揭秘神七舱外航天服：打造航天员的“生命盾牌”

　　中新网9越7日电 题：舱外航天服：打造航天员的“生命盾牌”

　　作者：崔宁 刘澜 李家望 翟卫平 陈安波 高阳

　　完成航天员首次太空行走是“神舟七号”飞行任务中一项重要的内容，这项任务能否顺利完成，舱外航天服是关键。中国航天科技集团公司运载火箭技术研究院、四川航天技术研究院、中国航天时代电子公司等单位在参与舱外航天服的研制工作中，大胆创新、集智攻关，在这个世界上只有少数几个国家掌握的高精尖技术领域，写下了中国航天的名字。

　　运载火箭总装厂

　　打造航天员的生命“盔甲”

　　躯干壳体是舱外航天服的主体，是航天服的装配集成中心，各种设备、仪器都要与之连接，是舱外航天服研制的重中之重，承担这一研制任务的是中国航天科技集团公司运载火箭总装厂。

　　舱外航天服躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构，与背包系统装配后共同承受地面运输、上升段的各种载荷，具有压力防护、载荷支撑、密封等功能，是名副其实的航天员的生命“盔甲”。

　　从2006年2月14日接到了任务，到2007年11月25日交付正样第一件产品，再到2008年2月圆满完成舱外航天服躯干壳体研制任务，作为中国最大的运载火箭总装集成企业，运载火箭总装厂临危受命，不断创新，突破传统制造领域和管理模式，用科技实力打造航天员生命的“盔甲”，走出了一条型号研制创新之路。

　　舱外航天服开始研制时，正值中国航天高密度发射第一阶段之前的生产高峰期，运载火箭总装厂科研生产任务非常繁重。该厂确定了创新管理、科学管理的指导思想，不断创新管理手段，以管理促进度，向管理要效率。在首件产品研制过程中，运载火箭总装厂采用了工艺技术准备、工艺试验与产品设计并行；工装设计和产品设计并行；工装设计和工装制造并行的“三并行”工作方式。将产品设计、工艺设计、生产制造并行组织，统筹管理，有效地解决了时间紧、任务重、人员少的矛盾，顺利实现了两个半月完成首件生产、17个月完成正样产品研制以及模样、初样、正样转阶段的目标。

　　舱外航天服研制在我国尚属首次，没有任何经验可循。躯干壳体更是造型复杂、结构紧凑、形状特异，产品性能和精度要求非常高。运载火箭总装厂知难而进，不断探索，奋勇攻关，先后攻克了躯干薄壳成型、门法兰电子束焊接、压力盔成型、滤波骨架成型、风管成型、焊接变形控制、整体协调工装等7项技术难关。

　　躯干薄壳是一件只有1.5mm的薄壁零件，除了外形特异，还开有5个法兰孔，局部法兰孔甚至为负角度翻边，加工难度极高，常规工艺几乎无法实现。运载火箭总装厂的技术人员在不同厚度、不同材料上反复进行成型和翻边试验，最终用工艺焊缝及定位孔解决了薄壳成型和定位问题；通过数控加工和电火花特种加工相结合的方法，实现了机械加工无法实现的肩法兰整体无缝加工；最后对薄壳进行电磁脉冲校形，使薄壳成型后平面度达到0.8毫米以内。

　　门法兰是躯干壳体的整体装配、焊接基准，同时躯干壳体通过门法兰与背包装配，保证航天服上肢体的密封和协调，因此门法兰的形位尺寸至关重要。门法兰与躯干薄壳的焊接采用高能束电子束焊接。高能束电子束焊接对装配精度要求非常高，要求无间隙焊接。运载火箭总装厂研制人员从工装设计源头抓起，在壳体修配、验核的基础上进行工艺装配、焊接试验，通过5个试验件完善了焊接工装，保证了壳体的装配要求；确定了整体固定、分段焊接的工艺方案，确保了壳体的焊接质量。

　　躯干壳体上共有33个联接法兰和支架，70条焊缝，而且公差要求严格，局部法兰焊后圆度要求0.025毫米，精度达到机械加工级别。由于法兰位置集中，各法兰焊接过程中相互限制，焊接应力相互影响，焊接变形控制难度大。钣金车间和箱体焊接车间的技术人员联手攻关，通过钣金校形、壳体反变形、自制工装、局部装卡等方式解决了装配问题，并通过合理的焊接顺序和分段焊接将焊接变形控制到最小，满足了交付的要求。

