发明创造的故事（245）宇宙飞船与航天技术

　　宇宙飞船与航天技术
　　宇宙，对于人类有一种神秘的魅力。清晨冉冉升起的旭日，晚上夜空中眨着眼的星星，皎洁的月亮，都让人浮想联翩。人类渴望了解＂外面的世界＂，于是就有了许多关于宇宙的美丽神话。＂嫦娥奔月＂在我国是一个妇孺皆知的神话。在这个神话中，嫦娥吞下一颗长生不老的药丸，就飞到了月球上。而在现实中，要达到月球谈何容易！要知道似乎近在咫尺的月球，与地球平均距离是384401公里。
　　月球和地球
　　然而，人类的智慧是可以战胜一切的。20世纪中叶，许多有志于探求宇宙奥秘的科学家，都在试图研制一种能载人在太空中遨游的飞行器——宇宙飞船。
　　在这一领域，前苏联和美国走在各国的前面。上个世纪50年代，前苏联政府拨出大量资金作为宇宙飞船的研制经费。成千上万的科学家、航天技术专家聚集在一起，研究外层空间的飞行、宇宙飞船的材料和结构等技术。他们考虑的问题，大到宇宙飞船的模型设计，小到宇航员上厕所的问题。要在茫茫的宇宙中航行，任何的细节问题都是马虎不得的。经过众多科学家的努力，人类历史上的第一艘宇宙飞船诞生了！它是由球形密封座舱和圆柱形仪器组成，除了具备一般人造卫星基本系统设备外，还设有生命维持系统、重返地球用的载入系统、应急跳逸系统及回收登陆系统等。
　　苏联东方1号
　　1961年4月12日，这艘名为＂东方1号＂的宇宙飞船，载着前苏联宇航员尤里•加加林，在空间绕地球一圈，飞行了1小时48分钟。在＂东方1号＂宇宙飞船返回地面前，抛掉了末级运载火箭和仪器舱，只剩下座舱单独进入大气层；当座舱下降到离地面只有7公里时，飞船座舱弹出宇航员，然后，宇航员用降落伞单独着陆。
　　＂东方1号＂宇宙飞船的航行成功，意味着人类已经可以飞出地球，在宇宙空间中航行了。广大的科学家也深受鼓舞，以更大的热情投入宇宙飞船的研制中去。
　　此后，前苏联在1961年---1965年还连续发射了＂东方2号＂、＂东方3号＂、＂东方4号＂、 ＂上升2号＂宇宙飞船，都获得了成功。
　　与此同时，美国也抓紧宇宙飞船的研制工作。终于在多次成功和失败的研制、发射基础上，制成了＂阿波罗11号＂宇宙飞船。这艘宇宙飞船长25米、重45吨。在飞船内，有3把靠椅，在靠椅的上方，安装了各种控制飞船的仪器。用于发射＂阿波罗11号＂的三级火箭有85米长，重达2700吨。这个巨大的工程耗资达 240亿美元，有40多万人参加了它的研制工作。
　　阿波罗11号
　　1969年7月16日，在美国肯尼迪航天中心，发射了载有3名宇航员的宇宙飞船。＂阿波罗11号＂升空后，先用两个多小时绕地球一圈半，然后飞向月球。又经过73小时的飞行，宇宙飞船于1969年7月20日到达月球。
　　到达月球后，宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐登月舱登月，而宇航员科林斯则继续驾驶指令舱绕月球飞行。
　　阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上做了一系列的实地考察，并采集了22公斤月球上的岩石和土壤标本。他们在月球上逗留了21小时18分钟后，驾驶登月舱进入轨道。然后，登月舱与科林斯驾驶的指令舱对接起来，又形成了完整的飞船，向地球飞去。
　　＂阿波罗11号＂宇宙飞船登月的创举，震动了全世界，人们欢呼人类这一伟大的胜利。
　　阿波罗 11 号登月
　　宇宙飞船是一种航天器，其用途是运送有效载荷往返太空。其再入舱为钝体，没有机翼，可再入地球大气层。由于它容积较小，受到所载消耗性物资数量的限制，不具备再补给的能力，而且不能重复使用的。宇宙飞船可以独立进行航天活动，还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。
