了從航天器中回收的熱絕緣和防輻射紡織設計，更加易于制造，成本更低。
用上3D打印、航天器回收材料
首次商業(yè)太空行走是商業(yè)航天業(yè)的里程碑，沒有政府資金參與，主打一個“平民有錢真能上天”。這也是Jared Isaacman第二次上太空，在此之前，他發(fā)起了Inspiration4全平民航天任務，希望提高知名度，為圣裘德兒童醫(yī)院募捐。那次飛行也是他與SpaceX合作，且完全由Jared出資，帶一名癌癥患者、一名醫(yī)生和一名小學老師乘坐龍飛船上天，在軌道上停留了3天。
“北極星黎明”是北極星計劃的任務一，該計劃是由Jared Isaacman與SpaceX簽約進行的太空私人飛行計劃，同樣目的明確。計劃分為3步，前兩次將使用Crew Dragon完成，除第一次任務驗證SpaceX艙外服的可靠性，還有“拯救”哈勃太空望遠鏡的任務，而第三次將是SpaceX星艦運載火箭的首次載人發(fā)射任務。
圖源：維基百科
北極星計劃官網(wǎng)顯示，9月10日進行的任務一，有高軌載人飛行、首次商業(yè)太空行走、基于Starlink的太空通信與健康影響研究四大目標。據(jù)SpaceNews，獵鷹9號將龍飛船送入橢圓軌道，達到1408.1公里的高空，也達到了目前載人地球軌道任務的最高高度。
圖源：北極星黎明官網(wǎng)
太空行走發(fā)生在9月12日，也就是龍飛船繞地飛行約6圈后，將距離降低至距離地表約720公里的地方，在澳大利亞和新西蘭的上空時，Jared Isaacman從艙門走出，隨后是SpaceX工程師Sarah Gillis。
此外，這次任務測試了新的通信技術，特別是Starlink的激光太空通信技術，計劃為未來的月球、火星及更遠的太空任務鋪平道路。
據(jù)《華盛頓郵報》，龍飛船沒有專門的氣閘艙，因此采用“全艙減壓”的辦法，將整個飛船作為氣閘艙，整個飛船的返回艙全部放氣至真空狀態(tài)，直至與太空環(huán)境壓力平衡后打開飛船頂部艙門。Jared和Sarah交替執(zhí)行出艙活動，回到機艙后關閉艙口并開始用氧氣和氮氣重新加壓。
從視頻畫面可以看出，在出艙時宇航服略微有膨脹，每位宇航員帶有一根“臍帶”在太空行走時控制冷卻和氧氣。這個過程中，宇航員的沒有更換宇航服，做到艙內(nèi)、艙外航天服一體化。
圖源：YouTube
艙外活動是十分危險的活動，太空中沒有空氣供應，宇航員將暴露在太陽輻射和宇宙射線之中，并有極端冷或極端熱的溫度情況。并且，艙外宇航服還需具備關節(jié)靈活性和機動性，方便宇航員執(zhí)行各類操作和任務。
今年5月，SpaceX的首套艙外宇航服（EVA，extravehicular activity）首次亮相，是基于載人龍飛船的黑白艙內(nèi)活動服（IVA，intravehicular activity）的演變，在關鍵區(qū)域進行了增強和改進，使其重量輕，同時能在嚴酷的外太空環(huán)境中保護宇航員。
這次行走，SpaceX的艙外宇航服成為關注焦點，網(wǎng)友稱其中暗藏“黑科技”?！八褚惶子每椢镒龀傻目住?，首席宇航服工程師Erik Kraus說。
首先是視覺上的直觀感受，相較傳統(tǒng)的艙外宇航服，SpaceX的艙外服相當簡潔、輕薄，就像穿了一套連體工裝。因需攜帶生命支持系統(tǒng)應對太空中的極端條件，以前的宇航服往往被設計為肥大、沉重的外形，一套宇航服類似一臺小型航天器，穿脫方式有“背入式”、“腰入式”和“雙平面穿入式”等，需組裝完成。
圖源：網(wǎng)絡，SpaceX IVA、SpaceX EVA
而SpaceX的艙外服將一套復雜的系統(tǒng)給做了集成化。據(jù)大劉科普頻道，一套傳統(tǒng)的宇航服有十幾層結構，第一層內(nèi)衣層直接與皮膚接觸監(jiān)測宇航員心率、體溫和呼吸，第二層利用多個細管液溫調(diào)節(jié)，相當于一個貼身的空調(diào)，第三層加壓層填充氣體提供壓力，第四層約束層會將氣體約束為符合人體工學的形狀，第五層是由各類纖維組成的堅硬外殼，能抵御碎片撞擊。
尤其是艙外宇航服更需滿足保溫、氣壓、防護和靈活性四大特點。大劉介紹：“而SpaceX宇航服從簡約、時尚的角度出發(fā)，要求工程師在逆向時盡可能簡化傳統(tǒng)的構造，把很多功能進行簡并設計?！痹贓VA宇航服中，SpaceX通過“臍帶”將純氧替換內(nèi)部的氮氧混合氣，既能維持壓力，也能維持呼吸，同時調(diào)節(jié)溫度。簡化設計，一服兩用。
