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发布时间:2020-06-23 02:15:11

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作者:本书编写组

出版社:世界图书出版公司

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在太空中的神秘生活

在太空中的神秘生活试读:

前言

近年来,随着我国航天事业的不断发展,“太空”一词也自然而然地成为一个人们十分热衷的话题,成为了茶余饭后引以为豪的“美谈”。据数据资料显示,现在世界上已有400多位宇航员先后进入太空。人类在实现“飞天梦”的同时,也翻开了研究并开发太空的新篇章。

事实证明,宇航员在太空中的生活状态是人们尤为关注的。毕竟太空环境与地面环境有着太多的不同之处。而究竟有哪些不同之处呢?宇航员在太空中是如何生活并工作的呢?翻开本书,你将获得答案。

本书立足科学事实,以详尽的文字资料做基石,以丰富的图片做辅助,邀你一起去探索宇航员在太空中的神秘生活。相信该书会有助于读者们对宇航员的太空生活形成一个纵横交错、融汇渗透的立体结构的综合认识,从而进一步启迪和加强你们的想象力以及对真知的渴求度。

本书分9个部分,由揭秘太空环境、探秘太空饮食、别具一格的宇航生活、太空疾病与防治、宇航员应急救生手段揭秘等几大主题组成。

在本书第一部分里,将着重讲到“

揭开太空环境的神秘面纱

”。我们都知道,太空与地面最大的不同之处便是失重。事实上,太空环境要远远的比这个复杂得多。研究表明,除却该方面的“特殊”外,它还是一个真空,并且是充满各种宇宙辐射的复杂组合体。

而在第二部分里,我们将带领大家一起去看看远在太空中的宇航员的“家”,即飞行器。这是一个特殊的“家”,因为它遨游于远离地面的太空。那么,具体都有哪些不同之处呢?翻开该章,或许你将会有意外的收获。

而接下来的几部分,则讲的是宇航员的具体生活,衣食住行,无不涵盖。我们知道,凡事要有最坏的准备,所以在最后一部分里将具体罗列出宇航员的应急救生手段。

人类总是要进步的。长江后浪推前浪,一代新人换旧人。今天的青少年,可能就是明天的学者、专家。有志者事竟成。只要我们不懈努力,什么奇迹都会创造出来。

本书不过是把前人的成果汇总起来,尽量把深奥的问题用浅近的语言说出来,以开阔青少年读者的视野,启迪读者的智慧,增长读者的知识,培养读者的兴趣,激励读者的志向。

由于资料有限,又编者水平所限,不尽人意之处,在所难免,疏漏错误,定当多有。尚祈读者不吝赐教,以利再版修改。揭开太空环境的神秘面纱

失重环境的“特殊”之处

我们知道,失重是人类进入太空后一个特殊的物理因素。当宇宙飞船绕地球轨道作圆周运动时,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,便使得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1年甚至几年。如果长期处在失重条件下,则会对人体产生许多不良影响。载人航天实践证明,失重对人体的生理功能有很大影响,但不像原先想象的那样严重。这是因为生物在长期的进化过程中,形成了与失重环境中的宇航员地球重力环境相适应的生理结构与功能特征。但进入太空后,地球重力作用几乎完全消失,导致生物有机体处于一种失重状态。

人类的航天实践表明,微重力环境对宇航员的健康、安全和工作能力会产生重要影响。而中长期的航天飞行可导致宇航员出现多种生理、病理现象,该现象主要表现为心血管功能障碍、骨丢失、免疫功能下降、肌肉萎缩、内分泌功能紊乱、工作能力下降等。

失重还可引起心血管功能的改变。这是因为失重时人体的流体静压丧失,血液和其他体液不像重力条件下那样惯常地流向下身。相反,下身的血液回流到胸腔、头部,可引起宇航员面部浮肿、头胀、颈部静脉曲张、鼻咽部堵塞,进而导致身体质量中心上移。

这时,人体的感觉器官便感到体液增加,而机体会自动通过体液调节系统减少体液,于是便出现体液转移反射性多尿,水盐从尿中排出,进而导致血容量减少,血红蛋白量也相应减少;此外,还可出现心律不齐、心肌缺氧以及心肌的退行性变化,而相应的心脏功能障碍也会出现,如心输出量减少、运动耐力降低等。当宇航员返回地面后,由于对重力不适应而易于出现心慌气短、体位性晕厥等。这些可严重影响人体健康和工作效率,因而成为中长期载人航天飞行的一大障碍,也是迫切需要解决的航天医学问题。随着航天飞行时间的延长,心血管功能可在新的水平上达到新的平衡,心率、血压、运动耐力以及减少的血容量和血红蛋白可逐步恢复到飞行前的水平。

长期失重引起人体的骨钙质代谢紊乱的原理是:当人体失重时,作用于腿骨、脊椎骨等承重骨的压力骤减,同时,肌肉运动减少,对骨骼的刺激也相应减弱,骨骼血液供应相应减少。在这种情况下,成骨细胞功能减弱,而破骨细胞功能却增强,使得骨质大量脱钙并经肾脏排出体外。而骨钙的丢失会造成2个后果:骨质疏松和增大发生肾结石的可能。失重所导致的骨丢失随飞行时间的延长而持续进行,而且这种骨质疏松一旦形成,回到地面重力环境下也难以逆转。俄国宇航员在“和平”号空间站上曾试验多种对抗措施,如每天2小时的跑台运动,穿企鹅服给以人工加载及服用特殊药物等,但未能完全解决问题。

长期失重还可引起对抗重力的肌肉出现废用性萎缩,宇航员在长期的航天飞行中加强肌肉锻炼可以延缓这种肌肉萎缩。回到地面重力环境中后,进行积极的肌肉锻炼可以逐步使肌肉萎缩得到一定的恢复。

“稀薄”的真空环境

在真空科学中,真空的含义是指在给定的空间内低于1个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。

随着飞船离开地面高度的增加,空气将会越来越稀薄,大气压强也随之不断下降。人在这种环境中生活,必须要采取特殊的保障措施,如载人飞船必须制造得天衣无缝,并在飞船内造就一个人工的小气候。而该气候要与地球气候大致相似,以保证宇航人工模拟出的真空环境员的正常生活和工作。科学家们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,于是宇航员便必须身着宇航服,以加强自我保护。

非同寻常的宇宙辐射与射线

太空环境中存在着各种各样的宇宙辐射与射线,下面就太阳辐射、银河宇宙射线与地磁俘获辐射进行简单的介绍。(1)太阳辐射

我们知道,太阳是宇宙中的一个中等恒星,它会发射出强大的电磁辐射波。其中可见光和红外辐射能量占总辐射能量的90%以上,它们供给地球热量,并加热地球的大气。事实证明,在我们人类的航天活动中,太阳的辐射能是航天器的主要能量来源。在低地球轨道上飞行的航天器,太阳可见光和红外辐射是它的主要外部热源,对载人航天器的热设计有直接的影响。

此外,太阳还会放射出无线电波、X射线和紫外线,但这一部分在太阳总辐射能量中只占很小的比例。研究发现,在地球大气层以外的空间环境中,紫外线会对宇航员产生许多有害的影响,例如,皮层出现红斑,肤色变得黝黑,还能引起眼睛结膜炎、虹膜炎和角膜溃疡等疾病。因此,宇航员在进行舱外活动时,事先必须穿戴防护服和滤光镜。此外,令人有点担忧的是,长期运行的空间站的热控表面和光学器件受到紫外辐射会引起性能退化,严重的会使热控失去平衡。而研究证明紫外辐射对绝缘材料、光学材料和高分子材料也有破坏作用。由于太阳紫外和极紫外辐射对高层大气有加热作用,故往往会导致原子氧密度增加,加剧对航天器表面的剥蚀作用。太阳X射线爆发会引起对电离层的干扰,导致短波和中波无线电信号衰减,甚至会使通信完全中断。当太阳上大的射线爆发时,长波段的噪声可增大2~4个数量级,而短波段的噪声也会增加2~3个数量级。

总之,地球外层空间的辐射环境是威胁宇航员安全的重要物理因素之一。虽然电磁辐射穿透物质的能力很差,对人体的危害较小,但电离辐射却能使物质直接或间接地电离或激发,产生各种带电粒子、中子或X射线、γ射线等,此种辐射贯穿物质的能力很强,可使物体和人体受到伤害。(2)银河宇宙射线

研究发现,银河宇宙线主要是来自银河系并被星际间磁场加速的高能带电粒子流,它在空间的分布基本上是各向同性的。它的主要成分是质子、Q粒子以及电荷数大于2的其他元素的原子核,因此银河宇宙线粒子能量很高,并具有贯穿力极强、防护困难等特点。

银河宇宙线的强度与太阳活动有关。研究表明,太阳活动最高的年份宇宙射线的强度低,而太阳活动低的年份宇宙射线的强度则增加。由于地球大气层屏蔽和电磁场的作用,近地空间的银河宇宙射线的辐射剂量比宇宙空间要小。该类射线会对生物体造成一定的破坏,甚至1个重粒子就能对生物细胞产生明显的损伤。(3)地磁俘获辐射

科学家研究发现,地球俘获了大量的带电粒子,并形成了比地球半径大6~7倍的粒子辐射弧形区。科学家曾利用人造地球卫星测量了离开地球20~3000千米之间的宇宙射线并与地球上所测得的宇宙射线强度进行了比较,发现在200~2000千米高度上的宇宙射线强度比地球表面宇宙射线强度大1000倍。科学家们认为,这是大量带电粒子被地球磁场捕获的结果。

科学家指出,该辐射带分为内、外两个环形带,其成分主要是电子、质子和少量重核。其中内带位于1.2~2.5倍地球半径的范围内,外带位于3~8倍地球半径的范围内。它的结构、空间范围、粒子种类、能量范围随时间有长期和短期的变化,尤其是外带变化更为明显。内辐射带以南北纬45°为界。由于地磁场的作用,东、西半球的内辐射带是不对称的。其中在西半球,内带的下边界在离地球0.5~0.6千米处;而在东半球,内带的下边界约在1.5千米的范围内。内辐射带的外边界大致在10~50千米的高度范围内。

在南大西洋上空有一个负磁区。在这里,内带下移至0.3千米的区域内。人们常称这个区域为南大西洋异常区。这一区域内成为近地轨道载人航天所遇到的一个主要辐射环境。内辐射带主要的成分是质子,其次是α粒子和电子。内带有2个最强的辐射区,一个位于3.6千米高度上,而另一个位于7~8千米高度上。

在内辐射带,考虑到质子和电子同物质相互作用产生的二次辐射,宇航员可能受到的辐射剂量要相对多一点。此外科学家们还发现,在300千米的低地球轨道上飞行,宇航员所受到的辐射剂量与轨道平面的倾角关系不大。但在1000~3000千米上飞行,每天的辐射剂量与倾角有关。载人航天器短时间通过内辐射带,宇航员受到的辐射剂量每日在几十毫戈(瑞)以下。“阿波罗6”号飞船通过内辐射带的剂量为20毫戈/日。外辐射带的中心辐射剂量可以达到1.3毫戈/日。

难以计量的巨能量——太阳耀斑

太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动,其周期约为11年。耀斑一般被认为发生在色球层中,所以也叫做“色球爆发”。其主要观测特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,这时亮度上升迅太阳耀斑示意图速,但下降较慢。特别是在耀斑出现频繁且强度变强的时候。

别看它只是一个亮点,一旦出现,简直是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当于10万~100万次强火山爆发的总能量,或上百亿枚百吨级氢弹的爆炸;而一次较大的耀斑爆发,则在一二十分钟内可释放巨大能量,除了日面局部突然增亮的现象外,耀斑更主要表现在从γ射线爆发示意图射电波段直到X射线的辐射通量的突然增强。耀斑所发射的辐射种类繁多,除可见光外,有紫外线、X射线γ射线,有红外线和射电辐射,还有冲击波和高能粒子流,甚至有能量特高的宇宙射线。1枚氢弹爆炸仅相当于耀斑总能量的1/100亿。

耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸,地球大气层即刻便会出现缭绕余音。耀斑爆发时,当发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时,会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。

不曾“销声匿迹”的太阳风

太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体(带电粒子)流。研究表明,太阳风是一种连续存在,来自太阳并以200~800千米/秒的速度运动的等离子体流。这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以科学家们将之称为太阳风。

当然,太阳风的密度与地球上的风的密度相比,是非常非常稀薄而微不足道的。一般情况下,在地球附近的行星际空间中,每立方厘米便有几个到几十个粒子。而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子。太阳风虽然十分稀薄,但它刮起来的猛烈劲,却远远胜过地球上的风。在地球上,12级台风的风速是32.5米/秒以上;而太阳风的风速,在地球附近却经常保持在350~450千米/秒,是地球风速的上万倍,最猛烈时可达800千米/秒以上。

太阳风经常从太阳大气最外层的日冕,向空间持续抛射出物质粒子流。这种粒子流是从冕洞中喷射出来的,其主要成分是氢粒子和氦粒子。

科学上将太阳风分为2种:①持续不断地辐射出来,速度较日冕示意图小,粒子含量也较少,被称为“持续太阳风”;②在太阳活动时辐射出来,速度较大,粒子含量也较多,这种太阳风被称为“扰动太阳风”。

还有重要的一点是,在太阳风和外面的星际物质交汇的地方,通常会产生冲击波。据说1977年发射的“旅行者1”号探测器在2003年的时候碰上了这种冲击波。那个冲击波距离太阳大约128亿~180亿千米。流星示意图

流星的“坏”

当地球公转经过某些流星体轨道时,流星体会以11~73千米/秒的速度闯入地球大气层,与大气分子剧烈撞击和摩擦,产生强烈的热和光,该现象叫做“流星”现象。而没有燃烧完的流星体落到地面上,称之为“陨星”。

陨星根据其化学成分可分为陨石、陨铁、陨铁石。目前,世界上已发现的陨星约1700颗。另据卫星测量,现在每天约有3000吨的流星物质进入大气层,形成宇宙尘。宇宙尘也成为卫星和空间站的潜在威胁。陨石

令人头痛的太空垃圾

除却太空中固有的流星体会对卫星与空间站造成危害外,也有人类自己制造的太空垃圾。

自20世纪50年代开始进军宇宙以来,人类已经发射了4000多次航天运载火箭。据不完全统计,太空中现有直径大于10厘米的碎片9000多个,大于1.2厘米的有数十万个,而漆片和固体推进剂尘粒等微小颗粒可能数以百万计。不要小看这些太空垃圾,事实上,由于它们飞行速度极快,达到了6~7千米/秒,所以它们都蕴藏着巨大的杀伤力。举一个简单的例子:一块10克重的太空垃圾撞上卫星,便相当于两辆小汽车以100千米的时速迎面相撞,所以被撞卫星的直接后果就地球周围太空垃圾分布示意图是会在瞬间被打穿或击毁!试想,如果撞上的是载人宇宙飞船,后果将不堪设想。

