书城科普读物神秘的太空世界丛书:人类的航天历程
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第11章 世界各国对航天的探索(7)

(5)医疗监督与保障

宇航员系统不仅是选拔和训练宇航员,还包括对宇航员实施有效的医学监督和医务保障。

宇航员的训练和培训需要花费大量的金钱,所以说宇航员是用金子打造出来的,宇航员的健康和生命是极为重要的。

宇航员的整个训练过程都必须在医务人员的监督下进行,以确保宇航员的身体健康和生命安全。医务人员还必须对宇航员进行定期的身体检查,对宇航员的一点儿小恙更是忽视不得。

宇航员们在太空中的健康更是不容忽视的大问题。载人飞船上设立有遥测设备,这些设备除了向地面传送飞船的各种工程参数以外,最重要的一个任务就是随时向地面传送宇航员的生理参数,如血压、心率、体温、呼吸状况等;同时还在宇航员的身上典型部位安装了各种传感器,以观察监视宇航员的身体健康状况和在空间条件下工作时各种生理特征的变化和反应。这样做不仅是为了获得一些人类在太空生活状况的重要参数,主要也是为了宇航员的健康和安全考虑的。自从宇航员一离开地面,地面医务人员的心也就紧跟着紧张起来了,他们随时密切关注着宇航员的每个变化,一旦发现宇航员的身体出现异常的状况时,就会马上与载人飞船联系,如果情况不严重就会指导宇航员自我治疗,如果情况严重,就会让宇航员马上返航。

可以说,宇航员从开始参加选拔一直到顺利返回地球都是在医务人员的控制之下的,他们能够取得今天如此的成就,医务人员功不可没。

(6)后勤研制与供应

载人航天整个工程就像一场巨大的战役,俗话说:“兵马未动,粮草先行。”这正好说明了后勤的重要性。

后勤部门主要负责宇航服、航天食品和航天用具等装船项目的研制,这些都是直接关系到宇航员在太空中的生活乃至生存的重要物品,每个细节都必须考虑周到。

宇航员在太空中的饮食和生活用品将有一章做专门的介绍,下面就以美国首次登上月球的“阿波罗11”号的宇航员们所穿的宇航服来说明航天后勤工作的复杂性。

美国宇航局为宇航员登月而特别研制的宇航服每件价值30万美元,由服装、背包生保系统、应急氧储备和天线装置构成,总重量达到了93千克。看到这里有人会问:穿上这么重的宇航服,宇航员还走得了路吗?这些事儿专家们考虑得很清楚,月球的引力只有地球的1/6,这一整套设备在月球上只有155千克重,宇航员穿上它依然可以步履如飞,绝对不会影响他们的工作。这套宇航服一共由16层材料组成,可以保温、供氧,还可以防止微陨石的袭击。

宇航服上的头盔是与宇航服分离的,使用时用一个金属卡圈与宇航服的头颈部连接到一起。头盔的外壳由一种很结实又很轻巧的聚碳酸盐类材料制成,可以有效防止比较大的撞击。头盔还设计有两层面罩,可以保护宇航员的眼睛不受太空间强烈的紫外线、红外线以及细小的流星微粒的伤害。

与宇航服配套的手套也是特制的,有一个特殊纤维制成的外壳,内层是绝热的材料,以避免宇航员在工作中与极热或极冷的物体接触时手受到伤害。手套的指端由硅有机橡胶制成,可以提高宇航员手指的敏感性,使得宇航员戴上了看似如此笨重的手套,仍能进行非常细致的工作。

与宇航服配套的套靴的制作也是异常精细的,一共由21层绝热材料制成,可以保证宇航员在任何情况的地面上如履平地。

宇航服虽然很好,但是毕竟不太舒适,宇航员在飞船中不能一天到晚都穿着它。为此,除了在太空中穿的宇航服之外,后勤部门的专家们还为宇航员们量身制作了一套在载人飞船生活舱内穿的飞行服。这套飞行服由特氟纶材料制成,非常轻便,保暖性能良好,适合宇航员平时在生活舱中穿着。即使这样一套只在生活舱中穿的飞行服,科学家们也没有忘记在衣服上设计了一个特制的口袋,里面装入了宇航员在太空中的一些必备用品,以防不测。

从以上这些,我们就可以看出后勤研究部门考虑得有多么周到了。正是由于他们细致周到的工作,宇航员们才能在太空中生活得健康、安全和舒适。所以我们才说后勤保障是载人航天必不可少的重要环节。

飞船应用系统

飞船应用系统的主要任务就是利用载人飞船进行众多的空间实验,在太空中开展对地观察、环境监测以及进行材料科学、生命科学、空间天文学和流体科学等学科的应用和实验。

载人飞船系统

“神舟”号载人飞船,完全是我国自行研制的,是我国目前发射的最大的空间飞行器,它的发射充分显示了我国航天技术的实力。

下面介绍载人飞船系统的主要设备:

(1)飞船的保护层——整流罩

这是飞船发射时必不可少的一个设备——整流罩。

就像前面发射情况下看到的那样,在火箭发射的时候,我们其实并看不到飞船是什么样子,而只是看到了一个大罩子,这个罩子是什么呢?它又有什么用呢?

