出品:科普中國(guó)
制作:冰結(jié)向日葵
監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
自2016年“神舟十一號(hào)”進(jìn)入太空,航天員景海鵬、陳冬雙人乘組完成了在軌一個(gè)月的太空生存之后,時(shí)隔5年,酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心921工位久違地迎來(lái)了新的載人航天飛船——“神舟十二號(hào)”。此次任務(wù)將要完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn),每一項(xiàng)都與未來(lái)空間站的建設(shè)有關(guān)。
(圖片來(lái)源:人民網(wǎng))
一個(gè)空間站的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),能夠完成的科學(xué)任務(wù)也就越多,我們對(duì)于太空的認(rèn)識(shí)也就能更全面,而空間站的運(yùn)行也勢(shì)必需要實(shí)現(xiàn)航天員的在軌駐留。顯而易見(jiàn),如果航天員在軌駐留的時(shí)間越長(zhǎng),那么飛船發(fā)射的頻率也就越低,空間站運(yùn)營(yíng)成本也越低。但要實(shí)現(xiàn)航天員的長(zhǎng)期在軌駐留,就需要從許多方面實(shí)現(xiàn)突破。此次“神舟十二號(hào)”任務(wù)將著重驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù),在一些方面取得較大突破。
從6天到90天,我們有能力為航天員中長(zhǎng)期駐留太空提供生命保障
人為了維持生存,需要能量。為了產(chǎn)生能量,則需要攝入氧氣、水、食物,同時(shí)通過(guò)新陳代謝作用排出廢物。盡管個(gè)體間會(huì)存在性別、體重、勞動(dòng)強(qiáng)度等差異,但平均而言,一個(gè)人每天需要攝入約840克氧氣,3.5升水(飲用1.5升,食品攝入2升)以及640克食物(干重);同時(shí)會(huì)釋放約1000克二氧化碳,1.6升尿液,120克糞便(干重),通過(guò)呼吸排出1.8升水。而且需要注意的是,以上數(shù)據(jù)還不包括食品包裝、食物殘余、氣瓶以及衛(wèi)生用水等等必須的物資。
如此計(jì)算下來(lái),一次載人飛行任務(wù),所需要的物資總量既與航天員數(shù)量成正相關(guān),又與飛行時(shí)長(zhǎng)成正相關(guān)。因此,我們?cè)诿枋鲆惶咨O到y(tǒng)的支持水平時(shí),就可以使用【人·日】的單位,將乘員數(shù)與任務(wù)時(shí)長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)。
那么,對(duì)于神舟飛船而言,按照已有的飛行記錄推斷,其生保系統(tǒng)的支持水平大約是12人·日,即2人乘組6天在軌飛行(神舟六號(hào))或3人乘組4天在軌飛行(神舟七號(hào));在“天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射之后,極大擴(kuò)容的活動(dòng)空間讓生保系統(tǒng)支持水平升級(jí)至45人·日,即3人15天的在軌生命保障需求(神舟九號(hào)、神舟十號(hào));經(jīng)過(guò)升級(jí)之后的“天宮二號(hào)”進(jìn)一步擴(kuò)充至60人·日,即2人在軌駐留30天(神舟十一號(hào))。
但未來(lái)我們要前往更遠(yuǎn)的地方,在太空待的時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng),短期的在軌駐留顯然不能滿足我們。要想研究清楚空間環(huán)境對(duì)航天員的長(zhǎng)期影響,就要實(shí)現(xiàn)航天員的長(zhǎng)期在軌駐留;而要實(shí)現(xiàn)航天員的長(zhǎng)期在軌駐留,首先要讓生命保障系統(tǒng)能夠支持更多乘員更長(zhǎng)時(shí)間的在軌生存,這就需要更多的物資,更大的空間,以及更大的發(fā)射質(zhì)量。
