宇航員在太空中面對的問題

□ 李鵬程

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宇航員在太空中面對的問題

□ 李鵬程

方興未艾的太空探索事業(yè)

20世紀(jì)60年代，人類開啟了太空航行的新紀(jì)元。1961年4月12日莫斯科時間上午9時零7分，蘇聯(lián)宇航員尤里?阿列克謝耶維奇?加加林（Yuri Alekseyevich Gagarin）乘坐“東方1號”宇宙飛船從拜克努爾發(fā)射場起航，在最大高度為327千米的太空軌道上繞地球一周，歷時1小時48分鐘，于上午10時55分降落在蘇聯(lián)境內(nèi)，完成了世界上首次人類太空飛行，實現(xiàn)了人類進(jìn)入太空的夢想。1969年7月16日，阿波羅11號宇宙飛船從美國佛羅里達(dá)州肯尼迪空間中心起航，世界標(biāo)準(zhǔn)時間7月20日20時18分，宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林乘坐阿波羅11號宇宙飛船的月球艙在月球靜海成功登陸，大約6小時后，兩位宇航員走出月球艙，雙腳直接踏上月球表面，這是人類首次到達(dá)地球之外的另一個星球。

如今，載人太空探索事業(yè)方興未艾，發(fā)達(dá)國家紛紛制定新的載人太空規(guī)劃。目前，國際空間站（International Space Station，ISS）仍然在太空中航行，它的第一個組成部分于1998年進(jìn)入太空軌道，自2000 年11月以來，一直有宇航員在國際空間站上從事生物、醫(yī)學(xué)、氣象、物理和天文等科研活動。國際空間站由美國、俄羅斯、歐洲、日本和加拿大等多個國家聯(lián)合運轉(zhuǎn)，它是人類載人太空探索的一個典范。

圖1 太空第一人，蘇聯(lián)宇航員尤里?阿列克謝耶維奇?加加林

圖2 阿波羅11號宇宙飛船月球倉著陸月球，圖中美國宇航員阿姆斯特朗在月球表面工作。

2003年10月15日9時，我國成功發(fā)射神舟五號載人飛船，將航天員楊利偉送入太空，2003年10月16日6時23分返回。這次飛行拉開了我國載人航天事業(yè)的序幕，標(biāo)志著中國成為繼俄羅斯和美國之后第三個將人類送上太空的國家。2013年6月11日17時38分，神舟十號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2013年6月26日，神舟十號載人飛船返回艙成功返回地面。飛行乘組由男航天員聶海勝、張曉光和女航天員王亞平組成，他們完成了預(yù)訂的科研活動、太空授課、手控對接和交會試驗等多項任務(wù)。

圖3 太空中的國際空間站（I nt ernat i onal space st at i on，I SS）

圖4 三位航天員在神州十號返回艙內(nèi)

太空飛行面對的種種問題

目前，月球是人類親自到達(dá)的地球之外的唯一天體，下一步，人類乘坐宇宙飛船探測的目標(biāo)是火星。宇航員和科學(xué)家一旦乘坐宇宙飛船進(jìn)入太空，離開了習(xí)慣的環(huán)境，沒有了地球大氣層的保護(hù)，將會遇到種種難題，面臨嚴(yán)峻的考驗。首先，離開了溫暖的家庭，離開了熟悉的朋友和同事，孤獨感會油然而生；其次，在太空中，存在強烈的電磁輻射和各種高能帶電粒子，它們會嚴(yán)重傷害宇航員的身體健康，可能導(dǎo)致人體組織發(fā)生癌變；另外，在食物方面，太空中沒有新鮮烹制的可口食品，一天一天宇航員只能吃到預(yù)先準(zhǔn)備好的冷凍脫水食物，這對消化系統(tǒng)是一個考驗；還有，除了完成預(yù)定的各項科學(xué)任務(wù)外，宇航員每日還要進(jìn)行身體鍛煉，以防止身體的肌肉萎縮和骨骼疏松等問題；此外，和兩三個或許自己并不熟悉的宇航員禁閉在一個狹小的空間，也會讓人倍感壓抑。當(dāng)然，宇航員面對的問題還有許多，多年來各國科學(xué)家正在不斷總結(jié)和研究，期望解決各種不利于太空飛行的難題。

2015年3月，美國國家航空航天局將宇航員斯科特?凱利（Scott Kelly）送到國際空間站，決定讓他在那里工作一年的時間，這比普通宇航員半年的時間延長了一倍。同時，美國國家航空航天局還通過宇航員斯科特?凱利進(jìn)行各種實驗，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)，力求改進(jìn)應(yīng)對太空問題的方法。宇航員連續(xù)在太空工作一年的時間，這對于今后探索火星是一個準(zhǔn)備，因為，按目前規(guī)劃宇宙飛船往返火星可能需要三年或更多的時間。大致說來，參與太空飛行的宇航員在太空中會遇到如下五個方面的問題。

