El primer prototipo de un traje espacial fue la escafandra estratonáutica, diseñada en 1935 por el ingeniero militar español Emilio Herrera. Este prototipo sentó un precedente que inspiraría futuros diseños, utilizados por los Estados Unidos en la carrera espacial.^[2]​ El primer traje espacial utilizado por un ser humano en el espacio fue el traje intravehicular Sokol SK-1, fabricado por la Unión Soviética para el vuelo de Yuri Gagarin, el 12 de abril de 1961.^[3]​

Un traje espacial debe permitir a su usuario un movimiento natural y sin trabas. Casi todos los diseños intentan mantener un volumen constante sin importar los movimientos que haga el usuario. Esto se debe a que se necesita trabajo mecánico para cambiar el volumen de un sistema de presión constante. Si flexionar una articulación reduce el volumen del traje espacial, entonces el astronauta debe hacer un trabajo adicional cada vez que dobla esa articulación, y debe mantener una fuerza para mantener la articulación doblada. Incluso si esta fuerza es muy pequeña, puede ser muy agotador luchar constantemente contra su propio traje. También dificulta mucho los movimientos delicados. El trabajo requerido para doblar una junta está dictado por la fórmula

${\displaystyle W=\int _{V_{i}}^{V_{f}}\,P\,dV}$ 

dónde V_i y V_f son respectivamente el volumen inicial y final de la junta, P es la presión en el traje, y W es el trabajo resultante. En general, es cierto que todos los trajes son más móviles a presiones más bajas. Sin embargo, debido a que los requisitos de soporte vital dictan una presión interna mínima, el único medio de reducir aún más el trabajo es minimizar el cambio de volumen.

Todos los diseños de trajes espaciales intentan minimizar o eliminar este problema. La solución más común es formar el traje con varias capas. La capa de la vejiga es una capa hermética y gomosa muy parecida a un globo. La capa de sujeción va fuera de la vejiga y proporciona una forma específica para el traje. Dado que la capa de la vejiga es más grande que la capa de sujeción, la sujeción soporta todas las tensiones causadas por la presión dentro del traje. Como la vejiga no está bajo presión, no "explotará" como un globo, incluso si se pincha. La capa de contención tiene una forma tal que al doblar una junta se abren bolsillos de tela, llamados "gajos", en el exterior de la junta, mientras que los pliegues llamados "convolutas" se pliegan en el interior de la junta. Las convolutas compensan el volumen perdido en el interior de la junta y mantienen el traje en un volumen casi constante. Sin embargo, una vez que las aristas se abren por completo, la junta no se puede doblar más sin una cantidad considerable de trabajo.

En algunos trajes espaciales rusos, las tiras de tela se envolvían apretadamente alrededor de los brazos y las piernas del cosmonauta fuera del traje espacial para evitar que el traje espacial se hinchara cuando estaba en el espacio.

La capa más externa de un traje espacial, la prenda térmica de micrometeoritos, proporciona aislamiento térmico, protección contra micrometeoritos y protección contra la dañina radiación solar.

Hay cuatro enfoques conceptuales principales de diseño:

Los trajes suaves generalmente están hechos principalmente de telas. Todos los trajes blandos tienen algunas partes duras; algunos incluso tienen cojinetes de articulación duros. La actividad intravehicular y los primeros trajes EVA eran trajes blandos.

Los trajes rígidos generalmente están hechos de metal o materiales compuestos y no usan tela para las juntas. Las articulaciones de los trajes duros utilizan rodamientos de bolas y segmentos de anillos en cuña similares a un codo ajustable de un tubo para permitir una amplia gama de movimientos con los brazos y las piernas. Las juntas mantienen un volumen constante de aire internamente y no tienen ninguna fuerza contraria. Por tanto, el astronauta no necesita esforzarse para sujetar el traje en ninguna posición. Los trajes rígidos también pueden operar a presiones más altas, lo que eliminaría la necesidad de que un astronauta respire oxígeno antes de usar un traje espacial de 34 kPa (4,9 psi) ante un EVA de una cabina de la nave espacial de 101 kPa (14,6 psi). Las articulaciones pueden llegar a una posición restringida o bloqueada que requiere que el astronauta manipule o programe la articulación. El traje espacial de caparazón rígido AX-5 del Centro de Investigación Ames de la NASA tenía una calificación de flexibilidad del 95%. El usuario podría moverse en el 95% de las posiciones que podría sin el traje puesto.

