本网讯 日本《纤维和工业》最近报道了日本下一代航天服开发目标，主要介绍实用化航天服的开发使用状况，对美国和俄罗斯的航天服进行了比较，列举了阿波罗号月球探测航天员对航天服的评论，分析了航天所服要求的基本要素和开发技术课题，提出了下一代航天服的开发目标和方针等。主要内容如下：

　　1、前言

　　完成载人宇宙活动需要广范围的技术，支撑长期载人宇宙活动“具备高度安全性和功能性的航天服”开发是急速解决的课题。航天服的历史大约已有半个世纪，但实用化的国家仅限于宇宙开发的先驱者美国和俄罗斯。航天服包括在所有场合共同的许多“要素技术”，是能够充分利用日本擅长的精致技术领域，可以在国际上进行高能力的展开。而且，作为“综合科学”评价的下一代航天服的研究开发，在美国和俄罗斯主导的宇宙开发领域，是可以提高日本存在感、对社会做出贡献的绝好对象，也能够开拓学际研究的新道路。面向载人月球探测和火星探测处于世界动向的今天，下一代航天服开发的时机正在成熟。充分利用日本风土，挑战新的研究开发，给与了日本研究技术人员“宇宙开发日本制造”的研究开发热情，可以引导较大的发展。

　　2、航天服开发的意义

　　对航天服开发进行特化的重要点是要协调和很好克服在严格的宇宙环境（真空、温度、微小重力、放射线、轨道上的岩屑碎石等）下，保障活动的航天员生理学安全性和舒适性，确保为了船外活动能够有效进行必要的移动和运动的机动性这种两立比较困难的两个技术课题。

　　下一代航天服的研究开发，是以不仅在轨道上而且即使在月球上活动也有其功能的航天服为对象，必须进一步满足比在轨道上使用的航天服更高度的技术要求。例如，在轨道上的场合，手的活动自由度是重要的，而在行星探测中，包括膝盖和脚后跟的屈伸在内全身的运动自由度成为决定要素。因为在月球和火星存在重力，航天服重量的大幅度减轻也成为重要因素。另外，因为要长时间在船外停留，还需要寻求生命维持系统的高度化。月球表面的重力是地球的约1／6，为超高真空状态。在火星，有以1／100气压左右的CO₂为主成分的大气。温度在低轨道和月球表面从－150℃以下的超低温到＋150℃的高温之间变化。在火星，低温侧为－140℃的超低温，高温侧与地球大致相同，为30℃。特别是在月球和火星上的活动，如果微粒的尘埃进入航天服间隙，有造成各种不舒服的可能性，需要其对策。在火星，因为有大气存在，对使用的航天服功能设计需要考虑与传统的不同，现在正在使用的利用向真空中的冰升华这种热交换系统等就不能够使用。

　　3、正在实用化的航天服

　　现在，正在使用的美国航天服EMU（Extravehicular Mobility Unit）和俄罗斯航天服ORLAN（ORLAN是俄语“海鹰”的意思）都是将气体充满内部的全压力型衣服，这种航天服由压力服本体、生命维持装置系统、报警系统等组成。全压力型航天服的优点在于能够比较容易地满足空气压和温度等维持生命所需要的生理学条件。

　　表1为美国和俄罗斯两种类型的航天服比较。ORLAN因为注重在轨道上长时间使用，航天服的部件供应和维护在宇宙空间站进行，从地球上以最小限度的供应为应对方针进行设计。因此，ORLAN能够1人在短时间内穿、脱，为一种标准的尺寸，可以应对体格不同的航天员，而且，采用更换破损部件可多次再用。另一方面，往返用EMU也能够再使用，但因为设计成全部能够在地球上应对，没有像ORLAN那样的自由度。为了应对在国际空间站的使用，将往返用EMU改良为适用于在轨道上的运用，做成可以简单进行尺寸变更和维护的。但是，因为现在的EMU运用压力为0.3气压，在穿用之前需要预先吸氧排氮（由几小时纯氧呼吸的液体中脱氮作业），重量超过110kg，穿用时需要别人的帮助。对于脚的屈伸运动，EMU、ORLAN都制约较大。

表1  美国和俄罗斯的航天服比较

　　阿波罗计划的航天服（阿波罗EMU）是可以应对船外活动、发射、返回、能够应对事故时全部的船内、船外活动的通用航天服。因为用纯氧将宇宙船内保持为0.34气压的环境，将航天服内压以0.26气压进行运用，不需要吸氧排氮，就可以进行船外活动。从阿波罗计划中，经验了月球探测的航天员谈话摘录了关于航天服的评论（表2），指出了关节和手指尖运动的性能、重量和重心的平衡、微粒尘的处理等对轨道上的宇宙活动不太出现的问题。