圖5 將在國際空間站工作一年的宇航員斯科特?凱利（Scot t Kel l y）

重力變化引起的問題

未來，人類飛往火星，宇航員要經(jīng)歷自身重力的系列變化。從地球到火星的長途跋涉中，宇航員處于失重狀態(tài)；在火星上，宇航員的重力約為地球上重力的三分之一；從火星返回地球的途中，又是失重狀態(tài)；回到地球后，宇航員需要適應(yīng)原來的正常地球重力狀態(tài)。這些重力變化，聽上去似乎平平常常，殊不知，它會給宇航員帶來許多麻煩和不良后果。

生活在地球上，人的方向感非常明確，大腦可以輕易地分辨上下、前后和左右，并指揮眼睛、手腳和身體做出相應(yīng)的動作，實現(xiàn)自己的目的。然而，失去重力的環(huán)境，對于人體而言也就失去了上和下等方向感。假如你從飛船的地面上跳起，你不會馬上落回原地，而是一直向跳起的方向前進(jìn)，直到你的頭碰到飛船的墻壁。在失重的狀態(tài)，你的大腦和眼睛、眼睛和手腳都不會那么協(xié)調(diào)，你的手腳可能真的不聽指揮，所以，在太空中，你會得一種“行動和動作失控病”。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在失重的狀態(tài)下，人體的骨骼會過量損失礦物質(zhì)，其礦物質(zhì)的密度每月會下降1%，與之相比較，在地球正常生活的老年人每年骨骼中礦物質(zhì)的損失率為1%～1.5%。即使宇航員返回地球后進(jìn)行長時間療養(yǎng)，也不會恢復(fù)到之前的正常水平，因此，他們在日后的生活中，因骨質(zhì)疏松而發(fā)生骨折的危險性比普通人高許多。

圖6 在太空處于失重狀態(tài)的宇航員沒有在地球表面的方向感

此外，在太空中，宇航員可以輕易地移動自己的身體，不費吹灰之力地拿起原本很重的物件，因此，身體的肌肉將長期處于松弛狀態(tài)，如果不進(jìn)行鍛煉并保持適當(dāng)?shù)娘嬍?，宇航員的肌肉會失去它的強度和韌性。在失重的狀態(tài)下，人體內(nèi)的體液還會大量涌向頭部壓迫眼睛，引起視覺問題。另外，由于脫水作用和骨骼中鈣的流失，宇航員非常容易出現(xiàn)腎結(jié)石?？傊?，太空中的失重狀態(tài)會帶給人體各種各樣的麻煩。

當(dāng)然，科學(xué)家們總結(jié)過去的經(jīng)驗教訓(xùn)，找到了應(yīng)對失重問題的一些辦法，例如，在人體大腿部位，緊緊纏繞束縛帶，可以將體液保留在人體的下半身，以免過量的體液壓迫眼睛引起視覺障礙；服用藥物檸檬酸鉀可以有效緩解腎結(jié)石的發(fā)生；藥物二磷酸鹽則可以有效減少骨骼礦物質(zhì)的流失?？茖W(xué)家還采用多種儀器仔細(xì)檢測國際空間站上宇航員的各種生理變化，記錄大量數(shù)據(jù)用來進(jìn)一步研究，為將來的太空航行做準(zhǔn)備。

孤立且有限的活動空間

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，如果一個人長期處在一個孤立且有限的狹小空間，那么，他的行為舉止必定會出現(xiàn)問題，異于常人。宇航員所處的宇宙飛船就是這樣的一個場所，盡管經(jīng)過了嚴(yán)格的挑選和訓(xùn)練，宇航員仍然會出現(xiàn)或輕或重的行為問題。將來，登陸火星需要更長的時間，這類問題將會更加突出。這些行為問題可能表現(xiàn)為情緒低落、認(rèn)知力變差、缺乏精氣神以及人與人之間不能有效互動；生活在這樣的環(huán)境，常常導(dǎo)致人的生理節(jié)奏紊亂，比如，睡眠失調(diào)；在這樣的環(huán)境下工作，且工作相當(dāng)繁重時，宇航員的疲勞感明顯加??；再加上宇宙飛船長時間航行時，那里沒有新鮮的高營養(yǎng)食品，這使得上述種種表現(xiàn)會更加明顯。

