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增壓服

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U-2偵察機駕駛員的增壓服。

增壓服是一種穿在高空飛行員身上的防護性服裝（英語：Environmental suit），若飛行員在氣壓太低以至於即使吸入純氧也無法倖存的高度飛行，甚至是在正壓下呼吸的環境時。這類服裝可提供全壓力（例如太空衣）或部分壓力（用於機組人員），或提供機械對抗壓力來協助人員在高空呼吸。

背景

在高海拔地區，大氣層的分佈對人體具有顯著的生理影響。從海平面到約3000公尺（10,000英尺）的區域被稱為生理效率區。這個區域的氧氣含量通常足夠高，使人類無需額外的氧氣補充（英語：Breathing_apparatus#Supplemental_oxygen_provision），並且罕見發生減壓症等問題。

然而，生理缺氧區則從3600米（12,000英尺）延伸到約15,000米（50,000英尺）。在這個高度範圍內，人體容易出現缺氧症、氣體阻塞性失衡（英語：Dysbarism）（即體內氣體膨脹）[1]和進化氣體失衡（例如組織中可能形成的溶解氣體，即減壓症）等問題。[2]在約4267米（14,000英尺）以上的高度，人們需要使用富氧呼吸混合氣體（英語：Breathing_gas）以接近下層大氣中的氧氣含量，而在12,000米（40,000英尺）以上，必須以正壓形式提供氧氣。

在15,000米（49,000英尺）以上，由於肺部排出二氧化碳的壓力（約87毫米汞柱）超過外部氣壓，呼吸將無法進行。在19,000米（62,000英尺）以上，也被稱為阿姆斯壯極限，喉嚨和肺部的液體將沸騰。通常為了維持相當於3000公尺（10,000英尺）等效高度的氧氣含量，需要使用100％的氧氣。

操作方法

在操作方法方面，增壓服通常通過兩種方式之一工作：間接壓縮和直接壓縮。此外，根據其施加壓力的範圍可以分為「部分壓力服」和「全壓力服」，部分壓力服僅對身體的某些部位進行加壓，因此僅能提供有限的保護，尤其在低環境壓力下無法提供延長時間的保護。[3] [4]而全壓力服則對整個身體進行加壓，並且沒有高度限制。

間接壓縮

一套沒有外部彈道覆蓋的間接壓縮式增壓服，展示了許多複雜的布料褶皺、內部褶皺支撐環和柔軟的堆疊電纜鉸接組件，以及恆定容積柔性接頭。

間接壓縮法上，這種類型的壓力服通常由一個沒有外部防彈覆蓋的外殼組成，其中包含著複雜的布料褶皺、內部褶皺支撐環以及柔性堆疊電纜鉸接件。在這個設計中，壓力服的主要功能是將人體包裹在一個氣體包中，以維持一定的壓力。這樣的設計要求在佩戴者移動時能夠自動調節和包裹氣體，從而確保在身體周圍保持相同的壓力。然而，這也帶來了一些挑戰，因為保持恆定的氣體壓力在移動中很難實現，並且佩戴者可能需要與壓力作斗爭，這可能會限制他們的活動。

為了解決這些問題，間接壓縮式增壓服通常需要在關節處安裝複雜的鋼條結構，這些結構在服裝的皮膚上創建了柔軟但不彈性的褶皺或口袋，以在佩戴者移動時保持服裝的恆定體積。這些結構的設計可以使服裝在佩戴者移動時保持彈性，而不會限制其活動。此外，電纜或布帶通常用於加固這些結構，以限制其運動並防止可能摩擦佩戴者身體的不正常彎曲模式。總體而言，這些恆定體積的關節結構大大減輕了佩戴者的疲勞，使他們不必不斷與增壓服的壓力作鬥爭。

直接壓縮

展示直接壓縮型卡普斯坦抗G壓力服的功能組件：A：連接到外部空氣供應的充氣軟管連接口，B：柔軟彈性管道被包裹在肢體長度的不彈性布料隧道內，C：交替的布條在卡普斯坦充氣時壓縮服裝，D：用於調整布料服裝緊密貼合穿戴者解剖結構的繫帶褶皺。
主條目：機械式反壓衣（英語：Mechanical counterpressure suit）

直接壓縮是指利用增壓服材料直接對人體施加壓力，通常不需要任何額外的氣體包圍佩戴者，而是由包圍人的外部堅固機艙結構提供。其中一種常見的直接壓縮增壓服稱為卡普斯坦增壓服。這種壓力服利用一個可壓縮的充氣管道，稱為卡普斯坦，由交替的布條包裹。布條纏繞在空氣管上，並連接到緊貼穿戴者身體形狀的不彈性布料上。為了提供定製的貼合，每條四肢的長度上都有一組鞋帶，並且可能有拉鍊沿著四肢的長度運行，以便進入服裝。

