增压服
增压服是一种穿在高空飞行员身上的防护性服装，若飞行员在气压太低以至于即使吸入纯氧也无法幸存的高度飞行，甚至是在正压下呼吸的环境时。这类服装可提供全压力（例如航天服）或部分压力（用于机组人员），或提供机械对抗压力来协助人员在高空呼吸。
背景
[编辑]在高海拔地区，大气层的分布对人体具有显著的生理影响。从海平面到约3000米（10,000英尺）的区域被称为生理效率区。这个区域的氧气含量通常足够高，使人类无需额外的氧气补充，并且罕见发生减压症等问题。
然而，生理缺氧区则从3600米（12,000英尺）延伸到约15,000米（50,000英尺）。在这个高度范围内，人体容易出现缺氧症、气体阻塞性失衡（即体内气体膨胀）[1]和进化气体失衡（例如组织中可能形成的溶解气体，即减压症）等问题。[2]在约4267米（14,000英尺）以上的高度，人们需要使用富氧呼吸混合气体以接近下层大气中的氧气含量，而在12,000米（40,000英尺）以上，必须以正压形式提供氧气。
在15,000米（49,000英尺）以上，由于肺部排出二氧化碳的压力（约87毫米汞柱）超过外部气压，呼吸将无法进行。在19,000米（62,000英尺）以上，也被称为阿姆斯壮极限，喉咙和肺部的液体将沸腾。通常为了维持相当于3000米（10,000英尺）等效高度的氧气含量，需要使用100％的氧气。
操作方法
[编辑]在操作方法方面，增压服通常通过两种方式之一工作：间接压缩和直接压缩。此外，根据其施加压力的范围可以分为“部分压力服”和“全压力服”，部分压力服仅对身体的某些部位进行加压，因此仅能提供有限的保护，尤其在低环境压力下无法提供延长时间的保护。[3] [4]而全压力服则对整个身体进行加压，并且没有高度限制。
间接压缩
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间接压缩法上，这种类型的压力服通常由一个没有外部防弹覆盖的外壳组成，其中包含着复杂的布料褶皱、内部褶皱支撑环以及柔性堆叠电缆铰接件。在这个设计中，压力服的主要功能是将人体包裹在一个气体包中，以维持一定的压力。这样的设计要求在佩戴者移动时能够自动调节和包裹气体，从而确保在身体周围保持相同的压力。然而，这也带来了一些挑战，因为保持恒定的气体压力在移动中很难实现，并且佩戴者可能需要与压力作斗争，这可能会限制他们的活动。
为了解决这些问题，间接压缩式增压服通常需要在关节处安装复杂的钢条结构，这些结构在服装的皮肤上创建了柔软但不弹性的褶皱或口袋，以在佩戴者移动时保持服装的恒定体积。这些结构的设计可以使服装在佩戴者移动时保持弹性，而不会限制其活动。此外，电缆或布带通常用于加固这些结构，以限制其运动并防止可能摩擦佩戴者身体的不正常弯曲模式。总体而言，这些恒定体积的关节结构大大减轻了佩戴者的疲劳，使他们不必不断与增压服的压力作斗争。
直接压缩
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直接压缩是指利用增压服材料直接对人体施加压力，通常不需要任何额外的气体包围佩戴者，而是由包围人的外部坚固机舱结构提供。其中一种常见的直接压缩增压服称为卡普斯坦增压服。这种压力服利用一个可压缩的充气管道，称为卡普斯坦，由交替的布条包裹。布条缠绕在空气管上，并连接到紧贴穿戴者身体形状的不弹性布料上。为了提供定制的贴合，每条四肢的长度上都有一组鞋带，并且可能有拉链沿着四肢的长度运行，以便进入服装。
当卡普斯坦管被加压后，它会扩张直径，并将压力施加到布条上，进而将服装材料横向拉紧，使其紧贴穿戴者的身体。然而该设计的主要问题，包括在身体曲线向内弯曲的表面，压力服布料无法直接施加压力。为了解决这个问题，可使用充气式气囊结构或成型的硬质扩展泡沫，在压力服材料无法直接提供接触的地方提供直接的皮肤压力。
历史
[编辑]苏联