更令人感到头痛的是,人类对太空垃圾的飞行轨道无法控制,只能粗略地预测。所以,这些垃圾就像高速公路上那些无人驾驶、随意乱开的汽车一样,无法预料它什么时候刹车,什么时候变线。因此,它们是宇宙“交通事故”中最大的潜在“肇事者”,而对于宇航员和飞行器来说都是巨大的威胁。

就目前而言,地球周围的宇宙空间还算开阔,所以太空垃圾在太空中发生碰撞的概率很小。但一旦撞上,后果将是毁灭性的。更令航天专家头疼的是“雪崩效应”——每一次撞击并不能让碎片互相湮灭,而是会产生更多碎片,而每一个新的碎片又是一个新的碰撞危险源。如果有一天地球周围被这些太空垃圾挤满,人类探索宇宙的道路就被堵塞了。

科学家研究分析认为,太空垃圾可分为3类:①用现代雷达能够监视和跟踪的比较大的物体,主要有种种卫星、卫星保护罩及各种部件等,这类垃圾目前已达8000多个;②体积小的物体,如发动机等在空间爆炸时产生的碎片,其数量估计至少有几百万个;③核动力卫星及其产生的放射性碎片,截至2000年,卫星送到地球轨道上的这类碎片就达3吨之多。

在1957年10月4日,苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星,从此揭开了人类空间时代的序幕,但与此同时也为太空送去了第一批垃圾。当时,虽然宇航员完成了飞行任务,却把卫星的装载舱、备用舱、仪器设备及其他遗弃物都留在了卫星轨道上。

此后,随着人类太空史上的一次次壮举,太空垃圾却也与日俱增。人类先后已将4000余颗卫星送入太空。但目前仍在正常运转的仅有400余颗。其余的或坠毁于地球表面,或遗留在太空,成为了新的太空垃圾。

据统计,目前约有3000吨太空垃圾在绕地球飞奔,而其数量正以每年2%~5%的速度增加。科学家们预测:如果太空垃圾以此速度增加,将会导致灾难性的连锁碰撞事件发生。如此下去,到2300年,任何东西都无法进入太空轨道了。

所以说,太空垃圾给航天事业的发展带来了巨大的隐患,它们成为人造卫星和轨道空间站的潜在杀手,并使得宇航员的安全受到严重威胁。要知道,太空垃圾是以宇宙速度运行的。一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属微粒,足以戳穿密封的飞行服;人们肉眼无法辨别的尘埃(如油漆细屑、涂料粉末)也能使宇航员殒命;一块仅有阿司匹林药片大的残骸可将人造卫星撞成“残废”,可将造价上亿美元的航天器送上绝路。在人类太空史上,太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1983年,美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致舷窗被损,只好停止飞行。1986年,“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸,成为564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片。后来,这枚火箭的残骸使2颗日本通信卫星“命赴黄泉”!“阿丽亚娜”号火箭

1991年9月15日,美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞。当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2.74千米,幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号,它才免于“丧生”。“发现者”号航天飞机

据计算,目前太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的概率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%。以此计算,今后将每5~10年可能发生1次太空垃圾与航天器相撞事件,到2020年将达到2年1次。

“诱人”的空间资源

虽然浩瀚无边的太空令人生畏,但它又有丰富的自然资源有待开发。利用空间运行的微重力现象可以完成地面上难以完成或根本做不到的事情。目前,微重力科学研究主要分为3个领域,分别为微重力物理学、微重力材料科学和微重力生命科学。(1)微重力物理学

微重力材料学的基础是微重力物理学,在空间进行材料科学研究和材料的加工制造以及生物学的研究都必须以微重力的基本物理规律为指导。到目前为止,可归纳出如下微重力条件下的基本物理规律:

①自然对流现象基本消失。在这种情况下液体表面温度和物质成分的差别成为引起某种对流现象的主要原因,其扩散过程成为物质传递的主要过程。

②在液体中由于物质密度的差异引起的沉浮和分层现象消失。在地面条件下,液体中重的成分沉入底部,轻的物质浮在上面是司空见惯的现象,而在微重力条件下这种现象就见不到了。

③液体的表面张力显得特别重要和突出。物质的浸润现象和毛细现象加剧。例如液体在无容器的情况下聚成球形浮在舱中。利用毛细材料的毛细现象可制成各种有用的液体储存和运输装具。

④流体没有静压力。在微重力环境中,作用在一个物体上的力与地球环境下完全不同。物体在空间可以随遇停留。液体中的气泡可以集聚在一起。固体与液体交界可以完全润湿。

⑤燃烧现象也与地面大不相同。在微重力条件下,火焰的形状发生变化,火焰不是像在地球上的舌形,而是球形,火焰的面积变大。由于空气中的氧只有通过扩散才能向燃烧区补充供给,燃烧的速率比地球上要慢得多。如果通过扩散而不能补充氧气时,火焰就将自行熄灭。(2)微重力空间环境中的加工

资料表明,空间加工和生产新材料的活动是近些年进行最多的生产活动。人们已经在太空对电子技术使用的半导体材料、用于输送电力的超导材料以及电子计算机应用的磁性材料、记忆材料和遥感测量用的红外敏感材料等进行生产加工,对地面条件下难以混合的合金材料、金属、泡沫多孔材料和复合材料等的研究也已经得到了意想不到的结果。

研究发现,空间加工所得到的半导体材料均匀性比地面条件下要提高很多倍,并且晶体生长比地面快6~8倍,而缺陷率也大大降低。在空间加工生产的砷化镓半导体是一种优质材料,可用于空间站太阳能电池阵的制造。

利用空间液体中的气泡不易分离的特点,可在空间生产出泡沫状金属。现在已经生产出孔隙极丰的泡沫钢,孔隙多达总体积的88%。除此之外,还能生产出密度只相当于原密度1/3的泡沫铝及铝合金。美国曾在市场上出售微重力条件下生产出来的多种直径的乳胶球。在地面上由于有机物在聚合时会产生沉淀和分层,要生产很圆的聚苯乙烯胶球是办不到的,而在航天飞机上生产的小球十分均匀。

由于微重力环境下物体运动规律发生本质的变化,产生一些特殊现象。可以利用这些现象开展新的工艺研究。在高技术领域,加工工艺是极其重要的,有些特殊复杂的零件,在地面条件下制造十分困难,利用空间的微重力环境则可以得到意想不到的结果。这些特殊加工工艺中有一项无容器加工工艺,这在地面条件下难以想象。但在空间微重力环境中,可以利用表面张力、内聚力等的作用而进行无容器加工。这种技术可避免材料在熔炼过程中受到熔炉器壁的污染并使材料过冷。在空间进行无容器熔炼时所需的悬浮力不到地面上的1/10000。所要求的所谓悬浮装置只起定位、输运、搅拌的作用。在微重力条件下,液体可以完全润湿固体表面,利用这种现象可以把熔化的材料浇在特别的模型上或铸模内,熔化的材料均匀地分布在模型表面的任何地方,在全部表面上形成薄层。用反复附着铸造的方法可以形成多层,也可以制造成不同材料成分的多层结构。用这种方法可以制成板材、滚珠轴承和形状复杂的铸件及精密元件。(3)微重力环境的生物和生命科学

众所周知,地球上的生物都是在重力环境中发育、成长的。所以,重力对生物的生命活动现象有重要的影响。

微重力环境的生物学主要是研究微重力条件以及空间辐射单因素或复合因素对生物正常功能的影响,从而可以开辟一条新的揭示生物机理本质的途径。目前,科学家在载人航天器上对包括动物和植物在内的多种生物进行了实验研究,证明绝大多数情况下,由微重力条件返回到重力条件时,生物又进入正常的发育轨道上来,其中发生遗传变异的只有少量的生物。也就是说虽然生物在微重力环境中的机体变化有可逆性,但生物的遗传特征将不一定再有可逆性。人们对在微重力环境中生存的生物体遗传性研究产生了广泛的兴趣。

此外,微重力不但对生物生长过程有影响,而且还对生物机体形状和功能有影响。地面上的植物一般将80%的能量用于茎的生长;而在微重力条件下温室中生长的植物茎很短小,但叶子更加繁茂,果实更为丰硕。

而空间生命科学,则是利用空间技术提供条件,在宇宙空间环境中对生命现象进行研究的新兴科学。空间生命科学研究范围广泛、内容丰富,包括从分子、细胞、神经、微生物、植物、动物,到人本身的各种生命现象。初步实验证明,重力改变对机体的主要影响是:种族进化时间越长的生物,受微重力影响就越大,在组织、形态和功能方面都有变化。在地球上,通常植物根部向下生长,朝着地心引力的方向生长,这就是所谓植物生长的向地性。而茎部向光的方向生长,这是所谓的向光性。而在微重力条件下,根系丧失了向重力的条件,但这没有引起种子的死亡,仅在萌芽后子叶形成阶段降低发育速度,对后续生长发育并无影响。在遗传方面,微重力的主要作用是使生物早期胚胎发生畸变,但生物的自修能力使其在结构上不留痕迹。

走近宇航员的“家”

走进载人飞船

能够保障宇航员在外层空间生活和工作,以执行航天任务并返回地面的航天器,称宇宙飞船。载人飞船可以独立进行航天活动,也可用为往返于地面和空间站之间的“渡船”,还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。载人飞船容积较小,受到所载消耗性物质数量的限制,不具备再补给的能力,而且不能重复使用。1961年苏联发射了第一艘“东方”号飞船,后来又发射了“上升”号和“联盟”号飞船。美国也相继发射了“水星”号、“双子星座”号、“阿波罗”号等载人飞船。

载人飞船具有多种用途,主要有:进行近地轨道飞行,试验各种载人航天技术,如轨道交会和对接、宇航员出舱进入太空等;考察轨道上失重和空间辐射等因素对人体的影响,发展航天医学;为航天站接送人员和运送物资;利用各种遥感设备进行对地球的观测;进行空间探测和天文观测;进行登月飞行或行星际飞行。

载人飞船一般由乘员返回舱、轨道舱、服务舱、对接舱和应急救生装置等部分组成,而登月飞船还具有登月舱。为了保证人员能进入太空和安全返回地面,载人飞船有以下主要分系统:结构系统;姿态控制系统;轨道控制系统;无线电测控系统;电源系统;返回着陆系统;生命保障系统;仪表照明系统;应急救生系统。

飞船的主要结构特点是有载人舱。它的主要结构可分为几个舱段,例如,可采用两舱式结构和三舱式结构。如有对接任务时则有对接机构,它放在飞船的最前边。苏联第一代飞船“东方”号的结构很简单,是两舱式,飞船只载1个人。第二代飞船飞行时,苏联的“上升”号多了1个出舱用的气闸舱,且能载2~3人;而美国“双子星座”号飞船仍为二舱式加对接机构。第三代飞船是三舱式结构,如苏联的“联盟”号飞船。这种飞船的最前端是对接机构,然后接轨道舱,再接返回舱和服务舱,最后与运载火箭相连。有的舱之间有过渡舱段相接连。有出舱任务的载人航天器都增设出舱用的气闸舱。美国“阿波罗”号飞船除有两舱段结构外还增设登月舱。

飞船的轨道舱是飞船重点的舱段。它前端的对接机构供飞船与其他飞船或空间站对接用,其下端通过密封舱门与返回舱相连。它是宇航员在太空飞行中进行科学实验、进餐、体育锻炼、睡觉和休息的空间,其中备有食物、水和睡袋、废物收集装置、观察仪器和通信设备等。轨道舱还可兼作宇航员出舱活动的气闸舱。

返回舱也是密闭座舱,在轨道飞行时与轨道舱连在一起称为宇航员居住舱。在起飞阶段和再入大气层阶段,宇航员都是半躺在该舱内的座椅上,并有一定角度克服超重的压力。座椅前方是仪表板,以监控飞行情况;座椅上安装姿态控制手柄,以备自控失灵时,用手控进行调整。美国“水星”号飞船在返回地面时自控失灵,就是靠宇航员手控使飞船返回地面的。在飞船返回地面之前,轨道舱和服务舱分别与返回舱分离,并在再入大气层过程中焚毁,只有返回舱载着宇航员返回地面。

飞船的服务舱也可称“仪器设备舱”。它的前端通过过渡舱段与返回舱相连,后端与运载火箭相接。“联盟”号飞船的这个舱又分前、后2个部分,前段是密封增压的,内部装有电子设备,以及环境控制、推进系统和通讯等设备;后段是非密封性的,主要是安装变轨发动机和外贮箱等物。服务舱外部装有环境控制系统的辐射散热器和太阳能电池板。

非同一般的航天飞机

载人飞船基本上是一次性使用。为了能使载人航天器多次重复使用,科学家们便设想了各种方案的载人航天器。20世纪40年代,有人即已着手研究一种既能像飞船那样垂直起飞,又能像飞机那样水平着陆的重复使用的航天器,后来研制出供实验用的火箭动力飞机和各种升力飞行器。接着还有数量相当多的设计相继出现。1969年开始进行大型航天飞机的方案设计。1972年正式开始了航天飞机的设计、研制、试验和鉴定工作。

航天飞机是近年来美国的主要载人航天器,并且经常性地往返于地球和轨道之间。它和以往的载人航天器相比,无论是外形、舱室结构以及起飞、着陆方式都有根本性的改变。航天飞机的结构组成包括轨道器、外储箱和2个固体火箭助推器。轨道器是宇航员生活和进行科学实验的主体结构,舱内空间比较宽敞,正常飞行可乘坐7名宇航员,有时可载10人,空间停留时间一般为1星期。舱内的生活设备比较完善,食品供应合理、食用方便。

科学家指出,航天飞机的起飞重量约1600吨,有效载荷为22.7吨,货舱容积为28立方米。航天飞机的关键技术是再入大气层的防热问题。载人飞船使用热防护系统的材料都是烧蚀材料,这种材料通过自身的分解、熔化和蒸发吸收热量,借以维持舱内的温度不致超过规定值。此种热防护方法在短时间高温和一次性使用情况下具有良好的效果。但对于重复使用、多次再入大气层的加热烧蚀就难以胜任了。航天飞机的成功飞行证明,防热问题解决得比较理想。