表2   用阿波罗EMU系统进行月球表面活动时经验的现象

　　4、航天服开发中的技术课题

　　为了维持生命，在血液中需要保持必须氧浓度的压力，作用于身体的压力至少需要0.2气压（在纯氧环境）。进而，要在不吸氧排氮的情况下减少减压症的危险性，最好将航天服内部的压力保持在0.6气压左右。但是，如果提高压力，航天服的运动性大幅度降低。平均的航天服内部面积约2m²，在使用织布的场合，即使是小的内压也会像气球一样膨胀鼓起、变硬，从而限制行动。如果使用柔软的织物素材，运用压力的制约则成为障碍。硬结构的压力服，即使容易活动，也是尺寸调整困难，需要较大的装载空间。从这种观点考虑，将概念做成与充满气体的压力型航天服不同，研究利用由弹性力压缩身体而产生对流压力的生物套装等，但还没有达到能够满足生理安全性和宇宙极限环境安全性等的要求。

　　航天服总重量的半数以上为生命维持系统所占。现在的生命维持系统已经变得能够支持7～9小时的船外活动，但在行星探测中，需要更长时间运行的生命维持系统。为了满足这种要求，必须特别考虑生命维持系统的设计，以高性能、高效率系统做到轻量化。另外，宇宙放射线约90％是质子，如果像航天服那样遮蔽薄，20MeV以上的质子几乎都不衰减，产生的2次粒子也几乎不衰减。电子随着遮蔽体的等效厚度变厚，在遮蔽体中产生的轫致辐射线增多，这是因为不能衰减直接透过的缘故，作为粒子通量，电子、光子（轫致辐射线）增多。因此，航天服素材最好采用高密度含有氢等低原子序号原子的高分子、陶瓷等，即使少也是对宇宙放射线的被曝减低效果高的材料。

　　5、航天服要求的基本要素

　　在宇宙空间进行船外活动时，航天服必须使人能够“自由活动”，而且保障穿航天服的人“放心、安全”。所谓“自由活动”是基本上兼备能够不依靠人手而按照意思行动，可以进行情报信息的收集与发送。从“自由活动”研究，首先是穿用航天服的时候最好自己1人、而且在短时间内能够完成。而EMU的场合，1人不能进行衣服的穿、脱，需要别人的帮助。另外，衣服内部的气体因为是0.3气压的纯氧环境，为了除去溶解在血液中的氮气，需要长时间吸氧排氮。有紧急时在短时间内不能穿用航天服等制约。将运用压力为0.4气压的ORLAN场合，1人可以进行航天服的穿、脱，吸氧排氮时间也短到30分钟左右，但为了提高机动性，最好不要吸氧排氮时间。但是，因为航天服内部充满气体，由于气体压力，衣服的刚性增加。希望提高压力做成不需要吸氧排氮的，因为如果提高运用压力，衣服的刚性增加，所以一边动脚、一边弯曲上臂、活动手指的体力消耗增大。从能够按照意思行动的观点考虑，希望是富于运动性和活动性、灵活性的。在这方面，由于现在的航天服较重、灵活性差，要提高运动性能。航天服的重量有120kg左右，在地上几乎完全不能进行身体活动。在宇宙的无重量空间，其重量变无，但移动时的惯性质量大和在月球表面变为约20kg的重量，希望更轻量化。

　　宇宙空间和月球表面为高真空状态，航天服表面为在面向太阳的地方为120℃的高温，而在阴影的地方处于－150℃的超低温这种严峻的温度环境。为此，由于这种高真空航天服必须具备为保护航天员的气密性、充分的强度和绝热性耐热性及由于宇宙灰尘和岩屑碎石等微粒子的碰撞、宇宙放射线的被曝等必须起到安全保护人体的作用。另外，在活动时间长的时候，还要求包括温度和湿度的自动调节等衣服穿用感觉的舒适性。作为在极限环境生命维持装置的航天服，为了放心使用，在各要素材料的耐久性以外，确保对于系统的多重防护功能、故障诊断、修复技术等可靠性也非常重要。

　　6、下一代航天服的开发方针

　　作为对象的航天服使用环境，假设在国际空间站等进行无重量空间的船外活动、月球探测及将来到火星探测的使用，建议航天服的基本结构为1人可以穿、脱的连裤式、衣服内部为用气体充满的压力型。由于目标是能够在短时间内当场穿用，以不需要为了排除氮气的吸氧排氮为目标，确保0.6气压运用压力的机动性。

　　如图1所示，航天服本体是覆盖腰部、头部和四肢的衣服，由衣服本体、头盔、手套、鞋组成。头盔、手套、鞋作为与衣服本体分离的另外部件材料构成，是在穿好衣服以后各自分别装上去的部件。衣服采用富于柔软性、变形性的纤维和材料制作，为肩膀、上臂、脚的关节能够灵活活动的结构。为此，关于衣服的织物采用3维针织结构和变形容易的织物结构。进而，对关节使用动力辅助装置或人造肌肉等，驱使能够帮助航天员灵活运动的辅助机构，创造出领先世界的无机物系超细纤维制造技术和复合材料立体布针织技术。衣服表面由高强度纤维素材制成，富于防真空泄漏的机密性和耐高温、超低温耐热性、绝热性，以及能够抑制由宇宙放射线引起被曝的耐放射性材料构成，适合在宇宙空间的极限环境使用。手套在戴到手上的时候，最好紧贴手掌和手指，以不妨碍手指的活动。因此，第1层是柔软材料，能够很好地紧贴手指和手掌，由保持机密性的层构成。指关节为装备了能够进行细小运动的小型动力辅助装置的柔软关节，是具有能够感知手指尖力和物体温度等知觉传感器功能的结构。是能够吸收由出汗引起的水分进行皮肤呼吸，同时还可以自动进行手指尖温度调节的手套结构。鞋要穿上感觉舒服，而且可以进行灵活的运动和移动。手指尖和脚都具有自动温度及湿度的调节功能，能够保持适度的动作温度和湿度。

