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宇航员到底是怎么在太空中上厕所的?

“我认为,这个国家应该致力于在这个十年结束之前实现人类登月并安全返回地球的目标。在这期间,没有任何一个空间项目会比这个目标给人类留下更深刻的印象,或对太空的长期探索有更重要的意义,也没有任何一项任务会如此艰巨和昂贵。”这是美国第 35 任总统约翰·F. 肯尼迪(John F. Kennedy)于 1961 年 5 月 25 日在国会发表国情咨文时所说的话。这样的宣言既大胆又激动人心,当然在有些人眼里,也显得很愚蠢。当时,立博博彩公司以 1000:1 的赔率赌肯尼迪的宣言不会成真。
 
1969 年,美国宇航员成功在月 球表面行走并安全返回了地球。
 
人类迈开了大步。
本文经授权节选自《BBC宇宙入门:怎样看待这个世界》(江苏凤凰科学技术出版社)。
 
撰文 | Adam Hart-Davis, Paul Bader
 
翻译 | 邵鑫
 
太空科学
 
宇航员在太空站做什么?他们把一部分时间花在生活上——睡觉、做饭、吃饭、锻炼——剩下的大部分时间都在工作:维护、修理仪器,做生理健康检测,进行科学实验等。
 
其中一些科学实验是为了验证某一理论。比如,阿波罗15号任务结束时,戴维·斯科特(David Scott)站在月球上同时扔下了一把锤子和一根羽毛。在地球上,由于空气的阻力,羽毛会慢慢落下。但在没有大气的月球上,它们一起坠落,同时撞上了月球表面。这表明,只要物体坠落时不受空气阻力的影响,重量就不会影响物体的坠落速度。伽利略在1590年就表达过这一观点,亚当也曾从比萨斜塔上扔下不同大小的西红柿来验证这种观点。美国航天局开展过覆盖面非常广的生命科学研究项目,该项目中宇航员会研究各种内容,既包括失重对自己身体的影响,也包括动植物在太空中的生长情况。对于植物和小型动物,科学家们希望至少通过观察完整的两代,来追踪它们的生长发育情况,观察微重力或零重力环境对它们的生长会造成怎样的影响。实验表明,这对无脊椎动物似乎并没有影响,所以接下来的实验对象就是小型哺乳动物和鱼类了。
 
有待回答的问题还有很多:失重对内耳传感器和大脑会有什么影响?小动物肌肉萎缩及骨质流失的程度和人类一样吗?零重力状态下植物能正常生长吗?植物的哪些部分对重力敏感?能种植足够的食用植物作为宇航员的食物来源吗?阿波罗-联盟测试计划、天空实验室和之后的空间站都让规划者不得不面对在短期和长期太空飞行中会遇到的问题和挑战。首先是发射升空过程中由于加速造成的超重状态,好在事实证明如果宇航员的身体可以得到固定并有良好的支撑,超重就不是一个大问题。
宇航员戴维·斯科特在月球上为数百万的电视观众演示锤子和羽毛实验。
 
资料档案丨太空实验
 
国际空间站上的这位科学家正在监测零重力环境下植物的生长情况。太空中也开展了一些蛋白质晶体的生长实验。科学家们希望在不受重力影响的环境下,可以更好地理解蛋白质的结构。当细胞处于失重状态时,组织培养过程也可能会出现变化。从太空观测地球则有望在全球变暖、荒漠化等方面提供有用信息。
失 重
 
失重,也可以称为零重力。在地球轨道上,宇航员并不是真正的失重,重力也不为零。实际上,航天器一直在向地球坠落,它的内部也不例外。因为下落加速度是一样的,宇航员和航天器的“地板”之间不会产生任何相互作用。这就好像你在蹦床上弹跳时,跳离蹦床的所有时间里处于自由落体或失重状态。想象一下,当你在跳离蹦床的期间想把水从一个容器(最好是塑料的)倒进另一个容器时,你会发现这相当困难。这就是通常所说的失重或零重力,也就是宇航员体验到的感觉。
 