此外,航天飞机货舱里可载大型的空间实验室进入太空,这给空间科学实验研究提供了良好条件。它可以进行空间制药、空间物理学和材料学的研究和实验,也为空间资源的开发和利用提供了实验场所。在航天飞机上发射卫星多次获得成功,还可以捕获已失效的卫星带回地面进行修理。这些活动可以创造可观的经济效益。

“百密而无一疏”的座舱

座舱的特点

座舱是整个载人飞船或空间站的核心部分。由于要为宇航员提供类似地球环境的生活条件,所以便有如下特点:(1)坚固。座舱的结构要有足够的强度与刚度,经受大气层的剧烈摩擦而不解体,能承受200℃以上温差的变化不变形,能在辐照和强烈振动的条件下可靠地工作。(2)轻便。轻便是航天器设计的重要指标,发射飞船时,运载火箭的运载能力与有效载荷某空间站座舱(卫星或飞船)的比例大致为100∶1,即100千克的火箭仅能把1千克的有效载荷发射入轨。(3)密封好。飞船运行在几乎没有空气的太空,轻微的结构变形都会导致飞行器内部气压的变化,使仪器设备失灵,导致严重的人身事故。因座舱的设计不仅要考虑到发射时的要求,还得考虑返回时经受巨大的大气摩擦,外形选择十分讲究。从前苏联第一艘载人宇宙飞船“东方”号到美、苏(俄)两国的航天飞机,外形可分为2种类型:①无翼式,前苏联的“东方”号飞船、“上升”“水星”号飞船号飞船、“联盟”号飞船,美国的“水星”号飞船、“双子星座”号飞船等均属于无翼式。这种无翼式飞船,结构简单,工艺技术要求略低,工程上易于实现,其缺陷是不能获得很大的升力,返回地面时宇航员无法控制飞船的落点。②有翼式,美、苏(俄)两国研制的航天飞机就是这种类型,能够获得巨大的升力,能在预定的机场跑道降落。座舱的“五脏六腑”

太空居室必须注意合理的结构布局,这不仅是宇航员生活舒适的需求,也是太空居室本身的需要。座舱中需要安置坐椅、仪表、照明灯、生命保障系统、通信系统以及各种服务设施和设备。还要保障宇航员有足够的活动空间,要考虑宇航员进出方便。要有逃逸口,如果发生故障,需要紧急弹射时,座舱门要能自动打开,保证宇航员安全逃离。如果是海面降落,返回的座舱必须密封。无论降落在海面和地面,座舱必须经得起冲撞而不损坏。此外,座舱还应有开阔的视野,宇航员可以透过飞船的石英玻璃舷窗欣赏太空壮丽的景色,观察发射前的各种准备活动,飞船在太空轨道上的对接情况,返回时点火姿态和着陆情况,使宇航员在太空生活中有兴奋感,在太空活动中有安全感,同时也是对地观察的需要。

美国的“天空实验室”由工作舱、太阳能望远镜、过渡舱等5个部分组成,总重77.5吨,有效容积360立方米。宇航员居室是其主体部分,是个长约15米,直径为7米的圆柱体,用隔板隔成卧室、餐室、观察室和盥洗室。卧室内有床铺、书柜、衣柜等生活设施。

从1973年5月到1974年2月,先后有3批9名宇航员在“天空实验室”工作,分别停留了28天、59天、84天,拍摄了太阳观测照片18万多张,地球资源照片4万多张,进行了材料加工和医学、物理、化学等数百项科学实验。

宇航员寝具探秘

在太空飞行中,作为宇航员卧具使用的是活里睡袋,而活动的里子则起床单和被褥的作用。宇航员在睡前拉好拉链,只留下可让头部露出的开口。因为宇航员及其卧具均处于失重状态,因此,宇航员还要把睡袋用带子拴牢在固定点上。

为尽量减轻火箭发射负荷,又因空间站地方所限,所以睡袋应轻便(重量不大于2.5~3千克),叠起时占地方要小(约10立方分米)。由于睡袋只有一个尺码,故其长度应满足身高为185~190厘米的人使用,其宽度应不小于70厘米。

由于用途的特殊性,所以睡袋须选用卫生性能好的材料(毛、棉、亚麻)制造。而睡袋的保温性能则应满足15℃环境温度下躺在里边睡觉的要求。

如为“礼炮3”号轨道站乘员制造的睡袋是用拉夫桑人造棉作保温材料,而面料则采用体轻的卡普纶。该睡袋长度约190厘米,宽70厘米。其质量约为2.5千克,棉套厚度为5~6毫米。

1975年,在“礼炮5”号上采用了改进的睡袋。该睡袋系以浅蓝色毛料制造,睡袋设有供伸出手臂的开口,足部设有通风口,质量约为3千克。

空间站“大观”

空间站又称为“轨道站”或“航天站”,是可供多名宇航员巡航、长期工作和居住的载人航天器。在空间站运行期间,宇航员的替换和物资设备的补充可以由载人飞船或航天飞机运送,物资设备也可由无人航天器运送。

空间站在科学研究、国民经济和军事上都有重大价值。它的用途包括天文观测、地球资源勘测、医学和生物学研究、新工艺开发、大地测量、军事侦察和技术试验等。空间站还可以作为人类造访火星等其他行星的跳板,并试验载人行星际探索技术。

广义上讲,空间站可分为单一式、组合式2种。单一式空间站由运载火箭或航天飞机直接发射入轨;而组合式空间站则由若干枚火箭或航天飞机多次发射并组装而成。空间站通常由对接舱、气闸舱、轨道舱、生活舱、服务舱、专用设备舱和太阳电池翼等部分组成。对接舱一般有数个对接口,可同时停靠多艘载人飞船或其他飞行器。气闸舱是宇航员在轨道上出入空间站的通道。轨道舱是宇航员在轨道上的主要工作场所。而生活舱则是供宇航员进餐、睡眠和休息的地方。服务舱内一般装有推进系统、气源和电源等设备,为整个空间站服务。专用设备舱是根据飞行任务而设置的安装专用仪器的舱段,也可以是不密封的构架,用以安装暴露于空间的探测雷达和天文望远镜等仪器设备。

1971年,苏联发射了世界上第一个空间站——“礼炮1”号,此后到1983年又发射了“礼炮”2~7号。1986年苏联又发射了更大的空间站“和平”号,现该空间站已坠落于南太平洋预定海域。美国1973年利用“阿波罗”登月计划的剩余物资发射了“天空实验室”空间站。

前苏联的“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°,周期89.1分。“礼炮6”号主要由1个服务舱和2个可居住的密封舱组成。这2个密封舱一个是位于站体后边的过渡舱,一个是工作舱。工作舱系由2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2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。“礼炮6”号同2艘“联盟”号飞船对接后总长达30米,总重约32吨。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、2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、无线电天线系统、太阳能电池帆板、对日定向设备等。工作舱长9米,直径2.9~4.2米,容积90立方米,是宇航员工作和生活的居室,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。

我国将发射“天宫一号”目标飞行器,“天宫一号”的重量有8吨,类似于一个小型空间实验站。在发射“天宫一号”之后的2年中,我国将相继发射“神舟”8、9、10号飞船,分别与“天宫一号”实现对接。

我国首个空间站大致包括1个核心舱、1架货运飞船、1架载人飞船和2个用于实验等功能的其他舱,总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守,能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。具备20吨以上运载能力的火箭才有资格发射核心舱。为此,我国将在海南文昌新建第四个航天发射场,可发射大吨位空间站。

2001年11月20日,俄罗斯的一枚“质子”号运载火箭在哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场起飞,成功地发射了“国际空间站”的第一个组件——“曙光”号舱。“国际空间站”计划是1984年由美国总统里根提出的,原名为“自由”号,由美国牵头,现有16个国家参与建造,于2004年投入使用。继“曙光”号舱之后,美国又在后来发射了“节点1”号舱,并同“曙光”号对接到一起。站上的各种设备由俄罗斯火箭和美国航天飞机分45次运送到轨道上。“国际空间站”由重新设计的“自由”号和俄原准备建造的“和平2”号两部分组成,两部分的交接处就是已率先发射的“曙光”号舱。全站建成后重426吨,长108米,宽88米(含翼展),运行在高约400千米、与地球赤道呈51.6°夹角的一条轨道上。该站初期可乘3人,后期可增至6人。它的规模大大超过了“和平”号。

空间站里的“小环境”

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,模拟大气的混合比例,造成大气条件。“环境”,包括座舱温度、湿度、气流等方面。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1/600万。人若无保护,就会造成体液沸腾,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问题。

为保证座舱内有近似地球的大气环境,座舱采取1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%。

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。而座舱热源首先来自人体热,每人每天大约产生75~150千卡(314~628千焦)的热量,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,亦占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,倘若不及时除去,会使电路造成短路,座舱采取冷凝和化学吸收办法,使相对湿度控制在30%~70%。

经常保持座舱卫生。研究表明,人体代谢物达400种,倘若和各种垃圾、废物混合在密封舱内,势必会造成环境污染,给宇航员身心带来危害,研究人员采用物理吸附、化学吸收等方法为座舱排除空气污染。

在轨道上,飞船因处于失重状态,气体自然对流现象消失。为维持人体热平衡,便采取气体人工对流的方法,使气流速度保持在0.3~0.5米/秒左右。特别是人体头部,吹向眼睛的风速不宜过大。

种植植物和喂养动物,造成鸟语花香的世界。如前苏联先后在“礼炮6”号和“礼炮7”号空间站设置了特别温室,用以栽种小麦、豌豆、葱、郁金香和兰花等植物,现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,既给空间站提供良好生态环境,又可供给宇航员蔬菜、果品,真是一举两得。

宇宙飞船座舱的小环境,是宇航员生命保证的至关重要问题。无论是美国的天空实验室和前苏联的“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很大威胁。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,在宇航员训练中适当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。

空间站所用能源一览

由于空间站遨游在几百千米的轨道上,空气稀薄,太阳无漫射,空间背景黑暗,对比度比地面大得多,因此势必会造成宇航员视力下降,看不清仪表读数。

其次,飞船处在黑暗中时,舱内需用高效白炽灯或其他措施来保证舱内的亮度。为了录下宇航员的工作、生活情况及舱内景物,舱内还必须安置摄影灯。无论是日光还是灯光,舱内都要采取有效措施,使光线柔和、照度明亮。此外,除了照明外,飞船内许多设备和仪器都是需要电来启动并保持运转的。

因此,电源是飞船的心脏。那么,太空的电源是如何而来的呢?事实上,电源主要靠以下几种办法来解决。(1)太阳能电池。这是一种可以把光能直接转换成电能的半导体器件,寿命长,可连续工作。只要向着太阳,太阳能电池就能工作,从而向仪器设备提供电能,同时给蓄电池充电。而当背着太阳时,蓄电池就接替太阳能电池供电。

目前太阳能电池方阵有2类:①立体装式,即太阳能电池直接安装在飞船的壳体上;②展开式,将方阵独立于壳体之外,形成单独部件。发射时以一定方式将太阳能电池方阵固定在卫星本体上,并收藏在罩内,进入轨展开式的太阳能电池方阵道后才完全展开。

太阳能电池有硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、硫化镉太阳能电池。它们都是按一定要求串联和并联而成的。美国在“发现”号航天飞机上曾试验了一种柔性太阳能电池,它在天上展开的面积为31米×4米,有10层楼高。这种电池采用印刷电路的方法在卡普隆薄膜上制成,可像手风琴一样展开和收缩,折叠时可收放在一个18厘米的小匣子里。它能产生12.5千瓦以上的电能,比普通太阳能电池在性能、寿命、用途上都略高一筹。(2)燃料电池。它是一种将燃料的化学能转变为电能的电化装置,工作原理与一般蓄电池相似,也是由一种电解液隔开的两个电极所组成,既能产生电又能产生水。其种类有离子交换膜氢氧型、改进的培根型、石棉膜型。而额定功率则分别为200瓦、2000瓦、5000瓦。据数据资料显示,航天飞机在7天的飞行任务中,一共需耗电1627千瓦时,而电源则主要靠3个燃料电池供给,每个电池最小功率24瓦,平均功率7千瓦,最大功率12千瓦;整个燃料电池最大功率24千瓦,平均功率14千瓦。在一般情况下,只使用2个燃料电池。根据设计要求,燃料电池的寿命是5000小时,工作寿命为2000小时,每组燃料电池可以完成29次7天的飞行任务。(3)核电池。该电池具有功率大、寿命长的特点。核电池大致分为2大类:放射性同位素电源和核反应堆电源,功率约为2~5千瓦。

据资料显示,前苏联已在发射的33颗海洋监视侦察卫星上安装了核电源。核电源能给卫星和飞船带来稳定的电源,亦给人类带来了忧虑。几十年来,前苏联已有多颗卫星发生故障,其核动力装置给地球上的人们带来难以排解的心理压力,使人时常担心核祸从天而降。目前美国正在研制20千瓦的空间核电源,工作寿命为3~5年,以接替寿命短的电池。

不论哪种电池,其电流均要通过功率分配和控制系统分配到飞船各处需要电源的部位去,通过计划分配来满足飞船及其乘员对电力的需求,保证宇航员正常的工作和生活。

目前,空间站的核发电技术正处在研究阶段。美国宇航局、能源部和国防部的战略防御创新办公室制定了一个“自供电100号计划”,预计发展中的空间站耗电量将超过300千瓦。这样大的电力供应量,只有依靠核发电来解决。

其核发电装置有3种构想,①把反应器牢固地安装在空间站上,星上系统需要有38.5~49.5吨的保护层来防止核辐射的破坏,这意味着要增加空间站的起飞重量。②用一根很长的软链把核电站吊在空间站上,这样虽可减少防护层的重量,但30千米长的吊链系统会使空间站加速并影响有关科学实验的失重环境。③安装在200千米高的自由飞行平台,其弊端是这种平台需要姿态控制、能源和通信系统,且难以修理。哪种方法可行,现在未成定论。如果空间核电成功的话,将标志着空间站上了一个新的台阶。

宇航员的生命保障系统

遨游太空是充满浪漫与激情的活动,同时也是一项高风险、高强度的劳动。那么,宇航员一天之中需要消耗多少物质与能量?

