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(lái)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(lái)說(shuō)，卡門線無(wú)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(wú)異于維京時(shí)代那條將陸地與海洋分隔開來(lái)的海岸線。實(shí)際上，那些跨過(guò)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(wú)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(yǔ)叫法“瓦良格”命名過(guò)好幾艘軍艦。

如果你去問(wèn)一個(gè)維京海盜船長(zhǎng)，在航海過(guò)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(méi)、被船上突發(fā)的大火所吞噬、墜入冰冷的海洋與千萬(wàn)浮冰永遠(yuǎn)做伴。捫心自問(wèn)，在科技發(fā)達(dá)物質(zhì)豐富的現(xiàn)代，我們?nèi)匀粺o(wú)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(wú)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(guò)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(lái)了極大威脅?，F(xiàn)在太空中有大約10萬(wàn)個(gè)直徑大于1厘米的碎片，其中1.2萬(wàn)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(lái)說(shuō)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(wú)法實(shí)施。”

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(wú)人值守且沒(méi)有較強(qiáng)軌道機(jī)動(dòng)能力的空間站來(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)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?？墒?，每過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(wú)法完全避免空間碎片的，因?yàn)楦鞣N有心的無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)全球通信?？上н@些銅針的散布并沒(méi)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(lái)預(yù)防新維京時(shí)代的冰山事故。

大火，太空滅火器的無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(shuō)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(méi)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?；鹧娴哪芤姸群艿?，通常不可見或者略呈藍(lán)色。這團(tuán)靜逸飄忽且無(wú)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(wú)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(méi)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(guò)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(lái)說(shuō)可不是個(gè)好消息。弄不好，沒(méi)被燒死卻被自己噴出的氣體給毒壞了。后來(lái)，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(lái)的附加載荷以及使用過(guò)程的不便使得這種滅火方案注定終將被替代。

現(xiàn)今看來(lái)，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(lái)澆滅火焰，但是此水非彼水。眾所周知，我們不能用水來(lái)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(lái)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(guò)過(guò)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(wú)從借力，處于近地軌道中的宇航員如果沒(méi)有推進(jìn)裝置的話，將會(huì)漂浮在無(wú)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(lái)越低越來(lái)越圓，地球上的美景在他眼前掠過(guò)的腳步也越來(lái)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(wú)法瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)方星系。這就需要宇航員通過(guò)太空行走來(lái)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(yáng)能電池帆板等。另外，哈勃望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，這艘“沒(méi)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(guò)3次，最遠(yuǎn)將人送到了離航天器100米遠(yuǎn)的地方。后來(lái)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(wú)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(wú)目的地飛翔，那說(shuō)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(guò)這個(gè)方法，他到達(dá)了地球上最后一個(gè)無(wú)人居住的大島——冰島。