休息太空人闲时看录像,戴耳机听立体声音乐,通过电视电话同亲友“见面”,透过20个舷窗观赏太空美景……
有一次,当宇航员诺姆·沙加德坐在飞船遨游太空时,他不注意地瞧了瞧镜子。镜中的形象使他大吃一惊,他的脸又肿又红,像个大红萝卜。如果在地面上的话,任何人脸肿到那种程度都会感到不舒服,可他当时的感觉却和平常一样。在进入太空的头几天里,人体的血液和体内其他液体由于失去地心引力的影响,纷纷涌向头部。宇航员们都成了大圆脸,眼睛鼓出,变成了另外一个人。幸运的是这种情况慢慢会消失。
宇航员们大部分时间是在舱里度过,即使在舱外也被裹在隔绝的太空服内,所以他们往往会染上一种常见的户内病,这就是皮肤龟裂。除这种病外,他们还可能患皮肤过敏症,因为他们的日常工作是做各种各样的实验,与各种化学物质打交道。这些化学物质用后,遗留在空中,久不散去,致使皮肤过敏。
尽管失重给宇航员带来诸多不便,但有一点使他们受益不浅,那就是失重延缓了他们的衰老过程。原因是地球上存在着重力加速度。而在无重力加速度的太空环境中,人们就不需要那么多热量了,可以大大减少食物的摄入量。食物摄入量减少,意味着新陈代谢速度减慢,任何生物体,新陈代谢速度越慢,它的生长期就越长。在失重条件下,人体肌肉质量会减少,心率也会减慢,从而减轻心脏的负担。不言而喻,在太空生活可延年益寿。
随着航天医学的发展,有大量的资料说明航天对肌体的生理功能和代谢有深刻的影响,如宇航员体重的减轻、前庭功能障碍、心血管系统功能降低、水盐代谢和氮代谢紊乱、肌肉萎缩和骨盐丧失等等。多数人认为在无舱外活动的情况下,宇航员的能量消耗低于地面,而应激反应初期进食量减少,人体蛋白分解增加,特别是由于体液分配的改变,回心血量增加,反射性地引起脑垂体抗利尿激素分泌减少,尿量(水盐丧失)增加是宇航员体重减轻的主要原因。宇航员骨质变化的机理和防治措施迄今仍是航天医学研究中的一个重要课题。在卧床实验中,肌体每月钙的失量约相当体内总钙量的0.3%~0.5%,其中承受重量的骨骼(如跟骨)骨钙的丧失要大得多。一些学者认为航天时在肌肉与骨骼的变化以及失重与运动减退状态下,组织的能量代谢、物质代谢均有变化,即使有充分的营养,肌体也不能利用,而运动锻炼迄今仍是最有希望的防护措施。
美国和前苏联宇航员的营养供给标准,在无出舱活动的情况下,食物热量为每天2500~2800大卡。宇航员每天食物热量为7100大卡,宇航员在舱外活动时的能量消耗为每分钟8大卡,每小时480大卡,宇航员在月面活动时的能量消耗每小时约为300大卡。航天食品的蛋白质供给量略高于地面膳食,约占总热量的15%~20%。对于航天中是否应增加维生素的供给量曾有不同看法,前苏联认为补充供给多种维生素有助于提高宇航员的耐力和对航天环境的适应能力。从“东方”号开始,宇航员在飞行中每天都服用多种维生素制剂,而美国直到“天空实验室”进行较长时间飞行后才使用了复合维生素。
宇航员在太空的生理变化
每个宇航员上天初期,都有明显的不适反应,主要是心跳速度在飞行加速时明显提高。
据统计,宇航员起飞前,平均心跳每分钟62次,而飞行加速时达到每分钟109次,以后又下降稳定在每分钟70次。此时血液向头部集中,引起头胀鼻塞、面部浮肿、颜面潮红,伴有恶心感,严重的甚至呕吐。这种情况称为“航天病”。但在每个宇航员身上表现程度不同,就像有人要晕船有人不会晕船一样,经过一段时间可以逐渐适应。
据测定,宇航员飞行一天失钙1%~2%,以骨骼中的钙缺乏最为严重。所以飞行回来的宇航员骨头会变得较疏松、较脆,容易骨折。宇航员尿中的钙含量为地面时的3倍,可见钙主要通过排尿而损失。
飞行一次,宇航员体重会下降4~6公斤。但返回地面一天之后,便能增加2公斤,这和太空中人体容易脱水有关。太空飞行中,由于体液的失常和血液的再分配,因此人体脱水不可避免。美国“阿波罗”飞船登月舱驾驶员身体体积比在地面时减少2.5升,而指令舱的驾驶员身体甚至减少6.9升。
