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2008太空漫游

2008-10-15 14:47 作者:曹玲 2008年第36期
预计本周,“神舟七号”飞船就将搭载3名宇航员步入太空,其中一名将成为真正的太空行者,完成漫游的使命。为迎接这次漫游,本刊记者专访了美国航空航天局肯尼迪空间中心的科学家韦恩·哈尔。韦恩·哈尔先生详细介绍了太空行走必备的机动装置,从最初的老式“手枪”到目前使用的轻便型“太空摩托艇”。

预计本周,“神舟七号”飞船就将搭载3名宇航员步入太空,其中一名将成为真正的太空行者,完成漫游的使命。为迎接这次漫游,本刊记者专访了美国航空航天局肯尼迪空间中心的科学家韦恩·哈尔。韦恩·哈尔先生详细介绍了太空行走必备的机动装置,从最初的老式“手枪”到目前使用的轻便型“太空摩托艇”。

“神舟七号”升空后,本刊将对这次太空行走进行全面的深度报道。

初次接触死里逃生

“你被紧紧地包裹在航天服里……只能从耳机里听到收音机噼噼啪啪的响声……从氧气管里深吸空气……你在压力服里漂浮,将要打开航天器舱门进入太空。你因过山车般的发射而兴奋,几分钟之后因经受微重力而微笑,出神地凝视着航天器窗外的景象。但是现在,穿着现代盔甲,你面临着新的挑战:像宇宙中的卫星一样进入太空。舱门打开一道缝隙,令人眼花缭乱的太阳光一涌而入,使你想起电焊机锐利的蓝光。随着舱门摇摆着打开,一片片细小的碎片不可思议地出现在你周围。你必须做的就是从舱门走出去,也可以称你为太空行走者。你向舱门外探出头,盯着几百公里之外的地球。你身上有一条‘脐带’连着航天器,你所能做的一切就是随它而去,你信任航天器的轨道,相信自己不会跌落到地球上去。”

这并不是宇航员的亲身体验,而是20世纪初期,俄罗斯科学家兼文学家的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在科幻小说《太空漫游》中描述的场景。这位“宇航天文学之父”曾说过一句名言——“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。”

他的幻想在40年后变成现实,1965年3月18日苏联宇航员阿里克谢·列昂诺夫身着航天服,通过气闸舱走出“上升2号”宇宙飞船,在茫茫宇宙中围绕航天器漫游了20分钟,从非洲中北部始,以西伯利亚中部终。

当时为了安全起见,他在身上拴了一根5米长的绳子与飞船相连,就像是一根婴儿的“脐带”,与舱内生命保障系统相连,不断地提供氧气,循环调节空气。他的活动全由留守舱内的宇航员帕维尔·别利亚耶夫遥控。之前,别利亚耶夫帮他穿好了特殊的航天服,检查了设备、系统和记录及通信装备的工作情况,调好飞船舱内及闸门舱内的压力,打开从飞船通往闸门舱的舱口盖。在列昂诺夫进入闸门舱后,别利亚耶夫又关闭了飞船舱的舱口盖,然后给闸门舱除压。这时列昂诺夫打开出舱盖,迈入太空。他在太空中漂浮,还完成了空翻等几个体操动作,行走时间为12分9秒。

英国作家彼得·费尔利在1969年出版的《月球上的人》一书中,描述了列昂诺夫对太空第一步的回忆:“无限广阔的太空在我面前展开,美得难以形容。我第一次从太空中遥望地球,它宏伟壮丽,看起来很平坦,只有曲线形的边缘提醒我,那是地球。虽然隔着厚厚的滤光镜,我还是能看到明亮的云、蔚蓝的黑海、绵延的海岸线和高加索山脉。离开飞船进入太空的时刻到来了,我们为这一时刻的到来准备已久,我们对这一时刻有太多想象。我从容地爬出舱门,轻轻将自己推离,越移越远。我看到了宇宙的宏伟壮观。在地球旁边的天空渐渐地从深紫罗兰色变为深不可测的天鹅绒般的黑色,天空中的星星一闪也不闪。我认出了伏尔加河、乌拉尔山脉……然后我看到了鄂毕湾和叶尼塞河,就像是游过辽阔的彩色地图。”

列昂诺夫成了传奇和英雄。当时苏联的研究人员称,列昂诺夫还可以在舱外逗留更长的时间;苏联社会科学院称,这次出舱活动表明今后宇航员会感到在太空工作很容易;塔斯社也报道说,无论是在太空中还是返回飞船后,列昂诺夫都感觉良好。

但是实际上,列昂诺夫的感觉非常糟糕,他还差点因此为国捐躯。不过为了让美国人在“太空竞赛”中感到酸溜溜,事情的真相直到后来才被披露。

当时列昂诺夫身着的“金鹰”舱外航天服有90公斤重,在出舱过程中整个隆起,导致屈腿弯臂这样简单的动作执行起来都非常困难。当他试图回到气闸舱时,也无法屈腿爬回去。列昂诺夫只觉得浑身发冷,头昏眼花。此时,他的脉搏跳动达到了每分钟145次,呼吸的频率增加一倍,体温上升到38℃。他对着话筒向别利亚耶夫失声喊道:“我回不去了!”

