波音公司的 CST-100 Starliner 飞船于 2022 年在新墨西哥州的白沙导弹靶场的太空港进行无人飞行测试。截至发稿时，Starliner 在其认证飞行中，也是第一次搭载宇航员的飞行，因技术问题仍滞留在国际空间站。图片来源：NASA/Bill Ingalls
当谈到地球和太空的研究时，很容易被飞越地球外层最顶端的火箭和航天器所吸引。但是，将这些宇航员和科学研究安全带回地球，部分归功于漂浮的纺织产品，如降落伞和气球，以及它们的织物涂层。
2007 年，降落伞翻新设施的一名工人缝制降落伞，为测试原计划运输猎户座飞行器的战神一号火箭做准备。图片来源：NASA/Kim Shiflett
自 1700 年代后期以来，用于研究、载客和侦察的气球就已经部署，有时甚至会准备好降落伞。几十年来，带有防撕裂编织的尼龙和低密度聚乙烯已经在气球和降落伞上得到了验证。自水星计划首次飞行以来，NASA 的降落伞系统一直是其航空航天计划的一部分。甚至航天飞机在着陆时也使用了阻力伞。降落伞也是当前 阿尔忒弥斯 和 猎户座 计划的一部分。
这幅技术插图创作于 1860 年至 1880 年之间，展示了安德烈·加纳林 （André Garnerin） 设计的四个阶段：用氢气为气球充气的装置、飞行中的气球、连接到上升气球的降落伞以及下降时的降落伞。图片：美国国会图书馆印刷和照片部/Tissandier 收藏
Jared Daum 是位于德克萨斯州休斯顿的 NASA 航天中心的 猎户座 降落伞子系统经理。鉴于载人航天飞行完全取决于质量和体积，“更高韧性的结构元件使我们能够用更轻的降落伞实现类似的结构边缘。更轻的降落伞意味着更多的月球岩石回家，“他说。“这也导致航天降落伞上的结构边缘非常薄，从而推动了复杂的分析和测试。”
多年来，Daum 见证了纤维开发的进步，包括 Kevlar® 和 Zylon®，他说，这些技术实现了更高的强度重量比。然而，“这些好处不是免费提供的，”他补充道。“其他特性也发生了变化，更多的传统降落伞材料[由尼龙制成]，这可能会对降落伞的局部和宏观性能产生影响。”
Superiaire Technologies 成立于 1998 年;其产品包括气球、阻力减速伞和降落伞以及爆炸衰减装置和定制横幅和遮阳产品。图片来源：Superiaire Technologies
尼龙的力量
位于弗吉尼亚州沃罗普斯岛的 NASA 沃罗普斯飞行设施气球项目办公室的首席技术专家 Sarah Roth 说，直到今天，无论飞行环境如何，带有防撕裂编织的尼龙仍然是标准。“这很有趣，”她谈到二战前发明的面料以及在那场冲突期间开发的编织时说。“当尼龙被发现为这种出色、轻便的面料时，尤其是防撕裂编织配置，它树立了标准。”
Matt Guthrie 在新墨西哥州阿尔伯克基拥有 Superiaire Technologies，该公司专注于定制缝纫和降落伞技术。“我们使用的所有产品都是某种防撕裂尼龙，”他指出，并补充说他已经看到这种材料的整体强度和撕裂强度有了重大进步。“当我们从方形编织防撕裂面料切换到菱形图案时，我们能够看到 [这一点]，”他说。
Wallops 飞行设施一栋建筑物的降落伞飞行后检查。图片：NASA Wallops 飞行设施的气球项目办公室
SuperiAire 的部分业务还包括为 Aerostar 建造的 NASA 探空火箭计划制造降落伞。“探空火箭回收伞可能从 60 年代或更早开始就被 NASA 使用，”Guthrie 说，“如果你想改变该设计中的任何内容 [通过摆脱尼龙]，你必须进行新的飞行测试，获得批准并更改图纸。他解释说，这变得昂贵。“我相信，如果某件事没有坏，就不要修理它。”
特瑞堡的大部分浮空器业务用于情报、监视和侦察应用，包括政府国防应用。在这里，一台特瑞堡附近的浮空器正在维修。图片来源：Trelleborg
