新維京時(shí)代的太空危機(jī)

邢強(qiáng)

國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)把地面以上100千米的高度定為大氣層與太空的分界線，并將這條線命名為卡門線，以此來紀(jì)念美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱JPL）的創(chuàng)始人、錢學(xué)森先生的導(dǎo)師馮·卡門教授。從幾何意義上來說，卡門線無非是一層包裹著地球的球殼，但是對(duì)于處于太空探索時(shí)代的人類而言，其象征意義無異于維京時(shí)代那條將陸地與海洋分隔開來的海岸線。實(shí)際上，那些跨過卡門線進(jìn)行太空探索的科學(xué)家和宇航員們?cè)诿半U(xiǎn)程度和開拓精神上并不遜于維京時(shí)代的航海家。將現(xiàn)今的太空探索時(shí)代稱作新維京時(shí)代也未嘗不可。

維京海盜瘋狂的掠奪行徑使其身背野蠻人的烙印，但優(yōu)秀的造船和航海技術(shù)以及大無畏的探險(xiǎn)精神也為其贏得了榮譽(yù)。俄羅斯人就以這些北歐海盜的俄語叫法“瓦良格”命名過好幾艘軍艦。

如果你去問一個(gè)維京海盜船長(zhǎng)，在航海過程中他最懼怕什么。最可能的回答應(yīng)該是：我不害怕戰(zhàn)爭(zhēng)與瘟疫，但卻恨極了不體面的死法。比如撞上北冰洋的冰山隨船沉沒、被船上突發(fā)的大火所吞噬、墜入冰冷的海洋與千萬浮冰永遠(yuǎn)做伴。捫心自問，在科技發(fā)達(dá)物質(zhì)豐富的現(xiàn)代，我們?nèi)匀粺o法完全避免戰(zhàn)爭(zhēng)和疾病。在新維京時(shí)代，我們又能否徹底戰(zhàn)勝冰山、大火和墜海這些事故呢？

2013年最震撼人心的電影之一——《地心引力》將空間碎片撞擊、空間站大火以及孤零零墜入太空三種危險(xiǎn)以3D電影的方式呈現(xiàn)在我們眼前，向我們展示了在新維京時(shí)代進(jìn)行太空探索的危險(xiǎn)以及人類的智慧和勇氣。

冰山，空間碎片的威脅

廣闊無垠的太空中自由漂浮似乎可以不用像維京人那樣擔(dān)心狂風(fēng)暴雨和兇險(xiǎn)的冰川暗礁了。很抱歉提醒前往太空的乘客：當(dāng)船進(jìn)入太空后，冰山暗礁也跟著進(jìn)入了太空，那就是空間碎片。

在航天器的發(fā)射和運(yùn)行過程中，由于破損、碰撞和爆炸等原因會(huì)產(chǎn)生大量空間碎片。這些碎片在軌道上高速運(yùn)行，給航天器帶來了極大威脅?，F(xiàn)在太空中有大約10萬個(gè)直徑大于1厘米的碎片，其中1.2萬塊直徑大于10厘米的碎片足夠且隨時(shí)會(huì)成為飛船或空間站的殺手。雖然這些碎片比起冰山從體量上來說顯得極微不足道，但繞地軌道賦予其的極高速度使得碎片擁有巨大的破壞力。

在300千米到500千米高的軌道上，空間碎片以接近8千米/秒的速度飛行，當(dāng)碎片以一定的角度與航天器相撞時(shí)，相對(duì)速度能夠達(dá)到10千米/秒以上（1996年，一塊撞斷法國(guó)電子偵察衛(wèi)星重力梯度穩(wěn)定桿的碎片與該衛(wèi)星的相對(duì)速度為14千米/秒）。一塊從運(yùn)載火箭上剝落的直徑1厘米，厚度1毫米的漆片在碰撞瞬間能夠給航天器送上高達(dá)4 800焦耳的動(dòng)能。該能量和一枚7.92毫米毛瑟步槍專用S.m.K.H. 穿甲彈的出膛動(dòng)能相當(dāng)。美國(guó)科學(xué)家凱斯勒在1978年提出了一種理論假設(shè)：“當(dāng)在近地軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的物體的數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，這些物體在碰撞后產(chǎn)生的碎片將形成更多的新撞擊，從而引發(fā)連鎖效應(yīng)。這意味著近地軌道將被危險(xiǎn)的空間碎片所覆蓋。由于失去了能夠安全運(yùn)行的軌道，在之后的數(shù)百年內(nèi)太空探索和人造衛(wèi)星的運(yùn)用將變得無法實(shí)施?！?/p>