宇宙飞船绕地球轨道作圆周运动时,飞船运动的离心力和地球对飞船的引力相等。由于这两种作用力方向相反,使飞船上的人和物体,处于失重状态。在失重条件下,会出现一些难以想象的奇妙而有趣的现象,这对人的生活、健康有着重要的影响。
人类在进化过程中,长期生活在恒定的地心引力条件下,形成了内环境的平衡。人体的主要成分是由软组织、骨骼、体液构成的,重力对这些成分的作用不同,在进化中形成了这些基本成分之间的一定比例。骨骼结构的坚固性和它的功能、肌肉的主要活动、体液的分布特点,保证了对重力的对抗,使人体得以生存成长。
人类进入宇宙空间前,曾有人预言,失重可能破坏人体的内环境平衡,使人的生理功能发生不可恢复的变化,甚至断言,谁要摆脱重力,谁就将因发生心力衰竭而死亡。人在宇宙空间生活的实践证明,人在失重时,生理功能要发生变化,但不像那位悲观者预言的那么严重。失重时人体生理功能改变,主要是血液和体液重新分布,大量的血液和体液向头部及上半身集中。大约有2公斤血液和体液瘀积到头、胸部,引起头、胸部脉管扩张,面部及上肢浮肿,下脚皱缩;胸部充血增多,心脏增大;血液中红细胞下降约10%,心血输出量减少30%,全身循环血量减少20%;体内大量失水而造成血浆加浓,血液容量下降。宇航员刚从飞船走下地面,甚至一时不能直立行走,要别人扶着走一段才能行动,这也表明体力消耗是颇大的。
习惯于地球重力生活的人,一旦进入失重环境,将会感到新奇。人体的重量消失了,行动起来真正是身轻如燕,掌上可舞。在舱内可以自由地飞来飞去;也可以停留在空中。在空中失重条件下,站着、坐着或躺着睡眠都一样舒坦,只是必须用带子把自己固定在座椅上,或束缚在固定的睡袋内,以防飘走或到处乱撞。由于飞船内没有我们习惯的白天黑夜之分,只能按钟点执行起居。
在失重情况下,宇航员会觉得头部知觉和身体知觉不协调,闭上双眼时,判断不清周围物体和自己身体的相对位置,有时感到眼前冒金星并有幻觉。
失重条件下人的姿势反射失灵,摇摇晃晃坐立不稳,因而走路要十分小心,要穿上鞋底带爪子的特制鞋,想站住时就把爪子插进有网格的舱壁上稳住身体。如到舱外活动,就要操纵戴在身上的一组喷气嘴,控制来去行动。
宇航员不仅空间生活奇特,在飞船从地面发射时还要承受强大“过载”的考验。早期飞船在发射加速阶段,宇航员要承受5~5G的“过载”,使人感到体重增加五六倍,若取坐的姿势就会使人体血液涌向下肢,造成脑细胞贫血缺氧而死亡,因而必须让宇航员采用躺卧的姿势。近代飞船,像航天飞机在发射时的“过载”只有3G,一般的人都能承受,这为更普遍的空间旅行开创了条件。
现在,对太空人体生理学的研究正逐步开展,要实验的内容很多,包括人体在太空中的无机盐平衡、体液生化反应变化、体内微量元素变化,人体的免疫能力、心血管的浓缩应变性能、红细胞寿命变化、人体新陈代谢率的改变,前庭功能变化等项目。可以预见,这些研究将会更多地揭示人在太空中如何变化之谜。
宇航员在太空中锻炼
茫茫太空中进行宇宙航行的宇航员,是不是需要进行体育锻炼呢?在进行宇宙航行的初期,每次宇宙航行的时间只有几天,宇航员着陆后并没有发现有什么异常情况。然而,随着宇航时间的不断增长,问题也就随之出现了。
首先发现的问题是,当宇航员在太空中航行一个星期后返回地球的时候,宇航员出现了“起立性低血压症”,而且身体都比较虚弱。甚至连飞船的舱口也出不了,需要人扶着他们出舱。造成上述现象的主要原因,是由于宇航员长期停留在太空失重的环境中,身体产生脱钙,从而使骨骼变得疏松,肌肉也软弱无力。
那么,怎么才能克服这种现象呢?科学家们找到了解决的办法。那就是在宇航员食物中增加钙、磷、钾和维生素D,以及在太空中进行必要的体育锻炼。
但是,宇宙航行的环境与地面大不相同,不仅飞船的舱内空间很有限,载重量也不可能过大,一些体育的设施无法装置。同时,人体在太空中出现失重现象而飘浮在空间,双脚都很难落在舱底。在这种情况下,又怎么能进行体育锻炼呢?
