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太空取经的九九、八十一难

1961年4月12日,莫斯科时间上午9时零7分,一艘宇宙飞船载着前苏联宇航员尤里·加加林,从中亚的拜克努尔发射场发射升空,在远地点为301千米的轨道上绕地球一周,于上午10时55分安全返回地球,完成了世界上首次载人太空飞行,加加林成为人类历史上第一个冲出大气层、进入太空的宇航员。

50年弹指一挥间,继加加林之后,前苏联和美国的许多宇航员都进入了太空,长期悬浮在地外的国际空间站还接纳了来自不同国家的宇航员常驻站内,我国也用神舟飞船多次把宇航员送入太空。进入太空似乎已经变得很容易、很安全了,好似去另一个城市旅游一番。

然而,事实并非如此。即使载人太空飞行已经有半个世纪的经验,宇航员进入绕地太空轨道以及到更远的星球去探险,都是万分危险的旅程,太空取经的道路上,有无数的劫难。

想上青天,分秒必争

飞船上天可不是随便什么时候心血来潮就可以启动的,必须要在特定的时间段发射。这个特定的发射时间段叫发射窗口,就好像躺在床上通过狭小的天窗看月亮那样,一年只能看到寥寥数次,因为月亮在我们头顶运行的轨道是在不断变化的,不可能每晚都经过你的天窗。同样,搭载飞船的火箭要顺利完成太空任务,也只能在特定的时段发射。

为什么不能随时发射火箭呢?

这首先是受到了飞船的飞行轨道限制。人类发射火箭或者航天飞机上天,当然是要完成某些具体任务的,比如将卫星、飞船送入特定的轨道,或是让航天器和国际空间站对接,或者要让飞船等航天器飞向月球,或更遥远的其他行星。在发射的过程中,地球在绕着太阳公转,本身还在自转,航天器要抵达的目的地——国际空间站或者其他星球,也在太空中高速运动着,比如空间站的飞行速度就达到了大约每小时2.7万千米。要发射飞船到达太空中的目的地,必须精心地计算各种移动的物体的轨道,找出一个最佳的发射时机,能够让飞船进入太空中后,刚好“遇见”目的地。这就好比我们坐在飞驰的汽车上打奔跑的野鹿或飞鸟,开枪早了或是晚了都打不到猎物。

如果错过了最佳的发射窗口,飞船发射升空后在太空中再想调整轨道高度和飞行速度,与目的地交汇,就太艰难了。

另外,气象、光照条件也会影响发射时机的选择。几年前美国遭受卡特琳娜飓风袭击时,航天飞机的发射和返航都被迫调整了时间,以避开恶劣的天气条件。考虑了诸多因素后,实际确定下来的发射窗口是很短暂的,必须分秒必争。

我国的嫦娥1号探月飞船在发射的时候,窗口时间就只有35分钟。当时计算后得知,如果在那这35分钟内不能正常发射,就只能取消发射计划,推迟到第二年重新确定发射窗口了。而且即使是在这个发射窗口内,最后一分钟发射与第一分钟发射相比,飞船的燃料要多消耗120千克才能抵达预定轨道。这对于总共只有1200千克燃料的嫦娥1号来说,是个很大的损失。因为嫦娥1号升空后,在前往月球的途中,还要利用燃料进行多次变轨飞行,所以燃料是非常宝贵的,如果一出发就浪费了许多的燃料,势必会影响后期飞船调整轨道的能力,飞船抵达月球轨道后正常工作时间就会大大减少。由此可见,在理想的发射窗口发射是多么地重要。

上天难,下地更难

如果说航天器上天的时候很麻烦,那“下地”的时候就是惊险了。航天器返回地球大气层的时候,由于速度非常快,每秒十几千米,如此高速与浓密的大气层空气剧烈摩擦,会让航天器的表面温度急剧上升超过1000℃。此时如果航天器没有保护措施,立刻就会变成一团火球。想想看那些冲入地球大气层的陨石吧,除了极少数块头很大的陨石外,基本上都在空中就烧光了。即使落到地面的陨石,实际上也被烧掉了很大一部分,有的还因此而解体成许多小块。

所以,所有航天器的表面都覆盖着隔热材料,当航天器返回大气层的时候,隔热材料会在高温下气化,吸收并带走摩擦产生的热量,保护航天器凉爽地安全着陆。

摩擦产生的高温不仅会损坏飞船、危及宇航员生命,它还会产生另一个可怕的后果——黑障。

在高温下,飞船周围的空气会发生电离,也就是气体分子中的电子与原子核分离了,电离的气体包围在飞船周围,于是飞船就像是套上了一个由带电粒子组成的罩子。这个罩子把飞船内部和地面指挥中心隔开了,飞船内的无线电信号发不出去,地面发的指令也传不进来,使得两边无法通过无线电波来保持联系,这就是所谓的电磁屏蔽。此时飞船里面的人无法知晓地面情况如何,地面也无法知晓飞船是否正常飞行,两边都只能干瞪眼等着。这是一段非常紧张和危险的时间。