按他的推斷，今后在近地軌道運(yùn)行的空間站將陷入槍林彈雨之中。既然目前所在的軌道上有危險(xiǎn)的空間碎片，那為什么不把軌道高度降低到300千米以下或者升到500千米以上呢？

影響空間站軌道高度的因素有很多。比如用戶需求，用于對(duì)地觀測(cè)尤其是對(duì)地軍事偵察的空間站的軌道較低，以確保觀測(cè)圖像有較高的分辨率；而對(duì)于長(zhǎng)期無人值守且沒有較強(qiáng)軌道機(jī)動(dòng)能力的空間站來說，軌道越高則越有利于延長(zhǎng)其使用壽命。另外，限于目前運(yùn)載火箭的運(yùn)輸能力，大型空間站的組件也只能發(fā)射到低近地軌道的高度了。

決定軌道高度的另一個(gè)要素是補(bǔ)給。早期低近地軌道（低于500千米）空間站的補(bǔ)給品中，占最大份額的不是宇航員的飲水和食品，而是供空間站維持軌道所需的燃料。雖然在太空運(yùn)行，但空間站軌道高度上仍然有稀薄大氣存在。這些大氣帶來的飛行阻力，隨時(shí)都在拉低空間站的高度。以蘇聯(lián)“禮炮”系列試驗(yàn)型空間站為例，當(dāng)空間站運(yùn)行在200千米到300千米之間軌道上時(shí)，每天耗費(fèi)15千克燃料以維持軌道高度，否則每過24小時(shí)，空間站的軌道就會(huì)降低3千米，不出半個(gè)月空間站就會(huì)栽入稠密大氣成為一顆綻放的禮花了。可是，每過兩個(gè)多月就得補(bǔ)充1噸燃料的空間站實(shí)在是個(gè)耗能大戶。因此后來的“禮炮”6號(hào)空間站的軌道提升到了349千米，“禮炮”7號(hào)更是升到了475千米，在這樣的高度下每天用不到0.5千克的燃料就足以維持空間站軌道高度。

既然軌道低了不好，是不是提升到500千米以上，越高越好呢？空間站孤零零地漂浮在太空，其泄露的氧氣和氮?dú)庑枰a(bǔ)充、損壞的元器件需要更換、宇航員必需的食品、藥品都需要貨運(yùn)飛船或者航天飛機(jī)（已退役）等天地往返器來補(bǔ)給。通常情況下，這些往返器先由運(yùn)載火箭運(yùn)送到240千米至300千米的停泊軌道，再經(jīng)變軌機(jī)動(dòng)“跳”到較高的空間站軌道。如果空間站的軌道太高，那往返器就需要更多的能量來進(jìn)行變軌，或者一次只能攜帶很少的補(bǔ)給品。

較小的空間站一次儲(chǔ)存不了太多貨物，每年需要多次補(bǔ)給。為了節(jié)省補(bǔ)給飛船的燃料，較小空間站的軌道需要低一些。而對(duì)于大型空間站來說，每年最多只需補(bǔ)給一次，軌道可以適當(dāng)提高。假設(shè)補(bǔ)給能力為一艘6噸重的飛船每3個(gè)月運(yùn)送500千克補(bǔ)給品，小型空間站的最佳高度應(yīng)在370千米附近，而大型空間站的最佳高度大約在520千米處。當(dāng)然，影響軌道高度的因素是比較復(fù)雜的，目前國(guó)際空間站就維持在413千米到420千米的高度，顯然是考慮了補(bǔ)給之外的因素（如宇宙輻射、實(shí)驗(yàn)科目等）。