　　据统计，运载火箭总装厂在研制过程中共使用工装113项、307套，工艺试验件27项、156件。产品设计指标合格率由模样第一件39.6%达到正样产品95.9%，关键指标100%合格。

　　除躯干壳体外，运载火箭总装厂还完成了航天服舱外头盔、下肢腰法兰、通风流量分配管路等产品的研制生产，为整个航天服的技术攻关和生产做出了突出贡献。

　　航天材料及工艺研究所

　　调节生命温度的小小阀门组件

　　在舱外航天服这个生命保障系统中，放气阀和气液组合插座液路阀是其中两个必不可少的零件。主要是调节航天服的温度，以确保生命保障系统正常可靠工作。放气阀和气液组合插座液路阀都是通过胶粘剂粘接，将聚四氟乙烯塑料与不锈钢粘接在一起，组装成零件。由于聚四氟乙烯表面极性低，与其它材料的粘接性能差，如何保证其与不锈钢的粘接可靠性，并能够在高低温循环过程中不出现脱粘是很大的难题。面对这一严峻考验，航天材料及工艺研究所胶粘剂专业组的科研人员经过数月的艰苦攻关，成功地解决了这一难题。

　　在试验过程中，科研人员首先要解决的是放气阀和气液组合插座液路阀泄漏问题。科研人员积极查阅资料，想办法，采取了组件着色、显微镜下解剖观察方式寻找泄漏原因，最终确定泄漏主要是由于胶粘剂粘接不好，导致不锈钢层与聚四氟乙烯层脱粘所造成的。

　　然而，聚四氟乙烯与不锈钢的粘接在国内外都是一个难题，现在面临的难题是两种材料曲面连接，而且还要承受一定的高低温循环，难度很大。科研人员结合多年的胶粘剂工作经验，确定采取增加金属表面粘接面积，对聚四氟乙烯表面进行处理，采用能耐一定高低温、流动性好的胶粘剂进行粘接的工艺方案。方案确定了，技术人员分工去进行试验，有的进行增大金属表面的粘接面积的研究、有的进行聚四氟乙烯表面处理方法的研究、有的进行胶粘剂的筛选工作。经过大家的共同努力，完成了一批新的试验件，并且全部通过了高低温循环试验的考核。

　　在初次试验大捷后，胶粘剂专业组的科研人员并没有因此停下脚步，大家深知自己研制的产品关系到航天员的生命，绝对不允许出现任何差错。在工艺过程中，金属壳体与聚四氟乙烯粘接固化时边缘有余胶挤出，在清理余胶的过程中可能会对胶层造成微小破坏；吸气管插入需要在侧壁上进行打孔，这样会使胶层受到压力，可能给胶层边界带来缺陷。为了避免这些隐患，做到产品百分之百可靠，他们开始为完善工艺积极攻关，采取放气阀壳体与吸气管一体结构和采用粘接定位工装，避免了机加工打孔和边缘的余胶清理工作。采用新工艺新结构，生产了几个批次的试验件，全部通过考核试验。为确保产品的性能，他们对其考核条件进一步加严，表明产品仍然可以满足使用要求。

　　 四川航天技术研究院燎原无线电厂

　　为航天员把好进出气关口

　　自舱外航天服项目启动以来,四川航天技术研究院燎原无线电厂参与了呼吸系统全部4个阶段研制的配套生产任务。

　　呼吸系统是为航天员自动供给人造空气、排出废气、调节安全气压和净化航天服内异味的关键系统，关系到航天员的生命保障和呼吸舒适度。由于该系统的特殊性和阀类零件的重要性，对产品精度和可靠性都有极高要求，标准甚至是苛刻的。自从接到任务，全厂上下高度重视，立即组织调配市场、经营、技术、物资、生产和质量等部门的相关人员组成专业团队，努力克服周期短、加工难度大、任务紧迫等不利因素，迅速投入到紧张的配套生产中。期间，为舱外航天服研制提供了近百个品种、2000余件零配件。

　　舱外航天服呼吸系统是一个极为庞大而复杂的系统，其中，阀类零组件和密封件是整个系统的重要产品，分别由大量不同材料加工而成。涉及特种不锈钢、特种铜材、特种橡胶和特种乙烯等材料，共有5大类20余个品种近百个批号的材料。由于呼吸系统设备是直接涉及航天员内脏器官安全的系统之一，因此必须极其严格地控制阀类零件和密封件的原材料关口，在进行必需的材质检验、材质入厂复测的同时，还须进行有毒性物质检测和损伤性物质检测等特殊检测。工作人员为了能严格控制原材料关口，对近百种原材料逐一进行了特殊复验检测。