体育科学家们经过反复研究和实践,已经找到了在太空中进行身体锻炼的项目及方法。
这些项目和方法,大致可分为以下类型:
利用弹簧进行身体锻炼。比如让宇航员坐在椅子上,将身体固定好以后,用手和脚反复推、拉一种特制的弹簧器材;也可以用双手、双脚或者一手、一脚分别拉弹簧器材的两头;还可以用具有较好弹性的橡皮带将四肢固定后,两臂分别或同时向下、向左、向右拉橡皮带;或者用双脚、单脚往上拉橡皮带等。以此种种方法来锻炼宇航员的四肢骨骼和肌肉的力量。同时,医学家们还为宇航员设计了一种具有弹性的服装。宇航员穿上这种特制的服装后,全身都可以受到弹力的作用。只要一活动身体,就能够达到锻炼身体的效果。
还可以利用人体肌肉的颉抗作用来进行身体锻炼。如用双手五指交叉,进行对拉、拉推或者互拉;还可以双手拉脚而脚用力往前伸等。有人还为宇航员们编了一套由这些动作组成的体操。这种不需任何器材和不受空间限制的锻炼方法,也同样起到锻炼四肢和身体的作用。
利用双手推、拉或者打击悬挂在舱内的重物,以达到锻炼身体的目的。
由于宇航员在太空中采取并坚持以上几种锻炼身体的运动项目和方法,从而使他们的体质和骨骼及肌肉的力量不断增强。即使在太空中航行二三百天,甚至更长的时间,身体也不会变得虚弱,返回地球后再不会出现“起立性低血压症”和其他症状了。
航天服——宇航员的护命服
载人航天中,为了充分保证宇航员的生命安全和在极端恶劣环境条件下进行工作,除了有装备齐全的生活座舱外,还必须为宇航员提供一个方便灵活和独立密闭的生活小环境。为此,航天专家们就为宇航员设计了一种特殊服装,即通常说的“航天服”。
航天服通常分为两种:一种是宇航员在航天器座舱里应急穿用的服装,称为“舱内活动航天服”;另一种是供宇航员到座舱外面工作用的“舱外活动航天服”。舱内活动航天服,实际上是个备用的保险系统。因为航天器生活座舱本身具有完善的生命保障系统,宇航员一般只是在航天器发射和再入大气层过程中穿着这种航天服。在这期间,由于加速度、冲击、振动和噪声的作用,有可能引起航天器结构的破坏,或仪器设备发生故障,危及人的安全。
例如,前苏联“联盟11号”载人飞船在1971年完成任务返回时,由于一个阀门脱开,造成爆炸减压,即座舱里的空气一下子全泄漏到高真空的空间里,3名宇航员由于没穿航天服,全部遇难。
航天服的结构十分复杂。舱内活动航天服虽然稍微简单些,但至少有五层构成:最里边的即贴近衬衣的为液冷服,在尼龙布上粘着聚氯乙烯细管,管内有冷却水回流,以排除人体代谢产生的热量;第二层为气密层,由涂氯丁胶的尼龙织物构成,并通过管路与座舱氧源相接,有供氧、通风、加压的作用;第三层是限制层,是由尼龙丝或特氟纶丝编织成的网状结构,防止第二层加压后向外隆起膨胀;第四层是隔热层,是由多层的镀铝的聚脂无纺布构成,起防热辐射作用;第五层为外套,由抗磨损耐高温的尼龙等织物构成。
舱外活动航天服,除了应具备舱内活动航天服的基本结构和功能外,至少还要增添一个保护层,以防止微流尘的侵袭。该层多是采用涂有特氟纶的玻璃纤维织物。此外,为了方便航天员的出舱活动,现在已经摆脱了过去那种与航天器连接的“脐带”(包括供氧、冷却等管路,并起着固定宇航员的作用),而在航天服上装备了一种背包式生命保证系统,可独自提供压力为183~210毫米汞柱的纯氧,有滤出二氧化碳等有害气体的净化装置及循环冷却等设备。还有通讯、姿控、推进等附属设施,从而成为一个完全独立的系统。
海洋——安全的太空船降落地
美国载人太空船,现在已经借用降落伞和火箭降落地面,代替了过去落入海洋的旧方式。这对于研究载人太空飞行的安全性与适应性都很有帮助。因为太空计划的目标在不断增高,如果仍把海洋限为降落地区,有时就要增加工作上的困难;如果能将陆地亦列为降落地点的话,那对太空船从两极的上空轨道回返地球,或对太空船以超轨道速度自月球回航时,都极为方便。
太空船降落陆地,当然不是什么新鲜事,前苏联所有的太空船都降落在陆地上。而刚好相反,美国太空船却从开始到现在,一直降落于海洋中,然后再由船舰将其捞出,这属于技术问题吗?当然不是。