[编辑]在苏联，第一件全压增压服是由工程师西安唐斯（Ciann Downes）于1931年在列宁格勒设计的。这套太空服是一套简单的密封增压服，配有一顶头盔，但没有关节，这导致在加压时需要用力移动手臂和腿部。然而，这个问题在后来的增压衣中得到了解决。全压力增压衣的研发工作在1936年至1941年间由中央空气流体动力学研究院负责，而二战后格罗莫夫飞行研究所也进行了类似的工作。研究所为机组人员制造了四套实验性的全压力增压衣，并于1959年开始研制用于太空飞行的全压力增压服。[5]全压增压服被称为“skafander”，这个名词源自法“scaphandre”（潜水服），后来成为俄罗斯人用来指称标准潜水服或太空服的术语。
罗伯特·戴维斯
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1931年，美国人马克·里奇（Mark Ridge）着迷于在开放的吊篮热气球上打破世界高度纪录。并意识到这次飞行将需要专门的防护服装，于是于1933年访问了英国，并在那里与苏格兰生理学家约翰·斯科特·霍尔丹会面，后者在1920年代发表了一篇有关布料全压增压衣的概念。两人寻求了希比·格尔曼公司的罗伯特·戴维斯的协助，他是戴维斯水下逃生装置的发明者。随后在霍尔丹和·戴维斯的资源支持下，他们采用一套潜水服进行大幅改造成一套原型增压衣“马克·里奇套装”（Mark Ridge Suit）。里奇在一个低压室中对其进行了测试，模拟了海拔50,000英尺的高度。然而，他在这之后并未得到进一步工作的支持，也没有完成他对世界纪录的企图。[6]
1936年9月28日，为英国皇家空军制造的第二套增压服由弗里德·斯温（F.R.D. Swain）中队长穿戴，并在一架布里斯托138型飞机上创下了49,967英尺的官方世界高度纪录。[7]
威利·波斯特
[编辑]1934年，飞行员威利·波斯特与百路驰公司的机械工程师拉塞尔·科利合作，制作了世界上第一套实用的增压服。这套增压服的结构包括三层：长内衣、橡胶气压膀胱和外层由橡胶化降落伞布料制成。增压衣连接着一个可以操作飞机控制器并在飞机上下行走的框架，并带有手臂和腿部关节。框架上附有猪皮手套、橡胶靴和一个由铝和塑料制成的头盔，头盔上有可拆卸的面罩，可容纳耳机和喉部麦克风。
1934年9月5日，波斯特首次穿着这套增压衣进行飞行，飞抵芝加哥上空的40,000英尺高度，后来更达到了50,000英尺高度。
第二次世界大战
[编辑]在美国，二战期间投入了大量的努力进行增压服的开发。尽管百路驰公司在这一领域领先，但其他参与研究的公司还包括Arrowhead Rubber Co.、固特异和美国橡胶公司。明尼苏达大学与贝尔飞机公司和美国国家标准局合作。标准局和加州大学充当信息的集散地，向所有参与的公司分发信息。二战期间虽然没有生产出有效的完全可移动的增压衣，但这一努力为后来的增压服发展提供了宝贵的基础。[7]
大卫·克拉克公司
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战后，冷战导致航空发展的持续资助，其中包括美国国家航空咨询委员会的X-1试验机等高空高速研究。南加州大学的詹姆斯·亨利设计了一款部分压力增压服，使用氧气面罩提供压力氧气，同时气压也通过充气橡胶管称为拧纹轴，紧紧束缚太空服并提供足够的机械对抗压力，以仅仅平衡在特定高度防止低氧血症所需的呼吸压力。1946年，大卫·克拉克公司在威尔伯赖特机场对一套原型增压衣进行了模拟90,000英尺的测试。亨利的设计随后由大卫·克拉克公司开发成为X-1飞行员使用的S-1和T-1飞行服。
随着X-1被道格拉斯火箭飞机取代，其目标是超过马赫2，因而对增压服进行了改进。1951年，大卫·克拉克公司凭借他们的第一套全压力增压衣“Model 4 Full增压衣”赢得了合约；该太空服于1953年由美国海军陆战队飞行员马里恩·E·卡尔首次试飞，他成为了第一位使用全压力增压衣的美国军方飞行员，同时在火箭飞机中创下一项非官方的世界高度纪录。[8][9]
古德里奇MkIII和IV