而在軌運(yùn)行一個(gè)多月的“天和”核心艙的發(fā)射質(zhì)量為20余噸,已經(jīng)超過(guò)了“神舟-天宮”組合體的質(zhì)量。在此次任務(wù)中,“天和”核心艙與“天舟”貨運(yùn)飛船組合體的生保系統(tǒng)的支持水平實(shí)現(xiàn)了數(shù)倍的增長(zhǎng),達(dá)到了至少270人·日,即3人乘組90天(三個(gè)月)的太空生存,可以說(shuō),我們已然從過(guò)往任務(wù)的“短期駐留”開(kāi)始向“中長(zhǎng)期駐留”的高地大踏步邁進(jìn)了。
2021年5月29日,天舟二號(hào)成功發(fā)射(圖片來(lái)源見(jiàn)水印)
從十幾分鐘到數(shù)小時(shí),航天員在太空中邁出自信步伐
如果想在太空中工作更長(zhǎng)時(shí)間,除了滿足基本的生存生活之外,還需要面臨一些可能的突發(fā)狀況,例如設(shè)備故障。盡管航天級(jí)的產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)優(yōu)良,但時(shí)間長(zhǎng)了仍然容易損壞。此次航天員將在軌駐留三個(gè)月,這是過(guò)去任務(wù)從未達(dá)到的時(shí)長(zhǎng),將可能會(huì)遇到以往的任務(wù)所不曾出現(xiàn)的狀況。比如說(shuō),如果艙內(nèi)的設(shè)備出現(xiàn)故障,可以依靠備品備件以及工具進(jìn)行修理,未來(lái)也將會(huì)有包括3D打印在內(nèi)的新技術(shù)應(yīng)用于空間站,進(jìn)一步提升維修效率。但對(duì)于艙外的設(shè)備而言,如果損壞,就必須在艙外更換,因此就需要航天員出艙進(jìn)行維修。
在2020年5月發(fā)射的新一代載人飛船試驗(yàn)船上,就曾開(kāi)展3D打印實(shí)驗(yàn)
(圖片來(lái)源見(jiàn)水?。?/p>
截至目前,我們僅實(shí)現(xiàn)了一次太空行走,是由航天員翟志剛在“神舟七號(hào)”任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的,時(shí)長(zhǎng)僅十幾分鐘。
翟志剛出艙進(jìn)行太空行走(圖片來(lái)源見(jiàn)水?。?/p>
盡管航天員在地面的水池中對(duì)太空行走這一項(xiàng)目演練了很多次,但這與真正的空間環(huán)境仍存在差異。
事實(shí)上,第一次太空行走也確實(shí)出現(xiàn)了一些意外。例如,氣閘艙蓋無(wú)法正常打開(kāi)、陽(yáng)光照射艙內(nèi)傳感器導(dǎo)致虛警等。由此來(lái)看,我們對(duì)于太空行走的經(jīng)驗(yàn)仍然是有所欠缺的。因此,筆者認(rèn)為,此次“神舟十二號(hào)”的太空行走仍然是實(shí)驗(yàn)性的。令人振奮的是,航天員將在未來(lái)的三個(gè)月中開(kāi)展兩次太空行走,逐步延長(zhǎng)太空行走時(shí)間,最終達(dá)到數(shù)個(gè)小時(shí)。
不僅如此,“天和”核心艙外圍的機(jī)械臂將助航天員一臂之力,讓航天員實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同,能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的移動(dòng),到達(dá)空間站的任何一個(gè)角落。無(wú)論是取回放置在艙外的科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器,還是對(duì)“天和”核心艙實(shí)現(xiàn)全方位的肉眼檢查,機(jī)械臂的加入都將令這些操作變得十分輕松且方便。
2021年與2008年已然不同,更先進(jìn)的設(shè)施、更完備的計(jì)劃、更充分的準(zhǔn)備將幫助航天員在太空邁出更加自信的步伐。
