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载人航天要攻克哪些科技难关(上) |
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·天 兵·
随着“神舟”五号载人航天飞行的成功，我国已进入世界第三载人航天国家的行列。而这之前，在世界诸多航天国家与航天国家集团之中只有美国和俄罗斯两个国家有载人航天的能力。这是为什么呢？这是因为太空的高真空、超低温、强辐射的环境对人类生存实在是太恶劣了。人一旦暴露在太空中将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤四大危险。所以载人航天必须克服这些难题才行。当然这需要有巨大的资金保障和高度发达的科学技术。
在没有保护的条件下，人进入太空后身体外部的大气压力突然消失，体内的空气就会迅速膨胀，溶解在血液中的氮气也会分离出来，形成气泡，阻塞血管。人会因内脏、器官的胀裂而丧命。太空中还存在许多看不见、摸不着的X线、γ射线和带电或不带电的高能粒子。这些射线和高能粒子能穿透普通的衣服，深入人体，引起内脏、器官病变，甚至致人于死地。所以，宇航员必须乘坐专门设计的、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，就必须穿上特制的宇航服。
上 天 的 三 个 条 件
简单地讲，宇航员上天要有三个基本条件，一是要拥有强大的运载工具，而且其可靠性要求比发射无人航天器的还要高，几乎达到100%；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(如卫星)复杂得多，需有许多特设系统，以满足航天员的生活和工作需要；三是要排除高空环境和飞行环境对人体的影响，因为载人航天器上狭小的生活环境、失重、火箭推进形成的震动、噪声和巨大的加速度等都在直接威胁着人体的安全，必须找到有效的防护措施。
高可靠性是载人航天活动中的头等大事，否则再先进的技术也没用。为此，当今发射载人航天器的运载火箭一般不超过三级，因为随着火箭级数的增加，火箭系统会变得越来越复杂，可靠性也将下降，只要其中一级火箭出现故障就会导致箭毁人亡。1986年美国挑战者号航天飞机爆炸，就是因为其右侧固体助推火箭连接处因设计上的缺陷和气温过低，使O型橡胶密封圈失效，燃气外泄造成的。目前，俄罗斯是用三级火箭联盟号发射联盟TM载人宇宙飞船，而美国航天飞机是属于一级半结构式的载人运输器。美国现在还在研制单级火箭运输器，以提高其可靠性。
载人航天飞行的高度和速度比飞机的飞行高度和速度提高了10倍以上，从而出现了比航空时更为恶劣的许多环境因素。例如，轨道飞行中的长期失重、迅速交变的昼夜、强烈的空间辐射、上升和返回过程中巨大的正反向加速度、高强度的噪声、剧烈的振动和猛烈的冲击等等。这些都对载人航天飞行有较大的影响甚至会危及航天员的生命。
失重曾是人们最关心和担心的问题，美苏在发射载人航天器之前都曾小心翼翼地先把小狗和猴子等实验动物送入近地轨道的失重环境中进行过多次试验。经过探空火箭、生物火箭和生物卫星的飞行研究，人们弄清了情况，确信高空环境和飞行过程中出现的短期失重对动物没有致命影响，对人体也不会有严重损害，从而为载人航天做好了医学准备。由于载人飞船和航天飞机在太空一般只能单独飞行几天到十几天，因此这期间所受的失重影响相对于长期运行的空间站来讲要小得多。在失重环境中，人体内原有的生理平衡被打破，严重时导致头部充血、前庭器官功能紊乱，产生胸闷、头晕、呕吐等航天运动病症状。较长时间的太空飞行，由于“用进废退”规律的作用，肌肉会逐渐蒌缩，骨骼中的钙质逐渐流失。要对付上述问题，除可服用抗航天运动病的药物外，最主要的方法是加强太空体育锻炼。当然，这种锻炼也是要精心设计的，因为它受到场地和失重的限制。短期航天，只有靠徒手操锻炼。
强大的加速度还会使人体内部的液体和组织发生位移，引起胸痛、呼吸困难、肌肉紧张、黑视，甚至会导致死亡。它比游乐场中的“过山车”、“疯狂的老鼠”要惊险得多，会出现失血(发射时)和充血(返回时)现象。所以只有精心挑选和受过特殊训练的航天员才能适应。
精 心 选 拔 航 天 员
