穿戴喷气鞋在(模拟)太空中疾驰

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在20世纪60年代中期,太空行走以及宇航员在长时间舱外活动(EVA)中必然会面临的未知挑战,是NASA非常关注的问题。该机构需要找到一种方法,让宇航员在真空的太空中机动,同时还能执行复杂的任务。一些工程师提出了一个新颖且出人意料的简单解决方案:喷气鞋。

美国国家航空航天局 (NASA)

喷气鞋的概念由兰利研究中心NASA工程师约翰·D·伯德于1965年率先提出。在一定程度上,伯德受到了同事查尔斯·齐默尔曼和保罗·希尔的启发。他们的“飞行平台”是一个概念验证的移动测试,证明了人类通过附着在脚上的推进系统控制自身行进方向的固有能力。伯德还借鉴了游泳潜水员的经验,他们利用脚蹼在类似失重的的水下环境中产生定向推力。

但伯德追求喷气鞋最强有力的理由是最显而易见的:人类花费大量时间直立行走,并拥有高度发达的平衡感。利用宇航员的自然平衡作为EVA活动的一种姿态控制系统,似乎是显而易见的。

脚部安装的推进系统还有另一个好处,这也是从人类日常活动中显而易见的。通过控制安装在脚上的喷气装置来自我控制,可以解放宇航员的双手进行EVA活动,伯德认为这在更复杂的太空行走中会很有用,例如在轨道上建造空间站。

伯德的喷气鞋系统是气动的,设计相对简单。大部分系统是外部安装的。用户穿戴一个储存背包组件,用于存放约15磅的压缩氧气,压力为每平方英寸6000磅,当然还有穿在宇航员靴子外面的喷气鞋。加压气体通过供应管线到达喷气装置的电磁阀,每个喷嘴阀门提供两磅的推力,压力约为每平方英寸165磅。

系统的内部是控制喷气装置开启和关闭的操作开关。这些开关位于宇航员赤脚的脚掌下,是一个简单的脚趾开关(虽然也曾短暂考虑过口腔控制的咬杆和吸开关)。每只鞋上的喷气装置由该脚的大脚趾以直观的方式控制。按下脚趾开关会激活喷气装置并点燃靴子上的推进器。

美国国家航空航天局 (NASA)

如果我们可以想象一下轨道上的“上”和“下”,直立站立时,喷气鞋的推力会将宇航员笔直地向上送去。姿态和方向控制来自于宇航员通过移动腿和脚来引导喷气推力的方向。

在兰利进行的四种不同配置的一系列测试,证明了喷气鞋是EVA移动的一个可靠概念。一些测试使用了简单的摆锤系统,将测试对象悬挂在天花板上。另一组测试使用了更复杂的“惠普尔树”悬挂装置,用于平移和旋转任务。第三组测试使用了兰利交会对接模拟器的顶部滑车,以创建平移悬挂系统。最终的测试设置使用了空气轴承设施。测试对象被气囊支撑在一个几乎无摩擦的表面上,就像空气曲棍球桌上的冰球一样,模拟了宇航员在零重力下的运动自由度。

在所有测试中,受试者都侧卧,通过移动脚部来引导喷气鞋的推力方向,从一个便携式栏杆柱移动到另一个。所有这些测试都有局限性,因为它们只为用户提供了水平面上的三个自由度——俯仰、前后和头部到脚部的运动——而不是宇航员在太空中的六个自由度。尽管如此,这些侧卧测试仍被认为取得了成功。

美国国家航空航天局 (NASA)

然而,正如历史告诉我们的那样,喷气鞋从未真正投入使用。伯德和项目团队知道该系统并不完美。有人质疑脚趾开关是否能在加压的宇航服中使用。第一双喷气鞋也很沉重、笨拙,并且需要持续调整,而太空行走中的宇航员无法期望处理这些问题。后来,一个由改装过的铝制旱冰鞋制成的轻便版本更容易使用,但整个系统仍然存在疑问。

尽管存在缺点,兰利的测试项目证明了连接到宇航员鞋上的低推力喷气装置可以为EVA提供一些可用的推进力和机动性。最终,喷气鞋的概念引起了足够的兴趣,得以在太空中进行一系列测试。NASA在20世纪70年代初的“天空实验室”任务中测试了“脚控机动装置”。不幸的是,就像NASA在20世纪80年代初在航天飞机任务中测试的喷气背包一样,这项技术从未成为太空飞行的标准配置。

_资料来源:NASANASANASA还可以看看这些来自兰利喷气鞋测试的出色档案录像!_

 

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我的学术背景是科学史,但我从小就对太空飞行感兴趣,那是在我小学时,我看到了一张两个宇航员在月球上的卡通画。我把七岁时对阿波罗计划的好奇心转化为一名太空飞行历史学家和自由撰稿人的职业生涯。

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