一般返回地球的飞船在距离地面80千米到40千米的高空时,就进入了“黑障区”,在这个高度之上,由于大气层空气稀薄,产生的带电粒子少,所以不会产生电磁屏蔽;而在这个高度之下,飞船已经大大减速了,与空气的摩擦减弱,于是产生的带电粒子也减少了,电磁屏蔽也就不存在了。

在我们的家园地球的位置上天或下地,尚且已经如此困难,宇航员如果远离了地球,遭遇的困难就更大了。

孩子,别离家太远

对于人类来说,太阳系是个危机四伏的地方。火热的太阳除了带给我们光和热,也会抛出大量的高能粒子,而来自银河系的宇宙射线甚至要比太阳所发出的粒子的能量更大。这些粒子射入人体的话,就会破坏细胞中的大分子,包括遗传物质,从而损害人的器官,导致各种疾病,尤其是癌症,甚至可能改变人的基因。

幸运的是,我们生活在地球上,而地球拥有强大的磁场。我们知道,在地球磁场的作用下,奔向地球的高能粒子的路线会发生改变,它们会沿着磁场方向,往地球的南北极运动,有些在极地上空与地球的大气分子碰撞,产生了色彩瑰丽的极光,有些能量更高的带电粒子干脆就从地球旁边绕了过去,飞往宇宙深处。地球磁场就是一面保护地球及其周边空间环境免受高能粒子轰炸的盾牌。

宇航员进入太空之后,巨大的地球磁场依然有保护作用,因为地球磁场可以延伸到距离地面数百千米的地方,这已经是人造地球卫星的运转轨道了。有时地球磁场甚至可以膨胀,覆盖从地球到月球的广袤空间。这样,宇航员不论是去国际空间站还是月球,受到宇宙射线和太阳高能粒子伤害的概率就大大降低了。

但是,人类的太空探险计划可不只是在地球周围转悠,还将前往火星或者更远的其他星球。就拿去火星来说,旅途已经超出了地球磁场的保护范围,宇宙射线的危害会非常严重。而且,从地球出发去登月,快的话只要几天就能抵达目的地月球。但是如果要去火星,则单程也需要几个月的时间。想想看,这几个月飞船完全暴露在太阳高能粒子和宇宙辐射的轰击之下,如果没有足够的防护,飞船中的宇航员就会有健康和生命之忧。这是多么地危险!

因此要完成更远的太空探险,对宇宙射线的防护措施就不能和登月的防护措施相提并论了,而是要大大加强防护,在这方面,人们还研究得很不够。

杀人利器低重力

失去了地球磁场的保护,前往火星太危险了。那么,只呆在地球附近就没有危险了吗?不,一个可怕的家伙如影随形地跟随着宇航员,威胁着宇航员的健康,它就是低重力,宇航员无法回避的敌人。

做为生活在地球上的生物,为了适应有地球重力存在的环境,我们人体的整个生理结构才变成今天这副模样。所以宇航员进入太空的第一天,就会感到不舒服。这是因为身体各处的体液向身体下部流动时可以借助重力,而向上流动时却要克服重力,体内就进化出来了一些动力系统,像跳动的心脏等等,把体液压上来,以维持正常循环。

可进入太空后,由于失重,体液很轻易地向身体上部甚至头部集中,引起了生理不适。结果宇航员的腿部由于得不到营养,逐渐变得有点儿骨瘦如柴,面部却浮肿了起来。一些宇航员刚升入太空时会感到有些反胃,也是由于胃里的食物在失重条件下在胃里开始折腾造成的。

低重力环境对宇航员最大的危害,其实是肌肉萎缩和骨质流失。失重让人体放松下来,所有为了对付重力而“打造”的骨头和肌肉开始变得无所事事了。这会有什么后果呢?