罗斯说，NASA 的 Wallops 设施只使用私人制造商提供材料，他重复了格思里的口头禅。“自 1950 年以来，NASA 使用聚乙烯材料的科学气球一直相同，”她说。“它实际上只是一个厚度在 0.6 到 1.5 密耳之间的线性低密度聚乙烯。令人惊讶的是，它并没有真正改变，但这可能证明了设计的稳健性。
她补充说，唯一使用织物薄膜复合材料的“是飞艇和系留气球，而这些浮空器大多在对流层”，对流层延伸到 33,000 英尺。她解释说，NASA 的气球不同，因为它们是巨大的结构。“我们将高达 8,000 磅的有效载荷带入平流层，平均高度约为 120,000 英尺，我们最多可以达到 155,000 英尺左右。”
在内战期间，系留气球用于空中侦察和火炮侦察。1862 年 5 月，联邦气球 Intrepid 在这里从气球 Constitution 中的气体中充气。图片：美国国会图书馆/Liljenquist 内战照片家族收藏/布雷迪国家肖像摄影画廊
涂层的价值
与织物同样重要的是所需的涂层。位于北卡罗来纳州卢瑟福顿的 Trelleborg Engineered Coated Fabrics（Trelleborg Coated Systems US Inc. 的商标名称）购买各种纺织品，然后为包括航空航天工业在内的不同行业进行涂层和层压。“我们的大多数产品都制成气囊来容纳物体，无论是空气、氦气还是防止物体从一个区域移动到另一个区域，”特瑞堡技术总监 John Mouland 解释说。
该公司的航空航天部门有两个主要领域。首先是疏散系统，包括商业航空中使用的逃生滑梯、救生筏、救生衣和直升机浮筒。“我们购买织物，然后根据客户的特定需求对其进行涂层和层压，”特瑞堡航空航天和北美橡胶商务总监 Kevin Maine 说。与 Daum、Guthrie 和 Roth 相呼应，Maine 表示，对于航空航天部门，他们主要使用聚氨酯涂层尼龙。
在这里，一个研究气球准备于 2011 年 12 月在麦克默多站附近的罗斯冰架上发射，载荷为宇宙射线电子同步加速器望远镜。在 2023 年的南极计划中，一项任务涉及测量恒星之间物质的排放。图片来源：NASA Goddard
特瑞堡的第二个领域是其 Lighter Than Air 部门，拥有“无人飞艇和系留浮空器，后者在市场上比前者更普遍，”Maine 说。该公司在其自主和电动飞艇中使用一种名为 FloFleet 的涂层织物，该织物是它在马萨诸塞州蒙森开发的。
特瑞堡的大部分浮空器业务用于情报监视和侦察应用，包括政府国防应用，例如 Roth 合作的应用。缅因州说：“这些浮空器将提升传感器或雷达、摄像头等有效载荷，并用于冲突地区、边境地区和支持地勤人员。“我们的材料必须保持气体。它需要坚固但灵活。他补充说，良好的重量强度比以及抗紫外线或耐候性至关重要。
2024 年 5 月的高能轻同位素实验 （HELIX） 气球任务在测量宇宙射线成分的过程中达到了近 120,000 英尺的浮动高度。这张图片是技术人员在 2009 年活动期间从瑞典基律纳发射场将有效载荷连接到气球和降落伞上。图片来源：NASA/大学大气研究公司
“一切都与重量有关，”Mouland 补充道。“你需要一种具有一定强度的材料，这与面料设计有关。任何具有良好强度重量比、可以涂层和柔韧的织物都可以根据需要保持气体。
瑞堡聚氨酯新产品开发经理 Keaton Poole 表示，由于飞艇和系留气球的等级不同，每个单元以及单元本身的不同组件都需要高度定制。“这包括极端材料、尾翼、鼻锥和结构带，”他说。“他们都很关键。”
自水星任务以来，降落伞一直在将宇航员安全送回地球。图为阿波罗 14 号指令舱在执行 10 天的任务后于 1971 年 2 月坠落。图片来源：NASA
技术进步
同样重要的是技术的持续进步。Guthrie 还与 Aerophile of Paris 的大型气球合作，他说他已经看到了涂层织物的改进，使它们的使用寿命更长。“它们抵抗水文学过程，因此涂层不容易脱落。”他还指出，它们含有紫外线抑制剂，可以使涂层保持更长时间的光泽，“因此它们在阳光下不会降解”。