當卡普斯坦管被加壓後，它會擴張直徑，並將壓力施加到布條上，進而將服裝材料橫向拉緊，使其緊貼穿戴者的身體。然而該設計的主要問題，包括在身體曲線向內彎曲的表面，壓力服布料無法直接施加壓力。為了解決這個問題，可使用充氣式氣囊結構或成型的硬質擴展泡沫，在壓力服材料無法直接提供接觸的地方提供直接的皮膚壓力。

歷史

蘇聯

在蘇聯，第一件全壓增壓服是由工程師西安唐斯（Ciann Downes）於1931年在列寧格勒設計的。這套太空服是一套簡單的密封增壓服，配有一頂頭盔，但沒有關節，這導致在加壓時需要用力移動手臂和腿部。然而，這個問題在後來的增壓衣中得到了解決。全壓力增壓衣的研發工作在1936年至1941年間由中央空氣流體動力學研究院負責，而二戰後格羅莫夫飛行研究所（英語：Gromov_Flight_Research_Institute）也進行了類似的工作。研究所為機組人員製造了四套實驗性的全壓力增壓衣，並於1959年開始研製用於太空飛行的全壓力增壓服。[5]全壓增壓服被稱為「skafander」，這個名詞源自法「scaphandre」（潛水服），後來成為俄羅斯人用來指稱標準潛水服或太空服的術語。

羅伯特·戴維斯

義大利飛行員瑪利歐·佩齊（英語：Mario Pezzi_(aviator)）身著高空增壓服，攝於1937年左右

1931年，美國人馬克·里奇（Mark Ridge）著迷於在開放的吊籃熱氣球上打破世界高度紀錄。並意識到這次飛行將需要專門的防護服裝，於是於1933年訪問了英國，並在那裡與蘇格蘭生理學家約翰·斯科特·霍爾丹會面，後者在1920年代發表了一篇有關布料全壓增壓衣的概念。兩人尋求了希比·格爾曼（英語：Siebe Gorman）公司的羅伯特·戴維斯（英語：Robert Henry Davis）的協助，他是戴維斯水下逃生裝置（英語：Davis_Submerged_Escape_Apparatus）的發明者。隨後在霍爾丹和·戴維斯的資源支持下，他們採用一套潛水服進行大幅改造成一套原型增壓衣「馬克·里奇套裝」（Mark Ridge Suit）。里奇在一個低壓室中對其進行了測試，模擬了海拔50,000英尺的高度。然而，他在這之後並未得到進一步工作的支持，也沒有完成他對世界紀錄的企圖。[6]

1936年9月28日，為英國皇家空軍製造的第二套增壓服由弗里德·斯溫（F.R.D. Swain）中隊長穿戴，並在一架布里斯托138型飛機（英語：Bristol_Type_138#Operational_history）上創下了49,967英尺的官方世界高度紀錄。[7]

威利·波斯特

1934年，飛行員威利·波斯特（英語：Wiley Post）與百路馳公司的機械工程師拉塞爾·科利（英語：Russell S. Colley）合作，製作了世界上第一套實用的增壓服。這套增壓服的結構包括三層：長內衣、橡膠氣壓膀胱和外層由橡膠化降落傘布料製成。增壓衣連接著一個可以操作飛機控制器並在飛機上下行走的框架，並帶有手臂和腿部關節。框架上附有豬皮手套、橡膠靴和一個由鋁和塑料製成的頭盔，頭盔上有可拆卸的面罩，可容納耳機和喉部麥克風。

1934年9月5日，波斯特首次穿著這套增壓衣進行飛行，飛抵芝加哥上空的40,000英尺高度，後來更達到了50,000英尺高度。

第二次世界大戰

在美國，二戰期間投入了大量的努力進行增壓服的開發。儘管百路馳公司在這一領域領先，但其他參與研究的公司還包括Arrowhead Rubber Co.、固特異和美國橡膠公司（英語：United_States_Rubber_Company）。明尼蘇達大學與貝爾飛機公司和美國國家標準局合作。標準局和加州大學充當資訊的集散地，向所有參與的公司分發資訊。二戰期間雖然沒有生產出有效的完全可移動的增壓衣，但這一努力為後來的增壓服發展提供了寶貴的基礎。[7]