后来,他不得不通过降低航天服的压力来解决这个问题,但是仍旧无法进入,随后他又释放了头罩的安全装置。这些都是违规操作,稍有不慎即有生命危险。在经历了极其痛苦的几分钟后,他回到气闸舱,关好外部舱门,然后升压,再打开内部舱门进入“上升2号”主舱。这一次的太空行走,让他一下轻了五六斤,航天服的靴子里灌满了汗水,走动都会发出响声。

这就是人类和太空的第一次亲密接触,人类的心跳稍微有点慌乱,是一场极度刺激的“罗曼蒂克”之旅。

太空摩托艇

广义上的太空行走有3种情况,一是在载人航天器密封舱中的行走,二是在其他天体比如月球、火星上的行走,三是在舱外宇宙空间中的行走。通常所说的太空行走,专指宇航员在浩瀚太空中的行走,专业人士喜欢称作出舱活动。

在太空行走的早期,宇航员要通过“脐带”式的生命保障系统与乘员舱连接,宇航员身穿航天服,所需要的氧气、压力、电源和通讯等都是通过脐带由航天器提供的。脐带不能过长,所以只能在航天器周边活动。

在列昂诺夫实现第一次太空行走之前,人们曾误以为宇航员在太空中行走是件轻而易举的事情。因为没有重力的作用,人们可以随意飘动,毫不费力。事实并非如此,失重使物体间失去了摩擦力,宇航员的行走和工作都特别困难,连把一件小物体放置在固定的位置上都难以做到。为了方便宇航员工作,研究人员又给他们配备了先进的装备。

在列昂诺夫太空漫步后不久,美国宇航员怀特也在同年6月5日出舱行走,太空独舞了23分钟。从当时的照片上可以看出,“他右手拿着美国第一种舱外机动装置——手提式机动装置,有点像一把带气罐的手枪。它有3个喷罐,1个向前,2个向后,靠喷出罐内的压缩空气产生的反作用力调整行动。但是这种喷气式机动枪很不好用,力度和方向都难以控制,完全依靠宇航员的感觉进行判断,发令往往不准”。韦恩·哈尔在接受本刊记者专访时说。他是美国航空航天局肯尼迪空间中心的科学家。

后来的出舱行走就没有了“脐带”,宇航员变成一个“人体卫星”,在太空自由漫步,能够活动到100米处。这时他们需要一个安装在航天服背后的便携式系统和太空机动装置来保障生存并提供动力。

这个装置的正式名称叫做“载人机动飞行装置”(MMU),外形像是一个巨大的旅行包,有两个操纵臂伸到宇航员臂下,上面有操纵板,可以操纵整个装置,从而改变飞行的速度、方向和姿态。载人机动飞行装置于1984年2月6日第一次派上用场,当时美国宇航员布鲁斯·麦坎德利斯首次利用这个装置飞离“挑战者号”航天飞机97米,在太空中毫无束缚地飞行了90分钟,还回收和修理了卫星。因为是第一次使用,所以他异常小心,只以每秒30~40厘米的速度向卫星前进。在太空没有参照物,看不到一颗星星,也分别不清距离,麦坎德利斯的注意力始终集中在航天飞机上,生怕“走”得太远。他慢慢靠近卫星,用胸前挂着的一个“抓钩”抓住了卫星,然后又小心地拖到航天飞机上。他回到舱内,把喷气背包交给了同伴斯图尔特,让他也体验了一把太空行走的乐趣。

“太空摩托和在地球上开摩托车一样,只不过扩大了排气管的作用,用喷气推动前进。它不能骑着行驶,而是背在宇航员背上飞行的,所以也称‘飞行背包’,主要动力是两个高压氮气瓶,充一次气可用7个小时。这种太空摩托操作除了手动操作外,也可以进行语言控制,宇航员可以用前后、左右、快慢、停动来指挥它,这样就可以腾出双手来进行空间作业。”韦恩·哈尔告诉本刊记者。

上世纪80年代末,苏联也仿造美国研制了一种单人喷气推进器,外形和“太空摩托”类似,只是名字略有不同,叫做“太空自行车”。

“实际上载人机动飞行装置只在早年用过几次,此后没有再用。后来开发了舱外活动救援简易辅助装置(SAFER),这是载人机动飞行装置的简化版,将原来大的椅背状支架变成部分可以折叠的小长方体,和上方的便携式生命维持系统结合在一起,比较轻便。”韦恩·哈尔告诉本刊记者,“虽然舱外活动救援简易辅助装置的动力小了一些,但是足以满足目前的活动要求。”