氧气、水和食物是人类赖以生存的三大要素,若断绝供给会危及生命。断绝供给后,人的存活时间有所不同:断氧为2~3分钟,断水为3~5天,断食(不断水)为30~40天。因此,仅仅从生存的角度来看,供氧比供水重要,供水又比供食重要。太空是一个无氧、无水的环境,为了确保宇航员的安全,载人航天器必须供氧、供水和供食。

每位宇航员在太空中平均每天要消耗0.9千克的氧气,同时要排出大约1千克的二氧化碳。从地球带上太空的氧气可以气态、液态和固态的形式存在,也可以化学的形式储存在其他化合物中。“神舟六号”载人飞船上的氧气是以高压气体的形式储存在特种钢瓶中带上太空的。

在正常的轨道飞行中,每位宇航员每天需要饮用大约2.5千克的水。目前,所有载人航天器上的水都需要发射前从地球携带。对于长期的空间飞行而言,除了携带必要的水以外,发展和利用水的回收和再生技术对于减少后勤补给的负担和完成预定飞行任务至关重要。

航天食品的首要功能是供给热能。在短期航天飞行中,宇航员膳食热能供给量一般为每人每天280千卡左右。各国宇航员每天摄取食品的重量随食品构成的不同有很大的差异。在“神舟六号”上,我国宇航员每人每天的食品重量为0.6千克。

在失重环境的太空中,宇航员一般会出现渴感消失、饮水减少、食欲不振和大量剩食,导致体重下降和营养不良。因此,为了防止出现剩食,各国营养专家都尽力把航天食品做得美味可口,尽可能根据宇航员的个人口味定制。宇航员的饮食保障设施

空间站上的饮食保障设施也是非常考究的。而该饮食保障装置主要包括:宇航员食品、食品储藏装置、进食装置及处理设施等。

在航天初期,人们认为在太空不能吃固体食物,宇航员的主要食物是用软管包装的肉糜、果酱类膏状食物,吃的时候像挤牙膏似的将食物直接挤入口中。而现在,航天食品都是专门配置的高营养食品,以每个人每天摄取必需的热量来设计,当然食品的种类和营养成分够充分的了。最多的是即食食品,包括肉类、鱼类、细条实心面、饼干、面包等,分别装在罐装及密封软包装中。而在软管装食品中还有几道菜和水果酱、果汁等。另一类是脱水食品,有肉类,也有蔬菜。除此之外,也有一些直接从超市购买的在地球上常吃的易拉罐食品,水果布丁、糖果点心、花生酱、三明治等应有尽有。

各类食品分装在食品柜和冰箱中。进食时,即食品只需在烘箱里热一下便可。事实上,最费事的要数脱水食品,这种食品都装在塑料盒里,盒子的一角有层隔膜,食用前先要对食品进行还原充水。将空心的针管插入盒内,转动充水器的旋钮即可调节热水或冷水的注入量。此外,需要熟食的食物则在厨房的炉灶上烹煮。进餐时要特别小心,宇航员们用叉子或勺子把食物送进嘴里,尽管多数食物比较黏稠,动作还是得缓慢而仔细,否则食物碎块可以把宇航员呛死或者到处飘浮,得用手把它们捕捉回来。

在太空,用勺子进食与地球上有所不同,因为没有了地球引力,食物不会稳稳地待在勺底,这些食物有的在勺底,有些却是在勺边甚至是勺尖上。就餐时,每人有一个托盘作餐桌,托盘放在腿上,用钩刺式胶带粘住。脱水食品的塑料盒嵌在托盘的凹槽里,即食食品则用托盘一角的钢夹夹住。托盘上还有一块磁条,使餐具不致飞走。在太空中,零重力可能会导致脑充血而影响味觉,跟感冒了吃东西没味道的情形相似。因此那些因失重而胃口欠佳的宇航员会吃一些辛辣味很浓的食物。太空中不能用辣椒面一类的调味品,但厨房里备有盐水和辣椒水,装在像眼药水瓶一样可挤压的瓶子里供宇航员取用。进食过程中当然还要防止碎屑及废弃物的乱丢,而是要放在专设的废品收集器中,否则不是垃圾满地,而是垃圾满屋飞。

为了改善宇航员的生活及进行植物的试验,在空间站上还进行植物的栽培和生长,这样一来,宇航员既可以吃到新鲜的蔬菜又能减轻地面的负担,一举数得。宇航员的供水系统

事实上,空间站上的供水系统也是生命保障的重要系统,有意思的是水系统一直在密封的系统内工作,它是由贮水容器、手动泵、防护组件和饮水装置等部件组成的。水一般是由地面带上去的,水储存在空间站上的贮水容器内,而饮水装置就是用来饮水的。当宇航员需要喝水时,可不像在地面上喝水那么方便。

他们先要打开防护组件开关,取出个人用饮水管,将之接好,把水嘴放入口内,再按放水阀按钮来饮水,不允许有水滴滴出来。因为水在太空既是必需品也是危险品,空间站里飘浮的水珠如果被宇航员吸入气管可使人窒息而死,渗入设备线路中也是发生事故的隐患。宇航员喝的水第一要保证无菌、不浑、不变质,所以他们饮用的水里都有一种添加剂。由于太空的失重环境使得这里不分上下,把茶杯倒过来,杯子里的水也不会流出来,所以杯子里的饮料也不会自己流进宇航员的嘴里。太空饮料都是干粉,装在铝袋里,袋子上有注水口,饮用前用注水针往袋内注入冷热水均可,再插入吸管就可饮用了,各人的饮料袋上会有彩色标志用来区别。可供宇航员选择的饮品有净水、茶水、可可、咖啡及其他果汁等。

随着技术水平的提高和空间站尺寸的加大,以及多次飞行取得的经验,宇航员在空间站的居住条件不断地在改善,例如有了单独的卧室、专门的餐厅、专门的淋浴洗漱间,还有健身房。这样一来,水的用量必然增加,而空间站的水90%都要从地球用运输飞船运送,是非常宝贵的。为了解决这个问题,空间站上采用水的综合利用,把用过的废水回收后经过处理继续用,甚至将尿液经过再循环后当做饮用水,在很多时候也会由物质的化学反应生成水。宇航员的呼吸系统

研究表明,在空间站上供应的最好气体应该是与我们地球上大气成分相同的氧—氮混合气。该气体不但符合人的习惯,而且安全。而事实上,舱内的气体供给和控制有着一套复杂的系统,舱内的大气总压力及氧气的分压力是通过传感器来测量的,使它必须接近自然大气压力和混合浓度。

当压力过高时可以通过自动控制排放出去,而压力下降时则可以自动补气。当低到一定的最低限就会报警,产生这种情况的原因往往是由于舱体或管路泄漏或者密封舱门失效而造成。而实际的系统是极其复杂的,除了保证供气外,还要进行压力监测、气体净化、气体成分分析,采用风机促使气体的循环流动,把有害的气体成分减少到允许的范围内等。舱内气体的供应,早期是用大的气瓶由地面携带上去,而后来则由特定物质的化学反应生成。宇航员的睡眠系统

在失重的环境里,躺下和站着没有区别,所以说宇航员可以不用躺在床上睡觉,他们可以在任何地方、以任何姿势睡觉。宇航员在睡眠中会像灰尘一样在舱内飘来飘去,但是没有谁是这样睡的,因为这样一来就会发生相互碰撞或是撞在舱壁上,人就会不断被弄醒,弄不好还会被撞伤。再说,如果有人上厕所,就要一路走一路把飘浮在四周的睡眠者推开。那么,应该如何睡呢?宇航员一般都睡在布制的拘束袋内,睡袋的顶端系在一个固定的位置或是两端都固定,人钻进去后拉上拉锁,这样既保暖又可固定睡眠者。在空间站里由于宇航员较多,有时也在生活舱中设置双层床,可睡多人,但睡前也要将身体系牢,以免睡着后飞走。在失重环境里睡觉有一个奇怪的现象,就是当人睡着后双臂会自己摆动,这是很有趣的。

在太空,宇航员每次睡觉不超过8小时,其实很多人不愿睡足8小时,而更愿早点儿起床观赏太空美景。事实上,在太空睡觉和在地面一样,也会做梦,此外也会打呼噜,只不过如果是在地面上,翻身时鼾声就会停止,而在太空的失重环境下不存在翻身的问题,所以一旦打起呼噜便很难停下来。

如果大家都睡了,空间站的运行会不会受影响呢?在空间站,人员分为2组,总有一组在值班。不过无论宇航员是醒还是睡,地面指挥中心时刻都在监视着空间站系统的工作,一旦有紧急情况,警铃会叫醒熟睡者。宇航员的如厕系统

在地面上大小便很方便,只要去一趟厕所就解决了。但在太空中这却成了一件令人头疼的事。太空中的微重力使任何物体都可以到处飞,食物飞起来可以抓回来,工具飞起来也可以抓回来。但要飞起来的是大小便,可怎么办?如果处理不好大小便,不仅会使整个空间站内满是污秽,而且还会使仪器、设备短路而发生危险,所以这大小便问题就成了大问题。空间站中的厕所不仅要求尺寸合适,而且还要求具有能吸出大小便的吸力。尽管男女生理结构不同,不过,现在已设计出了男女通用的厕所。

据资料透露,该便桶的中央有一个管道,管口有活动盖板,管口周围还有一圈很小的吸孔,便桶的右侧有控制杆,可以操作吸孔和盖板的开关。便桶两侧还各有一个把手,宇航员飘到便桶上后将把手向内拉,让他们铐住自己的大腿,这样人就不会在解便时飘走了。宇航员坐好后将控制杆向前推,盖板和吸孔同时打开,大便就通过吸孔被吸走了。然后再将控制杆拉回原位,管口就被盖上,吸泵也被关掉,这时粪便就被隔绝在便桶下面了。用过的手纸不能扔进便桶,便桶左侧的控制杆上有个小桶,它的功能类似真空吸尘器,手纸放进去后会被牢牢吸住。用完后这个小桶要放回到便桶的背后。

那么小便时又怎么办呢?资料上显示,便桶上有一根吸尿管,尿液由这根管子进入储尿箱,为方便不同性别的宇航员使用,吸尿管的吸头有两种,男性用漏斗状吸头,小便前将它接在管子上,女用吸头则是根据女性生理构造设计的,不会有丝毫泄漏。宇航员在升空前要反复练习如何使用太空便桶,看来太空中的“方便”并不方便。

探秘宇航服

“巧夺天工”的宇航服

为了阐明宇航员装备应满足的要求,就必须指出航天飞行器乘员所处的最为典型的条件:在±5℃的气密座舱条件下飞行;在(20±50)℃的不同气候条件下降。

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: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。

那么,什么是宇航服呢?宇航服是保障宇航员的生命活动和工作能力的个人密闭装备。可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。在真空环境中,人体血液中含有的氮会变成气体,使体积膨胀。如果人不穿加压气宇航服密的宇航服,就会因体内外的压差悬殊而发生生命危险。

宇航服按功能分为舱内用应急宇航服和舱外用宇航服。舱内宇航服用于飞船座舱发生泄漏、压力突然降低时。宇航员及时穿上它,接通舱内与之配套的供氧、供气系统,服装内就会立即充压供气,并能提供一定的温度保障和通信功能,让宇航员在飞船发生故障时能安全返回。而飞船轨道飞行时,宇航员一般不穿宇航服。

我们知道,宇航服能构成适于宇航员生活的人体小气候。它在结构上分为6层。内衣舒适层

宇航员在长期飞行过程中不能洗换衣服,大量的皮脂、汗液等会污染内衣,故选用质地柔软、吸湿性和透气性良好的棉针织品制作内衣舒适层。保暖层

在环境温度变化范围不大的情况下,保暖层用以保持舒适的温度环境。宇航服保暖层选用保暖性好、热阻大、柔软、重量轻的材料,如合成纤维絮片、羊毛和丝绵等制作。通风散热器

在宇航员体热过高的情况下,通风服和水冷服以不同的方式帮助其散发热量。若人体产热量超过350千卡/时(如在舱外活动),通风服便不能满足散热要求,这时即由水冷服降温。通风服和水冷服多采用抗压、耐用、柔软的塑料管制成,如聚氯乙烯管或尼龙膜等。气密限制层

在真空环境中,只有保持宇航员身体周围有一定压力才能保证宇航员的生命安全。因此,气密层采用气密性好的涂氯丁尼龙胶布等材料制成。限制层选用强度高、伸长率低的织物,一般用涤纶织物制成。由于加压后活动困难,各关节部位采用各种结构形式:如网状织物形式、波纹管式、橘瓣式等,配合气密轴承转动结构以改善其活动性。隔热层

宇航员在舱外活动时,隔热层起过热或过冷保护作用。它用多层镀铝的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜并在各层之间夹以无纺布制成。外罩防护层

它是宇航服最外的一层,要求防火、防热辐射和防宇宙空间各种因素(微流星、宇宙线等)对人体的危害。这一层则大部分是用镀铝织物制成。

与宇航服配套的还有头盔、手套、靴子等。

目前,美国和俄罗斯使用的都是软硬结合式的宇航服。无论哪种宇航服都由多层组成,它们互相连接形成一个整体服装,但要求各层的质量要高、要轻、不能过厚,以避免影响宇航员的行动。以舱内使用的低压宇航服为例,其基本结构与功能是这样的:由最贴身的里层往外数,第一层为内衣裤,选用纯棉布或棉麻布制作。第二层是保暖层,它和内衣裤结合,选用羊毛制品或合成纤维片制成,起保温和隔热的作用。第三层为通风散热层,其结构比较独特,是由很长的微细管道连接在衣服上而制成的,在人体与外界隔绝的情况下,它可以把人体产生的热、水和气味带出去。第四层是气密加压限制层,它既要充气加压,使身体有足够的压力,不能漏气,又不能使服装过于膨胀,要防止外界的磨损,还要使各关节活动自如。所以这一层结构的选材和设计都比较难,是宇航服装的关键层。第五层为隔热层,也叫真空隔热层。这是由5~7层涂铝的聚脂薄膜构成,各膜之间用网络物隔开,贴在一起形成屏蔽。它有良好的隔热和防辐射作用,舱外宇航服必须有这层,舱内宇航服可以不加这一层。例如,美国“阿波罗”号飞船、航天飞机上用的宇航服都没有这层,而苏联的“上升”号飞船和俄罗斯的“联盟”号飞船中使用的舱内宇航服就有这一层。最外边一层是外罩层。这个外套要求防磨损力强、耐高温,除能防护内部各层不受损坏外,还要注意到颜色,一般用白色或金黄色为好。

探索宇航服的发展历程

资料表明,世界上第一个使用宇航服装备的人是美国冒险家威利·波斯特。20世纪30年代初,他在驾驶“温尼妹”号单座机向横越北美大陆飞行的挑战中,将飞机上升到同温层。当时波斯特身穿的高空飞行压力服,是用发动机的供压装置送出的空气压吹起来的气囊。第一代宇航服