Los trajes híbridos tienen partes de cubierta dura y partes de tela. La Unidad de movilidad extravehicular (EMU) de la NASA utiliza un Torso superior duro de fibra de vidrio (HUT) y extremidades de tela. El I-Suit de ILC Dover reemplaza el HUT con una parte superior del torso suave de tela para ahorrar peso, restringiendo el uso de componentes duros a los cojinetes de las articulaciones, el casco, el sello de la cintura y la escotilla de entrada trasera. Prácticamente todos los diseños de trajes espaciales viables incorporan componentes duros, particularmente en las interfaces como el sello de la cintura, los cojinetes y, en el caso de los trajes de entrada trasera, la escotilla trasera, donde las alternativas completamente blandas no son viables.

Los trajes ceñidos, también conocidos como trajes mecánicos de contrapresión o trajes de actividad espacial, son un diseño propuesto que usaría una media corporal elástica pesada para comprimir el cuerpo. La cabeza está en un casco presurizado, pero el resto del cuerpo está presurizado únicamente por el efecto elástico del traje. Esto mitiga el problema del volumen constante, reduce la posibilidad de despresurización de un traje espacial y proporciona un traje muy ligero. Cuando no se usan, las prendas elásticas pueden parecer ropa para un niño pequeño. Estos trajes pueden ser muy difíciles de poner y enfrentar problemas para proporcionar una presión uniforme. La mayoría de las propuestas utilizan la transpiración natural del cuerpo para mantenerse fresco. El sudor se evapora rápidamente en el vacío y puede desubliminar o depositarse en objetos cercanos: óptica, sensores, el visor del astronauta y otras superficies. La película helada y los residuos de sudor pueden contaminar las superficies sensibles y afectar el rendimiento óptico.

Un traje espacial debe desempeñar diversas funciones para que su ocupante permanezca cómodo y seguro. Debe proveer:

• Una presión interna estable. Esta puede ser menor que la presión atmosférica de la tierra, y por eso normalmente no es necesario llevar nitrógeno en el traje. Una menor presión permite una mayor movilidad para su ocupante, pero conlleva con la posibilidad de que ocurra un mal de descompresión.
• Movilidad. La movilidad está normalmente opuesta a la presión del traje. La movilidad también está dada por las uniones del traje.
• Oxígeno respirable. La circulación de oxígeno respirable está controlada por el Sistema Primario de Soporte Vital.
• Regulación de la temperatura. Distinto a la tierra, donde el calor puede ser transferido por convección en la atmósfera, en el espacio el calor puede perderse solo por radiación o por conducción con los objetos en contacto directo con el traje. Como la temperatura en el espacio puede variar considerablemente, la temperatura del traje está regulada por ropa de Enfriamiento Líquido, mientras que la temperatura interior del traje está regulada por Sistema Primario de Soporte Vital.
• Escudo contra la radiación ultravioleta.^[4]​
• Escudo limitado contra otro tipo de radiaciones.
• Protección contra micrometeoritos, algunos viajando a velocidades de hasta 27 000 kilómetros por hora, proporcionados por una capa resistente al punzado, que es la parte más externa del traje. La experiencia ha demostrado que la mayor probabilidad de exposición se produce cerca del campo gravitatorio de un satélite natural o planeta, por lo que la propuesta se emplea por primera vez en los trajes de la misión lunar Apolo.^[5]​^[6]​
• Medios para maniobrar, arnés y líneas de anclaje/liberación a la nave espacial.
• Sistemas de telecomunicación.
• Formas para el cómodo almacenamiento de comida, agua y bebidas isotónicas.
• Sistema de gestión de desechos (denominado Body Waste Management System en la jerga de la NASA) consistente en un recolector de orina (Urine Collection Device, UCD) y otro de heces (Maximum Absorbency Garment, MAG).

El traje espacial lo componen varias piezas que se ajustan unas a otras y algunas son intercambiables con otros trajes:^[7]​

• Perneras: El traje se compone de unos pantalones y un anillo ventral ajustable en altura y anchura para ser usado por distintas personas.

• Tronco: Al anillo ventral se acopla una camisa con anillos en las muñecas y el cuello.

• Guantes: Son una parte especialmente cuidada porque debe permitir cierta sensibilidad para manejar herramientas y al mismo tiempo protegerle del espacio exterior. Suelen ser hechos a medida.

