论文部分内容阅读
随着中国的“天宫”空间站正式进驻航天员,算上美国和俄罗斯等国合伙搞的“国际空间站”,人类在太空里又有了两个同时运转中的空间站。宇航员在空间站的生活是个很有意思的事情,这跟乘坐飞船环绕地球几圈有着本质的不同,相比飞船的飞行时间,空间站要累月成年地在轨道飞行,宇航员在这里生活的时间,少则数周长则论年。如果在短时间里有各种不便,宇航员也可以忍耐一下:可以吃邮票大小、用糯米纸膜包裹的即食食品,可以用纸尿裤凑合一下解决排泄问题……但是到了累月成年的份上,他们该怎么过?比如俄罗斯宇航员谢尔盖·克里卡列夫和谢尔盖·阿夫杰耶夫都在空间站停留了2年,美国女宇航员佩吉·惠特森也有534天,这种不便性就可能压到人的生理忍耐极限了,因此必须想办法解决。但在太空里,人类的生存面临着几个严峻挑战——失重、物资支持和空间有限,这让解决宇航员的长期生存问题变得尤其棘手。
失重与碎末
失重,从电视里看起来是个蛮好玩的事情:不管多重的包裹宇航员都可以轻松地用手指提起,而且他们也不再需要走路,可以用手脚划动空气就能飞来飞去。可是,这会给普通的日常生活带来多少麻烦呢?有这样一个笑话:在太空里,美国宇航员想写航行日志,可是钢笔和圆珠笔是用不了的,因为失重导致墨水不会自动流向笔尖。最后不得不花了200万美元开发了一种内部充氮气,利用气压推动油墨的圆珠笔。美国人很好奇,苏联人是如何解决这个问题的?终于,在美国的航天飞机和苏联的和平号空间站对接时,他们专门问了一下,结果是苏联人从口袋里拿出了——铅笔。
当然,这终归只是个笑话,因为在太空里普通的铅笔也是不能随便使用的!铅笔的笔芯是由石墨混合黏土制成的,在书写的时候不可避免地会有一些微小的颗粒脱落。在地球上,重力会把这些微小的颗粒变成地上的尘埃,打扫一下自然就没事了。可是在空间站里,这也许会成为要命的问题。因为失重,这些四处漂浮的颗粒会被宇航员吸进肺部,日积月累很可能危及其健康。而更危险的情况是,因为空间站不存在所谓的“地板”,在有限的空间里四面八方都被塞满了设备,而铅笔的石墨颗粒是良好的导体,当颗粒进入这些设备后造成短路,轻则引起设备故障,重则可能起火引发爆炸……所以,早期的美苏宇航员虽然都使用铅笔,但也必须是特制的,确保不会在书写的时候产生微小颗粒的脱落。即便这样,特制铅笔也总有各种不便,于是今天各国宇航员在空間站书写时,还真就采用了大价钱开发出来的气压平衡笔。
失重带来的麻烦可不止这么一点。宇航员吃饭喝水也要面临这种挑战,虽然中国航天员的食谱很丰富,可吃法就要和在地球上大为不同了。同样是炒饭,在地球上可以用碗盛饭慢慢吃,在太空里他们可没有这么“奢侈”,只能吃装在密封袋子里的食物,用微波炉或者水浴加热后,撕开一个小口慢慢地挤着吃。只有吃面条时可以用上叉子或筷子,放在桌面上的盒子里,而桌面和盒子之间需要有用来固定的磁性装置,不然宇航员可能就要追着飘荡的面条吃面了,那就不是滑稽的问题而是麻烦了。同时,吃的时候还不可以说话!因为食物饭渣在失重条件下,也会随着气流到处乱飞。同理,喝茶或者果汁时,只能拿着类似奶瓶一样的装备慢慢挤。即使他们在消遣时——可以看见他们把花生扔在空中慢慢用嘴接住,也绝对不会看见他们如此去吃薯片之类的食物,因为同样会产生太多的碎末。
“方便”之难
还是因为失重,产生摩擦力的机会也变得稀少起来。也许你觉得没摩擦是好事,但在太空里上厕所时,就不会这样认为了。因为小便的反作用力很可能让你飞出去!宇航员不管男女,在上厕所时,都必须先把自己固定住。这不光是防止宇航员在空间站里碰伤自己,更重要的是防止尿液在空中四处飞舞,否则这不仅是个“有味道”的麻烦,同样可能会带来空间站的灭顶之灾!