第一代的宇航服是1961年在美国问世的。当年5月阿仑·谢泼德第一个成功地进行了美国最早的载人航天飞船计划——“水星计划”的亚轨道飞行。他飞行所用的宇航服,是由当时美国海军的高性能战斗机飞行员穿着的MK—4型压力服加以改进的。这种宇航服由氯丁橡胶涂在布上的防护层和经过氧化铝处理的强化尼龙的内绝热层叠合而成,肘和膝关节部分缝入了金属链,容易弯曲。但是,当内压提高时,宇航员难以活动身体。第二、三代宇航服

20世纪60年代中期在实施第二代宇航服“双子星座计划”时,美国又开发了第二代宇航服。这种宇航服在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟纶混纺材料织成的网,即使空气压使宇航服整体膨胀也容易弯曲。由于“双子星座计划”要求宇航员进入太空在轨道上作会合或入坞的活动,所以这种宇航服具有极佳的运动性。

第三代宇航服是实施“阿波罗计划”时使用的宇航服。月面活动与浮游在太空活动的情形不同,必须一边步行在遍地皆是岩石的月球表面,一边弯下身体采取岩石标本。再者,要求保护宇航员能经受强烈的太阳光辐射,以及从天而降的微小陨石砸在身上也不致破损。这种宇航服在关节周围制成伸缩自如的褶皱,大大提高了运动性能。但是,必须穿着特殊的“内衣”。这种几乎盖住全身的网状内衣缝入了长达100米犹如意大利空心面条那么粗的盘成网状的管子,管内流过冷水,吸走宇航员身上散发的热量,并排到宇宙空间,所以宇航员穿上后感到十分舒适。穿在内衣外的宇航服由内绝热层、压力层、限制层(抑制压力层的膨胀)几层重叠,最外面还蒙上聚四氟乙烯与玻璃纤维制成的保护层。再戴上强化树脂制成的盔帽、与宇航服几乎一样多层的手套,穿上金属网眼的长统靴,就是完整的阿波罗宇航服了。阿波罗宇航服与过去的宇航服相比,其根本差别就在于采用了便携式生命保障系统,即将生航天飞机用宇航服命保障系统固定在背上,以进行供氧、二氧化碳的净化和排除体热。第四代宇航服

现在航天飞机上的宇航员使用的宇航服可以说是第四代宇航服了。在此之前,宇航服是定做的,不仅开发和制作上耗费巨资和时间,而且一件宇航服只能用一次,已远远不能适应新的需要。

航天飞机用的宇航服不是定做的,它是根据人体的造型把宇航服分成几部分,分别被规格化为“特大”到“特小”几种尺寸,然后成批生产,加工成现成的服装。宇航员只要从中选择合身的各部分,重新加以组合就可得到一套满意的宇航服了。使用后,也不像过去那样送进博物馆,而是把宇航服再分解,各部分清扫后再次使用,计划使用寿命是15年以上。

在阿波罗时代穿好一身宇航服需要1小时,现在穿航天飞机用宇航服(包括生命保障系统在内的舱外机动装置)只要10~15分钟就足够了。新的生命保障系统可在长达7个小时内向剧烈消耗体力的宇航员供给必要的氧、冷却水、电力。不仅如此,头盔内侧还可供给500毫升的饮料和少量的航天食品。

至于大小便的处理,在进行舱外活动前,必须在舱内大便完毕,而小便可以在宇航服中排泄,因为配备了尿抽吸装置。目前,还只有供男性使用的装置,女性用的(尿布型)正在开发之中。将来,女宇航员也不用为排尿担心了。

为了迎接空间站时代的到来,现在美国宇航局正在致力开发新的宇航服。尽管建造空间站穿着航天飞机用的宇航服也可以,不过进入太空活动前,宇航员还要先做准备工作。即必须呼吸纯氧4个小时,或在气压为0.69毫米汞柱的舱内呆上大约12个小时,然后再呼吸纯氧40分钟,目的是将体内的氮排出,同时使身体适应低压环境。如果不做这样的准备工作,由于宇航服内只有0.3个大气压,体内氮因急骤减压而形成气泡,会使宇航员患与潜水员一样的沉箱病。显然,现有宇航服难以适应今后在太空中频繁活动的需要。据美国宇航局预测,太空时代,每个宇航员每年需在太空中工作1000小时,为此要求宇航服不但耐用,而且要大幅度降低成本。

现在正在开发的宇航服,与过去的宇航服相比,外观上有明显的不同,全身是金属铠甲那样的刚性结构,仅关节部分是可折皱的软结构。这种宇航服的内压可提高到0.54个大气压,所以宇航员穿这种新宇航服进入太空之前不需要准备过程,也不用再为沉箱病担心。但是,内压提高使这种新宇航服变得笨拙,运动性差。目前已试制成的这种宇航服重达90千克,穿在身上根本无法在地面上行走。所幸的是,在太空中,重力变小了,宇航员不用费很大的力气。不过,重力变小了,质量还是没变,因为它具有和原来一样的惯性,所以宇航员不能快速移动。

宇航服的制造和发展时间还相当短,未来的宇航服将更适合人类航天和在太空生活的需要!

舱外活动服

宇航员在太空飞行,绝大多数活动是在飞船和空间站进行的。但有时也需要进入太空开展舱外活动,长期载人航天还有物质的补给,也是舱外活动的内容之一。

步出飞船或空间站在太空条件下行走,既非靠脚去步行,亦非毫无保护地去自由活动,而是在严格的保护措施下有限度的飘游。这种严格的保护措施就是舱外活动系统,亦称为舱外活动宇航服(具体结构见宇航服节)。曾经两次重大改革。

世界上第一个实现空间行走的是前苏联宇航员阿历克赛·列昂诺夫。

1965年3月他穿着一套十分笨重臃肿的宇航服在空间停留了10分钟,3个月后,美国宇航员爱德华·怀特也实现了空间行走,他把在空间停留的时间延长到21分钟。美国宇航员穿的宇航服从那时以来已经进行了2次重大改革。开始的时候,宇航服除了笨重臃肿,行动不便外,还有一条“脐带”同密封舱连接在一起,宇航员需用的空气和水等都通过这条“脐带”供给。美国宇航员登月时,宇航服经过了第一次重大改革,它已经没有限制活动范围的“脐带”而能独立自成体系,宇航员需用的一切供应都由宇航服携带。

1983年4月4日,美国“挑战者”号航天飞机2名宇航员在太空呆了3小时40分,也是沿袭这种“脐带式”太空行走,终未脱离母体。这次太空行走,是“挑战者”号在离地面280千米的圆形轨道上绕地球运行第50圈时实现的。当时,它正在太平洋上空以时速2.8万千米运行。密封舱与货舱之间的气闸室的圆门缓缓打开。为了防止高空病,已在气闸室里呼吸了3.5小时纯氧的2名宇航员——47岁的马斯格雷夫和49岁的彼得森,穿着雪白蚕茧一样的新型宇航服,一先一后稍带困难地进入已向空间敞开的货舱。舱中装载的一颗2.5吨重的通信卫星已于前一天弹射出舱,空荡荡的货舱里,一根绳索从一端通向另一端,另外还放置着试验用特别工具箱、绞车和滑轮等。进入货舱后,两人首先把各自宇航服上的一根15米长的带子一端夹在货舱里的缆绳上,以防“飘”出舱外。他们原定空间行走的时间是3.5小时,后因情况良好,地面指挥中心决定再延长半小时左右。他们在失重、真空等条件下在货舱中来回走动,伸臂屈手,弯腰曲腿,翻腾打滚,飘游蹦跳,以试验第一次使用的宇航服的可靠性和灵活性,并试用工具箱中的各种专门为空间使用而设计制造的工具,并试验搬运20多千克重的物体,以便为将来的宇航员在空间使用这些工具修理卫星或建造大型空间站等取得经验。当空间行走的任务完成时,马斯格雷夫和彼得森已经在空间绕地球运行了2圈。于是便先后返回气闸室,在气闸室内呼吸了3.5小时的纯氧后脱掉宇航服,重新进入密封舱。

人类首次脱离“母体”的太空行走,则始于1984年2月3日,美国“挑战者”号航天飞机第四次飞行。2名宇航员首次不系安全带在太空分别自由行走了90分钟和65分钟,第一次实现了真正的太空自由行走,引起了世界的轰动。紧接着1984年2月8日至10月2日,苏联“礼炮7”号飞船上的宇航员在连续237天的太空飞行中,先后6次进行太空行走,时间共达23小时。女宇航员特兰娜·萨维茨卡娅1984年7月在太空行走了3小时35分,成为太空行走的第一个巾帼英雄,受到举世瞩目的关注。

出舱用的全压服必须给有关人员提供为完成下列任务所需的必要生活条件:(1)安装和拆卸航天飞行器外表面上的各种设备和仪器;(2)维护各种生产新材料的装置和焊接设备以及进行各种技术性工作;(3)把由地面送来的舱段拼装成轨道站;(4)营救遇险的飞船乘员。

舱外活动服尚需根据其用途保证:(1)预防航天空间有害因素的影响(低气压、离子辐射等);(2)预防对着太阳时过热和背着太阳时过冷;(3)预防撞上直径为300~400微米的陨石物质时被击坏;(4)防止视觉器官受到太阳辐射的有害作用;(5)完成规定工作范围内所必需的活动性。

制造全压服的材料必须具备对航天空间因素长时间作用的稳定性,且在太阳辐射及真空的作用下不改变其物理、机械及光学特性。宇航服的结构应可靠而不发生故障,应具有应急时能自动切换的复式系统。出舱全压服应配备辐射剂量表,借以发出受到危险剂量穿透辐射的信号。为了对宇航员状况随时进行监测应预先考虑到向航天飞船(或地面)传送不断变化的遥测信息之可能性。

舱外活动服可以是完全独立的(自足的),也可借缆索之软套管及导线与航天飞行器连在一起,并通过这些东西输送氧气、电气和实现通讯联络。

在独立式系统中,生命保障系统及氧源和电源放在背包里。舱外活动中进行的测量表明,舱外工作消耗大量能量。结果表明,设计独立生命保障系统时必须以3升/分的供氧量为基点。平均耗氧量为80升/时,可保证达450瓦(1675千焦/时)的能耗。出舱全压服的构造

对出舱服(舱外活动服)提出的种种要求为其结构带来新的要素:(1)具有必要的反射及吸收性能之外衣;(2)真空屏蔽隔热性能;(3)陨星体防护;(4)能保护眼睛,使用不受航天因素有害作用的头盔面罩玻璃;(5)活动范围更大的活动关节;(6)热容量更大的冷却系统。出舱全压服的外衣

外衣系表面防护层,防止全压服出舱时可能受到的机械损伤。服装的表层应具备必要的光学性能并能尽量维持合理的热平衡。防火性能对衣料选择意义也不小。应选用点燃温度高的自熄材料。外衣做成连身工作服的形式,以绳带或搭扣与全压服连接。通常采用很牢固的弗尼纶织物以及抗撕性能良好的敷有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物制造之。其抗撕阻力不低于50~100牛顿。为了使服装不限制活动,通常在关节部位打褶或插入橘瓣式活动关节。

外衣上还缝有存放个人随身用品的衣兜。宇航员所承担任务的性质也提出了一系列的特殊要求。例如,焊接工作要求服装防备熔化金属的溅射,且遇到高温金属时不致被破坏。出舱服衣体

在可靠性、气密性、活动性及对航天环境因素的稳定性方面,对出舱服衣体的要求比对应急全压服衣体的要求要高。为了提高可靠性,有些出舱全压服有2个气密层。第二气密层系备份,只有当主气密层(外层)损坏时,才启用第二层。办法是在第二层上装一个备份压力调节器,令其在主气密层压力降至给定值以下时开始工作。装在主气密层上的压力调节器使全压服内余压维持在27千帕。压力调节器装在备份受力层上,当衣内压力降至225千帕时开始工作。压力调节器保护全压服内余压维持在40千帕,同时又在衣内压力达452千帕时起安全活门作用。

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做,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。典型的例子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。

登月全压服

登月全压服的用途及要求

对登月服必须提出以下基本要求:(1)独立无援地在凹凸不平的月面行走;(2)完成规定的工作和科学研究项目;(3)在月球表面固有的温度变化下,保持全压服内的正常温度条件;(4)防备受到陨星物质(一次和二次物质)的伤害。登月全压服结构特点

登月服的研制有2条路可走:改造软式全压服;研制新型硬式(刚性)或半硬式(半刚性)全压服。研制软式登月服就意味着要改进软衣体的全压服,尤其是加强衣面的防护性能和提高真空屏蔽隔热层的热阻,加强防陨星体的性能,提高头盔的光学性能,研制登月鞋,提高全压服的活动性。

之所以要加强衣面的防护性能,是因为必须防备衣面及里边的层次在直接接触月面时受到机械损伤。美国登月服的衣面系用敷有聚四氟乙烯之坚固的玻璃纤维织物制成。织造这种织物用的是3~5微米粗的玻璃纤维。

提高真空屏蔽隔热层热阻的理由是月球上存在着月面被加热而造成的强大热流,再者全压服吸收的热量也因衣面落上月尘致改变光学性能而增加。真空屏蔽隔热层至少应提供零下100℃至零上120°的温差防护。提高陨星体防护的要求则与存在二次陨星体(碎片)有关,这种碎片速度要小些(1~1.5千米/秒),但致损力却相当大。宇航员要在不同的照度下(月亮日和月亮夜)工作,所以必须改善头盔的光学性能。

头盔的半球形透明部分采用聚碳酸酯制成。头盔前侧装有摄食及饮水用的活门。登月之前再把一个可取下的部件戴在头盔上,此部件上有2个滤光镜和遮光罩。滤光镜在开放的航天空间及月面上才用。外镜可透过16%的可见光并反射掉相当一部分紫外线和红外线。内镜可阻止可见光、紫外线及红外线之总能量的30%。遮光罩可防止有碍工作的眩光。

登月鞋应具备良好的隔热性能,防止因在灼热的月面行走而致脚掌过热。此外,登月鞋还应坚固而轻便,且在+150℃左右温度下具有热稳定性。用耐热纤维制造的可穿脱皮鞋形式的登月鞋可满足上述要求,其鞋底系由硅酮橡胶制成。

提高全压服的灵活性乃是最大的难题。为此,在全压服结构里增设了肘部及腕部气密轴承、盆腿间及腿足间轴承和臂部及腿部的折叠式关节。

有关硬式全压服的优缺点,目前尚缺乏足以进行全面评价的资料,只有经过实际的应用才能作出正确的结论。可作为硬式全压服优点的有如下几个方面:衣内可建立较大的压力;利用可燃材料时无起火之虞;没有被陨星体击伤的危险;关节部位弯曲应力较小。

