首批航天服材料将登陆火星

NASA约翰逊航天中心的高级航天服设计师艾米·罗斯与航天服Z-2的样品站在一起。
图片来源:NASA

在一次问答环节中,航天服设计师艾米·罗斯(Amy Ross)解释了在7月30日发射毅力号(Perseverance)火星车上,航天服的五片样品(包括一枚头盔面罩)将如何进行测试。

美国航空航天局(NASA)正准备将第一位女性和第二位男性送上月球,而更为宏的目标,则是将第一批宇航员送上火星表面。但是在到达红色星球之前,宇航员将面临一个非常重要的问题:在大气极为稀薄、受太阳宇宙射线的辐射更强的火星上,他们应该穿什么?

艾米·罗斯正在寻找这一问题的答案。她来自NASA位于休斯敦的约翰逊航天中心(Johnson Space Center in Houston),是一名高级航天服设计师,正在为月球和火星开发新的航天服。因此,罗斯急切地等待着前不久刚发射的毅力号火星探测器登上火星,它携带着史上首批送去红色星球的航天服材料样本

毅力号火星车在探索杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)的时候,将会收集火星上的岩石和土壤样本,以供将来的火星任务将它们返回地球。与此同时,毅力号上一个名为“夏洛克”[ SHERLOC,全称“宜居环境有机物和化学物质拉曼与荧光扫描探测仪”(ScanningHabitable Environments with Raman & Luminescence for Organics &Chemicals)]的仪器,将对五小块航天服材料进行研究。航天服材料中包括一块头盔面罩,都被嵌入了“夏洛克”的校准目标中,紧挨着一块名为SAU 008的火星岩石碎片。SAU 008是科学家用来确保仪器设置正确的基准,方法则是将火星上的读数与在地球上得到的基准读数进行对比较准。

在这里,罗斯通过问答的形式,分享了有关所选航天服材料的信息以及月球航天服和火星航天服之间的差异。想了解“夏洛克”和毅力号火星车的更多信息,请访问https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7666。

首批航天服材料将登陆火星
这张图的左侧展示了航天服样品,右下方则是校准目标中的5种航天服材料样品,随校准目标一同安装在毅力号火星车上的“夏洛克”仪器中。“夏洛克”会观察这些样品在火星表面强烈的辐射中将作何反应。

图片来源:NASA

为什么选择这几种特定的材料嵌入在“夏洛克”的校准目标上?

罗斯:我们最需要花心思的材料应该是航天服的外层,因为这些材料受到的辐射最多。有一种正交织物(ortho-fabric),我们曾多次使用在航天服的外层中,它是三种材料合而为一的,包括诺梅克斯(Nomex,俗称防火纤维),一种在消防员服装中常用的阻燃材料;戈尔特斯(Gore-Tex),戈尔公司发明的一种既能防又能透气的材料;以及用于防弹背心的凯夫拉(Kevlar,品牌名,材料原名为聚对苯二甲酰对苯二胺)。

我们也正在单独测试维克特拉(Vectran,一种聚芳酯纤维)的样本,目前用于航天服手套的手掌部分。它具有防切割的性质,在国际空间站(International Space Station)上非常有用:微流星体(Micrometeoroids)在撞击空间站外侧栏杆的时候,形成了带有锋利边缘的凹坑,会划破航天服手套。

我们还了选择了特氟(Teflon,聚四氟乙烯)样本,这种材料在航天服中已经使用了很长时间,作为宇航员防护手套和手套背面的一部分。就像有特氟龙涂层的不粘锅一样,它很光滑,也就很难被抓住和撕裂。除此之外,我们还选择了带有防尘涂层的特氟龙样品。

最后,还有一块聚碳酸酯材料,我们将其用于球型头盔和护目镜中,因为它能帮助降低紫外线强度。它有一个好处就是不会破碎,如果受到冲击,它不会破裂碎开而是会弯曲变形,并且依然保有良好的光学性能。

“夏洛克”将如何检查这些样品?

罗斯:在火星上,辐射会破坏材料的化学成分,从而削弱样品的拉伸强度。我们想弄清楚这些材料在火星上能维持多长时间。我们是否需要开发新的材料?还是说这些材料能坚持下去?