我们所见到的这个大罩子就被称为整流罩,它的作用是保护飞船。一方面因为飞船上有很多娇气的设备,例如太阳能电池帆板、飞船上用来对地观测的窗口,这些设备为了防止污染,在发射前都需要保护;另一方面就是为了防止飞船发射时的气动加热。

那么,什么叫气动加热呢?火箭从发射台起飞后,它的速度是从零开始逐渐加大的,在飞出大气层以前就可以达到2~3千米/秒的速度,这么高的速度会使得飞船和大气产生强烈的摩擦,产生巨大的热量。我们都知道摩擦生热的道理,在火箭发射时产生的这种摩擦生热的情况就叫做气动加热。

在火箭和飞船进入太空的阶段气动加热会使太阳电池过热,影响使用的效果,甚至会损毁太阳电池,使得载人飞船在进入太空后没有能量。还有,气动加热烧毁的东西还会污染飞船的窗口,影响飞船在太空中执行任务的质量。

因此,为了保护飞船,使得飞船可以在太空圆满完成任务,飞船在发射之前就包在了整流罩里,直到飞船飞出大气层后整流罩才被抛掉,这时载人飞船才以真面目暴露在太空空间里。

(2)飞船的三个舱段

轨道舱位于飞船的前部,是飞船重要的舱段。轨道舱为密封结构,其外形为两端带有锥角的圆柱形,作为宇航员的主要工作舱和生活舱,宇航员在太空中的主要活动都将在这里进行,所以里面设有完备的生活和工作设施。另外,宇航员在太空活动期间,轨道舱还兼具有效载荷试验时的实验舱、交会对接试验时的对接目标、宇航员出舱活动时的气闸舱以及作为天地往返运输器时的货舱。

轨道舱除了以上功能还有一个重要的功能,就是作为卫星的功能。载人飞船完成了轨道任务返回时,不是一起回来的,只有返回舱回到地面,其他的两个舱段就留在了轨道上。因此,轨道舱还将在轨道上工作下去,起到了一颗卫星的功能。这是一个非常巧妙的方法,既完成了空间任务,返回舱带着在太空中得到的成果返回了地球,轨道舱又得到了废物利用,避免了不必要的浪费,实在是一举几得的好事。

飞船中部呈倒锥形的部分就是返回舱了。返回舱为密闭防热结构,是宇航员们的座舱,宇航员们还要靠它返回地球,所以对它的要求最高,它要有一系列的设施以保障宇航员们的安全。

之前已经谈到了气动加热的问题,返回舱返回地面的时候同样会遇到这个问题。而且返回舱在返回时以8千米/秒的速度冲向地球,距离地球越近大气的密度也就越大,返回时的气动加热比发射的时候还严重得多,因此就会产生更大的热量。然而此时飞船已经没有整流罩的保护了,这就要靠返回舱了。因此,对返回舱的结构材料的要求很高,必须要解决一系列的技术问题,使得返回舱要有良好的防热和隔热性能,飞船不仅不能被焚毁于大气层中,还要保证飞船内部的温度不能超过一定的范围,否则宇航员承受不了也将前功尽弃。

气动加热的问题在航天史的早期被称为热障,意思就是说气动加热是一道难以逾越的屏障。当然,随着科学技术的发展,这个屏障早已被聪明的人类越过了,但是,气动加热问题在现代航天界依然是一个技术难关,目前世界上也只有美国、俄罗斯和中国解决了这个问题。

推进舱位于飞船的尾部,也是一个圆柱体,而且由于宇航员不会进入这个舱段,所以推进舱的结构是非密封的。其底部是与火箭对接的对接面,舱内主要装有飞船的动力装置。推进舱的主要作用是存贮燃料和用于飞船的姿态控制、轨道维持、变轨和制动等。