舱外活动救援简易辅助装置第一次露面是在1994年9月16日,宇航员马克·李走出“发现号”航天飞机,试验了舱外救援辅助装置,从此它就成了宇航员的好帮手。

险象环生的外太空

如果我们定义宇航员是能够穿越宇宙的人,那么地球上的每一个人都是宇航员。虽然我们站在地球表面,却以每小时数千公里的速度穿行在宇宙中。你可以把地球想象成一个永远不会停止的宇宙飞船,当“宇航员”穿越地球表面的太空时,同时身处复杂保护生命的环境之中。氮气、氧气、二氧化碳和水蒸气等气体组成了厚厚的大气层,这些气体产生了压力,气体不停地运动,传递太阳热量平衡全球温度。

当宇航员离开地球的表面进入太空时,必须把这些环境也带上,这是人类太空探索所遇到的主要难题。你可以想一下,如果宇航员不穿航天服出舱会有什么后果?

美国航空航天局前任宇航员、现任达特茅斯医学院教授的杰·巴克利曾在《太空生理学》一书中写道:“真空是致命的,在低端的低压下,空气被阻滞在肺里扩张,让这个柔软的空气交换组织感到痛苦。人体组织内的水分蒸发,身体肿胀,但是皮肤会防止你爆破得四分五裂,眼睛也不会爆炸。气体和水蒸气不断从嘴巴里逃逸,急速降低你的体温。水和溶解在血液中的气体在血管中形成气泡,阻止血液在整个循环系统中流动。1分钟后血液循环便会停止,大脑缺氧会让你在15秒内失去意识,最终杀死你。”

关于宇航员会在太空中出现哪些意外,美国航空航天局曾经从各种事故中得到一些经验和教训。1965年休斯敦约翰逊飞行中心曾发生过一起事故,一名技术人员身处真空内,忽然因为航天服软管破裂,气压急剧降低,12~15秒后便失去知觉,在航天服被增压到正常大气压的一半后过了27秒他又苏醒过来。他报告说最后的记忆是舌头上方的气体似乎要沸腾,在之后的4天失去了味觉。

“太空中十分危险,太空行走时需要两个宇航员相互保持联系,如果一个人出现问题,希望另外一个人能够尽快帮助他。”韦恩·哈尔告诉本刊记者,“在太空中行走,并不像人们想象的那么浪漫,要冒极大的风险,还要克服很多困难。”

在太空中行走,向阳时温度高达140℃,背阴时,温度会骤然降低至-140℃。为了保持人体的正常温度,舱外航天服有3层液冷服、舱外压力服和外罩,其中液冷服负责航天服内热调节,外罩负责屏蔽空间热辐射,二者合作保障人体热平衡。

太空中充满了数不清的辐射,γ射线、X射线、可见光、射频辐射等等,对身体损伤非常大。在制定出舱活动计划时,必须考虑辐射影响,尽可能在辐射能量低的时间和空间内进行出舱活动。

此外,太空中近乎真空,舱外压力服勇敢地挑起了重担,保证航天服内正常的气压。虽然真空,但是太空从某种角度来说非常“拥挤”,充满了太阳风的微粒、陨石微粒、大量的石块以及人类探索太空留下的太空垃圾。目前人类航天范围所及的太空中,就有上千个大于20厘米的物体,5万个大小在1~10厘米的物体和几十亿个小于1毫米的粒子在高速飞行。如同飞行的飞机能被一只鸟摧毁一样,人体一旦被这些宇宙粒子撞上,后果可想而知,所以制定出舱活动计划时要考虑避开空间碎片。与此同时,航天服的外罩也要足够结实,靠它和压力服共同保护宇航员,即便撞上一般大小的微粒,也不会出现太大麻烦。

“航天器内或地面的指挥员要经常与出舱活动的宇航员保持联系,及时给他们指示行动方向,不断记录他们的心跳和呼吸频率,测量心电图,关注航天服的压力、温度和气体介质状况。”韦恩·哈尔告诉本刊记者,“事实上,太空行走只是密切接触太空的第一步,日后重要的是让宇航员学会在太空失重情况下进行操作,到时候,宇航员的事情还有很多,比如搭建空间站,修理、改造诸如哈勃望远镜之类的太空设备。”韦恩·哈尔说,“不过,太空行走是非常复杂和危险的任务,即使是有着几十年的太空行走经验的美国和俄国,对此依然非常谨慎”。

从发射第一艘载人飞船到进行第一次太空行走,苏联和美国均用了4年。从2003年杨利伟登陆太空到今年即将到来的太空行走,中国用了5年。虽然时间稍长,但这只是中国执行的第3次载人航天任务。不知道即将完成这个危险而又浪漫使命的宇航员,会在太空漫步时发出何种感慨?

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