　　这种航天服富于安全性、机动性，1人可以自己穿、脱，能够适应各种各样的状况，例如，装备有在月球表面或火星表面有微粒尘的环境中，能够将防护用的衣服缠裹在航天服上等，是根据作业环境和作业内容可以对基本构成的航天服增加构成要素的机构。

图1  根据开发方针的下一代航天服概念图

　　7、“折纸”技术的应用

　　在航天服套装组件中，为了衣服内部和外部的压力差，上臂和脚的关节部分经常为一定的形状即成直线状,为此，关节部分变得难以活动。为了航天服内压0.6气压为目标，确保关节部分灵活的机动性变得非常重要，在衣服内外没有压力差的场合，关节部分不保持直线状，而且，随着关节的弯曲衣服面料的面积变化不要妨碍大的运动。另一方面，充满了气体的航天服关节部分要成为直线状则难以弯曲，在弯曲的时候，内压上升，变成大的阻力。传统的航天服，为了制造灵活的关节，例如导入波纹管构造，设计了吸收随着关节弯曲而衣服伸缩的结构，但波纹管对伸缩时的变形需要力，难以使变形增大，需要在波纹管上安装为保持关节部分形状的辅助绳等，衣服变得复杂。

　　人们日常穿衣的时候，上臂弯曲为关节内侧的面积变小、外侧的面积变大。其结果，在关节内侧的面料产生“褶皱”，外侧伸展等，是吸收伴随关节弯曲而面料面积变化的结构起作用。对这种“褶皱”的规则性得到启发，开始配合的技术是“折纸”。折纸结构采取导入对2次元平面特有的折法，能够将大面积变为小面积，又能够将小面积展开为大面积，对变形可以导入异方的性质。因此，将这种折纸结构应用于关节部分，就可以发挥以下等优越性：

　　①可以缓和伴随关节弯曲的面料伸缩需要的力；

　　②容易应对伴随关节弯曲的面料面积大的变形；

　　③因为容易形成对变形（伸缩）规则的异方性，对关节形状的应对容易；

　　④控制关节部分的体积变化变得容易。

　　作为例子对上臂关节进行研究，将弯曲上臂时的关节部分模式于图2。上臂关节分为对关节上下不变形领域（中间区域）、变形领域、回转中心三个领域。中间区域是在关节的上下面料面积不变化的领域，回转中心是弯曲关节时的中心部位，变形领域是面料面积变化大的领域。如上所述，因为折纸结构能够将大面积变为小面积，又能够将小面积展开为大面积，这种变形领域适用两种类的折纸结构，以回转中心为支点进行配置，给与关节部分以灵活性和机动性。

图2  为模拟关节运动的概念图

　　图3是根据具有折纸结构的柔软关节概念制作的模型。折纸结构能够构筑异方的变形结构，例如，可以制成容易对上下方向变形而在直径方向难以变形的结构。这种场合，因为在关节部分对直径方向不产生长度变化，折纸结构是回转中心的位置成为变形中心的3维扇形结构。而且，因为不变形的中间区域在回转中心部位上下接续，整个上臂的长度一定。如果对这种折纸结构加入人造肌肉，导入动力辅助机构，就可以灵活控制关节的运动。图4表示具有加入人造肌肉的折纸结构航天服关节模型的概念图。因为关节内侧部分的面料收缩，外侧部分膨胀，关节的变形变得容易。

图3  对关节部分配置折纸结构的模型

图4  折纸结构的变形机构和关节的弯曲

　　8、结束语

　　将来的月球和火星探测中，在轨道上使用的下一代航天服，需要应对高度的技术要求，例如，在行星探测中，与轨道上不同，其全身的灵活运动性就成为决定性要素。而且，因为与在已程序化轨道上的船外活动不同，需要灵活应对各种各样的场面，航天服的穿、脱也希望在短时间内进行。进而，为了应对长时间的船外活动，生命维持系统的高度化和其他必须解决的问题有许多。现在的航天服在月球和火星探测中没有充分的功能。另外，因为简单的改良不能应对其要求，需要进行根据新概念的航天服开发。

　　采用日本优异的科学技术进行人与环境系统的航天服概念研究，弄明白生体正常性和航天服的关系及航天服所要求的基本要素。根据其研究结果，进行了为实现下一代航天服样品模型应当解决的技术课题和要素技术的研究。

　　为了对最优先开发传统安全性和可靠性的航天服概念赋予机动性和舒适性功能的下一代航天服，驱使日本培育的“复合功能”、“立体织造”、“折纸”技术等精湛技术进行研究开发，不仅是未来的宇宙开发计划也期待涉及到日常社会活动的领域。

（王德诚）（E09）