　　载人飞船必须能够在太空的真空条件下维持生命，往往还有苛刻的热环境和辐射环境要求。它属于一次性使用的返回型载人航天器。
　　航天器按着执行的任务与属性分类如下：
　　航天器分类如下表
　　哈勃太空望远镜
　　通信卫星
　　遥感卫星
　　自1961年苏联宇航员尤里•阿列克谢耶维奇•加加林乘坐东方1号宇宙飞船完成首次载人航天任务始，人类涉足太空已经将近60年。从＂走入太空＂、＂太空生存＂到＂太空生活＂，宇航员太空生活的质量已经有了质的飞跃。现如今宇航员在太空的衣、食、住、行是怎样的呢？现简述如下：
　　 衣
　　厚重的外壳、圆圆的面罩，这大概是大多数人心目中宇航服的经典形象。但重达几十公斤的宇航服，当然不可能是居住在宇宙空间中的人类的日常穿着。
　　其实，在空间站工作生活的宇航员们，平时会穿着同地面上一样的衬衫和裤子，宇航员通常会一次筹备几个月的衣物，由补给航天器定期送到空间站中。水在太空中是珍稀品，空间站上并不会配备洗衣机，宇航员也不能像在地面上那样频繁地更换衣物——他们可能几天才会得到一条新的T恤或者裤子。不过好在空间站中灰尘很少，宇航员们每天运动后也有机会沐浴并擦去身体表面的汗水，因此衣物不会很快变脏。
　　如果要走出航天器，宇航员依然需要穿着宇航服保护自己。一件宇航服就像一座小型的航天器，既需要保温保压，有足够优秀的性能和强度防御宇宙射线以及微陨石的袭击，还要具备全套的通信系统和生命保障系统。还有一种舱内宇航服一般用于航天器座舱内，在发射和返回地球时保护宇航员，有着平衡温度、提供气压保护的作用。
　　国际空间站内部
　　目前，宇航服正在向着轻便与美观的方向发展，SpaceX公司、波音公司等最新研发的舱内宇航服重量比之前减轻了40%左右。在未来，宇航服应当能让人类在宇宙空间中自由地行动与探索。
　　 食
　　吃喝当然是人生一大乐事，如果生活在太空，我们还能愉快地享用大餐吗？
　　最早的太空餐是让人望而却步的＂牙膏＂：宇航员要从管子里面挤出半流体的食物，不需要咀嚼便可直接吞下肚。苏联宇航员戈尔曼•季托夫有幸成为了第一位享用这份太空大餐的人，他的菜单里有一管蔬菜泥汤，一管法式肥肝肉酱和一管黑加仑果汁。顺便一提，他也是第一位在太空中呕吐的人，不过这倒并非因为食物太难吃，而是由于在太空环境中睡眠引起的太空病。而美国宇航员约翰•格伦1962年乘坐水星飞船起飞时，他的便当盒中塞满了一口大小的食物冻干块，这些小立方块必须在太空中重新加水融成食物泥，装进牙膏管再食用。没有咀嚼的快感，没有多样的选择，首代宇航员的饮食条件相当艰苦。
　　吃货的生产力是不可低估的。很快，牙膏管就被赶出了＂太空餐厅＂。人们发明了种种能在无重力环境中使用的餐具，甚至包括咖啡杯、煎锅。如今，宇航员们已能在太空中自如地使用刀叉等餐具，与地面用餐相当接近。
　　太空食品的种类也丰富了很多，国际空间站中的宇航员有上百种餐品，他们可以选择自己的用餐计划——虽然这一用餐计划是每8天循环的。这并不妨碍宇航员们开发新的太空料理：小饼干、日式寿司、花生酱冰棍，甚至是＂昨天的咖啡＂——奋进号航天飞机的指挥官在采访中自豪地展示了一批再生水，而原料是什么自然不言而喻。
　　然而，制定太空菜谱仍然相当受限。大部分蔬果在宇宙中最多只能保持两天鲜度，空间站中新鲜食品极其稀缺。绝大多数食品只能脱水或加工成罐头运上太空。科学家们正在想方设法解决这一问题，比如在空间站种蔬菜（主要是生菜和西红柿等方便食用的蔬菜）、养螺旋藻。现在，已经有一些宇航员吃上了太空实验生菜。＂太空菜园＂成真之时，人类自给自足的太空居留才能实现。
　　 住
