杏彩体育官网下载:高空飞行密闭服的结构和关键技术分析 科技导报

　　在亚轨道飞行任务中，存在低压、高温、辐射、缺氧等复杂的飞行环境。高空飞行密闭服是实现压力防护、温度防护、工效和生命保障的重要载体，是飞行员高空防护的核心部分。回顾了高空飞行密闭服早期技术验证，论述了高空飞行密闭服的发展演变特征，总结了密闭服的结构实现形式，分析了高空飞行密闭服在设计过程中的低压防护、热防护、操作工效关键技术问题。展望了密闭服的发展，认为未来应进一步在生产工艺、先进材料、新型服装结构等方面进行研究，设计出标准化、轻量化、操作灵活、舒适的高空飞行密闭服。

　　在军事领域，随着人类军事活动范围向太空日益延伸，空天一体化作战样式必将在未来战争中占据主导地位，亚轨道是太空和航空的重要补充，其战略地位十分重要。亚轨道一般是指距地面20~100km的空域，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间，也称为“临近空间”。进入21世纪后，美军全面系统地开展了大量高超声速飞行器发展计划，经过多次飞行演示验证阶段，美军高超声速武器现已进入型号研制阶段。SR-71、U2是典型的美国高空侦察机，该战机上的飞行员穿着的服装即为高空飞行密闭服，而不是代偿服。此后，美军计划研发SR-72，洛克希德·马丁空间系统公司（Lockheed Martin Space Systems Company）于2017年完成了关键地面演示试验。此外，该公司于2018年研制了一架巡航速度达Ma6的有人驾驶飞行验证机（FRV），于2023年实现首飞。俄罗斯等国在无人机方面取得了很大进展，但是目前无人机空中对抗能力不足，常面临被干扰和打击的危险。未来战争中，无人和有人协同作战是必不可少的，特别是有人驾驶亚轨道飞行。因此，实现亚轨道飞行必须要提供安全可靠的飞行员个体防护装备。

　　第二次世界大战之后直到现在，世界各国空军仍然是使用最广泛的抗荷服，主要研究方向依然围绕五囊式抗荷服、代偿背心。但亚轨道飞行器飞行区域主要包括平流层大部分、中间层和一部分增温层区域，该环境空气稀薄，存在低压、缺氧、辐射等特殊环境。根据阿姆斯特朗极限可知，在没有压力的衣服保护下，位于驾驶舱的机组人员会因为失去气密性导致内水分蒸发，损害肌肉组织和堵塞血液运行。故研制高空飞行密闭服以保障飞行员的生命安全是科学家们面临的重大挑战。美国明确指出亚轨道飞行器目前还没有能对抗该武器的防御系统。中国亚轨道飞行器也在不断发展。2020年9月，我国曾发射一款可重复使用的试验航天器，该项目被认为对标美国的X-37B空天飞机。2021年7月17日，中国成功试验了“亚轨道重复使用演示验证项目运载器”。该飞行器是航天航空技术的高度融合体。而中国开展关于亚轨道飞行器飞行员的个体防护装备研究很少。因此，本文介绍高空飞行密闭服的基本结构及其发展历程，并阐述设计过程中面临的一些关键技术的发展现状。

　　高空飞行环境复杂，飞行员面临着很多生命危险。海拔越高，处理氧气的能力就越低，高空环境压力低，容易发生减压病、体液沸腾等危险。亚轨道飞行器飞行环境特殊，目前的抗荷服不能保障亚轨道飞行器机组人员的生命安全。如果在亚轨道上飞行器座舱失去气密性后暴露在高空，将会给人带来严重的缺氧、减压病、冷损伤等危害，高空飞行密闭服需能够保障飞行员继续操作飞行器完成飞行任务并安全降落。此外，当飞行员应急弹射离开飞行器时，将会面临低压、高速气流吹袭、高温和低温环境等危险，高空飞行密闭服需保证飞行员安全着陆。另外，需要保障飞行员在穿着密闭服时能够灵活操作飞行器进行滑行、起飞、爬升、巡航到下降、着陆等活动。

　　高空飞行密闭服的功能结构复杂，按照其结构划分主要包括衣体、密闭头盔、手套、通风服等部分。其中，衣体分为3层：内层为舒适衬里层，中间层是气密层，外层是限制层，以保证高空飞行密闭服密封性、阻燃性等性能良好。高空飞行密闭服的关节处需设计特殊活动关节，以保证密闭服内产生余压时活动工效，其主要位于肩、肘、腕、指、膝、髋关节处。以美国的S1034E型头盔为例，密闭头盔主要由壳体、硬质层、舒适层、面窗、通信系统、供氧系统等结构组成（图1）。

　　手套对于飞行员的操作活动性能和整体生存同样至关重要。其主要由气密层、限制层、调节绳等组成（图2）。气密层是一种结实的橡胶，其通过布带、胶水与断接器连接。手套的背部有2根调节绳，用以保持手套充压后的形状，避免充压后膨胀。手指的顶部都有一个小凸起，与限制层内侧的其他接口缝合，以便飞行员穿脱手套。为防止热应激，通风服与密闭服配套使用，通风管道分布在躯干及四肢。

