太空取經的九九八十一難：現代科技 vs. 宇宙挑戰

　　1961年4月12日，莫斯科時間上午9時零7分，一艘宇宙飛船載著前蘇聯宇航員尤里·加加林，從中亞的拜克努爾發射場發射升空，在遠地點為301千米的軌道上繞地球一周，于上午10時55分安全返回地球，完成了世界上首次載人太空飛行，加加林成為人類歷史上第一個沖出大氣層、進入太空的宇航員。

　　60多年彈指一揮間，繼加加林之后，前蘇聯和美國的許多宇航員都進入了太空，長期懸浮在地外的國際空間站還接納了來自不同國家的宇航員常駐站內，我國也用神舟飛船多次把宇航員送入太空。進入太空似乎已經變得很容易、很安全了，好似去另一個城市旅游一番。

　　然而，事實并非如此。即使載人太空飛行已經有半個世紀的經驗，宇航員進入繞地太空軌道以及到更遠的星球去探險，都是萬分危險的旅程，太空取經的道路上，有無數的劫難。

　　想上青天，分秒必爭

　　飛船上天可不是隨便什么時候心血來潮就可以啟動的，必須要在特定的時間段發射。這個特定的發射時間段叫發射窗口，就好像躺在床上通過狹小的天窗看月亮那樣，一年只能看到寥寥數次，因為月亮在我們頭頂運行的軌道是在不斷變化的，不可能每晚都經過你的天窗。同樣，搭載飛船的火箭要順利完成太空任務，也只能在特定的時段發射。為什么不能隨時發射火箭呢?這首先是受到了飛船的飛行軌道限制。人類發射火箭或者航天飛機上天，當然是要完成某些具體任務的，比如將衛星、飛船送入特定的軌道，或是讓航天器和國際空間站對接，或者要讓飛船等航天器飛向月球，或更遙遠的其他行星。在發射的過程中，地球在繞著太陽公轉，本身還在自轉，航天器要抵達的目的地——國際空間站或者其他星球，也在太空中高速運動著，比如空間站的飛行速度就達到了大約每小時2.7萬千米。要發射飛船到達太空中的目的地，必須精心地計算各種移動的物體的軌道，找出一個最佳的發射時機，能夠讓飛船進入太空中后，剛好“遇見”目的地。這就好比我們坐在飛馳的汽車上打奔跑的野鹿或飛鳥，開槍早了或是晚了都打不到獵物。

　　如果錯過了最佳的發射窗口，飛船發射升空后在太空中再想調整軌道高度和飛行速度，與目的地交匯，就太艱難了。

　　另外，氣象、光照條件也會影響發射時機的選擇。幾年前美國遭受卡特琳娜颶風襲擊時，航天飛機的發射和返航都被迫調整了時間，以避開惡劣的天氣條件。考慮了諸多因素后，實際確定下來的發射窗口是很短暫的，必須分秒必爭。

　　我國的嫦娥1號探月飛船在發射的時候，窗口時間就只有35分鐘。當時計算后得知，如果在那這35分鐘內不能正常發射，就只能取消發射計劃，推遲到第二年重新確定發射窗口了。而且即使是在這個發射窗口內，最后一分鐘發射與第一分鐘發射相比，飛船的燃料要多消耗120千克才能抵達預定軌道。這對于總共只有1200千克燃料的嫦娥1號來說，是個很大的損失。因為嫦娥1號升空后，在前往月球的途中，還要利用燃料進行多次變軌飛行，所以燃料是非常寶貴的，如果一出發就浪費了許多的燃料，勢必會影響后期飛船調整軌道的能力，飛船抵達月球軌道后正常工作時間就會大大減少。由此可見，在理想的發射窗口發射是多么地重要。

　　上天難，下地更難

　　如果說航天器上天的時候很麻煩，那“下地”的時候就是驚險了。航天器返回地球大氣層的時候，由于速度非常快，每秒十幾千米，如此高速與濃密的大氣層空氣劇烈摩擦，會讓航天器的表面溫度急劇上升超過1000℃。此時如果航天器沒有保護措施，立刻就會變成一團火球。想想看那些沖入地球大氣層的隕石吧，除了極少數塊頭很大的隕石外，基本上都在空中就燒光了。即使落到地面的隕石，實際上也被燒掉了很大一部分，有的還因此而解體成許多小塊。

　　所以，所有航天器的表面都覆蓋著隔熱材料，當航天器返回大氣層的時候，隔熱材料會在高溫下氣化，吸收并帶走摩擦產生的熱量，保護航天器涼爽地安全著陸。

　　摩擦產生的高溫不僅會損壞飛船、危及宇航員生命，它還會產生另一個可怕的后果——黑障。

　　在高溫下，飛船周圍的空氣會發生電離，也就是氣體分子中的電子與原子核分離了，電離的氣體包圍在飛船周圍，于是飛船就像是套上了一個由帶電粒子組成的罩子。這個罩子把飛船內部和地面指揮中心隔開了，飛船內的無線電信號發不出去，地面發的指令也傳不進來，使得兩邊無法通過無線電波來保持聯系，這就是所謂的電磁屏蔽。此時飛船里面的人無法知曉地面情況如何，地面也無法知曉飛船是否正常飛行，兩邊都只能干瞪眼等著。這是一段非常緊張和危險的時間。