航天員長(zhǎng)期在軌的身心健康問(wèn)題仍需研究
航天員雖然是萬(wàn)里挑一的頂尖人才,而且接受了相當(dāng)漫長(zhǎng)且嚴(yán)苛的訓(xùn)練,體質(zhì)超出常人,但這并不意味著他們?cè)谔罩幸材鼙3诌@樣的健康狀況。空間環(huán)境對(duì)于人的短期影響可能并不顯著,但長(zhǎng)期影響可能會(huì)是巨大的:
失重效應(yīng)——人站立在地面上,體液會(huì)受到重力的作用自然流向下肢,人體的血壓呈現(xiàn)“上低下高”的情形,且下肢作為主要承力結(jié)構(gòu),其骨密度也比較大。但在失重狀態(tài)下,體液會(huì)較為均勻地分布在人體各處,那么上半身的血壓會(huì)因此升高,大腦得到反饋體液過(guò)多;而要想釋放掉多余的體液,就主要依靠排尿,導(dǎo)致大量水分丟失;同時(shí)這也意味著下半身的血壓將進(jìn)一步降低,下肢中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入減少,輸出增加,長(zhǎng)此以往將導(dǎo)致下肢肌肉萎縮。此外,在微重力的環(huán)境下,人體不再需要保持較高的骨密度,鈣質(zhì)也將持續(xù)流失,會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。
輻射效應(yīng)——盡管“天和”核心艙的軌道高度在400 km以下,低于“范-艾倫輻射帶”的高度,而且航天器的金屬外殼也對(duì)輻射具有一定的防護(hù)作用,但來(lái)自太陽(yáng)和銀河的宇宙射線仍然有一部分會(huì)穿過(guò)艙壁,形成低劑量的電離輻射。有些外國(guó)航天員報(bào)告自己在睡覺(jué)時(shí),會(huì)突然被眼前的閃光驚醒,這就是由于太空粒子穿過(guò)眼瞼,在晶狀體內(nèi)與其中的液體相作用,被視網(wǎng)膜捕捉所導(dǎo)致。盡管電離輻射劑量較低,但如果長(zhǎng)期在這樣的環(huán)境下生存,患癌概率也可能因此上升。
心理健康——“天和”核心艙的容積與過(guò)往的載人航天器相比實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,達(dá)到了50立方米,但如果按照現(xiàn)代樓房每層3米的高度換算,核心艙內(nèi)面積就僅有約17平方米。3名航天員將在這狹小逼仄的空間內(nèi)生活3個(gè)月,這就會(huì)為他們施加無(wú)形的壓力。不僅如此,24小時(shí)的日出日落周期塑造了人類近24小時(shí)的晝夜節(jié)律,而在近地軌道上,航天器每90分鐘環(huán)繞地球一周,這就意味著一天24小時(shí)之內(nèi),“天和”核心艙會(huì)迎來(lái)16次日出日落。盡管在太空中,航天員將按照北京時(shí)間進(jìn)行作息調(diào)整,但艙外的晝夜變化仍然會(huì)影響航天員的節(jié)律。而且艙內(nèi)可能的突發(fā)狀況也會(huì)突然中斷航天員的休息,讓他們以最快的速度投入到應(yīng)急工作中去。如何在這樣的長(zhǎng)時(shí)間壓力下保障航天員的身心健康,同樣值得我們?cè)谖磥?lái)好好研究。
時(shí)代楷?!袊?guó)航天員英雄群體(圖片來(lái)源:我們的太空)
明天,我們的航天員將抵達(dá)我們自己的空間站,在未來(lái)的三個(gè)月里,中國(guó)人在太空的生存時(shí)長(zhǎng)紀(jì)錄將得到突破;在未來(lái)的兩年內(nèi),我們的空間站運(yùn)行體系將實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的建立;在未來(lái)的幾十年中,我們的載人航天事業(yè)將以這一天為起點(diǎn),邁向成熟,我們的航天員也將以這一天為起點(diǎn),走向更加浩渺的深空。
鮮花簇?fù)碛⑿墼賳⑻照鞒蹋鸺信e飛船續(xù)寫飛天夢(mèng)想。相約九月金秋時(shí)節(jié),我們期待你們的歸來(lái)。