　　按照研发设计单位的要求，加工阀类零件和密封件所使用的原材料中，许多是平时从未使用和接触的新材料、稀有材料，并且这些材料分布在全国几十家生产企业。这给原材料及时采供和保障带来了非常大的困难，由于品种繁多，采购量小，有的时候为了采购几百克的原材料，就得前往一个很远的企业；有些受控的特殊材料根本无从查找生产企业，更谈不上立即采供了。面对这种情况，科研人员积极出主意、想办法，利用多年建立起来的全国供应商网络，一家一家地逐个询问查找。最终，在前方研发设计单位、总装单位的大力协助下，在较短的时间内确保了特种原材料的全部按时到位。

　　由于舱外航天服的呼吸系统、温度调节系统、通信系统、摄食与排泄等系统基本都集中在背包内，所以对各系统的体积和重量都控制得极为严格。必须对传统意义上的阀类零件进行改进与整合，将多个阀的功能整合为结构复杂，但功能强大的组合阀。

　　为了有效供给人造空气，排出废气，净化服内异味，满足呼吸系统的强大功能，必须生产一种结构复杂、功能齐备的复合阀。该阀将多个充气阀、截止阀、安全阀、过滤阀的功能融为一体。根据舱外航天服内的空气质量，既能自动将多种气体混合成人造空气，又能及时自动排除人体废气，还能自动将服内气压控制在安全范围值以内，并能自动净化服内异味，保证呼吸舒适度。因此，需要设计制造一个外形奇特的阀门。面对难题，科研人员发挥在阀类零件加工中的生产优势，并利用多年来积累的生产经验，经过多次试验，终于加工生产出满足使用要求的阀体。

　　按照特殊的设计要求，呼吸系统内还存在较多不规则的异型密封件。在某活门组件的生产中，需要在某种有色金属制成的圆柱体一个端面环状梯形槽内压制密封橡胶垫，因为通常使用的橡胶材料不能通过严格的有毒性物质检测，产品研发时选用了一种非常特殊的橡胶材料。最初，科研人员按照传统的制造方法进行加工，在对压制橡胶垫的端面进行平面磨削时，由于不熟悉新型橡胶材料的化学、物理特性，造成橡胶垫易开裂、橡胶垫易局部脱落、橡胶垫表面光洁度较低等原因使产品气密性指标不理想。为了尽快提高活门组件的质量水平，他们组成攻关小组配合研发设计单位进行质量攻关，在经过对新材料的反复试验论证后，顺利交付了全部产品。

　　郑州航天电子技术有限公司

　　确保生命通道的 “柔”与“韧”

　　航天员离开“神舟七号”走向神秘太空时，与飞船连接的电脐带以及航天服电缆网、挂包电缆网和航天服气压调节行程开关等产品均是由航天时代电子公司郑州航天电子技术有限公司研制生产的。

　　2005年5月，该公司以行业领先地位的10项技术成就200多个系列2000多个品种电连接器的技术积淀，拿到了上述产品的订单。

　　航天服上无论是脐带电缆网、服装电缆网还是挂包电缆网，均承担着向航天服各组成部分供电和传输信号的重要使命，哪怕是万分之一秒的断电，其后果都不堪设想。

　　保证此类产品导通的同时确保它的“柔”与“韧”，是此次航天服研制的重大攻关课题。从舱内到舱外，其关键技术是对太空环境的适应从而保证电路的导通。尤其是电脐带直接暴露在高真空环境中，不仅要严格保证耐高温、耐低温、抗辐射等外太空环境的适应要求。同时，更要考虑航天员出舱活动的灵活度，在结构设计上他们采取了“柔性设计”方案，解决了传统印象中电缆“傻、大、黑、粗、硬”的弊端，此次“神七”电缆网的柔软度如同普通的胶质水管一般，良好的柔软度保证了航天员太空活动的灵活自如。

　　同时，高精度绝缘材料、防护材料，密封材料，冗余技术等新一代先进材料和技术的应用，不仅保证了电脐带的电路有效导通，也确保了电缆的抗拉强度，使走出舱外的航天员能够万无一失，安全返回。