航天员的选拔条件是十分苛刻的。最基本的条件是要有健壮的体魄，良好的心理素质，较高的科学文化教育背景，坚定的献身精神。这样才能经受住太空的各种恶劣环境，掌握复杂的操作技能，应付意想不到的突发事件，接受深奥的航天科学知识，承担重大的太空飞行使命。有不少航天飞行曾遇到难以想象的故障，但正是由于航天员艺高人胆大，从而排除万难，最后终于安全返回了地面。最典型的就是美国阿波罗13号登月飞船，正在执行任务的航天员在飞船服务舱爆炸的情况下，历经艰险，在太空上演了一场激动人心的“生死时速”大战后，平安生还，被誉为“失败的成功”。由于早期的宇宙飞船只能载1人，所以要求航天员具有多方面的技能和专长，能担负起太空飞行的全部工作。歼击机驾驶员的工作条件与这些苛刻条件具有可比性，因此美苏早期航天员都是从飞行员中选拔的。但随着载人航天技术的进步，现在已经可以有多名航天员同行，任务也越来越扩展了。宇航员之间也有了分工。它可归纳为3类；①飞行及任务专家，包括机长、指令长、驾驶员和负责航天器的维修保养等任务的随船工程师；②载荷和军事任务专家，即在太空进行天文观测、生命研究、对地侦察等工作的科学家和工程师；③非职业航天员，已登天的沙特亲王、日本记者等属于这类，他们以政治宣传或观赏旅游为目的。头两类航天员选拔条件仍很高，训练也极严格，可以说是百里挑一，甚至千里挑一才行，但第三类则宽松一些。2001年4月28日升空的世界第1位太空游客蒂托只训练了900小时。
航天员训练一般分为航天理论和基础知识训练、航天特殊技能训练、增强体质的体育训练，课程也十分复杂。
航天员的高素质不能含糊，有效的防护措施亦非常重要。例如，为了防止加速度造成的损害，在飞船升控过程中，航天员常常仰卧在飞船座舱内，使加速度方向由背向胸。让航天员身体保持适宜的位置，选择头部和背部仰卧的角度，可大大提高人体抗过载的能力。这种角度要合适，太大易引起胸痛，太小又易出现其他反应。宇宙空间中的电离辐射对人体的伤害也不可小视，严重时会影响消化系统、损伤视网膜神经和脑神经，引起呕吐甚至死亡。即便辐射剂量小，但照射时间长也会导致寿命明显缩短。为此，载人航天器都应有覆盖防护层，或采取其他防护办法。
复 杂 的 特 设 系 统
神舟号载人飞船与无人航天器的主要区别是增装了环境控制和生命保障系统、供航天员使用的报话系统、仪表和照明系统、航天服和应急逃生装置等特设系统，以便为航天员提供服务。另外，载人飞船有较大的活动空间；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。所以，神舟号载人飞船比卫星大而且复杂得多。
卫星就没有这些设计要求。例如，其舱体不一定要密封，也不需要有大的自由空间。一般的卫星结构较简单，任务较单一，除因特殊用途需要返回地球外，一般是不回收的。
与卫星相比，载人飞船有以下特点：首先是密封性。航天员居留的返回舱和轨道舱必须可靠地密封，使舱内维持在规定的大气压范围。当然，绝对密封是不可能的，这就需要不断补充气源。但是必须杜绝意外的泄漏，以免造成灾难性事故。1971年6月30日，3名苏联航天员在返回地面之前全部死于联盟号飞船里，其祸根就是飞船的座舱漏气，而他们又没能及时穿上航天服，导致航天员因急性缺氧、体液沸腾而死亡。
二是复杂性。载人飞船必须有环境控制和生命保障系统。它是一个集机、电、热技术，医学和环境工程于一体的复杂系统，除用于维持舱内规定的大气压力外，还负责调节大气中氧和氮的比例；排除人体呼出的二氧化碳和其他有害气体；保持舱内对人体最合适的温度和湿度，一般要保持在18℃～25℃人体最适宜的温度范围。在失重状态下，飞船舱内的空气不会自然对流，因此里面的温度和湿度很不均匀，舱内的热量也很难排除，故必须配置通风设备，进行强迫对流通风。它还要为航天员提供饮水、洗涤水、食物、睡袋、大小便收集器等最基本的生活条件。比起航天飞机和空间站来，飞船体积狭小，像卧室、厨房、餐桌、便所、淋浴、运动器空间等专用舱室设备就都谈不上了。
三是高可靠性。这是载人航天中最为重要的一点。为了保证万无一失，载人飞船中一些关键部件采用双备份甚至三备份，而且在上天前要进行大量地面测试和模拟飞行试验，以排除隐患。
四是必须有应急逃生装置。人命关天。所以，宇宙飞船上的应急救生装置有弹射座椅、救生塔和载人机动装置等，它们在飞行的不同阶段各有各的用途。(未完待续)
《中国教育报》2003年10月17日第7版
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| 文章发布人： | 发布时间：2003-10-18 17:37:16 |
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