Maine 表示，这些纺织进步有助于在该行业创造更好的产品。“例如，当你看到像 Vectran™ 这样的纺织品时，”特瑞堡将其纳入其一些系统，“它们确实有助于实现重要的强度重量比。
1995 年 11 月，哥伦比亚号航天飞机和她的七名机组人员在着陆降落伞的帮助下放慢了速度，返回地球。图片来源：NASA
Mouland 补充道，这不仅是纤维本身，还有面料设计。“更新的编织技术正在出现，随着我们改进涂层工艺并变得更加精确，我们能够创造出几年前不可能的材料。”
虽然该行业不断发展壮大，但财务挑战仍然是一个症结所在。“很难将这些新的高科技面料整合到我们在降落伞方面已经做的事情的进一步开发中——让最终用户相信这将是一个更好的途径，”Guthrie 说。“价格将是天文数字。”
2019 年 12 月，SpaceX 成功完成了龙飞船升级后的 Mark 3 降落伞的第七次系统测试。自 2020 年以来，SpaceX 一直在运送宇航员往返国际空间站。图片：NASA/SpaceX
罗斯同意。她对可能取代铝的复合材料感兴趣，铝可以减轻除气球本身之外的所有东西的质量。“如果我们能 [做到这一点]，我们就可以提高科学能力，我们可以提高海拔高度，”她说。然而，她补充说：“我们不一定知道未来是否有一种材料具有与相同质量的聚乙烯相同的强度。至少不会有成本效益。
虽然这些成本可能是一个绊脚石，但它们并不会影响多年来已经取得的成就。穆兰说：“你可以回顾一下兴登堡号，看看这艘经典的飞艇曾经是如何制造的，以及它是用什么制成的。现在你会看到面料、制造和化学方面的惊人进步。
漂浮纺织品的未来
2014 年 12 月 5 日，猎户座的降落伞在探索飞行测试 1 （EFT-1） 后返回地球时展开。图片来源：NASA/James Blair
当前纺织品的进步和新纺织品的潜力可能会推动该行业向前发展。
NASA 的 猎户座降落伞子系统经理 Jared Daum 说：“仪器化以及由此产生的降落伞伞冠中载荷和动力学的低估将使航天降落伞行业的下一个巨大飞跃成为可能。
他认为，流固耦合的进步“可以使该行业更好地预测降落伞行为并降低新降落伞系统的开发成本”。他说，在飞行环境中对降落伞进行检测，“对于收集验证这些模型所需的数据并使其在工程过程中有用至关重要。
对于 Superiaire 的 Matt Guthrie 来说，看到与纺织品和纳米技术的发展集成“使可能性几乎是无穷无尽的。想象一下，将纺织品与电子产品混合在一起会做什么，“他说，并透露 Superiaire 已经生产了由镍和银织物制成的产品。“这不是输液，而是 [织物] 浸渍了镍和银，它们制成了折叠式小天线，”他解释说。
顶部影线窗口的视图。图片来源：NASA
进步也已经到来并将继续下去，部分原因是 Trelleborg 和 SuperiAire 等商业公司与航空航天业的合作。
Guthrie 说：“当你与工程师坐下来从工程的角度看待事物时，以及纺织行业的人从纺织的角度看待它时，你能够通过分享他们以前可能没有想过或不知道自己可以走上特定道路的面料来提出想法。
“降落伞行业将随着每个独特系统的部署而越来越多地学习，”Daum 说。“[NASA] 商业机组人员和商业货运系统为了解航天降落伞的设计和开发提供了更多机会，扩展了行业在新纺织品、纺织品接头设计、制造和测试技术方面的经验。”
通过其小企业创新研究计划以及使用商业提供商提供发射服务，“NASA 现在确实非常重视公私合作伙伴关系，”NASA Wallops 飞行设施气球计划办公室首席技术专家 Sarah Roth 说。她认为大部分创新都来自私营部门。
“引用马克·扎克伯格 （Mark Zuckerberg） 的话，他们有能力'快速行动并打破常规'，”她说。“这是政府的风险态势并不总是允许的。”
