爱华网现任美国航天总署(NASA)总部资深技术顾问兼太空任务科学家 人类进入太空后很快就发现，在太空搞真格的，非得在“对接”（docking）和“出舱活动”（extravehicular activities,，EVA）两项技术上玩得转才行。载人航天事业只有超越这两道关口，才能更上一层楼，开拓出一片可持续发展的沃土。 用最简单的比喻来说，您出去买东西，先上车，朝要去的商店驶去。找到目的地，停车，进商店，买到所需物品，大包小包拎回车。回程路上爆胎，打开车门，下车把备胎换上，再上车，开回家。aihuau.com 如果您开的是宇宙飞船，那您得与“商店”先“对接”，才能进去办事。事办完了，宇宙飞船机件故障，您就必须得“出舱活动”，排除故障后，才能返航。 其实在地球轨道上“对接”前，还有一个关键动作，那就是宇宙飞船要先找到目标“商店”与它“会合”（rendezvous）。在地面开车找商店，走过头了，大不了掉头回来。商店是一栋建筑物，固定在地面上，挪不了地方，保证让您能找到它先“会合”，再走进去和它“对接”成功为止。要知道，最高速度的枪子儿大约以2至3倍的音速飞行，但在地球轨道上的“商店”，则是以25倍的音速在太空奔驰！宇宙飞船追目标“商店”，比用枪子儿打枪子儿还要快上十倍。所以在太空，“会合”的本身，就是一项高难度动作。目标找到，“会合”了，还要精确地“对接”，那更是难上加难。 “会合”前还有很多准备工作。比如说太空“商店”，可不是天生就在地球轨道上飞行，一定得花大本钱用火箭送上去。所以，要“对接”，先得“会合”。要“会合”，先得把会合的靶标送上去。一环扣一环，环环到位，“对接”才能大功告成。 日常开车，不能只坐在驾驶座上。洗车、换电池、换轮胎等等，都得离开驾驶座，到车厢外面进行。宇宙飞船和空间站等，里里外外，组成部件复杂，需要组装和定期维修保养，或不定时紧急修护。要在太空生活，航天员“出舱活动”势在必行。出舱要穿舱外航天服（以下称出舱服）。近代太空舱皆使用和海平面相同的一大气压力，而出舱服皆使用低压纯氧设计。航天员出舱前，得仔细调整生理状况，避过减压症状（hypobaria，或俗称decompression sickness，DCS），才能出舱，进行“太空行走”（space walk）活动。 从逻辑上讲，载人航天能力的发展顺序，应是先“对接”，把舱内的事做好，再“出舱活动”。但“对接”需先送上靶标，成本高、技术难。而“出舱活动”只需出舱服和气闸舱，成本低且易行。苏俄挑容易的先做，在1965年抢先发展“出舱”技术，到1969年才完成“对接”。美国本想依逻辑顺序，先“对接”，后“出舱”，但苏俄抢“太空行走”风头，美国只好匆忙跟进，在两个半月后先行完成“出舱”动作，次年才成功“对接”，做好1969年7月20日人类登月准备。 中国走的也是先“出舱”、后“对接”的路线。“神七”的出舱，为“神八”和“神九”以后的“对接”任务铺垫 。 轨道 人造卫星绕地球飞行的轨道，五花八门，玲琅满目。最高的在赤道上空的地球同步轨道上，每24小时绕地球一周，地面上的人看去，好像挂在天上不动。这类轨道最适合通讯卫星使用。中国为“神七”任务发射的数据中继卫星“天链一号”，就在地球同步轨道上。它因距地球远，可覆盖“神七”50%的轨道，加上原有的地面通讯站和六艘远洋通讯船（图1）覆盖的12%，“神七” 和地面通讯时间大幅度提高到62%。 飞行在12小时周期轨道上的全球定位卫星群，目前共32颗。它的用途早已和每个地球人的生活息息相关。 另一类卫星绕地球南北两极飞行。这种轨道能看到地球每一点，一般较适合军事用途。这种卫星朝南或北的方向发射（90度倾角），与同步轨道（零倾角）向东发射不同，用不上地球由西向东自转速度的助推好处，送入轨道较费燃料。 在0和90度倾角之间，卫星轨道种类繁多。轨道形状也可由圆形到椭圆形。椭圆形轨道又可以一边离地近，一边离地远。在离地远的一边，卫星滞留时间长，适合高纬度幅原广大国家通讯之用，如俄罗斯、加拿大和北欧地域。 