　　一般返回地球的飛船在距離地面80千米到40千米的高空時，就進入了“黑障區”，在這個高度之上，由于大氣層空氣稀薄，產生的帶電粒子少，所以不會產生電磁屏蔽;而在這個高度之下，飛船已經大大減速了，與空氣的摩擦減弱，于是產生的帶電粒子也減少了，電磁屏蔽也就不存在了。

　　在我們的家園地球的位置上天或下地，尚且已經如此困難，宇航員如果遠離了地球，遭遇的困難就更大了。

　　孩子，別離家太遠

　　對于人類來說，太陽系是個危機四伏的地方。火熱的太陽除了帶給我們光和熱，也會拋出大量的高能粒子，而來自銀河系的宇宙射線甚至要比太陽所發出的粒子的能量更大。這些粒子射入人體的話，就會破壞細胞中的大分子，包括遺傳物質，從而損害人的器官，導致各種疾病，尤其是癌癥，甚至可能改變人的基因。

　　幸運的是，我們生活在地球上，而地球擁有強大的磁場。我們知道，在地球磁場的作用下，奔向地球的高能粒子的路線會發生改變，它們會沿著磁場方向，往地球的南北極運動，有些在極地上空與地球的大氣分子碰撞，產生了色彩瑰麗的極光，有些能量更高的帶電粒子干脆就從地球旁邊繞了過去，飛往宇宙深處。地球磁場就是一面保護地球及其周邊空間環境免受高能粒子轟炸的盾牌。

　　宇航員進入太空之后，巨大的地球磁場依然有保護作用，因為地球磁場可以延伸到距離地面數百千米的地方，這已經是人造地球衛星的運轉軌道了。有時地球磁場甚至可以膨脹，覆蓋從地球到月球的廣袤空間。這樣，宇航員不論是去國際空間站還是月球，受到宇宙射線和太陽高能粒子傷害的概率就大大降低了。

　　但是，人類的太空探險計劃可不只是在地球周圍轉悠，還將前往火星或者更遠的其他星球。就拿去火星來說，旅途已經超出了地球磁場的保護范圍，宇宙射線的危害會非常嚴重。而且，從地球出發去登月，快的話只要幾天就能抵達目的地月球。但是如果要去火星，則單程也需要幾個月的時間。想想看，這幾個月飛船完全暴露在太陽高能粒子和宇宙輻射的轟擊之下，如果沒有足夠的防護，飛船中的宇航員就會有健康和生命之憂。這是多么地危險!

　　因此要完成更遠的太空探險，對宇宙射線的防護措施就不能和登月的防護措施相提并論了，而是要大大加強防護，在這方面，人們還研究得很不夠。

　　殺人利器低重力

　　失去了地球磁場的保護，前往火星太危險了。那么，只呆在地球附近就沒有危險了嗎?不，一個可怕的家伙如影隨形地跟隨著宇航員，威脅著宇航員的健康，它就是低重力，宇航員無法回避的敵人。

　　做為生活在地球上的生物，為了適應有地球重力存在的環境，我們人體的整個生理結構才變成今天這副模樣。所以宇航員進入太空的第一天，就會感到不舒服。這是因為身體各處的體液向身體下部流動時可以借助重力，而向上流動時卻要克服重力，體內就進化出來了一些動力系統，像跳動的心臟等等，把體液壓上來，以維持正常循環。

　　可進入太空后，由于失重，體液很輕易地向身體上部甚至頭部集中，引起了生理不適。結果宇航員的腿部由于得不到營養，逐漸變得有點兒骨瘦如柴，面部卻浮腫了起來。一些宇航員剛升入太空時會感到有些反胃，也是由于胃里的食物在失重條件下在胃里開始折騰造成的。

　　低重力環境對宇航員最大的危害，其實是肌肉萎縮和骨質流失。失重讓人體放松下來，所有為了對付重力而“打造”的骨頭和肌肉開始變得無所事事了。這會有什么后果呢?