在這方面，科學(xué)家們也做了多年的研究，取得了一些成果。目前，宇航員可以使用精巧的體動記錄儀記錄睡眠時身體的動變次數(shù)以及當(dāng)時的光照情況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以了解宇航員的睡眠質(zhì)量與光照的關(guān)系。研究人員利用先進(jìn)的發(fā)光二極管技術(shù)，設(shè)計了全新的照明系統(tǒng)，它可以調(diào)節(jié)宇航員的生理節(jié)奏，改善他們的睡眠質(zhì)量。研究人員還制訂了一套讓宇航員在短時間內(nèi)進(jìn)行自檢的方法，檢驗其疲勞程度對其行為的影響。另外，寫日志也可以減輕宇航員的挫折感，且這些記錄有利于科學(xué)家日后進(jìn)一步研究“孤立且有限的活動空間”對宇航員的不利影響。

圖7 在國際空間站上的宇航員，可見他們的活動空間非常有限。

有害健康的封閉環(huán)境

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在太空中微生物會改變它的特性，而且，在宇宙飛船和國際空間站這樣的封閉環(huán)境中，寄生在人體上的細(xì)菌更容易在人與人之間傳播。此時，人體的應(yīng)激激素處在較高水平，免疫能力減退，因此，更容易產(chǎn)生各種過敏反應(yīng)和疾病。為了應(yīng)對這些問題，科學(xué)家利用最新的生物技術(shù)、物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)來保障宇航員的健康。首先，實時監(jiān)測航天器內(nèi)的空氣質(zhì)量，防止因甲醛、氨氣和一氧化碳等有害氣體超標(biāo)；其次，通過分析宇航員的尿樣、唾液和血液，檢查他們是否有病毒和細(xì)菌感染，也可以監(jiān)測他們的免疫狀態(tài)；另外，對于宇航員身體各部位、衣物、艙內(nèi)設(shè)備和墻壁等等，做取樣分析，保證那里不存在過多的有害微生物；同時，宇航員生活和工作的每一個角落，都要精心規(guī)劃和安排，保持整潔，力求創(chuàng)造一個健康安全的環(huán)境。

圖8 太空中有太陽和其他天體的輻射，包括電磁輻射和高能粒子兩類。

圖9 N ASA新設(shè)計的硬殼太空服

太空的輻射問題

離開地球表面，來到太空，沒有了地球大氣層和地球磁場的保護(hù)，宇航員會經(jīng)受嚴(yán)厲的電磁輻射和粒子輻射。國際空間站上的輻射強度是地球表面的十倍以上，如果飛往火星，則宇航員承受的輻射強度更大，輻射的類型可能也有所不同。太空中的強烈輻射對宇航員的危害非常大，可導(dǎo)致多種疾病。例如，輻射可能提高癌癥病患概率，也可危害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生長期或短期的病癥，常常表現(xiàn)為認(rèn)知功能減弱、運動功能減退和行為失常；太空輻射還會引起惡心、嘔吐、厭食和疲勞等癥狀；長時間處于太空輻射之中，可能使得宇航員身體的某些組織變性，產(chǎn)生白內(nèi)障及心臟與循環(huán)系統(tǒng)疾病，等等。目前，研究人員在地面實驗室和國際空間站同時展開研究，監(jiān)測輻射是如何影響人體的，力求今后制作更好的宇航服及采用更好的材料制造宇宙飛船來保護(hù)宇航員，減少太空輻射對他們的傷害。

超長距離帶來的麻煩

圖10 遠(yuǎn)距離太空飛行會遇到許多麻煩，與火星上的宇航員完成一個問答就需要20多分鐘。

人類下一個實地探索的目標(biāo)是火星，火星距離地球的平均距離為2.25億千米，而月亮與地球的平均距離只有38.4萬千米。當(dāng)火星處在2.25億千米遠(yuǎn)處時，火星附近的宇航員與地面人員完成一次問答需要約25分鐘，他們要討論一個簡單問題，可能要花費數(shù)小時，這非常不利于宇航員通過咨詢地面人員來解決問題，若是緊急情況，這種方式更是無能為力。因此，宇航員必須自己處理出現(xiàn)的各種技術(shù)故障和突發(fā)情況，同時也需要解決自己身體出現(xiàn)的健康問題，例如，宇航員必須會使用超聲儀器檢查身體，會配置簡單的藥物，保持身體健康，當(dāng)然，事先需要對宇航員做相關(guān)的培訓(xùn)。目前，研究人員正在通過國際空間站上的實驗，為下一步火星探索和其他太空活動做準(zhǔn)備。

（責(zé)任編輯 張長喜）