和卫星的轨道相比，载人的宇宙飞船轨道设计就相当保守。除开“阿波罗”登月任务，人类目前所有在低地球轨道上飞行的宇宙飞船和空间站，皆采取圆形轨道，高度在350公里上下，倾角也只高到够用就好。以前不去“国际空间站” （International Space Station，ISS）的航天飞机通常只在南、北纬28.5度内飞行。“国际空间站”因为要够得着俄罗斯发射场，轨道倾角增加到51度。“神七”从甘肃省酒泉卫星发射中心发射，内蒙古四子王旗降落，轨道为341公里圆形设计，在南、北纬42.4度之间飞行。 太阳不时喷出近光速的带电粒子，被地球磁场引到南北极进入大气层，所以载人飞船倾角太高的话，就会受到太阳辐射伤害。从宇宙四面八方射来的宇宙射线（galactic cosmic rays），对在低地球轨道上的载人飞船，一般影响甚微。 会合 在这儿有个有趣的问题﹕在同一个低地球圆形轨道上﹐两艘宇宙飞船一前一后飞行﹐准备“会合”，再“对接”﹐后面的飞船怎么能追上前面的飞船呢﹖
一般的回答是像在公路上一样﹐后面的飞船朝前加速就行。后面飞船加速﹐会把它原有的圆形轨道变成一个“大”椭圆形轨道﹐周期变长﹐需较长的时间绕地球一圈﹐回到原点时﹐反而会落后于前面的飞船更远。所以后面的飞船要追赶﹐得减速﹐造成“小”椭圆轨道﹐才能缩短周期﹐如愿赶上。这是一个与本能背道而驰、似乎有悖常理的正确答案（图2）。 人类第一次企图在太空执行“会合”任务的宇宙飞船是美国1965年的“双子星四号”（Gemini 4）。会合的靶标是送“双子星四号”上天的最后一节火箭空壳。进入轨道后，火箭空壳远远跟在“双子星四号”后面飞行。两位航天员初生之犊不畏虎，火箭发动机一开，就本能地向火箭空壳方向直扑而去。结果出乎预料。燃料烧掉一半，却离目标越来越远。休斯顿指挥中心只得紧急叫停，宣布任务失败。唉！两位航天员轨道力学不及格，但也不能责之太深，谁有本事反本能辨事呢！ 历史对接任务 九个月后美国重整旗鼓，精心设计靶标“爱琴娜”（Agena Target Vehicle），先把它射入一个298公里的圆形轨道中。“双子星八号”随后进入同一轨道面的一个160至272公里的小椭圆形轨道。“双子星八号”由以后首位登月的人类阿姆斯特朗（Neil Armstrong）驾驶，经过一系列复杂的轨道处理后，在距离靶标140公里处，启动计算机自动导航系统，总共用了四个多小时的时间，终与“爱琴娜”“对接”成功（图3），连成一体。 “对接”后，“双子星八号”的第八号姿态控制小火箭发生故障，失控狂喷，不听命令熄火，“连体”系统开始一起滚动。阿姆斯特朗当机立断，迅速与“爱琴娜”切割，脱离现场。他启动其它小火箭，平衡故障火箭滚动推力，燃料急速消耗，进入危机状况，只得放弃另一重要舱外活动任务，紧急返航。 “双子星八号”本来预定在大西洋降落，但燃料已几乎被八号小火箭耗尽，只能即刻离轨（de orbit），降落在冲绳岛以东800公里的太平洋洋面。 阿姆斯特朗在“双子星八号”危机事件处理中，表现出超常的急智和冷静，成为他被选为“阿波罗十一号”（Apollo 11）首次登陆月球航天员的主要考量因素。 苏俄的“对接”任务在1969年1月由“联合四号”和“联合五号”两艘宇宙飞船执行。载一位航天员的“联合四号”先升空，载三位航天员的“联合五号”24小时后跟进，主要任务是两位“五号”的航天员，通过出舱“太空行走”手段，转移到“四号”飞船返航。 两艘飞船顺利“对接”成功。“五号”的两位航天员即刻穿上出舱服，迅速完成出舱准备，出舱，向“四号”“太空行走”而去。一小时后，航天员转载任务成功。 登月竞赛时期的苏俄飞船，“对接”后两船之间没有通道。航天员转移得靠舱外活动的“太空行走”完成。 “对接”4小时35分钟后，两船分离。“四号”载着三位航天员先顺利降落。 “五号”只剩下一位航天员沃林诺夫（Boris Volynov）。“推进舱”完成减速离轨任务后，铆钉炸药棒失灵，无法与“返回舱”崩离。“推进舱”死缠“返回舱”不放。高速下的流体力量，使“返回舱”非绝热面朝下，与大气磨擦的高温，眼看就要把“返回舱”烧穿。