單憑改變軌道高度的方式是無法完全避免空間碎片的，因?yàn)楦鞣N有心的無意的“垃圾”已經(jīng)普遍存在于地球上空各種各樣的軌道上。美國(guó)在上世紀(jì)六十年代實(shí)施了 “西福特計(jì)劃”，旨在將4.3億根銅針散布到3 500千米到3 800千米之間的軌道上，以形成一個(gè)環(huán)狀金屬云。在海底電纜被割斷的時(shí)候，美軍仍能借助這個(gè)云團(tuán)來實(shí)現(xiàn)全球通信?？上н@些銅針的散布并沒有全部按照計(jì)劃進(jìn)行。直至今天，空間軌道上還有不少逃出預(yù)定軌道的銅針在游蕩著。該事件被提交到聯(lián)合國(guó)處理，并最終促成了《外層空間條約》的誕生。

目前空間站主要靠監(jiān)測(cè)較大碎片、忍受較小碎片（平均每5天就會(huì)遭受一次較小碎片的撞擊）以及變軌機(jī)動(dòng)躲避和設(shè)置逃生艙的方式來預(yù)防新維京時(shí)代的冰山事故。

大火，太空滅火器的無奈

船舶是個(gè)易燃物遍地、人員密集的地方。一旦燃起大火，維京海盜們就會(huì)面臨著兩難選擇：要么留在熊熊火焰中，要么跳進(jìn)冰冷刺骨的海水中。兩個(gè)選擇的后果都有些不堪設(shè)想。

在太空中，火災(zāi)的威脅也不可小覷。航天飛機(jī)執(zhí)行前50次任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)過5次火險(xiǎn)。1982年前蘇聯(lián)“禮炮”7號(hào)空間站發(fā)生了嚴(yán)重火災(zāi)，滅火器無力控制火情，最后宇航員不得不打開艙門讓太空的真空環(huán)境吸走艙內(nèi)的空氣才保住了空間站。1997年，“和平”號(hào)空間站的大火也發(fā)展到了難以控制的程度，直至燒了14分鐘后，站內(nèi)已無可燃物供燃燒時(shí)，火球才逐漸散盡。

比起維京海盜們，空間站中的宇航員們?cè)诨馂?zāi)面前顯得更加無力。高高在上的空間站內(nèi)屬于高氧氣濃度微重力環(huán)境。當(dāng)然并不是說不受地球引力影響，而是空間站繞地高速運(yùn)行從而營(yíng)造出類似高速下行電梯那樣的失重環(huán)境。即使是遠(yuǎn)在380 000千米以外的月球都難逃地心引力的威力，何況是在距離地面僅僅數(shù)百千米的低近地軌道上。微重力環(huán)境中，火焰附近沒有明顯的空氣對(duì)流，因此火焰會(huì)呈球形，并且相當(dāng)穩(wěn)定，不會(huì)閃爍。火焰的能見度很低，通常不可見或者略呈藍(lán)色。這團(tuán)靜逸飄忽且無聲的殺手溫度高達(dá)880℃，可以瞬間將紙張、電纜、衣物等物品引燃。通常的火警探測(cè)器主要依靠火焰的光、熱、煙塵等特征進(jìn)行探測(cè)。而太空中的火焰可見性低，空氣對(duì)流不明顯也很難把熱量傳遞到探測(cè)器上，艙內(nèi)充足的氧氣供應(yīng)使得太空的火焰往往不會(huì)伴隨煙塵。探測(cè)器的三個(gè)手段在太空中都無法施展，因此難以把太空火災(zāi)扼殺在萌芽階段（航天飛機(jī)上安裝有多個(gè)火焰探測(cè)器，但是上述5次火警中，這些探測(cè)器均未報(bào)警，最終是宇航員的鼻子聞到燒焦氣味才發(fā)現(xiàn)了火情）。另外，太空火焰的燃燒動(dòng)力學(xué)與我們的常識(shí)有很大出入。比如微重力環(huán)境下固體表面的火的蔓延，會(huì)有逆風(fēng)火焰快于順風(fēng)火焰并且比順風(fēng)火焰旺盛的現(xiàn)象，沒能掌握這些要領(lǐng)的宇航員在與火災(zāi)搏斗時(shí)往往會(huì)難以撲滅火焰甚至?xí)偈够鹧孢M(jìn)一步傳播。