　　航天服气压调节行程开关，是航天服生命保障分系统内的主要功能部件之一，安装于航天员呼吸供氧链路内的咽喉要位，它的主要功能是检测航天服供氧多少，提供低压报警、高压报警和自动报警、手动供氧的功能。该公司在此类产品的选材上严格遵循真空冷焊、真空释气、抗辐射等技术要求确保产品的固有可靠性。在研制生产过程中，一个生产批次均要严格地进行高温、低温、力学、防辐射、真空、离心等一系列科学试验，通过一次次试验参数，做到发现问题，缺陷整改，优中选优。

　　对于直接应用于航天器或者是航天服上的电缆来说，其精密程度远远超乎人们的想象。可以说每一根电缆、每一个插头、每一个焊点都关系到航天员的生命安危。拿焊接前处理电缆头来说，为了剥去电缆线表层塑料保护薄膜，又不伤害其间的镀膜层，工程技术人员设计出除掉塑料保护层的工装，除掉塑料保护层后再一根根进行清洗。他们每天的工作是测量好电缆的尺寸，一根根检查、一根根焊接、一根根编号和贴号，然后按摸样走线绑扎成束，称重，再检查每一个焊点的绝缘，直至最后的拍照存档。

　　西安微电子技术研究所

　　为航天员当好“随身医生”

　　在神舟七号飞船上，有航天时代公司西安微电子技术研究所研制的36个品种70台套计算机和电子设备，为飞船起飞、入轨、返回的安全飞行做出了贡献。其中该所自主创新研制的航天服数管设备、生理信号放大器、报警信号放大器等设备，为航天员出舱行走发挥了关键的作用。

　　该所研制生产的航天服数管设备、生理信号放大器等属于医学监测与数据管理设备。这些设备的主要功能是检测航天员出舱活动过程中心电和呼吸等生理参数，对航天员在舱外活动起着重要作用。

　　一般情况下，舱外航天服医监与遥测设备研制周期最少需要5年。可总体单位没有给这么多的时间。2005年3月任务到达该所研发部飞船组，研制人员在探索中吃透技术，同年7月便拿出了模样机，这是一个惊人的速度。当年11月，有关单位对初样机进行鉴定；2007年10月，飞船组分两批交付正式样机。这期间还包含了方案的多次变动、技术状态的反复更改和总体的复查等。

　　数管设备下挂在航天服的腰下部位，主要实现采集信号、处理信号、传输信号三大功能。虽然它体积不大，但是在航天员出舱工作时，它要采集、处理和传输30多路数据。为了使航天服数管设备即使出现了故障，也能运行下去。他们采用了“防潜通道”这一设计亮点。简单地说，就是数管设备内部，各作业模块独立性强，一个地方出现了故障，并不会使整个系统瘫痪而影响到其他部件的工作，从而实现了高安全性。

　　航天员从舱内气压环境进入太空的真空环境后的情况如何，此时生理信号放大器显得尤为重要。生理信号放大器安装在航天服背包里，主要采集航天员生理信号，并将生理信号进行放大和调制。该所科研人员不断开拓创新，研制的产品具有体积小、重量轻、功耗低、信噪比高和安全性高的特点。生理信号放大器在处理微小信号技术方面有很大的突破，它可以在众多强干扰信号中，准确捕捉到需要的微小生理信号，并将其放大发送回舱内；但这同时也是个技术难点：要求非常精细地进行各部分信号处理电路设计，精心调试选配，才能保证信号放大后高信噪比、小噪声、低失真的品质。

　　由于航天员出舱活动幅度大、噪声多，信号杂乱，采集航天员生理信号并非易事。哪怕只有毫伏级的干扰进入，前级处理不好就会使输出波形产生严重畸变，无法进行生理参数提取。其次，生理信号放大器要求有很高安全性。由于该产品在航天服内为纯氧环境，在工作时不能产生火花，科研人员开动脑筋，经过多次试验，终于采用了一种特殊的设备密封工艺——浇注灌封，这一创新保证了产品工作时不会产生火花，杜绝了危害航天员安全的事故发生。

　　该所研制的航天服脐带数据处理器是航天员出舱的重要保障设备。航天服脐带数据处理器安装在飞船的气闸舱内，虽然它不属于航天服系统，但它是在航天员出舱前后的电脐带模式下工作。在出舱准备期间和出舱前后的过闸过程中，为航天服提供电源，为航天员提供话音通道，合成航天服应急报警信号及两名航天员的上下行话音，实现两名航天员和地面的三方全双工话音通讯。脐带数据处理器将采集到的航天服、舱载设备信息实时传送给飞船的数管分系统，并将自身的状态量信息通过测控通信传回地面。这样，航天员太空行走的安全性得到了充分的保障。