SpaceX的艙外服與傳統(tǒng)的艙外服相比，重量極大減輕。據(jù)資料，NASA近地軌道出艙活動的航天服基本型重約115KG（增強型重約145KG），我國第二代“飛天”航天服重量增加至130KG。盡管SpaceX的EVA艙外服重量還未可知，但有網(wǎng)友在reddit討論帖中指出，SpaceX龍飛船內(nèi)IVA艙內(nèi)服重約10公斤。因其艙外服不帶有救生系統(tǒng)，重量很可能比航天飛機ACES或NASA的EMU輕得多。
不像傳統(tǒng)艙外服有多層裝備，這身航天服穿起來很方便。SpaceX的艙外服腰部設計有螺旋拉鏈，前臂上的拉鏈在宇航員不戴手套的情況下可以打開并允許徒手操作，便于快速穿脫。且航天服設計可針對各種體型進行擴展，以適應不同宇航員的身材，確保每位宇航員能找到合適的尺寸，且各個部件可以相對容易地組裝和拆卸。
從官網(wǎng)介紹來看，SpaceX的艙外服的主色系是白黑，頭戴特殊涂層頭盔，腳踏一雙長靴，更貼合人類身形。外層主體織物是SpaceX新開發(fā)的一類阻燃彈性材料，織物隔熱保暖，便于制造且提高了宇航服的柔韌度。
圖源：北極星黎明官網(wǎng)
那條連接宇航員與內(nèi)部設備的“臍帶”上有一個刻度盤，用于控制宇航服內(nèi)溫度，提供太空行走期間的額外氧氣。
據(jù)介紹，該艙外服具有靈活機動性。手腕、肘部、腰部和腿部的彎曲關節(jié)處可提供加壓的活動能力，創(chuàng)新的半剛性旋轉(zhuǎn)接頭在加壓前保持柔軟，同時允許手臂旋轉(zhuǎn)。如Sarah探出艙門時，可以旋轉(zhuǎn)手腕把住橫桿。
宇航員的頭盔是他們的護目鏡。因為頭盔帶有銅/氧化錫涂層，能起到隔熱、除霧和保護眼睛接受未經(jīng)過濾的陽光直射的作用，有導電性可以起到電磁屏蔽作用。此外，這個護目鏡的特殊涂層可以調(diào)節(jié)光的反射和折射，同時也是一個科技感較強的平視顯示器（HUD）和攝像頭。
它在太空行走時才會工作，根據(jù)實際情況顯示宇航員所處環(huán)境的壓力、溫度和相對濕度指數(shù)。同時，它還將檢測宇航員暴露在太空真空中的時間。這些系統(tǒng)為宇航員的太空行走提供關鍵信息和視覺輔助。
在艙外時，宇航服的密封性與宇航員的生命緊密關聯(lián)。SpaceX艙外服的冗余頭盔密封、閉鎖機構的鎖定裝置及增加的內(nèi)部閥門用于容錯的壓力控制，確保在5.1Psia下運行的堅固性和安全性，可以兼顧艙內(nèi)和艙外活動。
在太空的特殊環(huán)境內(nèi)，宇航服的鞋子在失重條件下更需提供腳部的保護和支撐。值得一提的是，該宇航服的靴子由獵鷹9號和龍飛船的后備箱使用的熱材料制成，能在太空中的高溫和低溫情況下都能提供熱性能。
還有一個關鍵亮點，SpaceX佩戴的頭盔是3D打印制成，采用聚碳酸酯材料，重量更輕，并能實現(xiàn)快速生產(chǎn)，降低成本和時間。在這次測試中證實，3D打印頭盔能夠經(jīng)受深空極端條件的挑戰(zhàn)。
北極星黎明計劃的機組人員反饋，宇航服的效果很好。當Sarah出艙時，她感覺自己還能在航天器外多待一會兒。
圖源：YouTube
從成本上來說，因使用了輕質(zhì)、阻燃材料，集成了生命支持系統(tǒng)，重復利用熱材料，可以合理推測，SpaceX的艙外航天服顯著低于過億美元造價NASA的EMU航天服。
SpaceX艙外航天服是否能支持長時間的太空行走還未可知，從實際的視頻可以看出，身體探出艙外的宇航員行動緩慢，動作較僵硬。而航天飛機時代的EMU設計為服務100次航天飛機任務及15年的使用壽命。因此，兩者的長期使用效益無法直接比較。
進度遠超NASA新一代艙外宇航服
據(jù)報道，SpaceX的宇航服是由好萊塢電影服裝設計大師Jose Fernandez旗下的Ironhead Studio打造，Jose本人提供了外觀設計建議，再由SpaceX根據(jù)設計來實現(xiàn)宇航服的制作制造。該工作室曾負責《X戰(zhàn)警》《復仇者聯(lián)盟》《蝙蝠俠》《神奇女俠》的服裝設計。
此次用于艙外行走的EVA宇航服完全由SpaceX自研，2014年，在其與NASA簽訂商業(yè)航天計劃（Commercial Crew Program）合同后，開始為國際空間站的宇航員提供運輸服務，在這一背景下，SpaceX開啟探索艙外宇航服。