為了應(yīng)對(duì)太空突發(fā)的火災(zāi)事故，美國(guó)載人航天器早早地就裝上了哈龍1301滅火器。這種滅火器噴出的氣體只要在空氣中達(dá)到了5%的濃度就能徹底隔絕氧氣和可燃物的接觸，達(dá)到滅火的目的，功能強(qiáng)大。但是當(dāng)滅火氣體的濃度超過10%的時(shí)候，就會(huì)生成有毒的鹵化氫氣體。這對(duì)于處于密閉環(huán)境中的宇航員來說可不是個(gè)好消息。弄不好，沒被燒死卻被自己噴出的氣體給毒壞了。后來，人們發(fā)現(xiàn)哈龍滅火器中的鹵代烷氣體對(duì)臭氧層的破壞力比大家深惡痛絕的氟利昂還要強(qiáng)10倍，于是這種滅火劑被《蒙特利爾協(xié)定書》塵封在了歷史中。出現(xiàn)在紀(jì)錄片或者電影中的那種可以由宇航員拎著走的滅火器便屬此類。該滅火器裝有3千克鹵代烷，可以工作30秒。

目前，國(guó)際空間站上使用的是二氧化碳滅火器。在沉重鋼瓶中儲(chǔ)存的高壓二氧化碳?xì)怏w可以在極短的時(shí)間內(nèi)讓空間站里的二氧化碳濃度達(dá)到50%以上。當(dāng)然，如果艙內(nèi)有宇航員的話，他們最好快速戴上呼吸器，因?yàn)楫?dāng)人呼吸的空氣中二氧化碳的濃度達(dá)到17%以上時(shí)，會(huì)使人在1分鐘內(nèi)死亡。鋼瓶給空間站帶來的附加載荷以及使用過程的不便使得這種滅火方案注定終將被替代。

現(xiàn)今看來，比較有前途的空間站滅火方案便是潑水了。不要笑，雖然1 000多年前的維京海盜們都懂得舀海水來澆滅火焰，但是此水非彼水。眾所周知，我們不能用水來澆滅電氣火災(zāi)，而空間站本身就是個(gè)電子器件大集合。但是，當(dāng)把水打散成極其細(xì)小的水滴的時(shí)候，水就會(huì)失去了大部分的導(dǎo)電能力，如果還不放心的話，可以用不導(dǎo)電的去離子水。噴灑出去的水霧不會(huì)遺留有毒物質(zhì)，也不會(huì)立刻威脅宇航員的安全。用水霧來滅火的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以同時(shí)清理掉火災(zāi)產(chǎn)生的有毒氣體。在微重力環(huán)境下，有毒氣體小顆粒會(huì)飄散在空間站內(nèi)，而霧化后的水有極強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)臟水霧在空間站空氣循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)重新凝結(jié)成水滴的時(shí)候，經(jīng)過過濾處理，水還能被再次利用。并且，水霧的快速蒸發(fā)能夠降低艙內(nèi)溫度，減輕環(huán)境控制系統(tǒng)的壓力。