其缺点是:质量大;无余压时活动受限;包装状态体积大。美制半硬式全压服是一种软硬式之间的过渡形态。衣体分两部分,由腰部断接。此外,尚有一通过右肩的穿脱口。

它有6个气密轴承(肩、肘、腕各2个)。肩部举臂、肘部弯曲及膝部弯曲借轴承(关节)实现。所谓轴承乃是几个用涂胶布连在一起的金属环。弯曲时,环间的涂胶布折叠起来。纵向应力则由绳索承受。腿足间轴承保证足部在两个平面上的运动。腕部转动也借助类似的轴承实现。盆腿间轴承系统,由气密涂胶布制成。纵向应力由装在导向件上的绳索承受。全压服配套头盔系半圆形,面罩不能自由收放。

应急救生全压服

全压服的作用

应急全压服系航天飞行器乘员的个人防护装备,在下列情况下与生命保障系统配套使用:(1)座舱突然失去气密性;(2)座舱内空气组分温度条件遭到破坏;(3)应急离开航天飞行器。

全压服也是一种具有多种用途的装备,不仅可以预防低气压的有害作用,而且也能保温和散热,弹射时可防迎面强气流吹拂,落在水里又可提供浮力。

全压服的特点使其应用比较复杂:(1)全压服内必须经常通风换气;(2)全压服于建立起余压后限制人体活动;(3)舱内设备的布局要考虑到全压服之受限的活动范围,同时也要适应全压盔面板处于闭位时使用全压服的要求。

由于全压服及其系统既重要又复杂,对它的要求也就很高。在具体场合下,上述要求也可以补充或更改,这与航天飞行器的结构和用途有关。

在国内外已有经验的基础上,可对全压服提出下列共同要求:(1)高度的使用可靠性。(2)良好的活动性。(3)重量和体积要尽量小些。(4)维护简便,可以修理。(5)失火时要安全。(6)在给定的振动和温度范围内具有良好的防振性能和热稳定性。(7)全压服及其零部件的强度应具有2.5~3的安全系数。(8)可用手动方式调节衣内压力和通风空气的温度。(9)可不靠他人帮助迅速脱下(2~3分钟),最好能在5~6分钟内自行穿在身上。(10)飞行中,全压服在气密座舱内不应限制人体活动;座舱失去气密性,因而服装内有余压时,宇航员应能操作各种必须要用到的手柄、推拉开关和按钮。(11)全压服不应妨碍宇航员在地面行走时的动作。(12)为了提供利用全压服时所需的生活条件和使参量合理化可采用下列数据:为了预防高空疼痛,选取不大于7千米\[41千帕(3082毫米汞柱,0.42千克力/厘米)\]的设计高度;根据保证地面高度呼吸条件P2=14.6千帕(110毫米汞柱)的要求,选择不大于10千米O2\[226千帕(197毫米汞柱,0.27千克力/厘米)\]的工作高度;从保证P2=10.9千帕(82毫米汞柱)出发,短时间飞行(2小时以下)的O工作高度限于11千米\[22.4千帕(169毫米汞柱,0.22千克力/厘米2)\];飞行时间在15分钟以下时,最大高度为12千米\[19.5千帕(1472毫米汞柱,0.19千克力/厘米)\],以保证P2=8千帕(60毫米汞O柱)。(13)全压服头盔内的二氧化碳分压不得超过2~2.8千帕(15~21毫米汞柱)。盔内空气湿度宜维持在40%~70%范围内。全压服的设计要求

根据航天飞行器的不同用途和飞行条件,有可能对全压服提出下述特殊要求:(1)应急(弹射)时全压服结构应允许采取必需的体姿;迎面强气流防护(表速400~600千米/时)。(2)冬日防寒的能力;意识丧失情况下自动转入呼吸大气空气的能力;在衣内存放各种个人随身用品(武器、信号器等等)的能力。(3)水上生存过程中的漂浮和保温能力;使用救生船及生存口粮和用品的能力。应急全压服的结构

成套全压服的主要组成部分有受力层、头盔、罩衣、通风系统、贴身内衣、保温服、手套、鞋袜、仪表、通讯手段、救生手段。

全压服质量的比较评价宜分2部分进行:全压服本身(受力层、通风系统、头盔、手套)和成套全压服(全压服本身、罩衣、贴身内衣、保温服、鞋袜、救生及通讯手段)。应急全压服的受力层

对受力层的基本要求有强度、气密性和活动性。全压服受力层一般包括受力层本身(多层或单层)、受力系统、接插件和仪表。多层结构受力层:由作用不同的数层结构组成(受力层、气密层、衬里)。为便于穿脱,受力层上做有开襟,其气密性由掩襟实现,后者于穿上全压服后系起来。掩襟以气密织物制造。有些全压服,衣襟上装有气密拉链,这时就没有采用掩襟的必要了。受力层承受衣内余压产生的拉伸应力。制造受力层的织物必须具有规定的强度且耐撕性能良好(撕裂阻力应不小于100牛顿)。

有些全压服采取坚固的合成纤维(如达可纶,即涤纶)线做的网状材料制造受力层。网状材料应用简单。纵向应力由沿躯干和四肢分布的带子承受。具有网状受力层的全压服对身体活动的限制较小。气密层用不透气材料制造。对这种材料的基本要求为不透气、抗撕裂、高弹性伸长率及抗刺。橡胶具有良好的气密性及塑性,伸长率大,但撕裂性能较差。涂胶针织品大体上可满足上述要求。

单层受力层:系既起受力作用又起气密作用的受力层,用具有所需强度的气密织物制造。先将布料裁成衣片,再将之粘接妥贴,最后缝好。为保证缝合部气密性,其上粘以涂胶织物。缝合部的强度一般不超过基础织物强度的80%~90%,最低强度(工艺疵病所致)约为其60%~70%。

受力系统:全压服内的余压会牵拉受力层织物。为限制这种拉伸力的作用,采用受力系统。受力系统也用来按身高调节衣长。用于制造受力系统的材料有钢索、带子和绳子。

全压服尺码:全压服分几个典型尺码制造,借受力系统改变全压服某些部分的长度即可调节衣长,以适应不同的身高。通常要调节的有躯干部、腿部和袖子的长度以及头盔的位置。根据身高适当地调节全压服的衣长有很大意义。减少尺码导致调节后皱褶增加,结果使活动性能恶化。故航天全压服受力层常常根据具体宇航员的人体测量尺寸制造。

全压服的关节:活动性乃判断全压服质量好坏的基本依据之一。必须保证人体及四肢的各种活动。而且,实现运动时用的力不能大,以防疲劳(依照生理学家的建议,弯曲关节的力一般不超过人能使出之力气的20%)。

穿全压服者的活动性借各种关节保证。关节的结构取决于所作运动的性质。关节设计的主要课题是减少限制活动。关节还应结构简单,可依身高调节好衣长,而且能重复人体的运动。时下采用的各种关节可保证单一平面上弯曲、转弯(旋转)或旋转在一两个平面上弯曲(复合关节)。

允许在单一平面上弯曲的关节在全压服上得到了广泛采用,这种关节容易制造又能满足要求。“手风琴”式关节做成由紧固件承受纵向应力的形式。其活动性取决于“风箱”褶子的几何形状、关节直径及材料的弹性。“橘瓣”式关节单平面弯曲性能良好,用于保证肘部的活动性。

转动关节:可作旋转运动,用于颈、肩、腕部位。旋转借助轴承实现。

复合关节:系由2个关节组成,一个管旋转,另一个司弯曲。全压服的头盔

用途及要求:全压服头盔必须保证气密、防碰撞、防噪声以及必要的视野。依据头部人体测量尺寸制造的全压服头盔,重量应尽量压低。宇航员应能自行摘戴头盔而无需他人帮助。

头盔的重量乃是描述其应用特点之最重要的因素。全压服内没有压力时,头盔的重量全落在宇航员的肩上,使之不适。重量在2500克以上的头盔即认为是过重了。

防噪声问题也很现实。在动力上升阶段,航天飞行器舱内噪声水平可达100分贝。对于每天8小时的宇航员工作条件来说,允许噪声水平不大于70分贝,1000赫。噪声防护借头盔结构实现。

头盔面板玻璃与潮湿空气接触时可能结雾,可采用双层玻璃及电加温,即两层玻璃间夹有金属丝网或导电膜。

头盔结构形式:现有头盔可分为固定式(钟罩状)和活动式(转动式),后者可架在气密轴承(颈圈座)上,作旋转运动。钟罩形头盔又有可摘下和不能摘下的区别。这种头盔体积较大(直径300~320毫米),以便头部能在盔内转动。头盔因所用材料不同,又有软式和硬式之别。全压服的罩衣

穿在应急全压服外面的罩衣用来防止全压服防护层受到机械损伤和固定及存放必要的应急手段和宇航员随身物品。

对罩衣纺织材料有如下要求:

抗撕阻力不少于100牛顿;断裂应力1.5~2千牛顿(试样布条宽度为5厘米);织物质量不大于120~150克/米;在座舱环境内能自熄。此外,织物应具有整洁的外观并能清洗。罩衣取宽松连身工作服形式,应便于脱下,同时保证能利用衣上附带的物品及装具。衣服的颜色据全压服的用途选用。例如,预计可能遇到水上漂浮情况的全压服染成鲜艳的橘红色,以求在海水背景上容易看到。全压服的通风服

包括在成套全压服之内的通风服保证全压服内部通风和人体排出水分及代谢产物的清除。进入通风服的空气可以维持人体体温。通风服应满足下列基本要求:保证将人体排出的水分蒸发掉;防止人体过冷及过热;流体阻力小;与其他装备协调且不限制身体运动。

通风服气源应允许依据个人温热感自行在10~30℃范围内调节供气温度。供气温度低于10℃时可能着凉、感冒。供气量大小取决于环境温度高低,在25~39℃条件下,供气量不超过100~150升/分。温度更高或更低时,供气量可增加至250~300升/分。通风服入口空气压力应与通风系统流体阻力相等。对当前的通风服来说,这个参量的值在供气量为200升/分时为0.9~2千帕(7~15毫米汞柱),且于供气量变化时按平方律变化。

通风服的结构:通风空气通过入口歧管进入服装,再借助气体分布管路输送至周身各处。通风空气流动的空间(通风间隙)之一侧受全压服的约束,另侧为身体所局限。

全压服内可采用分别通风系统或共同通风系统。采用分别通风系统时,送入头盔的一般是呼吸用的氧气,而身躯则用空气通风。全压服内的各种气体通过活门排出。在共同通风系统内,气体系通过一个入口孔进入全压服内的通风间隙。

按全压服内空气分布方法,可将通风服分为软管式、贴身式和混合式3种。在软管式通风系统中,空气系沿内径不变的细管分布到身体各处。

具有贴身式通风系统的通风服做成连身工作服式,可覆盖全身。这种通风服由2层不透气的衣体构成,空气在其间循环流动。空气通过内层上的小孔流向身体各处。

具有混合通风系统的通风服由连身式衣体、汇流管、软管和布气衣片组成。连身式衣体由既轻薄又牢固的织物制成,全部通风系统都固定在它上面。汇流管用以储存送入的通风空气,再将之分布到周身各部位。

通风服的效率在很大程度上取决于通风空气的合理分配。通常的比例是:臂部——20%、胸部——5%、腹部——5%、背部——5%、腰部——5%、大腿——10%、小腿——5%、脚掌——35%。

通风服的最大缺点是大部热量系借蒸发方式排出。长时间穿用通风服可因水分丧失过多而导致机体脱水。全压服的手套

手套用以保护手、腕部分,使之不受低压、低温和过热的有害作用。座舱失去气密性而内部变冷时,手、腕部的保温问题显得非常重要。

对手套的要求如下:(1)对手指及腕部活动的限制应尽量小;(2)有保证手部通风的装置;(3)可自行脱戴;(4)破损时,全压服内余压不得因之降低。

对于设计师来说,制造允许手、腕部作必要动作的手套乃是一项必须严肃认真对待的任务。全压服手套系由橡胶气密手套、受力手套、折叠式关节、滑动钢索系统、紧固横带、断接环及外套组成。橡胶气密手套系用具体穿用者的手部模型成形,关节部立有隆起,腕部不同程度的运动由带有滑动钢索系统的折叠式关节保证,钢索则与断接环相连。手套本身上装有断接环及气密轴承,后者可保证360°旋转。无指受力手套系限制性部件,装于腕部近旁,遮住掌部,用特制的外套保护折叠式关节的气囊。全压服的鞋袜

鞋袜用来保护双脚,使之免于过冷、过热或遭受机械损伤。全压服系统可采用皮鞋(或皮靴),穿在全压服衣体外;也可采用连在衣体上的皮靴(与之形成整体的结构)形式或发射场用鞋。在前苏联,加加林的全压服采用了可以脱下的皮鞋。皮鞋用铬鞣革制造,鞋底采用减重泡沫橡胶。鞋重0.8千克。

不可脱式靴子及受力层以相同的织物制造,在踝关节处用绳带系在一起。不可脱式靴子穿在气密层外,气密层的脚掌部粘有一层织物。发射场用鞋于飞行准备及训练过程中使用,进入飞船时脱掉。发射场用鞋用皮革制造,取暖靴形式。全压服的仪表附件

全压服上装有一系列调节器,用以维持衣内余压及保证其正常工作。其中首要的是压力调节器、安全活门、监控仪表(气压表及空气消耗量指示器等)。

压力调节器——压力调节器有下述功能:在一切高度上维持给定的全压服内余压,压力过大时从全压服内排出多余的空气。

根据对全压服提出的要求,全压服的工作高度不得超过10千米,与之相应的余压为26.2千帕(198毫米汞柱)。在空气消耗量最大时,安全活门保证衣内压力不超过31.2千帕(235毫米汞柱)。

压力调节器可按结构分为:

绝对压力调节器;

余压调节器;