太空行走是“北極星黎明”的任務關鍵，艙外太空服的研發(fā)進度隨這場計劃推進，歷經(jīng)2年多的研發(fā)時間。原計劃在2022年底進行，后來被多次推遲。在今年7月，SpaceX為EVA開發(fā)的新型宇航服完成驗收測試。
“SpaceX的艙外宇航服可能比NASA正在造的宇航服還要好”，YouTube Tech Map評價。有觀點稱，在SpaceX推動人類首次商業(yè)太空行走后，其艙外宇航服可能會成為替代方案。
NASA早在1981年就展開了新一代艙外宇航服（Exploration Extravehicular Mobility Unit，xEMU）的研發(fā)，用于宇航員在月球表面行走時穿著。其外形與傳統(tǒng)宇航服一致，由艙外壓力服和生命維持系統(tǒng)組成。相較舊款，xEMU在內(nèi)嵌通信系統(tǒng)、增加支撐軸承和材料等方面采用了新的設計。
圖源：網(wǎng)絡，EMU、xEMU
2022年9月，NASA艙外活動服務（xEVAS）合同要求開發(fā)下一代宇航員太空服支持Artemis登月計劃，選擇了“NASA前員工含量極高”明星創(chuàng)企Axiom和老牌航天Collins兩家公司，合同價值12.6億美元。
Axiom艙外機動裝置（AxEMU）在NASA新一代宇航服xEMU原型的基礎上進行改造。今年3月，Axiom完成了初步的設計審查，相較原計劃要晚一些。NASA在德克薩斯州的活動上展示了首套原型宇航服?！癆xiom的下一代宇航服不僅將使第一位女性踏上月球，還將為更多人探索月球進行科學研究提供機會，”NASA局長Bill Nelson表示。
因此外形上，Axiom的艙外服與xEMU設計非常相似，多層保護、體型肥大，成本高。
圖源：Axiom，AxEMU
據(jù)公開資料，NASA與Axiom的合作方式是商務合同，即NASA從Axiom購買月球行走服務，后者可以主動尋找商業(yè)客戶來支持月球行走。Axiom對xEMU結合先進技術做了改進，適應90%的美國男性和女性，并將在生命支持系統(tǒng)、壓力服和航空電子設備中應用現(xiàn)代技術創(chuàng)新。
而據(jù)2024年月美國政府問責署（GAO）發(fā)布的《NASA：重大項目評估》里顯示了NASA的EVA開發(fā)進度。Axiom相對較快，早在2022年12月就完成了任務概念審查，且建造了模擬太空環(huán)境的人體在真空環(huán)境測試的宇航服組件，同時也有進度延誤風險。
此外，Axiom還需要跟同時制造宇航服的公司競爭，要解決部分組件獨家供應商的問題，他們所尋求的服裝組件在全球范圍內(nèi)供應數(shù)量有限。Axiom的代表人士提到，為其頭盔提供涂層的公司倒閉了，需要尋找替代解決方案，也將延誤進度。Axiom的競爭者同樣也包含同期的另一家公司，Collins。
Collins在2023年4月完成了綜合任務概念審查和認證基線審查，但因項目不符合NASA的質(zhì)量和完整性的要求，還需完成國際空間站宇航服的機組人員能力評估，才能完成初步設計審查。由于文件審批的延誤，進度大大推遲。而且在今年6月，因成本問題，Collins退出了合同，這意味著新一代艙外航天服的進度會更滯后。
盡管進度慢，NASA選擇走穩(wěn)妥的路，艙外活動和人類地面機動性項目經(jīng)理Lara Kearney表示：“NASA利用行業(yè)能力和專業(yè)知識，盡可能安全、有效、高效地提供月球行走服務。”
有分析表示，盡管SpaceX的艙外宇航服簡約設計，節(jié)省了類似阿波羅宇航服等宇航服上的安全和冗余設備，但會存在缺陷，即用料減少導致防破性能冗余下降，缺少修復工具包，一旦“臍帶”斷裂因SpaceX艙外服獨立生存性能不足將帶來隱患。并且，SpaceX宇航服沒有外顯屏信息告知相鄰宇航員宇航服狀態(tài)，不能及時相互救援。
同時，NASA也選擇擁抱新的創(chuàng)新技術，探索利用3D打印技術改進宇航服設計。如前兩年，NASA選擇了十多項早期研究支持未來的太空任務，由創(chuàng)新先進概念（NIAC）計劃資助，其中就包括一項：為火星探索制定高性能太空服4.0項目，使用包括3D打印在內(nèi)的技術制造宇航服。
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