作者:劉孜銘(中國科學院國家天文臺博士),吳唯臻(北京大學學生)
10月18日,「天問一號」在宇宙中飛行了2.56億公裡,完成了第三次軌道中途修正,距離到達火星還需要半年多的時間。火星會是人類下一個家園嗎?常常有人這樣問。
自1961年蘇聯太空人尤裡·阿列克謝耶維奇·加加林乘坐東方1號宇宙飛船完成首次載人航天任務始,人類涉足太空已經將近60年。從「走入太空」、「太空生存」到「太空生活」,太空人太空生活的質量已經有了質的飛躍。
衣
厚重的外殼、圓圓的面罩,這大概是大多數人心目中太空衣的經典形象。但重達幾十公斤的太空衣,當然不可能是居住在宇宙空間中的人類的日常穿著。
其實,在空間站工作生活的太空人們,平時會穿著同地面上一樣的襯衫和褲子,太空人通常會一次籌備幾個月的衣物,由補給太空飛行器定期送到空間站中。水在太空中是珍稀品,空間站上並不會配備洗衣機,太空人也不能像在地面上那樣頻繁地更換衣物——他們可能幾天才會得到一條新的T恤或者褲子。不過好在空間站中灰塵很少,太空人們每天運動後也有機會沐浴並擦去身體表面的汗水,因此衣物不會很快變髒。
如果要走出太空飛行器,太空人依然需要穿著太空衣保護自己。一件EMU(Extravehicular Mobility Unit)太空衣就像一座小型的太空飛行器,既需要保溫保壓,有足夠優秀的性能和強度防禦宇宙射線以及微隕石的襲擊,還要具備全套的通信系統和生命保障系統。還有一種艙內太空衣(ACES,Advanced Crew Escape Suit)一般用於太空飛行器座艙內,在發射和返回地球時保護太空人,有著平衡溫度、提供氣壓保護的作用。
目前,太空衣正在向著輕便與美觀的方向發展,SpaceX公司、波音公司等最新研發的艙內太空衣重量比之前減輕了40%左右,而美國國家航空航天局(NASA)也為下一代探月任務阿爾忒彌斯計劃設計了全新的兩款艙外太空衣。在未來,太空衣應當能讓人類在宇宙空間中自由地行動與探索。
食
吃喝當然是人生一大樂事,如果生活在太空,我們還能愉快地享用大餐嗎?
最早的太空餐是讓人望而卻步的「牙膏」:太空人要從管子裡面擠出半流體的食物,不需要咀嚼便可直接吞下肚。蘇聯太空人戈爾曼·季託夫有幸成為了第一位享用這份太空大餐的人,他的菜單裡有一管蔬菜泥湯,一管法式肥肝肉醬和一管黑加侖果汁。順便一提,他也是第一位在太空中嘔吐的人,不過這倒並非因為食物太難吃,而是由於在太空環境中睡眠引起的太空病。而美國太空人約翰·格倫1962年乘坐水星飛船起飛時,他的便當盒中塞滿了一口大小的食物凍幹塊,這些小立方塊必須在太空中重新加水融成食物泥,裝進牙膏管再食用。沒有咀嚼的快感,沒有多樣的選擇,首代太空人的飲食條件相當艱苦。
吃貨的生產力是不可低估的。很快,牙膏管就被趕出了「太空餐廳」。人們發明了種種能在無重力環境中使用的餐具,甚至包括咖啡杯、煎鍋。如今,太空人們已能在太空中自如地使用刀叉等餐具,與地面用餐相當接近。
太空食品的種類也豐富了很多,國際空間站中的太空人有上百種餐品,他們可以選擇自己的用餐計劃——雖然這一用餐計劃是每8天循環的。這並不妨礙太空人們開發新的太空料理:小餅乾、日式壽司、花生醬冰棍,甚至是「昨天的咖啡」——奮進號太空梭的指揮官在採訪中自豪地展示了一批再生水,而原料是什麼自然不言而喻。
然而,制定太空菜譜仍然相當受限。大部分蔬果在宇宙中最多只能保持兩天鮮度,空間站中新鮮食品極其稀缺。絕大多數食品只能脫水或加工成罐頭運上太空。科學家們正在想方設法解決這一問題,比如在空間站種蔬菜(主要是生菜和西紅柿等方便食用的蔬菜)、養螺旋藻。現在,已經有一些太空人吃上了太空實驗生菜。「太空菜園」成真之時,人類自給自足的太空居留才能實現。
住