复合压力调节器。

绝对压力调节器用以维持给定的衣内绝对压力。全压服上的通讯设备

全压服上的通讯及信息设备与航天飞行器上的无线电通讯设备配套使用,也可以在遥测系统的帮助下将有关机组人员的生理状况及全压服各组成部分工作情况的信息送到地面。

全压服通讯设备包括飞行帽、通讯引线气密入口和遥测传感器。

飞行帽:飞行帽的主要组成部分有帽体、小型受话器、转臂式送话器或喉头送话器以及接插件。

帽体系用皮革或坚固的纺织品制造。其衬里采用哔叽之类斜纹布,有良好的吸湿性。除了完全包盖住头部的帽体之外,也采用减重飞行帽,其上部系用卡普纶网料制作。受话器安在隔噪耳套内。橡胶耳套可使噪声衰减10~12分贝。耳套尚可防止长期戴飞行帽过程中耳部被受话器压痛。送话器必须放在嘴边,二者的距离不大于10毫米。为提高可靠性,采用两只送话器。通讯引线气密入口固定在全压服衣体上,露在外面的一端装有多脚插头。引线入口的气密性由弹簧垫圈及橡胶填密片保证。引线在全压服内的一端装有小型插头。全压服内的遥测设备用于对人体状况进行功能性医学监测及获取有关全压服各个组成部分工作情况的信息。

宇航员的“极品”内衣

我们知道,内衣对皮肤的温度及活动有直接影响。因此,内衣材料的卫生要求特别高。寒冷条件下使用的内衣材料应具有低导热率,而在干、湿状况下的透气性又要很高。

为了使宇航员的身体不致急骤地冷下来,内衣材料在吸收水蒸气及滴状水分的同时,应于干燥的过程中缓慢地将其发散到环境中去。材料表面上不应有游离水分。吸水且水容量大的衣料符合上述要求,资料表明,亚麻织物最佳。

为了不妨碍皮肤发挥正常功能,不影响汗液分泌和蒸发,内衣材料在潮湿状态下不应贴在皮肤上。最符合这种要求的是那些表面膨胀的材料,例如绉纱织物。这种织物因膨松度提高而致导热性降低,弄湿之后能保持原有的性能。

为了避免刺激皮肤,内衣织物表面应柔软、滑爽而富有弹性。适于做宇航员内衣的是针织布——亚麻、棉、毛、丝、人造纤维(黏胶)。

保暖用的贴身内衣应密实、贴身,能顺利地从体表吸收蒸发的汗液并将其发散到环境中去,尽量保持身体干燥。衣服应轻软膨松。事实证明,丝织品最能满足这些要求。但丝织品做的内衣有可能刺激皮肤,这个缺点会因穿着时间的增长而愈加显著,特别是在衣服弄湿了的时候。

为了改善保暖性可采用比较贵重的羊毛制造内衣。

前苏联宇航员的内衣系用棉—亚麻织物制作,由衬衫和衬裤组成。其重量取决于宇航员身高和胖瘦(平均500克)。

与应急全压服配套时,内衣还必须备有收集生命活动产物的装置。

宇航员御寒的“屏障”——保温服

当飞船座舱温度下降到15℃以下时,宇航员为了防寒必须使用保温服。保温服穿在飞行服或内衣外边。

保温服装由夹克、裤子、护帽和软帽组成,用拉绒纯丝织物制作,以提高保温性能。而不起球(穿用过程中不从材料表面掉下纤维)是对一切衣料的基本要求。

研究表明,当材料厚度为5毫米时,服装热阻为0.11平方米·开/瓦。对于由内衣、飞行服及保温服组成的全套服装来说,厚度为13毫米时(考虑到可能存在的空气夹层),其热阻约为0.29平方米·开/瓦。服装质量约1500克。软帽质量150克,护帽200克。

非同一般的宇航员鞋袜

鞋袜的使用性能应保证方便、可靠,且能预防环境因素的不利影响。而该鞋袜使用是否方便的标志是其膨松程度,以及机械和卫生性能。

鞋袜要合适,防止足部变形,不压脚,也不破坏血液循环,不会磨破脚,不致产生静电。

鞋袜应具有与预定用途适应的特定防护性能。例如,全压服鞋袜应经受得住其衣体造成的余压。

研究表明,成人的双脚每小时可分泌约1~1.5克汗液,中等强度劳动汗量为2~2.4克,而重劳动则可达8~10克。其中的50%来自脚掌。

对于足部是否能发挥正常功能来说,卫生要求具有很大的意义。所以,鞋袜必须在其内部维持一微气候:温度、湿度和通风。

鞋袜的可靠性要求包括:耐久、结实、形状稳定、耐磨。鞋袜结构以等强度设计者为佳。其可靠性应保证它能执行所担负的职能,同时在整个保证寿命期中维持其使用性能。

乘航天飞行器飞行过程中穿轻便皮鞋。也采用连裤鞋,它是全压服的组成部分。

飞行皮鞋于1964年首次在“上升”号上试用。这种鞋系用带铬素涂层的铬鞣革制造,皮底取黏接工艺连接。一双42码的皮鞋,质量约400克。

1975年,经改进制成了供“礼炮4”号轨道站乘员用的皮鞋。鞋面仍用铬鞣革,鞋底先粘好,再以针线缝牢,包头及后跟是刚硬的。为了更加跟脚,鞋内加了橡胶套。鞋带由“闪电”拉链取代。

为了在失重状态下能把宇航员固定在某一地点,鞋底上粘有搭扣带的环套部分,而飞船上固定宇航员的部位则粘有搭扣的带钩部分。一双鞋质量约500克。

袜子对于在足部周围建立一定的小气候有很大意义。选择适当的袜子可以弥补鞋子的缺点,也可减小鞋子选用不当的有害影响。

而相比之下,袜子应具有低导热率、高透汽量、高透气量以及良好的吸湿性。毛料能满足上述要求,因而常被推荐为制袜材料,它甚至在潮湿状态下仍有隔热的作用。

事实上,鞋垫对鞋子的保湿性能有很大的影响。毛毡鞋垫吸汗性能很好。鞋垫的特点是结构上与鞋子分开,故便于晾干及更换。

预防失重的“护甲”——防护服

在航天活动中,预防宇航员失重的服装防护服大致有2种,即加载式防护服、负压式防护服。加载式防护服

加载式防护服的功用在于给人体支撑组织及骨骼肌肉施加载荷。

在大、小腿处于平均生理夹角的状态下,加载服可给人体支撑—行走组织施加达体重50%的载荷。据资料表明,“企鹅”型加载式防护服是由带有拉紧机构的连身衣和皮鞋组成。弹性元件选用橡皮绳(阻尼)。而橡皮绳的松紧借助带子调整。

为了给小腿肚及足部肌肉加载,“企鹅”服配套皮鞋的头部套有马蹬。服装质量约2.5千克。

预先调整好的“企鹅”型加载服可自行穿脱。这种服装有良好的卫生性能,可作为日常服装穿用。向肩部及腰部传输载荷的部位衬有垫子,这便有利于应力的均匀分布。擦伤和红肿的可能已压缩至最低。

对这类服装的基本要求之一就是弹性件的张紧程度要便于调节,也就是说机体支撑和肌肉组织的张紧度可依照宇航员的愿望以绝对值调节,也可按身体部位或肌肉群随意调节。

由于身体的上、下两部习惯的静载荷有着很大的不同,这种服装的腰部起着重要的作用。其上缘与躯干阻尼器相连,而下缘与腿阻尼器接在一起。在腰部收紧的情况下,可分别调节上、下两部的张紧度,甚至使躯干载荷为零而把下肢载荷调至最大。屈肢和伸肢的载荷也可在宽广的范围内调节。调节带部位要容易够着。

既然主阻尼器全是成双配对的,那么不管下肢的各个部分处于哪一种状态,也就是说不管膝部关节处于什么角度下,都可以达到力的平衡状态,而加于骨骼的载荷都是恒定的,与这些角度无关。

试验结果表明,“企鹅”型加载式防护服可使运动动能增长1~2倍。负压式防护服

负压式防护服的用途是在人体下半部四周建立负压,并对其支撑—肌肉组织以纵向载荷,以防其在长时间失重作用下发生障碍。“联盟”号上用的负压式防护服为“凤头麦鸡”型,做成气密裤的形式,裤腰部分具有刚性。

裤腿的波纹管式外壳系用不透气织物制作。外壳内的若干金属环用以防止裤腿在建立起负压时收缩。波纹管式的皱褶有助于外壳沿轴向收缩,同时给人体支撑—肌肉组织施加载荷。裤腿与铝合金制的鞋子相连。

而腰部装有气密“围腰”、编织带和仪表。围腰系用涂胶布制作,用腰带贴身地系在宇航员身上。仪表有真空度调节器(节流机构)、真空(安全)活门和真空度指示器。

衣内真空度(负压)由装有真空泵的便携式装置提供。真空泵由电机驱动。舱空气通过真空度调节器进入服装,再由衣内流入泵体,而后排入环境,从而在衣内建立真空度,同时实现通风换气。

旋紧节流机构的帽盖可使服装耗气量减少,而衣内真空度增加。

给下身建立负压的服装在结构上有许多长处,比作用相同的固定(容积)囊要好。这种别具一格的服装可按预防心血管变化的要求延长减压时间。宇航员穿上这种服装,再以电缆与飞船的机载系统连接,而缆长随意。所以,宇航员几乎保有在轨道站内到处移动的自由,可以采取各种不同的体位来行使自己的专业职责。而该服装的结构足可保证它能长期使用。

在衣内建立负压之后,只要波纹部分折紧或橡皮绳拉紧即可产生出力量,作用在身上。

在衣内建立负压可产生一种头向上转身的感觉。促成这种感觉的不仅是压力的重新分布,而且还有在脚掌上出现的压力。在用飞机模拟的重力状态下,重力防护服工作后,总是觉得足部所在之处为下方。

作用在身上的压力与衣内真空度成正比。真空度约6.6千帕(50毫米汞柱)时,作用在身上的压力等于450~550牛顿。此时,腿部移动困难,其动能显著增长。然而静息状态下,当真空度在40千帕以下时,动能的消耗并不发生变化。

穿戴宇航服的步骤

在通常情况下,宇航员穿戴舱外宇航服有一套严格的步骤和顺序,而且不同型号的宇航服穿脱的顺序也不一样。这里以美国航天飞机舱外宇航服为例进行介绍。整个穿衣过程共分10个步骤完成:(1)穿强力吸尿裤。(2)穿液冷通风服。(3)带上生物电子联结装置。在这种装置上有测量宇航员心率的传感器和与外界进行通话联络的电子设备。(4)一些小的操作程序,包括在头盔面窗里面涂上防雾霜,在服装左侧袖子的手腕处装上一块小的反光镜,在服装上身前胸部位装上一个小食品袋和一个饮水袋,在头盔上装上照明灯和电视摄像头,最后是将通讯帽与生物电子联结装置联结在一起。

上述4步都是穿服装前的准备工作。(5)穿服装的下半身。下半身有不同尺寸,可供不同身材的宇航员选用。下半身服装的腰部有一个大的带轴承的关节,为宇航员弯腰和转身提供方便。(6)穿服装的上半身。在穿上半身之前,应先将气闸舱的冷却脐带管插入服装胸前的显示控制盒的接口上,以便向服装内提供冷却水、氧气和电力。因为航天飞机气闸舱内仅有2.0米高,直径为1.6米。事实上,两名宇航员在里面穿宇航服显得非常拥挤,因此宇航服的上半身是挂在气闸舱壁的支架上。这样一来当宇航员要穿服装上半身时,必须蹲下身体,手臂向上伸,采取一种跳水运动员跳水的姿势钻进服装内。服装上下身穿好以后,将密封环连接在一起,然后将各种供应管线与服装相接。(7)戴上通讯帽、头盔和手套。戴上头盔和手套以后,宇航员就不能呼吸气闸舱内的空气,而是通过脐带呼吸航天飞机轨道器提供的氧气。(8)向服装加压,并由宇航员对服装进行测试,目的是保证服装不漏气,而且内部压力稳定。测试的重点是气体流量、冷却水和电池的功率。(9)开始呼吸纯氧,进行吸氧排氮。即将体内的氮气排除,目的是预防减压病。(10)关闭气闸舱的内舱门,气闸舱进行减压。当气闸舱内的压力降低到零时,打开气闸舱的外舱门,同时宇航员应将服装与气闸舱的所有联结断开,将安全带的挂钩勾在舱外的固定杆上,这时宇航员即可出舱进行太空行走。

酷似“超人”紧身衣的未来太空服

我们每当提到宇航员,脑海中的形象便会是一个身穿臃肿宇航服的人。而现在科学家正在试图通过试验改变这样的形象。或许在不久的将来,我们在电视上看到的宇航员将身穿一种类似紧身衣的轻薄高科技防护服,而且这种太空服还能根据周围环境的不同改变颜色。

美国麻省理工学院的研究人员正在研发一套“生物服装系统”。这种类似“第二层皮肤”的衣服表面,将喷有一层可被有机生物分解的涂层。该涂层能够在布满灰尘的行星环境中保护宇航员。而且,在这种所谓的“第二层皮肤”中,还能嵌入由电力驱动的人工肌肉纤维,以此增强人的力量和耐力。

此外,“生物服装系统”中还能内置通信设备、生物传感器、电脑甚至用于太空行走等舱外活动的攀登工具等。

该项目研究员分析指出,我们去月球和火星,并不是为了待在栖息地里,进行舱外活动才是我们的主要目的。我们需要给宇航服瘦身,让它变得就像是人身上的第二层皮肤一样,从而让宇航员行动自如。

这项研究涉及多个领域,旨在校准宇航员的表现、寻找现阶段宇航服设计的改进办法以及为新一代的宇航服寻求新奇的想法。而该项目的资金则来源于美国宇航局的先进理念研究所。“生物服装系统”将由一套紧身服和一个增压头盔组成。而正在进行的研究旨在理解、模拟和预测身穿这种宇航服的宇航员在从事所有简单和复杂运动时的各种可能状况。

宇航员穿上根据他的体形定制的、具有弹性的“生物服装”后,再套上一层“硬壳”背心。而背心上装有一个便携式生命支持系统,给身体提供气体反压力。而后,气压便能够自由流入头盔以及通过置于“生物服装”的气管进入手套和靴子内部。

研究者认为,今天臃肿的宇航服对宇航员的活动限制很大,此外,重量和质量也是限制因素。虽然在重力较小的环境中,那些限制不是大的障碍。但是对于一个先进的、用于月球和火星的探索宇航服来说,灵活性和质量小是极为重要的。把研究成果转化成能够实际运用的宇航服,关键在于一些技术进展。而制作“生物服装系统”所需的开放式泡沫材料、记忆合金等智能材料以及电子编织技术等在过去几年里都发展迅速。

科学家已开始研究一项独特的建模技术,例如采用3D激光扫描人体,然后运用数学建模和结构技巧,计算出人体各部位所受的压力。“生物服装系统”重量小而且容易穿脱。它还能根据宇航员的体形进行定制。激光扫描和电子编织技术让这一点成为可能。