对于毅力号任务的科学家想要研究的火星岩石,“夏洛克”能够获取它们的光谱,或者说组成;对于这些航天服材料当然也可以。我们已经在地球上对这些材料进行了测试:将样品浸入到辐射之中,然后分析它们的光谱。这些测试于NASA马歇尔航天飞行中心(Marshall Space Flight Center)的紫外线真空室内完成,相应的结果将与我们在火星上看到的结果进行比较。

火星尘埃会成为考验吗?

罗斯:当然了,这是一项工程上的考验,但是我们没有理由设计不出在尘埃中也能运转的机器。我们已经在开发像密封物一类的东西,用于防止尘埃进入轴承。航天服的肩膀、手腕、臀部、大腿上部和脚踝处都设有轴承,它们为宇航员提供了移动的灵活性,让他们能完成行走、跪下,以及靠近岩石或维持在居住地所需的其他动作。

你要明白,我们的航天服会膨胀鼓起,每平方英寸的压力在4磅(约28千帕,即0.27个标准大气压)以上。这个压力大小并不是非常可怕,但也会让人感到相当困难,当你把一个人的身体绑在气球里然后让他们移动,他们会很难做到,气球就像鼓面一样紧绷。因此,我们需要对轴承进行密封处理,以免尘埃积聚糊住航天服。

我们正在寻找其他方法,希望能在长期任务中保护航天服免受火星尘埃的侵袭。我们知道,涂层或薄膜材料比编织材料更好,因为编织材料的织线结构之间留有空间。这两种特氟龙样品还能让我们探查一下防尘涂层的性能。

空间站、月球和火星航天服在设计上有多大的不同呢?

罗斯:航天服的设计取决于你要去的地方和所做的事情。国际空间站的航天服专为微重力而设计。如果要进行太空行走,实际上并不是真的在走路,而是各种使用你的双手,下半身的作用只是为上身提供稳定和平衡。空间站航天服还会暴露在两种环境降解源中:太阳辐射和原子。原子氧不同于我们呼吸的氧气,它具有很强的反应活性,能使航天服材料降解。

月球没有原子氧的问题,但在辐射方面比火星的情况还差。在月球上你距离太阳更近,而又没有像火星上那样将紫外线辐射散射掉的大气环境。月球是阿耳忒弥斯(Artemis)计划的重要试验平台,虽然月球和火星的环境并不完全相同,但是耐用性考验,也就是对航天服材料在低大气压、高尘埃环境中的长时间耐受能力的考验,是相似的。

在火星上你距离太阳相对更远,并且至少有一层稀薄的大气可以散射紫外线,但火星上的暴露时间仍会是个问题。你必须设想在火星上的大部分时间都暴露在火星表面,因此火星航天服会更类似我们用于月球探索的航天服,而不那么像国际空间站所使用的。我正在尝试让月球航天服尽可能地类似于火星航天服。

有关毅力号任务的更多信息

毅力号是一位体重不到2 300磅(1 043公斤)的“机器人科学家”。这辆漫游车的天体生物学任务将是寻找曾经的微生物生活的迹象,它将对火星的气候和地质进行表征,收集火星样品以供将来返回地球,并为未来人类探索这颗红色星球铺平道路。在7月30日成功发射之后,它将于2021年2月18日降落在火星的杰泽罗陨石坑

NASA喷气推进实验室(JetPropulsion Laboratory)从属于加州理工学院(Caltech),负责为NASA科学任务理事会(Science Mission Directorate)管理火星2020“毅力”号漫游车任务。这项任务是一项包括了载人登月在内的更大计划的一部分,以此为人类对红色星球的探索做准备。到2024年,NASA将负责送宇航员重返月球;到2028年,NASA将通过阿耳忒弥斯月球探测计划在月球及其周围建立持久的人类存在。

想了解更多毅力号的相关信息,请访问:

mars.nasa.gov/mars2020/

nasa.gov/perseverance

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-perseverance-rover-will-carry-first-spacesuit-materials-to-mars

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忠洋 张

四年后这宇航服将是那一批登火宇航员与火星接触的工具。