针对小便问题,美苏之间就曾各自脑洞大开过。苏联直接利用了自己的现成技术“远航内裤”——当年苏联轰炸机为了确保飞机性能而不得不压缩人员活动空间,远航的飞行员为解决内急问题,专门发明了连在真空泵上的内裤。而美国的远程轰炸机空间足够,所以有位置专门设置了卫生间和马桶。在没有这种“技术储备”的情况下,美国想解决太空小便问题只能另想法子,结果发明出了太空“纸尿裤”。后来经过多年发展演变成为“尿不湿”,太空技术转为民用,也减少了航天投入的成本,没想到“尿不湿”如今在民用领域也能赚得盆满钵满。不过,这两种办法应付飞船上短期工作的宇航员所需还可以,但对空间站里长时间生活工作的宇航员来说,还是让人接受不了。所以后来各国空间站都设置了昂贵的太空马桶,研发费用和造价也是天文数字。这种马桶不仅能固定住宇航员,更重要的是里面设计了精巧的真空泵,能快速地抽走尿液和粪便。
为什么不采用一次性的塑料袋,用完就扔?其实,那意味着更多的麻烦和危险。早期的宇航员确实尝试过类似的办法,躲到舱室角落用塑料袋解决问题,但这样做会非常容易弄脏自己。和平号空间站早期的设计也是把尿液直排去太空的,但是麻烦很快就来了——排到太空的尿液飘舞在空间站周围,没多久就因为低温变成了冰块,凝结在了太阳能电池板上,最后导致空间站停电,没办法的宇航员只能出舱,手动敲掉这一块块在太空里还是黄澄澄的冰……这样,宇航员的安全无法保证,也同样会危及空间站的安全,无奈最后只能搞“内循环”了。顺便一提,在空间站里洗澡依然不容易。首先,要防止出现四处飞舞的水球;其次,除了喷头之外,宇航员同样也需要有个固定物,不然水的作用力会把他冲走;再有,还需要一个巨大的密封塑料袋外加真空泵同时工作,而同伴们则必须拿着大毛巾和吸水纸在一旁警戒。
当然,尿液的主要成分还是水,而空间站里物资有限,水的价格可以说比黄金还贵。尿液里的水分怎么可以浪费?为了宝贵的水分,也为了空间站的安全,这些都必须循环利用。此时,造价上亿的马桶自然有其昂贵的理由了。除了真空泵确保宇航员不会“惹麻烦”之外,更重要的是马桶里有一个复杂的分离和烘干系统,能把排泄物固化到体积最小之余,还能确保提纯出来的水分达到纯净水的标准。同时,也把人体排出的硫化氢、甲烷、吲哚等既危险又有味道的气体一并过滤掉了。 一个滑稽的事实是,目前在设计太空马桶的技术方面,俄罗斯还是领先于美国的。现在国际空间站上使用的马桶就是由俄罗斯设计制造的,但由美国出钱购买安装的。如此复杂的太空马桶同时要满足体积小、重量轻、功能全面等苛刻要求,还要有不能轻易堵塞的可靠性。太空马桶具有的技术复杂性,你可以想象一下,俄罗斯能设计出来,也实属不易。不过,似乎美国对此仍然不满意。无论是因为必须从俄罗斯进口马桶让美国感到丢脸,还是因为2000万美元的马桶造价让美国难以接受,美国始终认为俄罗斯设计的马桶依然存在缺陷,比如容易造成男性宇航员受伤的情况。据说美国目前正在悬赏征集未来空间站的马桶设计方案。
会更有趣
失重还带来一个不容忽视的麻烦——人体骨质流失和肌肉萎缩。因为身体不再需要负担重力,所有的宇航员都会出现这种现象,即便是采取了饮食补充和专门的强化锻炼,也不能阻止这种现象的发生,只能是延缓。造成这个问题的原因到现在还依旧众说纷纭,没有一个明确的答案,所以也没有彻底的解决方案。不管多么健壮的宇航员,长期在太空停留,返回地球后他们只能先坐轮椅。这是为了重新习惯在地球重力作用下的行走模式,更重要的原因是,他们多数都已经患有不同程度的骨质疏松了,不小心就会让自己骨折受伤。睡觉反而是宇航员受影响最小的一件事,失重条件下只要用睡袋把自己固定好,大多数人很快就能习惯。不过,为了确保更好的睡眠,美国人开发了一个加压睡眠系统,这种睡袋在宇航员“躺进去”的时候,能自动产生类似床铺的压力,让宇航员找到在地球上躺在床上睡觉的感觉,更好地解决睡眠质量问题。
物资和空间有限造成的困难还有很多,比如宇航员没法携带太多的私人物品,长时间在封闭空间里只跟有限的人接触,普遍会产生精神紧张的状态。过去的宇航员试图通过娱乐消遣来解决这个问题,但发现并没有想象中的那么容易。可以下棋吗?对不起,失重条件下你做不到。可以抽烟吗?更不可能,道理不言而喻。可以喝酒吗?理论上也是不允许的,但曾经也有苏联宇航员偷偷地把酒带上过空间站的案例。所以,能带几盘磁带和一个录音机听听音乐,就算奢侈的享受了。
计算机技术的进步,让现在的宇航员在太空打牌下棋绝对没问题,看电影也是可以的。当然,基于信道资源的宝贵,电影绝对不是通过网络下载的,只能提前储存在笔记本电脑的硬盘里。目前各国为了公关需要,同时也具有通信试验的科研性质,宇航员在空间站里已经可以用WIFI跟家人发送电子邮件或者更新自己的社交媒体了。那些在日常生活中稀松平常的娱乐项目,在空间站里都是宝贵而奢侈的要求了,要知道,实现这种信道通信技术的成本,可不像我们在地球上上网如此便宜。不过,未来随着人类各种技术的进步,空间站的生活也将不再枯燥无聊,更重要的是不再危险和昂贵。普通人作为旅客进入太空的时刻也许真就到来了。不要忘记的是,正是这些宇航员在太空中肩负着伟大的使命,在空间站不断探索着未知的星辰大海,开拓着人类前进的道路。
(责编:南名俊岳)