在零重力环境中,物体如果不被固定住就会飘浮起来。你不能正常地在“地板”上行走,而必须要用上尼龙搭扣或磁性靴子之类的东西。你也不能把东西放在桌子上或者架子上,而必须将它们固定住。失重常常导致宇航病,这种病和晕船一样,都是因为大脑接收到的有关上下方位的信号产生了冲突。当耳朵中的半规管在重力作用下工作时(相当缓慢),你的眼睛可以告诉你水平方位在哪里,从而区分哪个方向是向上,哪个是向下。零重力状态下,耳朵完全没有适应过来,就连眼睛也往往分不清水平方位在哪里,由此带来的生理反应便是恶心。许多宇航员都经历过严重的宇航病,不过幸运的是相关症状似乎两三天就过去了。此外,长时间缺乏锻炼会造成肌肉萎缩,所以空间站配备了健身脚踏车、振动健身器等器材。不过这些器材都是经过改造的,可以把宇航员固定在上面。
 
处于零重力状态下一段时间后,人体内的血液量也会减少。在太空中,宇航员不会有太多不适的感觉。但是当宇航员返回地球后,加上肌肉萎缩和重力恢复,人会感到非常不适。在飞往火星的长途旅行中,这可能会造成一些麻烦,因为宇航员在抵达火星的时候需要保持高度警觉和健康的体魄。另外,在太空中,由于四肢支撑身体重量的工作量大幅减少,身体会认为骨骼不需要那么健壮,因此骨骼中的钙也会大量流失,流失速率可能高达每月1%。如果长时间在太空停留的话,就会带来非常严重的问题。
国际空间站的宇航员们在共同体验零重力的过程中拉近了彼此的距离。失重一开始是很好玩,但其实也会有诸多不便。
 
资料档案丨人造重力
 
科学家们想出了各种方法来产生人造重力。在电影中,我们看到航天器的环形部分通过旋转就能在外部产生人造重力(左图),但在现实中是不容易做到的。一种可能的解决办法是将航天器分成两部分,一部分放置发动机,另一部分作为生活区。两部分由电缆相连,让它们围绕共同的重心旋转。
医疗紧急事故
 
当宇航员执行任务的时间越来越长,生病、受伤或只是牙痛的可能性都会越来越大。因此,大多数任务都会有一名能够处理此类紧急情况的医生随行,并且所有宇航员都必须接受急救以及各种技能的培训,以便随时接手任何失去正常行动能力的同伴的工作。不过还有另外一个棘手的问题,如果有人死在太空中该怎么办?接下来几个星期也不能一直把尸体留在大家身边,那他们会把同伴直接“埋葬”在太空中吗?
空间站中的宇航员必须坚持每天锻炼几小时,以避免肌肉萎缩和骨质流失。
 
太空辐射
 
离地球越远,辐射带来的危险就越大。在地球表面,大气中的臭氧可以阻挡大部分来自太阳的紫外线,地球磁场也能阻挡大部分有害的宇宙射线。但到了环绕地球的轨道上,尽管紫外线还是无法穿透太空船,但是其他辐射带来的风险却增大了。如果宇航员登上火星,紫外线辐射可能是一个更严重的问题,因为火星没有臭氧层,其表面从早到晚都完全暴露在紫外线的辐射下。宇航服必须能阻挡紫外线,否则宇航员会被严重烧伤。
 
宇宙射线的危害比紫外线更大,最好用含有大量氢原子的材料来隔绝。神奇的是,最简单的聚合物之一——聚乙烯,在这方面的表现十分卓越。航天器周围30厘米厚的聚乙烯墙能吸收30%的辐射。但还是有很多射线会进入到舱体中,为了最大限度地减少其危害,其中一种方法是让宇航员补充大量的维生素C和其他富含抗氧化剂的食物,这些食物能够清除身体内因辐射产生的有害离子和自由基。
 
 
 



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