载人飞船上在这三大舱段内还装有许多系统设备,例如生命保障系统、通讯系统以及宇航员的生活设施等。

运载火箭系统

对于载人飞船的发射,火箭可是极为重要的一环,载人飞船必须得由火箭加速到一定速度并送入预定轨道,载人飞船才能围绕地球飞行,遨游太空。

“神舟”号载人飞船的发射利用的是我国自己研制的“长征”系列运载火箭。“长征”系列运载火箭曾经多次在我国的发射史上立下大功,在世界的运载火箭系列中也享有盛誉。

“长征”系列运载火箭虽然出色,但直接用来发射载人飞船还是不行的。火箭发射载人飞船时,宇航员的安全性指标要达到0997以上,所以原来的“长征”号运载火箭用于载人飞船的发射,其可靠性还是远远达不到要求。

为了达到宇航员安全性指标,“长征”运载火箭还要进行大量的适应性修改设计,以提高火箭的可靠性和安全性。工程技术人员对“长征”运载火箭原有的箭体结构、动力装置系统、控制系统、遥测系统、外弹道测量系统都进行了改造,提高了其可靠性,另外还增加了故障检测系统和逃逸救生系统,以提高上升阶段宇航员的安全性。

火箭的故障检测系统和逃逸救生系统的设置是载人航天不同于其他航天飞行器的突出特点,是保障宇航员安全必不可少的设施。

首先发射载人飞船的火箭上必须有故障自动诊断系统,能够随时监测火箭各个部位和各个系统是否出现了故障,而且能够立即识别出故障的严重程度,判断对宇航员的安全是否有威胁。一旦发现严重的事故,就要启动逃逸救生系统,使逃逸飞行器与火箭的所有机械、电路、气路、液路迅速分离,并带领宇航员飞行到安全的区域。这一系列动作往往只争毫秒之间。

能不能准确地进入预定的轨道是飞船能否正常工作和准确返回的关键的第一步,而发射入轨则主要是火箭的功劳,所以说“神舟”号顺利进入太空,“长征”火箭立了一个头功。

发射场系统

(1)建立发射场的地理条件

我们的国土虽然辽阔,但航天发射场对地理条件的要求非常的苛刻,要有合适的地理位置和地形,要有良好的气象与水资源,还要有可靠的安全保障条件,并不是什么地方都可以建发射场的。而载人飞船的发射场在选择地址的时候,不仅考虑到要具有发射其他航天器的条件之外,还必须更多考虑到参与飞行的人员安全问题。

首先,航天发射场的地理位置就非常讲究。众所周知,地球是自西向东旋转的,为了充分利用地球自转这一特有的资源,节省发射的能源,航天器一般都是自西向东发射的。发射场位置的选择要满足轨道倾角的要求,比如对于地球静止轨道,发射场的位置就要纬度低,而大轨道倾角发射场纬度就要高。

另外,发射场应该选在周围没有较大干扰源的地方,以保证发射时有较好的空中和地面的电磁环境,不会干扰飞船与地面指挥中心的通信。

天气条件也是建立发射场所必须考虑的前提条件之一,恶劣的天气条件例如雷电和低温、潮湿、大风的天气都会对发射的安全造成威胁,有时还可能引发重大的航天事故。

雷电可以使火箭或航天器上的电子线路发生感应,产生极强的电流,导致测控系统或遥控系统遭到破坏,影响航天器与地面指挥中心的联系,甚至还可能引发爆炸,造成重大的空中灾难。

1969年美国的“阿波罗12”号载人飞船就是在发射后突然遭遇雷电的袭击,导致电源发生故障,飞船与地面指挥中心的联系中断,整个飞船失去了控制,幸好飞船上的宇航员及时启动备用的电源才避免了一场大祸。然而事后我们想一想,如果这次雷击损坏的是没有备用件的重要零件,那么后果就不堪设想了。所以,在选择发射场地址时,对此地区是否为雷电多发区的调查,一定要认真细致,不能有半点儿马虎。

低温和潮湿的天气对航天器发射的影响也非常大。低温天气会使火箭和航天器的表面结冰,阻塞燃料箱的排气孔,还会导致火箭上的一些密封元件受损;而潮湿的天气则会使雨水渗入火箭和航天器的内部,导致仪器设备受潮,造成电路的短路,最终引发事故。1986年11月28日,在美国发生的震惊全世界的“挑战者”号航天飞机失事事件,导致惨剧最重要的原因就是严寒天气使连接部件的密封橡胶圈受损,造成了燃料泄露。

大风的天气对航天器的发射也有一定的影响。由于现在的载人航天采用的都是“三垂”模式,航天器与火箭都是在技术区就已经组装好了的,整体垂直安装到高耸入云的发射塔架上,可以想象这种高度受风力的影响是多么的大了。大风天气会导致竖立在高大的发射塔架上的运载火箭发生晃动,产生变形,继而酿成重大的事故。

根据以上的分析,在地理条件方面发射场应该选择在雷雨天气少、湿度低、风速小、温度适中的地点。

除了地理条件,建立发射场还要考虑其他的一些条件。