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载人航天为什么这样难?
    日期:2011年07月15日    字体:【】【】【

  现在,已有不少国家能够自行研制火箭和人造卫星,但掌握载人航天技术的国家却寥寥无几。其中的主要原因是太空环境非常严酷,要确保人在这种环境下的正常生活与工作是极其困难和昂贵的。虽然太空的高真空、高洁净、强辐射等环境对太空育种、材料加工等具有重要作用,是宝贵资源,但人在这种太空环境中,将面临失压、缺氧、高低温和辐射损伤四大危险,所以必须采取一系列复杂措施,才能安全地进行载人航天活动。
  太空是一个强辐射环境,例如,银河系有银河宇宙线辐射,太阳有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射(太阳耀斑爆发时向外发射的高能粒子)和太阳风(由太阳日冕吹出的高能等离子体流)等(图1)。许多天体都有磁场,磁场俘获上述高能带电粒子,会形成辐射性很强的辐射带,如在地球的上空就有内外两个辐射带,其中内辐射带对载人航天的影响较大。太空中存在的这些看不见、摸不着的各种射线和高能粒子对人类是有害的,能穿透普通的衣服,深入人体。若超过人体耐受空间辐射剂量的上限(100拉德),就会影响消化系统,损伤视网膜神经和脑神经,引起内脏器官病变,甚至致人于死地;若辐射剂量小,但照射时间长,累计效果也将导致寿命明显缩短。


  
  图1  太阳风和地球磁场


  为此,绕地飞行的载人航天器轨道高度一般在300~500千米,因为如果再高将进入或接近地球辐射带,那里的高能粒子能穿透航天器,对航天员造成伤害。而轨道高度若低于300千米,则稀薄大气阻力明显增加,需要消耗大量的推进剂来维持轨道运行。
  由于太空是一个高真空环境,300~400千米高度处的大气压力为地面的百亿分之一,而人类一直生活在地球大气的底部,身体的内外都受到大气压力的作用,身体内部的器官和组织都充满空气,所以,人类一旦进入太空,如果没有与地面生活相适应的压力环境,身体外部的大气压力急剧降低,体内的空气会迅速膨胀,溶解在血液中的氮气就会分离出来,形成气泡,阻塞血管,或因内脏、器官的胀裂而丧命。另外,太空有高速运动的尘埃、微流星体和流星体以及太空垃圾,它们具有极大的动能,这也会给人类带来致命的伤害。
  除遇到上述自然环境外,在太空飞行的航天器还有一些独特的诱导环境,即在太空环境作用下航天器某些系统工作时产生的环境。比如,航天器在太空中飞行,由于没有空气的对流和扩散作用,物体在太阳光照射下,可产生100℃以上的高温,在运行到见不到太阳光的阴面时,热量会很快散发到寒冷的宇宙空间,温度会迅速下降到-100℃以下;航天器在加速上升和减速返回时,正、负加速度会使航天器上的一切物体产生巨大的超重,使航天员要经受4~5倍于地球表面重力的超重过载;在重返大气层时,由于航天器表面与周围空气的急剧摩擦,导致其表面温度极高。在上述这些极端特殊环境中,如果没有防护,人是不能生存的。
  长期失重可导致航天员出现多种生理、病理现象,主要表现为心血管功能障碍、骨质(钙)丢失、免疫功能下降、肌肉萎缩、内分泌机能紊乱、工作能力下降等。
  所以,人要上天很难,必须乘坐专门设计、与外界隔绝的载人航天器才能在太空中安全地生活和工作。如果要离开航天器进入开放的太空,就必须穿上特制的舱外航天服。当然,这还远远不够,还需要很多其他系统的支持。简单地讲,载人航天必须满足3个基本条件。
  一是要拥有强大的运载工具,以克服地球引力,而且其可靠性要求极高。例如,发射中国神舟号飞船的长征2F火箭是在发射卫星的长征2E火箭的基础上改进而成的,它们的运载能力几乎一样,低地球轨道的运载能力约为8~9吨,但两者却有很大的不同:长征2F在长征2E的基础上增加了故障检测处理和逃逸系统,并大大提高了火箭的可靠性,即由长征2E的91%提高到97%。
  二是要研制出能仿造地球生活基本条件的载人航天器。它比无人航天器复杂得多,需要增加许多特设系统,以便有合适的空气成分、温度、湿度等,从而满足航天员的生活和工作需要,并且可以安全返回。例如,载人航天器具有环境控制和生命保障系统(图2)、供航天员使用的报话系统、仪表和照明系统、人机对话操作控制台、航天服、应急逃生装置等特设系统与设施设备,来为航天员提供服务。另外,载人航天器有相应的活动空间,结构密封性能一定要好;还要有返回地球所需要的装备,即返回着陆系统。


  
  图2  国际空间站的氧气生产设备


  三是应弄清太空环境和飞行环境对人体的影响,因为即使有了载人航天器,仍有很多问题要解决。载人航天器上狭小的生活环境、失重,以及火箭推进形成的振动、噪声和加速度等仍直接威胁着人体的健康与安全,所以必须找到有效的防护措施。
  来源:《中国载人航天科普丛书·梦圆天路》

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