墜海，擺脫束縛的繩索

如果一名維京水手墜入波濤洶涌的巴倫支海的話，料他有再好的水性也難以支撐1個(gè)小時(shí)。而如果墜入了茫茫太空，宇航員又將面臨怎樣的命運(yùn)呢？

太空中無從借力，處于近地軌道中的宇航員如果沒有推進(jìn)裝置的話，將會(huì)漂浮在無氧、超低溫、強(qiáng)輻射的太空中，成為一顆人體衛(wèi)星。運(yùn)氣足夠好的話，他會(huì)躲開所有的空間碎片，成功地繞地球飛行，并能在24小時(shí)內(nèi)看到16次日出日落（如果他帶著足夠的氧氣）。之后，隨著大氣阻力等因素的損耗作用，他的軌道會(huì)越來越低越來越圓，地球上的美景在他眼前掠過的腳步也越來越匆忙。最后他將會(huì)再入大氣層成為一顆璀璨的流星。

既然這么危險(xiǎn)，那么為什么還要讓宇航員出艙呢？

實(shí)際上，太空出艙活動(dòng)是很難避免的。比如哈勃望遠(yuǎn)鏡需要宇航員定期維護(hù)。它上面有6個(gè)用于調(diào)整姿態(tài)的陀螺儀。隨著時(shí)間的推移，陀螺儀會(huì)逐漸漂移偏離正常的角度，使得望眼鏡無法瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)方星系。這就需要宇航員通過太空行走來到望遠(yuǎn)鏡上，對(duì)陀螺儀實(shí)施人工更換，順便還要更換性能下降的電池和破損的太陽能電池帆板等。另外，哈勃望遠(yuǎn)鏡沒有變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，這艘“沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的大船”需要由航天飛機(jī)定期地向高處推一下，以維持正常的軌道高度不至于墜入大氣層。隨著航天飛機(jī)的退役，哈勃望遠(yuǎn)鏡失去維持軌道高度的幫手，幾年后就將壽終正寢。

既然太空補(bǔ)帆和太空系纜繩等活動(dòng)是必不可少的，宇航員的出艙活動(dòng)也就不可避免了。好在大多數(shù)的出艙宇航員都系著一根叫做“臍帶索”的安全帶把自己和航天器綁在一起。當(dāng)然，技術(shù)的進(jìn)步會(huì)幫助人類在太空中越走越遠(yuǎn)。1984年2月，美國(guó)宇航員麥坎德利斯操縱著MMU（載人機(jī)動(dòng)單元）進(jìn)入了太空，成為首位擺脫繩索遨游太空的宇航員。這套擁有24個(gè)氮?dú)鈬娮熘剡_(dá)148千克的裝置共使用過3次，最遠(yuǎn)將人送到了離航天器100米遠(yuǎn)的地方。后來該裝置的減重版SAFER（艙外活動(dòng)簡(jiǎn)便救援裝置）成為了宇航員的自救必備裝備。該裝置僅重37.7千克，可以提供13分鐘推進(jìn)力。今后，能夠提供更持續(xù)的動(dòng)力和更強(qiáng)大的防護(hù)能力的艙外宇航服的出現(xiàn)將會(huì)使宇航員即使墜入太空也不至于束手無策了，甚至可以像鳥兒一樣，長(zhǎng)期地自由地在太空中翱翔。

只要是向未知世界進(jìn)行探索，就會(huì)遇到危險(xiǎn)和困難。但是，憑借智慧和勇氣，人類總是能夠戰(zhàn)勝這些阻礙。在這個(gè)新維京時(shí)代，我們回首往事，窗外的鳥鳴聲和風(fēng)聲讓我們想起了公元9世紀(jì)時(shí)的北歐著名航海家弗勒基。他總是在船上養(yǎng)著烏鴉，并且不時(shí)地將籠中的鳥兒放飛。如果鳥兒在船的周圍漫無目的地飛翔，那說明離陸地還遠(yuǎn)著呢。而如果鳥兒朝特定的方向飛去，那么他就會(huì)堅(jiān)定地追隨鳥飛去的方向。通過這個(gè)方法，他到達(dá)了地球上最后一個(gè)無人居住的大島——冰島。