载人航天为什么这样难？

航天 · 2016-11-1 01:27:02

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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