[编辑]美国对高空侦察飞机（如U-2侦察机）和战斗机拦截高空苏联飞机的要求导致美国海军在1950年代负责开发全压增压服。并与百路驰和箭头橡胶（Arrowhead Rubber）合作，美国海军生产了一系列设计，最终形成了古德里奇Mk III和IV。虽然Mk IV原本用于飞机上，但后来由美国国家航空航天局对其进行了修改，用于水星计划，并称为Navy Mark V[10]。与此同时，大卫·克拉克公司赢得了为X-15计划生产太空服的合约；其XMC-2太空服被认定为美国的第一套太空服。[11][12]
英国皇家空军
[编辑]英国皇家空军航空医学研究所和皇家航空研究院开发了一款部分压力头盔，该头盔与从美国购买的拧纹轴型增压衣配套使用。1955年8月29日，在一架英国电气坎伯拉飞机上，华特·吉布和他的导航员创下了世界高度纪录。然而，对增压衣的评估显示，它给穿戴者带来了阻碍，并且与皇家空军的逃生系统融合不良。因此，皇家空军从未发放部分增压服，而是选择与压力裤一起使用压力背心（对穿戴者的胸部施加机械对抗压力）。
另见
[编辑]参考来源
[编辑]- ^ Altitude. altitude.org. [October 30, 2023]. （原始内容存档于2024-07-26）.
- ^ Aviation Supplemental Oxygen. www.cfinotebook.net. [October 30, 2023]. （原始内容存档于2023-02-19）.
- ^ Kozloski, Lillian D. U.S. Space Gear: Outfitting The Astronaut. Smithsonian Institution Press. 1994. ISBN 0-87474-459-8.
- ^ Hoffman, Stephen. Advanced EVA Capabilities: A Study for NASA's Revolutionary Aerospace Systems Concept Program (PDF). Houston, Texas: NASA: 55. [3 April 2011]. （原始内容 (PDF)存档于27 July 2011）.
- ^ Abramov, Isaak Pavlovich. Russian Spacesuits. Springer. 2003: 5–13. ISBN 1-85233-732-X.
- ^ Mark Ridge Suit. www.astronautix.com. [2024-05-12]. （原始内容存档于2023-09-21）.
- ^ 7.0 7.1 Thomas, Kenneth S.; Harold J. McMann. US Spacesuits. Birkhäuser. 2005: 6. ISBN 0-387-27919-9.
- ^ Marion Eugene Carl | This Day in Aviation. 2023-08-25 [2024-05-12] （美国英语）.
- ^ David Clark Model 4 pressure suit (Marion Carl and the Douglas Skyrocket...). Secret Projects Forum. 2011-04-17 [2024-05-12]. （原始内容存档于2024-05-12） （美国英语）.
- ^ Pressure Suit, Mark IV, Model 3 | National Air and Space Museum. airandspace.si.edu. [2024-05-12] （英语）.
- ^ MC-2. www.astronautix.com. [2024-05-12]. （原始内容存档于2023-06-07）.
- ^ Pressure Suits. FLIGHT TEST MUSEUM FOUNDATION. [2024-05-12]. （原始内容存档于2024-05-12） （美国英语）.