　　20世纪30年代，苏联研制成功试验性密闭服，但是其中绝大多数从未进入飞行，只是科学项目，其主要用于防止缺氧，而不是减压病，但这些早期的实验为后来的工作提供了依据，从而发明了实用的密闭服。1936年，美国飞行员Wiley Post创造了使用密闭服飞行的记录，1947年初，美国海军开始了密闭服的研发工作，研制了Model型号的密闭服，但是其开发的大多数服装都相当紧身。截至1951年，Model型密闭服经历7代的发展，并在高达27km的高空舱中进行了测试（图3），该服装、腹部、头盔和手臂长度均可调节，采用了拉链密封以便穿脱，但是服装仍然需要提高舒适性和关节活动性，特别是肩关节的活动非常困难，肩部的轴承在压力下稍微向外移动，导致腋窝不适，膝盖和肘部弯曲良好，但颈部活动较差。

　　在Model型号的研制基础上开发了Mark型号密闭服，截至1967年，开发的5代Mark Ⅴ密闭服可用于平流层飞行。与Model系列比较，该类型防护服在重量控制上已经得到了很大改善。Mark Ⅴ总重量约9kg，头盔方面极具创新性，头盔内的面密封将头盔分为2个部分，且可以通过调整内衬大小以保证面部密封性能，前部分用氧气加压，而后部分对密闭服的其他部分开放，氧气通过安装在遮阳板周围的管道穿孔流动，以减少遮阳板的雾化，氧气以高于密闭服内部1.8mmHg的压力输送到头盔前方部分，排出的气体通过单向阀进入密闭服内部。头盔面窗的密封采用气动密封，面窗设计防止眩光。

　　20世纪50年代初，美用航空技术飞速发展。1954年，美国空军评估发现美国海军生产的密闭服不能满足B-52战机的服役日期，于1955年美国空军独立进行密闭服的开发工作，其中MC-2可应用于最初的X-15高超音速飞机，后来在MC系列的基础上研制了S901系列密闭服以满足U-2、SR-71、A12等型号战机。SR-71的首批试飞员穿着S901系列，在之后的试飞中不断改进，研制了S1030密闭服，正式列装SR-71的飞行员，并在此后广泛装备U-2飞行员。1988年2月，经过S1030多代的更新改进，对模块化的防窒息阀、低扭矩轴承、通信系统等进行了改进，David Clark生产了第一套S1032，该防护服可以保障飞行员在30km的高空飞行，且可以保障10min应急供氧，可以为浸泡在4℃水中的受试者提供超过3h的保护，并在密闭服的左侧大腿上增加了生物医学仪器端口。

　　1990年，David Clark公司完成了S1034密闭服的开发和测试，受试者穿着密闭服在-50℃的情况测试3h，发现受极端寒冷的影响，需要在手部和足部设计加热装置，采用平褶式关节结构设计减少了指关节在加压和非加压下的关节力矩。基于S1032和S1034的技术，该公司设计了S1035密闭服（图4），其头盔结构和压力制度与S1032一致，且更轻、体积更小、热舒适性更好，在发射时可以配套抗荷服使用。但是由于机组逃生模式和任务目标的不同，附件的集成存在差异，S1035没有使用内部舒适衬垫、排气系统和尿液收集系统，配套抗荷服使用时存在一定的热应激，导致极度地不舒适。主要是由于飞行员穿着密闭服做简单工作需要的代谢是未着服的2~4倍，且其中的75%进一步增加了热负荷。Raven等分析了通风服的散热性能，穿着循环通风的密闭服可以降低的热应激，但在中度工作水平以上，密闭服通风散热会出现更大程度的热暴露。截至2011年，美国最后一次航天飞机任务STS-135结束后，S1035面临退役。但美国在新一代太空发射系统（SLS）和猎户座（Orion）载人飞船任务中对其进行改进使用。

　　最近几年，美国政府加快了深空探索的步伐，在S1035的基础上，David Clark公司和NASA共同设计和开发了这款S1041OCSS新型密闭服（图5），其配备了液冷服和通风服，具有4.3和8psi（1psi=6894.757Pa）这2种工作压力制度。2017年，18名受试者穿着该密闭服进行真空舱测试并取得成功，验证了该服装在真空环境中的能力。综上所述，目前美国在高空飞行密闭服方面已经有了很丰富的经验。

　　中国航空事业的发展相对于美国起步较晚。1989年，中国第一代高空飞行密闭头盔研制成功，该头盔与高空代偿服配套使用（图6）。在参考俄罗斯TII-6系列头盔基础上，中国又研制了TK-4型飞行员密闭头盔。TK-4开放式密闭头盔与高空代偿服（DC-3/DC-4）配套使用，可以保证飞行员在飞行高度25km以下的密闭座舱内长时间飞行，以及座舱失去气密性的短时间（10min）飞行。但是对于高空侦察机和航天飞机上用的高空飞行密闭服的研。