书城工业向太空进军(征服太空之路丛书)
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第17章 升空的准备和有趣的太空生活(1)

由于太空环境和地球环境的显著差别,升入太空的宇航员们的生活也“与众不同”起来。他们要学会适应宇宙飞船升空后带来的失重环境,要克服宇宙飞船升空时的噪声,还要应对升入太空后的真空环境。他们在太空中的穿着、饮食、睡眠、锻炼等活动也不再像在地球上那样随便,而是要按着严格规定的程序进行。

宇航员要克服的几种不利环境

失重环境

失重是宇航员进入飞行轨道遇到的一个特殊物理因素。宇宙飞船绕地球轨道做圆周运动时,飞船运动的离心力和地球对飞船的引力相等,由于这两种作用力方向相反,使飞船中的人和物体处于一种失重状态。宇航员在太空飞行,少则几天、几个月,多则一年甚至几年。长期处在失重条件下,会对人体产生许多不良影响。人在长期稳定的地心引力条件下生活,重力对人体各部分的作用不同,因而形成了一定的比例,骨骼结构的坚固性和它的功能,肌肉活动,体液分布的特点,保证了人体对重力的对抗,使人得以生存和发展。习惯于地球重力条件下生活的人,一旦进入失重环境,人体重量就会顿然消失,行动起来就会身轻如燕,犹如飞翔在空中,有“飘飘然”的新奇感,吃饭、喝水、穿衣、睡觉等一切活动同地球重力环境下有根本的区别。更为重要的是,在失重环境下,人的生理功能也要发生变化,如血液要重新分布,大量血液涌向上身,骨盐代谢紊乱,骨质会严重失钙,所以宇航员要坚持在太空中进行体能训练。多数初入失重环境的人会出现类似地面晕车、晕船的航天综合征。

升空的准备和有趣的太空生活失重并不会引起严重的生理障碍,这消除了失重危害人体安全的顾虑。只是人在失重条件下生活与地球上有许多不同,人必须从生活内容、生活方式、生活习惯上适应失重的变化,采用全新的方式进行。

真空环境

随着飞船离开地面高度的增加,空气越来越稀薄,大气压强不断下降。人在这种环境中生活,必须采取特殊的保障措施,如载人飞船必须“天衣无缝”,并在飞船内造就人工的小气候,与地球气候大致相似,以保证宇航员的正常生活和工作。考虑到飞船漏气和裂纹等故障时,不使宇航员暴露在真空环境中,宇航员必须身着宇航服,以加强自我保护。

氧气和饮水都需要从地球上运送或者随飞船携带。因此空间站之类长时间留轨的航天器都具有饮水回收装置,可以从尿液、洗澡水甚至粪便之类的东西里回收可以饮用的水。

而飞船上都有氧气发生板,可以将宇航员呼出的二氧化碳转换为氧气。这主要是为了降低飞船内的二氧化碳浓度,也可以稍微补充一点氧气。

噪声环境

航天噪声及其危害在发射上升阶段,主要是火箭发动机所产生的喷气噪声和飞船通过稠密大气层所产生的摩擦噪声。当发动机点火时,地面噪声最大,噪声以发射台为中心向四面扩散,这一阶段噪声持续时间为120秒。其中飞船起飞后60秒时总声压级最大,高达162分贝,其舱内噪声达125分贝。

在轨道飞行阶段噪声,主要来源于飞船舱内的生命保障体系。由于生命保障体系必须始终保持运转状态,因此噪声一直伴随着宇航员,其总声压达30~75分贝。

根据地面测定,人耳所承受的噪声是有限度的,声压超过140分贝时,会引起耳痛,超过160分贝,会损伤听觉机构。45分贝噪声会妨碍通话,30分贝以上的噪声,会干扰睡觉和休息。噪声声频若接近人体腹部的自然频率,还会造成人的内脏移动,导致肠胃紊乱,使人出现头晕和呕吐等病状。

在选拔宇航员时,必须对航天员进行噪声敏感性检查,检查是用航天飞行中遇到的噪声频率对候选者进行试验,淘汰有不良反应者。

太空飞行制定了专门的噪声容许标准。这些标准是:上升和返回阶段舱内容许噪声为125分贝,轨道飞行阶段容许噪声30昼夜飞行为60分贝,8昼夜飞行为75~80分贝。采取以下措施防止噪声的干扰,座舱壁衰减噪声30~40分贝,宇航服可衰减5~10分贝,头盔可衰减20~25分贝。这样一来,到达宇航员耳朵和身体表面的短时噪声强度就只有115~120分贝,是人体能够抗拒的。