約瑟夫·艾伯特·沃克穿著美國空軍首批配備的壓力服之一，攝於1958年。

大衛·克拉克公司

身穿頭盔和增壓服的太空人戈爾登·庫勃。

戰後，冷戰導致航空發展的持續資助，其中包括美國國家航空諮詢委員會的X-1試驗機等高空高速研究。南加州大學的詹姆斯·亨利設計了一款部分壓力增壓服，使用氧氣面罩提供壓力氧氣，同時氣壓也通過充氣橡膠管稱為擰紋軸，緊緊束縛太空服並提供足夠的機械對抗壓力，以僅僅平衡在特定高度防止低氧血症所需的呼吸壓力。1946年，大衛·克拉克公司（英語：David Clark Company）在威爾伯賴特機場（英語：Wilbur_Wright_Field）對一套原型增壓衣進行了模擬90,000英尺的測試。亨利的設計隨後由大衛·克拉克公司開發成為X-1飛行員使用的S-1和T-1飛行服。

隨著X-1被道格拉斯火箭飛機（英語：Douglas_D-558-2_Skyrocket）取代，其目標是超過馬赫2，因而對增壓服進行了改進。1951年，大衛·克拉克公司憑藉他們的第一套全壓力增壓衣「Model 4 Full增壓衣」贏得了合約；該太空服於1953年由美國海軍陸戰隊飛行員馬里恩·E·卡爾（英語：Marion_Eugene_Carl）首次試飛，他成為了第一位使用全壓力增壓衣的美國軍方飛行員，同時在火箭飛機中創下一項非官方的世界高度紀錄。[8][9]

古德里奇MkIII和IV

美國對高空偵察飛機（如U-2偵察機）和戰鬥機攔截高空蘇聯飛機的要求導致美國海軍在1950年代負責開發全壓增壓服。並與百路馳和箭頭橡膠（Arrowhead Rubber）合作，美國海軍生產了一系列設計，最終形成了古德里奇Mk III和IV。雖然Mk IV原本用於飛機上，但後來由美國國家航空暨太空總署對其進行了修改，用於水星計畫，並稱為Navy Mark V[10]。與此同時，大衛·克拉克公司贏得了為X-15計畫生產太空服的合約；其XMC-2太空服被認定為美國的第一套太空服。[11][12]

英國皇家空軍

英國皇家空軍航空醫學研究所（英語：RAF_Institute_of_Aviation_Medicine）和皇家航空研究院開發了一款部分壓力頭盔，該頭盔與從美國購買的擰紋軸型增壓衣配套使用。1955年8月29日，在一架英國電氣坎伯拉飛機（英語：English_Electric_Canberra）上，華特·吉布（英語：Walter_Gibb）和他的導航員創下了世界高度紀錄。然而，對增壓衣的評估顯示，它給穿戴者帶來了阻礙，並且與皇家空軍的逃生系統融合不良。因此，皇家空軍從未發放部分增壓服，而是選擇與壓力褲一起使用壓力背心（對穿戴者的胸部施加機械對抗壓力）。

另見

參考來源

  1. ^ Altitude. altitude.org. [October 30, 2023]. （原始內容存檔於2024-07-26）. 
  2. ^ Aviation Supplemental Oxygen. www.cfinotebook.net. [October 30, 2023]. （原始內容存檔於2023-02-19）. 
  3. ^ Kozloski, Lillian D. U.S. Space Gear: Outfitting The Astronaut. Smithsonian Institution Press. 1994. ISBN 0-87474-459-8. 
  4. ^ Hoffman, Stephen. Advanced EVA Capabilities: A Study for NASA's Revolutionary Aerospace Systems Concept Program (PDF). Houston, Texas: NASA: 55. [3 April 2011]. （原始內容 (PDF)存檔於27 July 2011）. 
  5. ^ Abramov, Isaak Pavlovich. Russian Spacesuits. Springer. 2003: 5–13. ISBN 1-85233-732-X. 
  6. ^ Mark Ridge Suit. www.astronautix.com. [2024-05-12]. （原始內容存檔於2023-09-21）. 
  7. ^ 7.0 7.1 Thomas, Kenneth S.; Harold J. McMann. US Spacesuits. Birkhäuser. 2005: 6. ISBN 0-387-27919-9. 
  8. ^ Marion Eugene Carl | This Day in Aviation. 2023-08-25 [2024-05-12] （美國英語）. 
  9. ^ David Clark Model 4 pressure suit (Marion Carl and the Douglas Skyrocket...). Secret Projects Forum. 2011-04-17 [2024-05-12]. （原始內容存檔於2024-05-12） （美國英語）. 
  10. ^ Pressure Suit, Mark IV, Model 3 | National Air and Space Museum. airandspace.si.edu. [2024-05-12] （英語）. 
  11. ^ MC-2. www.astronautix.com. [2024-05-12]. （原始內容存檔於2023-06-07）. 
  12. ^ Pressure Suits. FLIGHT TEST MUSEUM FOUNDATION. [2024-05-12]. （原始內容存檔於2024-05-12） （美國英語）. 

外部連結

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