美国一所大学的研究人员找来了9名曾在国际空间站生活了6个月时间的美国和俄罗斯宇航员,从他们身上取出小腿肌肉的微小组织样本进行分析,结果发现,肌肉纤维的质量、力量都大大下降,肌肉的功能也严重衰减,总体看,在半年的太空飞行中,这些强壮的宇航员的体力下降了40%以上。肌肉力量的丧失非常严重,年龄30岁到50岁之间的宇航员刚刚返回地球时,肌肉的状况却有如80岁的老人。

别以为上天之前先锻炼一阵会有补救效果。研究还发现,在太空工作同等时间,原先肌肉最健壮的宇航员,最后肌肉状况的减损竟然也最厉害。所以,如果用目前的技术把宇航员从地球送到火星位置,宇航员的肌肉力量损失可能会达到50%。

此外,在太空中每过一个月,宇航员的骨骼重量就会减少约1.5%到2%。在地球上,骨质的迅速流失会让人们很容易骨折,其实在太空中,宇航员也同样面临骨折的风险。虽然他们的身体悬浮在空中,但在太空舱或者空间站的狭小环境中,磕磕碰碰还是难免的,更不用说登陆月球或其他星球进行危险的探险活动了。

如何对抗低重力环境带来的健康威胁?如今,如果宇航员要长期停留在太空,比如说在国际空间站工作,他们每天至少要花两个小时进行锻炼,空间站上配备了跑步机、弹簧拉力装置,通过锻炼,宇航员可以尽量减少自己肌肉萎缩的速度,使骨质流失不那么严重。

要人命的小零件

2010年6月,美国宇航员莱斯曼正在空间站外执行任务,突然,空间站巨大的机械手臂停止不动了,莱斯曼被吊在了空间站外动弹不得。直到25分钟后,机械臂才重新开始工作,莱斯曼终于可以回到空间站内了。

到底发生了什么事情?原来,空间站的主计算机突然死机了,让莱斯曼经历了惊魂一刻。实际上,空间站的计算机出故障是经常的,有一次,国际空间站俄罗斯舱里负责控制整个空间站导航定位和生命维持系统的6台计算机突然死机了,而且还无法正常启动,如果不及时解决问题,空间站就无法保持在正常的轨道上,氧气也没有办法制取,空间站里的宇航员将全军覆灭。故障吓坏了宇航员和地面工作人员,折腾了好几天的时间,人们才逐渐地修复了这几台电脑。

生活中,我们都遇到过计算机出故障的情况,一次突然的死机可能会使文件丢失,让我们捶胸跺足,但这绝不会危及到我们的生命。可要是载人航天器的计算机出现故障,宇航员会面临死亡的威胁。

计算机故障,有可能是硬件原因,也可能是软件原因。载人太空探险需要大量的设备支持,包括飞船及其上面的各种设备,以及地面指挥中心的各种设备。涉及到的设备越多,出错的概率也就越大。就拿美国的阿波罗登月计划来说,如果我们把登月是否成功,归结为零件的可靠性问题,平均下来,假设1个零件在1个小时里出现问题的概率只有1亿分之一,看上去概率非常低了;假如登月过程中使用了100万个零件(考虑到使用了大量的设备,这个数据并不夸张),那么如果登月计划持续了4天,全部零件不出问题的概率是多少呢?

37%。也就是说,登月计划失败的可能性要大于成功的可能性。所以自从加加林上天后的50年中,发生了那么多惨重的航天灾难,也就不奇怪了。2003年1月14日,美国“哥伦比亚号”航天飞机空中解体爆炸,只是因泡沫绝热材料的小小缺陷导致材料脱落,再击中机身;1986年1月28日,美国“挑战者号”航天飞机在升空后突然爆炸,只是因为没有考虑到当时气温过低,火箭密封材料的密封性能变差了。而前苏联历史上的宇航灾难曾使至少100多人殉职,很多航天计划都以失败而告终。

在更远的1967年,美国的阿波罗1号驾驶舱因电线短路而燃起大火,并吞噬了3名宇航员的生命。后来的分析报告认为,在设计驾驶舱的时候,为了提高密封性能,让舱门向内开启,因为在太空,驾驶舱内的压力大于外界,所以舱门向内开使密封性能更好,但却没有考虑到因此带来的宇航员难以打开舱门的问题;舱内充入了纯氧而不是混杂各种气体的空气,是为了防止高压氮气容易引起宇航员出现氮麻醉现象,但却没有考虑物质在纯氧环境下极易燃烧的问题……

我们不能把事故的出现仅仅用人们的疏忽来解释。零件越多,出现故障的概率就越大。太空中的光线、温度、压力、重力的巨大变化,还有电磁辐射,都很可能让某个零件或连接部位出现微小纰漏,然后酿成大祸。美国最近提出要重启登月计划,而这个计划从开始到把人送上月球,至少需要10年的时间,就是因为计划需要调动成千上万的公司、工厂,专门生产符合太空探险和登月环境的亿万个零件,一个零件的制造都马虎不得。

精心设计的零件会出错,而宇航员是血肉之躯,更容易出错。我们应该为这50年来人类载人太空探险的每一次成功喝彩,我们更应该清楚地看到,人类到太空中“取经”的道路上“妖魔鬼怪”依然猖獗,越向宇宙深处走,就越是险象环生,艰险重重。但这条获取宇宙真经的道路,会继续向遥远的空间延伸,永无止境。

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