我們可以直接居住在某個星球或外太空空間中嗎?目前看來這還是不可能的。無論是現階段的太空站,還是想像中的「火星殖民地」,人類都需要一個足夠龐大堅固的人造建築來保護自己。多國合作、經營多年的國際空間站,是現階段唯一真正實現長期居住功能的太空場所。國際空間站內部比一座五居室公寓要寬敞得多,除了用於科研用途的實驗室,還設置有兩間浴室、健身設施和一個360度視野的凸出舷窗。
如果你想要減肥,太空環境絕對是不二之選。無重力環境會擾亂人體的腸胃功能,因此太空人在太空中大多食欲不振,進食量減少,但是他們每天卻要在各種特製健身器材上花費多達兩個鐘頭——太空環境會導致人體肌肉、骨骼、心肺等器官產生複雜變化,為了抵抗身體機能的衰退,太空人必須每天進行鍛鍊。國際空間站上配備有跑步機、自行車騎行裝置和阻力鍛鍊裝置,太空人在健身的時候會把自己固定在機器上,免得自己飄來飄去——沒錯,太空人是一群「帶著繩索生活」的人。太空中的生活有一半時間都是要被綁著的,睡覺時要把自己固定好,運動和洗澡的時候要被綁住,甚至上廁所也要將自己卡在廁所上,以防在無重力環境下飄蕩出去。
為什麼不能像科幻電影中那樣,讓國際空間站艙體轉起來,靠向心力來偽造人工重力呢?如果要營造同地面一致的重力感,空間站的結構要麼足夠長(旋轉半徑足夠大),要麼轉得足夠快。無論採取哪種方案,都是對材料和能源的嚴峻挑戰。在寸土寸金的宇宙空間中,比起花費高昂的成本去營造類地環境,修建幾個健身房反倒划算得多。
空間站中還有一個常常被忽視卻必不可缺的「豪華配置」:廁所。它或許更像吸塵器,能夠產生強大的吸力,將排洩物迅速吸入。如果速度不夠快,排洩物在失重環境下很容易四散飄開,那樣的畫面當然是任何人都不太願意想像的。太空廁所的氣密性和耐腐蝕性需求比地面上的廁所要高得多,還要配備汙水處理系統,提取排洩物中的水重新利用。今年NASA運送到空間站的「豪華廁所」造價高達2300萬美元,太空人們將在空間站上對這臺廁所的性能進行測試,這套廁所系統或許會被應用在之後的登月或者火星任務當中。
行
宇宙空間如此廣闊,居住在太空中的人有機會出去看看嗎?科幻大片中的星際躍遷、穿越蟲洞,在今天還更像是只手換乾坤一類的神話。人類目前可以達到的速度遠不及光速的千分之一,即使是運行軌道距離地球最近的火星,太空飛行器也要花費7個月以上的時間,經歷複雜的變軌才能抵達。
現階段的太空出行主要依靠太空梭和載人飛行器,許多國際空間飛行器都到訪過國際空間站,輸送工作人員和物資。至於去太空裡散散步,仍是可望而不可即的。雖然早在1965年蘇聯太空人就已經走出艙門,太空行走在今天仍然並非易事。出艙行走是需要提前數日準備的重大行動,即使是裝備齊全的太空人,在宇宙環境中依然面臨著相當程度的風險。除了必要的器械安裝、維修與太空行走實驗,太空人們一般不會走出艙門。
2008年9月27日,中國太空人翟志剛完成了我國首次太空行走任務,中國成為第三個獨立掌握空間出艙技術的國家。同之前其他國家的出艙任務相似,翟志剛也使用臍帶式行走,通過一根又粗又長的「電臍帶」同飛船相連。
或許在將來,隨著單體移動裝置的進一步改進,太空人可以在艙外更自由地行動,飛行器的速度也將不斷提升,幫助人類向更廣闊的宇宙進發。
經過數十年的太空探索,我們已經能夠部分實現在太空生活。我們可以暢想未來,也應始終心存敬畏——在浩瀚的宇宙,營造一個空間站、建造一個太空基地,甚至移民另一個星球,或許都不過如蟻築穴。越是深入宇宙,時空的深邃、人力的有限與無窮,就越充分地顯現出來。
從一片衣料和一粒種子出發,從在空間中可能遭遇的每一點困難出發,人類正在走向輝煌廣闊的星空。「雲外」與「天宮」,已經並不那樣遙遠。
(責編: 李雨潼)
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