　　我们可以直接居住在某个星球或外太空空间中吗？目前看来这还是不可能的。无论是现阶段的太空站，还是想象中的＂火星殖民地＂，人类都需要一个足够庞大坚固的人造建筑来保护自己。多国合作、经营多年的国际空间站，是现阶段唯一真正实现长期居住功能的太空场所。国际空间站内部比一座五居室公寓要宽敞得多，除了用于科研用途的实验室，还设置有两间浴室、健身设施和一个360度视野的凸出舷窗。
　　国际空间站
　　如果你想要减肥，太空环境绝对是不二之选。无重力环境会扰乱人体的肠胃功能，因此宇航员在太空中大多食欲不振，进食量减少，但是他们每天却要在各种特制健身器材上花费多达两个钟头——太空环境会导致人体肌肉、骨骼、心肺等器官产生复杂变化，为了抵抗身体机能的衰退，宇航员必须每天进行锻炼。国际空间站上配备有跑步机、自行车骑行装置和阻力锻炼装置，宇航员在健身的时候会把自己固定在机器上，免得自己飘来飘去——没错，宇航员是一群＂带着绳索生活＂的人。太空中的生活有一半时间都是要被绑着的，睡觉时要把自己固定好，运动和洗澡的时候要被绑住，甚至上厕所也要将自己卡在厕所上，以防在无重力环境下飘荡出去。
　　为什么不能像科幻电影中那样，让国际空间站舱体转起来，靠向心力来伪造人工重力呢？如果要营造同地面一致的重力感，空间站的结构要么足够长（旋转半径足够大），要么转得足够快。无论采取哪种方案，都是对材料和能源的严峻挑战。在寸土寸金的宇宙空间中，比起花费高昂的成本去营造类地环境，修建几个健身房反倒划算得多。
　　空间站中还有一个常常被忽视却必不可缺的＂豪华配置＂：厕所。它或许更像吸尘器，能够产生强大的吸力，将排泄物迅速吸入。如果速度不够快，排泄物在失重环境下很容易四散飘开，那样的画面当然是任何人都不太愿意想象的。太空厕所的气密性和耐腐蚀性需求比地面上的厕所要高得多，还要配备污水处理系统，提取排泄物中的水重新利用。今年NASA运送到空间站的＂豪华厕所＂造价高达2300万美元，宇航员们将在空间站上对这台厕所的性能进行测试，这套厕所系统或许会被应用在之后的登月或者火星任务当中。
　　 　行
　　宇宙空间如此广阔，居住在太空中的人有机会出去看看吗？科幻大片中的星际跃迁、穿越虫洞，在今天还更像是只手换乾坤一类的神话。人类目前可以达到的速度远不及光速的千分之一，即使是运行轨道距离地球最近的火星，航天器也要花费7个月以上的时间，经历复杂的变轨才能抵达。
　　现阶段的太空出行主要依靠航天飞机和载人飞行器，许多国际空间飞行器都到访过国际空间站，输送工作人员和物资。至于去太空里散散步，仍是可望而不可即的。虽然早在1965年苏联宇航员就已经走出舱门，太空行走在今天仍然并非易事。出舱行走是需要提前数日准备的重大行动，即使是装备齐全的宇航员，在宇宙环境中依然面临着相当程度的风险。除了必要的器械安装、维修与太空行走实验，宇航员们一般不会走出舱门。
　　2008年9月27日，中国宇航员翟志刚完成了我国首次太空行走任务，中国成为第三个独立掌握空间出舱技术的国家。同之前其他国家的出舱任务相似，翟志刚也使用脐带式行走，通过一根又粗又长的＂电脐带＂同飞船相连。
　　太空行走
　　或许在将来，随着单体移动装置的进一步改进，宇航员可以在舱外更自由地行动，飞行器的速度也将不断提升，帮助人类向更广阔的宇宙进发。
　　经过数十年的太空探索，我们已经能够部分实现在太空生活。我们可以畅想未来，也应始终心存敬畏——在浩瀚的宇宙，营造一个空间站、建造一个太空基地，甚至移民另一个星球，或许都不过如蚁筑穴。越是深入宇宙，时空的深邃、人力的有限与无穷，就越充分地显现出来。
　　从一片衣料和一粒种子出发，从在空间中可能遭遇的每一点困难出发，人类正在走向辉煌广阔的星空。＂云外＂与＂天宫＂，已经并不那样遥远。
　　神舟飞船