火星宇航服性能需求

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        设计结果：
        恶劣的火星环境需要为宇航员提供持续保护。
        混合S玻璃纤维和碳纤维/环氧树脂复合材料躯干和短裤设计提供耐高冲击性能。
        满足表面要求以匹配其他组件。

        将人类送往火星的竞赛已经开始。今年9月下旬，Elon Musk宣布他和SpaceX公司（霍桑，加利福尼亚州，美国）正计划将人类发射到火星，他认为该计划不但可行而且成本相对低廉，据估算旅行到红色星球的成本为20万美元/每人。他认为到2060年可能有数百万人生活在火星上。SpaceX公司的竞争对手是波音公司，10月初，该公司首席执行官丹Dennis Muilen- burg发表了他对商业空间旅游行业的看法，他认为未来的超音速喷气机从发射到返回仅需几个小时，可以将游客快速运送至地球各种轨道。他断言，“我相信第一个人踏入火星的人类是乘坐波音火箭到达那里的。

        事实上，NASA渴望其合作伙伴帮助航天局在2030年代将人类运送到火星上。这项工作将于2018年开始，将进行一系列任务旨在测试推进技术，航天器以及深空中人类表的表现，最终实现人类外星殖民。无论人类登陆火星用的是SpaceX的火箭或波音公司的火箭，首要任务对人体进行全面和持续的防护，以确保他们在恶劣的火星环境中生存。抛开火星上致命的宇宙射线和只是地球重力的38％以外，还有有五个火星环境因素需要解决。

        第一是大气，火星大气96％是二氧化碳。地球的大气，在78％氮气，21％氧气和其他气体。
        第二，火星表面的平均大气压力为600帕斯卡，是地球海平面平均压力101.3千帕的0.6％。这使得火星的气压低于阿姆斯特朗的极限，意味着未受保护的人类在火星上，他们的唾液，眼泪，皮肤粘液和肺中存在的任何流体将立即蒸发掉。
        第三，在火星上，温度可以从舒适的70°F / 21℃转变到不适合居住的-225°F / -143℃。
        第四，存在足以覆盖地球表面的整个区域的大小的尘暴，凶猛且持续时间长。
        最后，有陨石落下的威胁。因为火星的气氛很薄，所以这些对地球影响不大的事情在火星上却十分危险。

       为了应对这些挑战，NASA已经开始开发一种新的宇航服。称为Z-2，它被设计为NASA称为行星的舱外活动（EVA），也就是宇航员走出车辆和栖息地，因为需要旅行和研究这个星球。 Z-2是NASA先进勘探系统部的一个项目。

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        Z系列宇航服有一个与居住舱或宇宙飞船对接的后入口，允许宇航员离开衣服并隔离外部灰尘。对于Z-2，NASA决定使用轻型硬壳部件保护躯干，为宇航员提供更好的保护。Z-2宇航服躯干由三个复合部件组成：HUT（硬体上躯干），短裤，以及安装到HUT背部的入口舱门。每个部件必须与轴承和密封件连接，同时可以与头盔，手臂和腿部配合。此外，许多生命支持系统和通信系统被安装到HUT和舱口内外。刚性复合躯干不会降低移动性并且重量增加很小。

        为了证明Z-2套装的可行性，NASA求助于ILC Dover公司，这家制造太空服的悠久历史可以追溯到阿波罗计划。


        作为火星宇航服项目的主承包商，ILC Dover与特拉华大学-复合材料应用与技术转移实验室（UD / CCM / ATTL）合作，通过优化设计和制造，帮助将宇航服的性能提升到更高的水平，并减少复合材料零件中的缺陷。


        这是一个挑战，部分是因为NASA想要一个飞行质量测试报告，内容涉及人类移动性安全测试和宇航员真空室训练测试。 “由于项目资金和进度安排限制，宇航服制造只有一次机会，这是在政府质量审核员的监督下完成，并要求严格的过程文件和控制，”UD M CCM / ATTL应用开发助理总监 Molligan说。 Molligan指出，“ATTL基础设施与其他大学有很大不同，它具有严格的SOP，SMP和符合商业行业协议的质量标准。


        在Z-2项目早期，ILC筛选候选材料（纤维和基体）并选择加工方法。除了轻质和高强度之外，材料必须是可用于空间环境并且无毒。该团队决定使用高模量碳纤维作为增强材料，并增加S玻璃纤维作为外层以提高耐冲击性。使用机织织物（相对于单向）进一步改善抗冲击性。选择具有良好的热/湿性能和良好的加工性的韧化环氧树脂作为基质。选择预浸料坯的非热压罐（OOA）成型工艺制备低成本高性能复合材料。


        根据ILC和NASA提供的功能要求和反馈，ATTL工程师使用实体建模软件设计Z-2组件外形。 HUT特别具有复杂的表面几何形状。ATTL工程师对宇航服进行静态压力结构分析并使用FE软件分析外部负载，在完成初始层压板设计之后，CCM的研究人员对行星探索期间可能发生的各种任务故障进行了模拟，例如绊倒和跌落到岩石上。


        目前，ATTL的团队完成了HUT设计，而且宇航服部件的外部构型已经定型，任何设计变化（即，厚度，层压件变化）仅影响宇航服的内表面。 ATTL还进行了大量的OOA预浸料开发过程试验，结果表明，OOA工艺制备的复合材料并不能满足Z-2宇航服低孔隙率的要求，因为预浸料中夹带过多的空气。 UD / CCM / ATTL技术经理Bill Patterson说：“因此，选择热压罐工艺作为复合材料成型是一个选择，这需要进行另一轮的工艺开发，其中预浸料改性用于高压热压罐。

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        Molligan和Patterson在设计和制造Z-2组件时面临的最大挑战是如何处理它们复杂的几何外形。首先，躯干部件之间以及躯干和头盔，臂部分和腿部分之间的接口导致外表面高度复杂化。即使对于具有均匀厚度的部件，由于织物原料的剪切极限的限制，每个都需要精确的定位并裁剪成最终形状。

       第二，部件不具有均匀的厚度，在各种硬件附接位置处具有局部增厚。主要的挑战是在HUT和舱口中制造厚的法兰，以形成NASA在以前的HUT上使用的门锁特征。锁定机构包括在HUT法兰的内表面中的轨道中延伸的带齿连接带，以及围绕舱口的外周边的一串齿轮。在舱口处，法兰的横截面大致为1英寸宽×2英寸高（25.7mm×50.1mm）。


       对于舱口，NASA最初的设想用在Mark III中使用的复合齿，该机构可以重量节省。但是在多次设计迭代和过程试验之后，决定提供一种混合设计，其中保持金属齿并降低飞行风险。


       Molligan和Patterson使用预固化和经过机械加工的预浸料制造嵌件，测试结果表明，预浸料和预固化嵌件的界面处的层间剪切强度没有损失。
       成品原型于2015年7月交付给ILC Dover。NASA使用红外技术对零件进行了无损检测。 ILC Dover随后与其他宇航服组件组装，并将成品Z-2套装交付给NASA进行评估。