空间站的组成及其内的生活环境

1971年4月19日,苏联发射了第一座空间站“礼炮”1号,从此载入太空飞行进入一个新的阶段。苏联的“礼炮”6号空间站是1977年9月29日从丘拉坦空间发射场发射的。初始轨道近地点219千米,远地点275千米,轨道倾角51.6度,周期89.1分。“礼炮”6号主要由一个服务舱和两个可居住的密封舱组成。这两个密封舱1个位于站体后边的过渡舱,1个是工作舱。工作舱系由两个不同直径的圆柱体构成,中间同舱间段连接起来。“礼炮”6号设有两个对接装置和20多个观测窗口,“礼炮”6号所装载的观测仪器设备,均比以前各型号所载仪器有所改进。当“礼炮”6号同两艘“联盟”号飞船对接后总长可达30米,总重约3.2万千克。

工作舱是空间站的中心。舱内设有各种仪器设备、控制中心、电传打字机及宇航员体育锻炼设施、医学监控设备、卫生设备、废品贮存容器、两架遥控相机等。过渡舱设有天文观测定向设备、照相控制设备等。在过渡舱和工作舱的舱间段中,装有生物医学设备,以及光谱仪、多光谱摄像机、两台黑白站内摄影机、3台站外摄影机和1台彩色摄影机。服务舱呈圆柱形,由螺栓固定在工作舱后面。舱内装有机动变轨系统、燃料箱、气箱、供电线路设备、姿态控制发动机、交会信标、电视摄像机、对接装置闪烁信号灯、无线电天线系筑、太阳能电池帆板、对日定向设备等。工作舱长9米,直径2.9米至4.2米,容积90立方米,是宇航员工作和生活的居室。空间站自发射上天,先后有数批宇航员进入其间进行了时间不等的太空飞行。

为造成与地球相似的生活环境,宇宙飞船设计时采取了一系列十分可靠的技术手段。其一,模拟大气的混合比例,造成大气条件。太空的空气异常稀薄。在200千米的近地轨道,大气压力仅为地面的600万分之一。宇航员若无保护,就会体液沸腾,失去意识。因此,座舱大气的确定,是载人航天的一个重要考虑因素。为保证座舱内近似地球的大气环境,座舱采取一个大气压的氧、氮混合压力制度,用罐装气体或电解供氧的办法使座舱中氧气占80%,氮气占20%,保障宇航员每人每天所需的576~930克氧气。对每人每天呼出的约1000克二氧化碳,采用分子筛吸附等方法处理,规定其浓度不大于1%。其二,保持座舱内适当的温湿度。座舱通过自动调温、调湿和通风系统来实现温湿度的控制。座舱热源首先来自人体热,每人每天大约产生75~150大卡(314~628千焦),占总热量的1/3;其次太阳辐射和各种电子仪器散发的热量,也占到了1/3左右。除座舱壳体采取隔热措施外,还采用专门的热交换器,把多余的热量吸收和辐射出去,使温度维持在18~25℃。人体每天呼吸、出汗和皮肤蒸发排出水分1.5升,在座舱内形成水蒸气,如果不及时除去,会导致电路短路。座舱采取冷凝和化学吸收办法,使相对湿度控制在30%~70%之间。其三,经常保持座舱卫生。人体日常代谢物达400种,和各种垃圾、废物混合在密封舱内,会造成环境污染,给宇航员身心带来危害,座舱采用物理吸附、化学吸收等方法排除空气污染。其四,在轨道上,飞船由于处于失重状态,气体自然对流现象消失。为维持人体热平衡,采取气体人工对流的方法,使气流速度保持在每秒0.3~0.5米左右。特别是头部,吹向眼睛的风速不宜过大。其五,种植植物和喂养动物,塑造鸟语花香的世界。如苏联先后在“礼炮”6号和“礼炮”7号空间站设置了特别温室,栽种了小麦、豌豆、葱、郁金香和兰花等多种植物,已证实在空间开辟绿洲的可行性。在太空作长期旅行,开辟空间绿洲,既给空间站提供生态环境,又可供给宇航员蔬菜、果品。

宇宙飞船座舱的小气候,是保证宇航员生命的至关重要问题。无论是美国的“天空实验室”还是苏联的“礼炮”号空间站,其座舱的温控问题,一直是宇航工程设计攻克的难题,在以往的载人航天中,都曾发生过这样或那样温度失控的现象,使宇航员的心理和身体受到威胁。除了在工程上完善温控设计,目前航天医学又从医学的角度提出了在宇航员训练中,适当地扩大身体对宇宙飞船座舱环境的适应能力,作为缓减宇航员对太空环境不适应的辅助手段。用双管齐下的办法,使宇航员适应座舱小气候,使小气候服务于宇航员。座舱微小气候的调节,目的是保证宇航员在太空生活和工作期间有一个舒适安全的环境。