• Casco: Es otra pieza de especial delicadeza pues debe permitir una amplia visibilidad, ser robusto, tener varias pantallas para proteger los ojos de la radiación sin impedir ver, ofrecer uno o dos micrófonos para la radio, auriculares y una pantalla donde aparezcan mensajes escritos.

• Mochila: En ella van las botellas de aire para poder respirar, el regulador para compensar la diferencia de presión, las baterías y la radio.

• Tubos de evacuación: Una serie de conductos para permitir al astronauta orinar y defecar si fuese necesario sin que suponga un peligro ni una molestia. Hay que tener en cuenta que algunos paseos espaciales pueden prolongarse durante horas (para la reparación del Telescopio espacial Hubble fue necesario una EVA de 26 horas).

En su conjunto un traje de este tipo puede superar los 130 kilos de peso. A esta configuración se le puede añadir el módulo extravehicular (Manned Maneuvering Unit en inglés) que utilizan los estadounidenses para maniobrar fuera del transbordador espacial. Así tendríamos la configuración más completa y eficaz.

Un traje algo distinto es el llamado traje de vuelo utilizado tanto en el despegue como en el aterrizaje y sirve como medida de precaución por si ocurre una despresurización del vehículo espacial. Al contrario que el anterior no lleva mochila. En el caso de los transbordadores americanos es de color naranja fuerte para ser visto con más facilidad y su denominación es ACES. En la Soyuz este traje es de color blanco y se denomina Sokol. Además va equipado con radiobaliza, bengalas, agua, raciones de comida, paracaídas, flotadores y demás equipo de supervivencia; por si se produjera un accidente y debieran abandonar la astronave en vuelo o al caer sobre agua.

Todo traje espacial está confeccionado con varios tejidos, especialmente si la prenda está prevista para salir al espacio, pero suelen integrarlo siempre:^[7]​

• Capa exterior: Es blanca o de material reflectante para disipar la mayor cantidad de luz y calor posible.

• Capa de kevlar: Suele estar colocado en el interior y su misión es proteger los tejidos interiores de desgarros y de pequeña basura espacial que pudiera producir cortes o perforaciones con la consiguiente pérdida de presión.

• Algodón: Es la parte interior para proporcionar un tacto agradable, evitar pérdidas de calor y absorber posibles sudoraciones del propietario.

Estas capas no tienen porqué ser únicas sino dobles o triples y pueden resistir el impacto de un objeto con el tamaño de un guijarro de río. Para partículas más grandes no se garantiza la resistencia; pero si se produjera un agujero del tamaño de una moneda las mochilas podrían proporcionar aire durante unos 30 minutos.^[7]​

• Alto costo: Pese a lograr reducciones en este campo gracias a la experiencia, el precio de cada uno es algo que ha demostrado ser muy difícil de solucionar. Se podría conseguir fabricándolos en serie; pero muchos componentes debe ser confeccionados a medida.

• Tiempo para entrar y salir: La cantidad y la precisión de ajustes que necesita el traje, lo voluminoso y delicado de sus componentes y todos las comprobaciones necesarias hacen que la operación de vestirse pueda superar la media hora o incluso más.

• Incomodidad: Pese a los esfuerzos el traje espacial no deja de ser un globo hinchable, lo que lo vuelve grande y aparatoso. Se han estudiado trajes de formas duras y elásticas; pero por el momento no son alternativa. También resulta muy difícil de resolver la sensibilidad, sobre todo en las manos.

• Peso: El traje debido a sus múltiples partes supera con facilidad los cien kilogramos, por lo que los astronautas deben estar en buena forma física durante los entrenamientos.

La profesora Dava Newman desarrolló unos trajes espaciales denominados «biotraje», similares a uno de neopreno. Estos trajes cuentan con la misma Resistencia y flexibilidad que los trajes convencionales. La diferencia con el traje convencional es que no se infla de aire, por lo que reduce en gran medida el volumen y aumenta la movilidad. El biotraje se ajusta directamente sobre la piel para producir presión.

Se han realizado y se han puesto en práctica estos trajes con resultados fueron satisfactorios, incluso permiten actividades cómo la escalada, totalmente imposible con el convencional peso de aproximadamente 126 kg.

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• Cosmonauta
• Taikonauta
• Escafandra
• Escafandra estratonáutica

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