另外,先进理念研究所还资助了正在运行的一项叫做“变色龙服”的项目,正如项目名称所体现的那样,旨在开发出能够根据环境以及宇航员对温度的要求来改变颜色的宇航服。

而“生物服装系统”科学家希望实现的最终目标则是,让宇航员与宇航服之间能够实现像人与地球植物那样的共生交互作用:宇航员呼出的二氧化碳和水蒸气,在宇航服内就能被重新转化成为可呼吸的氧气。相信不久的将来,宇航员留给人们的印象是身穿紧身衣、精明而干练的。

形形色色的太空饮食

太空美食一览

在早期的太空生活中,宇航员的食物选择只能限定于用牙膏管装载的食物。近年来,宇航员的太空食物得到了改善,以下是宇航员在太空环境中的十大美食:巧克力豆

我们都知道,作为母亲一定会告诉孩子们不要拿手中的食物玩耍,但是在太空零重力下,宇航员却可以上演真人版“吃豆游戏”。一种坚硬外壳的巧克力豆在广告词中称:“融在口中,却不融在手中”,研究发现,它们非常适合于太空飞行。为了不对任何特定品牌做广告,美国宇航局将之称为“糖衣巧克力”。冻干冰激凌

该干冰激凌进入口中并不像传统冰激凌有冰爽的感觉,它干得像一支粉笔,放在口中融化后会有冰激凌精华的奇特味道。事实上,航天飞机和国际空间站并不配备冷藏空间存放这种冻干冰激凌,几乎所有的冻干冰激凌都销售给了地面上期望体验太空生活的太空爱好者们。据美国宇航局声称,航天飞机仅有一次向太空运送过冻干冰激凌,这是满足一位宇航员的特殊需要。橙汁

20世纪60年代“双子星座”计划中橙汁饮料非常有名,目前在航天飞机和国际空间站仍可看到这种饮料。这种太空橙汁是由卡夫公司制造的,该公司还向美国宇航局提供多种口味的果珍饮料,有葡萄汁、橙子芒果汁和柚子橙汁。可口可乐和百事可乐

1985年,这两个可乐品牌之间的大战上升到了一个高度,美国宇航局邀请宇航员对送到太空的这两种饮料进行测试。然而由于零重力和缺少冷藏条件,此次可乐品尝测试最终失败。但是漂浮着的“百事可乐球”带给宇航员们很多欢乐。之后可口可乐又再次向太空发送饮料,但是饮料被装入一个压力杯中,需要特殊的装置才能饮用。鸡尾虾

鸡尾虾是一道开胃菜,但对于许多宇航员来说,冻干的鸡尾虾是必不可少的太空食物之一。其主要原因是太空鸡尾虾的重力作用很低。该食物不会流出液体到宇航员的脚上,宇航员吃后不会头部充血,也不会降低品尝其他食物的口感。资料显示,鸡尾虾和其他辛辣食物是宇航员们较满意的食物。豉椒青豆

像鸡尾虾一样,宇航员也非常爱吃豉椒青豆。主要因为这种青豆的口味是辣香。这种豆类并不是每个人都喜欢吃的素食,但经过擅长太空厨艺的大厨的烹饪,这种青豆的口味立即与众不同。目前,该种食物已在宇航员菜单中占有一席之地了。太空“三明治”

这种一口就能吃下去的“三明治”是由槭糖浆、酸果蔓和蓝莓乳酪作为夹心的食物,吃起来口感有点儿像奥利奥夹心饼干。据称,加拿大宇航员大卫·威廉斯在执行STS-118任务时非常喜欢吃这种“三明治”。但真正的需求还是来自社会大众,该手工“三明治”的定单达到1万多份。目前,这种食物配方正在申请专利。因此,不久之后人们便能够买到这种食物。太空拉面

速食方便面经过再加工和重新包装,已成为宇航员太空指定食物。2005年,日本某宇航员在执行STS-114任务时,第一次吃上了太空方便面。这是由日本某公司制造的,它们将传统的拉面再加工成意大利通心粉的形态,由于航天飞机上没有沸腾的水,这种汤只需要70℃便可以煮开。据资料分析,这种太空拉面汤里有4种调料:大豆、日本豆面酱、咖喱粉和猪肉汤料。反物质能量饮料

反物质饮料不仅是一种能量饮料,而且其成分是第一种进入太空的饮料。该饮料是由微重力企业公司制造,它混合了多种维生素和矿物质,在2006~2007年由SpaceLoft XL轨道火箭携带进入太空。如果这种能量饮料不适合你的口味,该公司还提供了彗星尾琥珀淡啤酒和太空20饮料,这是两种在太空中遨游过的物质制成的饮料。

航天饮食的基本要求

太空饮食和地面上的饮食有着很大的不同,但除却包装等不同外,还有其他鲜为人知的要求吗?下面就简单介绍一下,宇航员的太空饮食还有哪些“潜规则”:(1)航天饮食必须保证宇航员的营养要求。

宇航员的工作十分繁重、紧张,体力和脑力消耗都很大。每个宇航员每日的饮食,热值要在2800千卡(11723千焦)以上,蛋白质在130克以上,而脂肪则要在100克以上,碳水化合物在350克以上。为了保证宇航员在噪声、振动等影响下能集中注意力工作,在长期远离人群时能情绪稳定,在失重脱钙情况下能维持正常的新陈代谢活动,航天饮食中还必须含有足够的氮、钾、钙等元素。(2)航天饮食必须要体积小、重量轻,以便于运输和贮藏。因为火箭的发射费用是昂贵的,并且飞船的体积是有限的。(3)航天饮食应易于消化和吸收,并且残渣少,以保证宇航员的营养吸收和减少排泄物。因为在太空中垃圾处理也是一件很不容易的事。(4)航天饮食必须保证在37℃下存放6个月不腐烂变质。(5)航天饮食的形状和包装应便于宇航员在失重环境中食用。(6)航天饮食还必须适合宇航员的胃口,能引起他们的食欲。

为了使航天饮食适合航天飞行的要求,美、俄苏科学家进行了大量的研究。现在,都能提供几十种航天食品。这些食品,在体积、重量、营养成分、存放和食用等方面都能满足要求,但在如何引起宇航员的食欲方面,仍然没有多少办法,不少宇航员常常埋怨食品味道不佳。1982年,美国宇航员戈登·富赖顿乘航天飞机返回后说:“我在太空吃了不少东西,可无论如何也品不出这些食物的滋味有何差别。”这其中的原因可能不在食品本身,而是航天环境引起宇航员的味觉失调,如失重使体液上流,鼻腔充血,导致味觉神经钝化,唾液分泌发生变化影响味觉,或者是因看不到食物的颜色、闻不到食物的气味而影响味觉。美籍华人王赣俊上天飞行时,为了使他能有好胃口,他的太太特意做了他平时爱吃的炒羊肉。这道菜被命名为“王太太炒羊肉”。

由于航天饮食如此重要,又还未尽人意,目前除美、俄外,日本、法国都有人在研究航天饮食。1985年,一名法国宇航员乘美国航天飞机时,很快就吃腻了美国的航天食品,返回后与一名航天生理学研究者合作,创办了一家法国风味的航天饮食品开发公司,参与美、俄航天食品竞争。

宇航员饮食常规初探

航天飞行时采用每日4餐、份饭制,并且1周内的食谱不重复,以保持宇航员的营养和食欲。

在美国航天飞机上,7名乘员分2批用餐,轮流到厨房准备饮食。备餐者先把标好日期和餐次的大型塑料食品袋从贮存柜中取出,里面装有每个人的份饭。厨房备有冷热水管道、烤箱、各种餐具、干湿抹布等。对脱水食品,需用空心针注入凉水,再揉搓,使水和食品混合均匀,然后放入烤箱中用82℃的温度烘烤。而对汤料和饮料,则需用空心针注入热水。压缩式食品不需任何加工处理,软包装食品放在盘子中即可食用。一顿饭不到半小时就可准备完毕。厨房还备有胡椒面、酱油、辣油、盐等调味品,进餐时可以选用。

餐桌是特制的,具有磁性,能吸住食品容器、刀、叉、匙等餐具,装有水冷却器和水加热器。用餐时,先将身体固定好,以免飘浮。动作要轻柔,调节好呼吸节奏,不把食物弄碎弄飞。不张嘴嚼食物,最好用鼻呼吸,以免食物从嘴里飞出。总之,用餐时,必须集中精力,不能漫不经心。

宇航员的饮食供应是长期航天中的大问题,以每人每天1千克食品计算,5名乘员1年需要食品近2000千克。这需要占据航天飞行器很大的空间,也需要花费很大的火箭发射费用。所以,对于长期载人航天来说,最好的食品供应办法是宇航员自己生产。生长的植物可以净化空气,植物的果实供人食用,茎叶喂养动物,人和动物的排泄物作植物的肥料,形成一个密闭的生态循环系统,改善生活环境,提供劳动消遣的场所,可源源不断地获得新鲜食品。目前,科学家们正在寻找和培养适合太空养植的动植物。在众多的粮食作物中,日美科学家看中了最普通的红薯。红薯是一种含糖、含热量很高的食品,营养价值很高,除含丰富的淀粉外,烘烤的红薯还含有人体必需的铁、钙等微量元素。它含的维生素和氨基酸的种类都高于大米和白面,特别是它含有的维生素A、维生素B、维生素C和纤维素是米面中所缺少的。红薯既可生食,也可熟食,还可加工成多种香甜的低水食品。红薯的块根耐旱、耐碱、耐寒,适应多种气候。茎蔓贴地生长,占空间很小。红薯易于栽培,一小块切片、一小段茎蔓都可培植成株,收获几千克红薯。

红薯自然不是唯一适宜太空种植的粮食作物,但不过可喜的是俄罗斯已在太空成功地种植了小麦。相信在不远的将来,太空种植能给宇航员带来更多的新鲜“农产品”。

航天食品分类

据资料显示,航天食品大致有如下2种类型:①在太空正常飞行时宇航员所要吃的食品;②在特殊情况下所要用的食品。

在正常飞行情况下吃的航天食品有:(1)即食食品。

它是拿过来就吃的东西,不需要进行再加工,如含中等水分、一口大小的压缩成型的或用涂膜处理的干燥食品等。(2)复水食品。

这种食品是冷冻干燥食品,因为它在被送上太空时轻而小,在航天食品中占有较大比重,但在食用前必须复水,在它的包装袋上都有一个单向入水阀门,以便复水用,复水后即可食用。(3)热稳定食品。

这类食品是经过加热灭菌处理的软包装和硬包装罐头类食品,太空飞行证明,在失重条件下用普通餐具由开口容器中取食完全可行。(4)冷冻冷藏食品。

这类食品是在地面上冻好带进太空的,溶化后可食用。(5)辐射食品。

这是经过放射线杀菌后的食品,它曾在美航天飞机飞行中少量使用过。(6)自然型食品。

地面上没经处理的食品,如新鲜水果、蔬菜、果酱和调料等。(7)复水饮料(冲剂或软固体饮料)。

它是在太空加水溶解后制成的冷饮或热饮。在包装上美国早期用复水饮料袋,后改用折叠塑料瓶和方形复水包,以便用吸管吮吸。

而特殊的航天食品则有如下几种:(1)备用食品。

它是指在发生特殊情况必须延长飞行时所用的食品,类型同前。(2)应急食品。

这种食品是指在飞行器发生故障时,宇航员必须穿着宇航服时所用的食品,如铝管包装的半固体果酱、菜泥、肉羹等。应急食品也包括当宇航员着陆后,降到远离人烟的地方,等待救援期间所用的食品。(3)舱外活动中需要吃的食品。

这是指存于头盔内颈圈部分的固体或半固体、流质供食器中的食品,供长时间舱外活动中临时给宇航员食用的食品。

太空食品在完善

在历史上,美国人曾经想请俄罗斯帮助组织国际空间站的饮食供应,理由是俄罗斯已经有了宇航员在空间站停留1年甚至1年以上的经验,而美国的宇航员在太空连续生活的时间却没有这么长。

1994年,俄美联合研究过太空食品。而俄罗斯早在20世纪60年代初就开始了太空食品研发工作。

现在,第一批太空食品陈列在加加林市的宇航博物馆内,透过玻璃可以见到几十年前生产的装有咖啡、汤和软糖的软管。而现在宇航员食用的东西却已经有了根本的变化。

下面就太空食品所经历的变化简单介绍一下。软管食品:缺少营养,人发昏

最早研制太空食品时人们认为,太空食品应当有更高的生物活性和热量,而且要高度浓缩。这些食品应能吸食,进入肠胃后要很快被吸收,产生的残渣要尽量少,因为空间站盛放废弃物和排泄物的空间十分有限。研究人员曾设想把食品制成片剂,以便宇航员随时取用,又不会影响工作。

然而后来罐头食品厂根据医学家的建议,制出了用软管装的三道菜。1961年8月,苏联第二个太空人季托夫首先食用了这种新食品。他在太空飞行25小时,用餐3次。季托夫回到地面后说飞行时他感到头晕,医学家认为是失重引起的,而营养学家则认为是吃不饱造成的不适。

事实上,后一个说法更有道理。想想看,太空餐的头一道菜只是一杯蔬菜汤,第二道是肝泥,最后一道是一杯黑浆果汁。一个健康的小伙子在太空这样的特定环境中,营养跟不上,自然会头晕。保证营养:严格加工,花样多

为了保障宇航员的正常工作状态,太空食品中加进了牛舌、鲱鱼馅饼、乌克兰红菜汤、煎肉饼和鸡排……负责研制甜食的人员制成了20多种果汁、15种果肉条、水果泥和蔬菜沙司。用葡萄制成的维生素片不仅十分可口,而且不用喝水就能在口内溶化。

后来,由维·波赫廖布金配制的混合茶(印度红茶加上撒马尔罕绿茶)曾使苏联宇航员萨维内赫在太空飞行准备期间精神振奋。

从此之后,苏联对太空食品的研制高度重视。这些食品都不是成批生产的,质量无懈可击,而且绝对无毒,微生物的含量有严格控制。太空食品应当能在常温下长期保存。为了试验食品的保鲜期,研究人员把它们放在特制的密封容器中,然后在模拟的太空环境里保存,定期取出化验。试验很费时间,如果食品上注明保质期为3年,那么它起码经过了3年时间的存放试验。

对太空食品的要求超过了为最高领导人提供的食品的要求。例如,专为苏共中央供应肉食的米高扬肉品厂为宇航员制作的熏肠却硬是没有达到太空食品检验部门的要求。

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