知识点近地点

近地点是指航天器绕地球运行的椭圆轨道上距地心最近的一点。近地点与地球表面的距离称为近地点高度。为避免航天器过早陨落,轨道近地点高度通常要超过180千米。在近地点时,航天器的势能最小,动能最大。

宇航员太空服的要求和制作

我们都知道,在中国“神舟”七号宇航员施行太空行走时,我们的宇航员身着的是价格不菲的太空服。

宇航员穿的太空服可不是一般的服装,它是保障航天员生命安全的最重要的个人救生设备。太空服又称航天服,按用途可分为舱内航天服和舱外航天服两大类,分别有软式、硬式和软硬混合式结构。相比之下舱内航天服的结构与功能较为简单,舱外航天服的结构复杂,具有更加全面的防护性能和功能。无论是舱内航天服还是舱外航天服,都必须选用特殊的材料,采用特殊工艺,经过特殊的加工、制作和各种试验后才能够完成,尤其是舱外航天服,造价可达上千万美元,真可谓是世界上最昂贵的服装。

宇航员在太空条件下,其装备应满足最为典型的条件:在±5℃的气密座舱条件下飞行;适应在20℃±50℃的不同的气候条件下。

实际上不可能制造出一种能保证在上述条件下生存的万能服装。所以,提供给宇航员的是各种配套的服装,可以根据面临的客观情况选用,如宇航员在飞行过程中自始至终使用的飞行服;舱内温度下降时和应急着陆(溅落)后所用的服装。

苏联宇航员采用的配套飞行服装包括:飞行服、保暖服、内衣、鞋袜。

1.一般要求。

对飞行服的要求取决于它的用途。例如,贴身穿的内衣要柔软、吸水,具有良好的透汽性和透气性;而外衣则应坚固并可防止身体遭受机械损伤。必须根据服装的预定用途评价其主要的物理和卫生性能。对外衣的共同要求是:

(1)防寒。

(2)防止在舱内受到损伤。

(3)与其他装备(全压服等)协调。

(4)轻便,不限制活动,便于穿脱。

(5)长时间穿用不引起疲劳,美观、方便。

(6)人体排出的水分及气态产物容易透过。

(7)透汽性不足使衣下空气夹层内存留水蒸气,衣服潮湿积水。衣料的透汽性和透气性并非总是相容的。

给宇航员选择设计服装时,必须考虑到下列因素:

(1)在所有影响人体热平衡的因素中,最重要的是空气温度、相对湿度及运动速度。而且影响人体冷却程度的基本因素是空气温度,其他气候因素只能加强或削弱气温。因此,宇航服必须有调温、调节湿度的功能。

(2)在挑选保温服装材料时,必须考虑它的透气量,因为透气量对热阻大小有相当大的影响。

(3)服装的隔热、保温效果必须合适。

2.宇航员飞行服的要求和特点。

考虑到飞行服的使用特点——每日穿用16小时,务必使之不限制身体活动。飞行服的穿用寿命受牢度(耐磨性)的限制,一般为60~90昼夜。飞行服上应在不同部位设置衣兜,以便存放各种物品。

苏联宇航员穿的飞行服系用纯丝织物制作,由上衣、裤子和套头衫组成。一套飞行服质量约1250克。

3.出舱服的特点和要求。

在可靠性、气密性、活动性及对航天环境因素的稳定性方面,太空中,对出舱服衣体的要求比对应急全压服衣体的要求要高。

舱外服为航天员提供三方面的保障。一是辐射、真空、微流尘等环境的防护;二是生命保障,也就是要保持一个适合人生存的气体和温度、湿度环境;三是良好的功效保障,保证航天员穿着舱外服能开展维修器材等太空作业。

穿衣时间、出舱准备时间以及是否可供不同的机组人员穿用,对出舱服意义重大。穿软式服的宇航员要花费大约1小时进行出舱准备工作,而穿硬式服的宇航员则只需10分钟左右。软式服系按量体裁衣方式为各个成员单件制作,半硬式服则只有一个尺码,可供任一机组成员穿用。

宇航员的生产活动要求全压服使用更多的辅助轴承,以保护完成规定的工作内容。典型的就是腰部断开并装上轴承的全压服,宇航员穿着这种服装可以大弯腰和转身。

4.中国的太空服。

中国媒体曾于2007年6月报道,300平方米的太空服材料已经生产完毕。这种新材料能够防火与抗辐射。制造出来的新航天服不但适合太空行走,还非常舒服。这对于中国航天来说也是一大突破。现在中国自发研制的“飞天”航天服技术堪比美国。当然,这样的太空服价值不菲,据说每套高达3000万元人民币。