幸好“推进舱” 及时稀里胡涂地脱离了，“返回舱”瞬间转成绝热面朝下的正确姿态。降落最后一程，主伞没有全开，反向软着陆火箭偏偏也故障。“五号”最后硬着陆于乌拉尔山区（Ural Mountains），离预定哈萨克斯坦境内的降落地点有千里之遥。硬着陆的震力磕断了沃林诺夫的门牙。时值1月隆冬，气温摄氏零下38度，“返回舱”内比冰库还冷，救援最快也需数日。沃林诺夫做出正确决定，与其守株待援，不如主动寻找生机。他在老林深雪中跋涉2公里后，找到一户农家，两天后获救。 出舱 人类的生理以重力场和一大气压两个主轴因素演化而来。当然水更重要，但与主题无关，在此略去不谈。 人类进入太空，重力场被轨道上的离心力抵消，导致体液重新分布，造成严重太空失水现象，航天员在生理上要做调整。 在地表生活的人类，每口气饱吸氧和氮。氧分子附在红血球上，传到全身，供应活命需求。而氮分子不同于氧分子，和体液无化学作用，如惰性气体，溶入体液和组织中。把体液当成海绵，把氮气当成水气。体液吸氮气就像海绵吸水气。海绵在水气重的环境，吸水气多，在干燥之地，吸水气少。水气进出海绵全靠外界水气多少而定。用科学语言来形容，就是靠水气在环境中的“分压”（partial pressure）节制。氮分子溶入体液中的数量也由氮气在大气中的分压而定，与海绵吸水气属同样物理现象。在海平面一大气压下，氮气分压高。此时氮气在体液中的溶量，比在氮气分压低的珠穆朗玛峰上高。从平地慢慢向峰顶爬上去，氮气分压逐渐降低，体液中的氮分子量随时调整，往体外排泄，以达到与外界氮气分压平衡之目的。氮分子慢慢排出，身体平安。如用直升机把人从平地一下子送上峰顶，氮气分压急降，体液中氮分子要加速排泄跟进，造成“塞车”状态。许多氮分子在停停走走期间，就可能先汇合成大型气泡。气泡变大，身体更无法即刻排出。这些氮气气泡就由血液带到脑部或心脏，轻则得减压病，重则中风或丧命。 再用老百姓语言形容一下。急速减压时氮气由血液中冒泡而出，就像拽开易拉罐的可口可乐，气体吱吱溢出一样。物理现象相同，都是减压太快的结果。 在太空“出舱”，进入的环境是真空。航天员虽有出舱服保护，但因工作需求，出舱服皆为低压纯氧设计。所以在出舱前，需要解决体液中氮气分子过剩问题。下期详谈。 1965年3月18日苏俄“黎明二号”（Voskhod 2）航天员里奥诺夫（Alexei Leonov）首次演示人类“出舱” “太空行走”。上天前，两位航天员已完成至任务需求程度的排氮程序（约相当于40%大气压的纯氧气压）。“黎明二号”的“气闸舱”是软性气球式设计，经济、简单、实用。进入轨道后，“气闸舱”充气伸出。里奥诺夫穿着出舱服进入“气闸舱”，关上内气闸门，抽气至真空，开外气闸门，出舱。回程动作是头上脚下回“气闸舱”，关外气闸门，充气加压，开内气闸门，回舱。然后关内气闸门，弹弃“气闸舱”（图4），离轨降落。 在回舱动作中，里奥诺夫过度紧张，做错了第7步。他头下脚上，一头扎回“气闸舱”，无法翻身回去关外气闸门。他本想吞下事先预备好的自杀药丸，请同行航天员狠下心弹弃“气闸舱”，单独回家。而他自已则准备以“气闸舱”为棺椁，星辰为珠玑，太空漂流葬身。 求生本能促使他最後一搏，放出舱服的气。出舱服放气后，压力降低，软了。他万幸地能翻个身，关上了外气闸门。 里奥诺夫不得已放出舱服的气，是一个向死神挑战的超级危险动作。如有闪失，残余在体内的氮气就会从他的血液中冒泡而出。下期再详谈。 降落过程中，“黎明二号”自动导航系统失灵，改由人工控制，和前文提到的“联合五号”一样，也误降于乌拉尔深山老林之中。还好三月的气温比一月的摄氏零下38度温暖许多，两位航天员决定在饥狼眈视下，苦守在“黎明二号”舱内待援，两天后获救。 结语 “神七”2008年10月发射，主要任务是“出舱”，演示“太空行走”。下期，我将以《谈“神七”出舱任务》为题，专文详谈。 中国太空“对接”任务，可能由“神九”执行。靶标或许是“神八”。“对接”任务比较复杂，等有确切消息后，我再专文论述。