　　美國一所大學的研究人員找來了9名曾在國際空間站生活了6個月時間的美國和俄羅斯宇航員，從他們身上取出小腿肌肉的微小組織樣本進行分析，結果發現，肌肉纖維的質量、力量都大大下降，肌肉的功能也嚴重衰減，總體看，在半年的太空飛行中，這些強壯的宇航員的體力下降了40%以上。肌肉力量的喪失非常嚴重，年齡30歲到50歲之間的宇航員剛剛返回地球時，肌肉的狀況卻有如80歲的老人。

　　別以為上天之前先鍛煉一陣會有補救效果。研究還發現，在太空工作同等時間，原先肌肉最健壯的宇航員，最后肌肉狀況的減損竟然也最厲害。所以，如果用目前的技術把宇航員從地球送到火星位置，宇航員的肌肉力量損失可能會達到50%。

　　此外，在太空中每過一個月，宇航員的骨骼重量就會減少約1.5%到2%。在地球上，骨質的迅速流失會讓人們很容易骨折，其實在太空中，宇航員也同樣面臨骨折的風險。雖然他們的身體懸浮在空中，但在太空艙或者空間站的狹小環境中，磕磕碰碰還是難免的，更不用說登陸月球或其他星球進行危險的探險活動了。

　　如何對抗低重力環境帶來的健康威脅?如今，如果宇航員要長期停留在太空，比如說在國際空間站工作，他們每天至少要花兩個小時進行鍛煉，空間站上配備了跑步機、彈簧拉力裝置，通過鍛煉，宇航員可以盡量減少自己肌肉萎縮的速度，使骨質流失不那么嚴重。

　　要人命的小零件

　　2010年6月，美國宇航員萊斯曼正在空間站外執行任務，突然，空間站巨大的機械手臂停止不動了，萊斯曼被吊在了空間站外動彈不得。直到25分鐘后，機械臂才重新開始工作，萊斯曼終于可以回到空間站內了。

　　到底發生了什么事情?原來，空間站的主計算機突然死機了，讓萊斯曼經歷了驚魂一刻。實際上，空間站的計算機出故障是經常的，有一次，國際空間站俄羅斯艙里負責控制整個空間站導航定位和生命維持系統的6臺計算機突然死機了，而且還無法正常啟動，如果不及時解決問題，空間站就無法保持在正常的軌道上，氧氣也沒有辦法制取，空間站里的宇航員將全軍覆滅。故障嚇壞了宇航員和地面工作人員，折騰了好幾天的時間，人們才逐漸地修復了這幾臺電腦。

　　生活中，我們都遇到過計算機出故障的情況，一次突然的死機可能會使文件丟失，讓我們捶胸跺足，但這絕不會危及到我們的生命。可要是載人航天器的計算機出現故障，宇航員會面臨死亡的威脅。

　　計算機故障，有可能是硬件原因，也可能是軟件原因。載人太空探險需要大量的設備支持，包括飛船及其上面的各種設備，以及地面指揮中心的各種設備。涉及到的設備越多，出錯的概率也就越大。就拿美國的阿波羅登月計劃來說，如果我們把登月是否成功，歸結為零件的可靠性問題，平均下來，假設1個零件在1個小時里出現問題的概率只有1億分之一，看上去概率非常低了;假如登月過程中使用了100萬個零件(考慮到使用了大量的設備，這個數據并不夸張)，那么如果登月計劃持續了4天，全部零件不出問題的概率是多少呢?

　　37%。也就是說，登月計劃失敗的可能性要大于成功的可能性。所以自從加加林上天后的50年中，發生了那么多慘重的航天災難，也就不奇怪了。2003年1月14日，美國“哥倫比亞號”航天飛機空中解體爆炸，只是因泡沫絕熱材料的小小缺陷導致材料脫落，再擊中機身;1986年1月28日，美國“挑戰者號”航天飛機在升空后突然爆炸，只是因為沒有考慮到當時氣溫過低，火箭密封材料的密封性能變差了。而前蘇聯歷史上的宇航災難曾使至少100多人殉職，很多航天計劃都以失敗而告終。

　　在更遠的1967年，美國的阿波羅1號駕駛艙因電線短路而燃起大火，并吞噬了3名宇航員的生命。后來的分析報告認為，在設計駕駛艙的時候，為了提高密封性能，讓艙門向內開啟，因為在太空，駕駛艙內的壓力大于外界，所以艙門向內開使密封性能更好，但卻沒有考慮到因此帶來的宇航員難以打開艙門的問題;艙內充入了純氧而不是混雜各種氣體的空氣，是為了防止高壓氮氣容易引起宇航員出現氮麻醉現象，但卻沒有考慮物質在純氧環境下極易燃燒的問題……

　　我們不能把事故的出現僅僅用人們的疏忽來解釋。零件越多，出現故障的概率就越大。太空中的光線、溫度、壓力、重力的巨大變化，還有電磁輻射，都很可能讓某個零件或連接部位出現微小紕漏，然后釀成大禍。美國最近提出要重啟登月計劃，而這個計劃從開始到把人送上月球，至少需要10年的時間，就是因為計劃需要調動成千上萬的公司、工廠，專門生產符合太空探險和登月環境的億萬個零件，一個零件的制造都馬虎不得。

　　精心設計的零件會出錯，而宇航員是血肉之軀，更容易出錯。我們應該為這50年來人類載人太空探險的每一次成功喝彩，我們更應該清楚地看到，人類到太空中“取經”的道路上“妖魔鬼怪”依然猖獗，越向宇宙深處走，就越是險象環生，艱險重重。但這條獲取宇宙真經的道路，會繼續向遙遠的空間延伸，永無止境。