新维京时代的太空危机

邢强

国际航空联合会把地面以上100千米的高度定为大气层与太空的分界线，并将这条线命名为卡门线，以此来纪念美国喷气推进实验室（简称JPL）的创始人、钱学森先生的导师冯·卡门教授。从几何意义上来说，卡门线无非是一层包裹着地球的球壳，但是对于处于太空探索时代的人类而言，其象征意义无异于维京时代那条将陆地与海洋分隔开来的海岸线。实际上，那些跨过卡门线进行太空探索的科学家和宇航员们在冒险程度和开拓精神上并不逊于维京时代的航海家。将现今的太空探索时代称作新维京时代也未尝不可。

维京海盗疯狂的掠夺行径使其身背野蛮人的烙印，但优秀的造船和航海技术以及大无畏的探险精神也为其赢得了荣誉。俄罗斯人就以这些北欧海盗的俄语叫法“瓦良格”命名过好几艘军舰。

如果你去问一个维京海盗船长，在航海过程中他最惧怕什么。最可能的回答应该是：我不害怕战争与瘟疫，但却恨极了不体面的死法。比如撞上北冰洋的冰山随船沉没、被船上突发的大火所吞噬、坠入冰冷的海洋与千万浮冰永远做伴。扪心自问，在科技发达物质丰富的现代，我们仍然无法完全避免战争和疾病。在新维京时代，我们又能否彻底战胜冰山、大火和坠海这些事故呢？

2013年最震撼人心的电影之一——《地心引力》将空间碎片撞击、空间站大火以及孤零零坠入太空三种危险以3D电影的方式呈现在我们眼前，向我们展示了在新维京时代进行太空探索的危险以及人类的智慧和勇气。

冰山，空间碎片的威胁

广阔无垠的太空中自由漂浮似乎可以不用像维京人那样担心狂风暴雨和凶险的冰川暗礁了。很抱歉提醒前往太空的乘客：当船进入太空后，冰山暗礁也跟着进入了太空，那就是空间碎片。

在航天器的发射和运行过程中，由于破损、碰撞和爆炸等原因会产生大量空间碎片。这些碎片在轨道上高速运行，给航天器带来了极大威胁。现在太空中有大约10万个直径大于1厘米的碎片，其中1.2万块直径大于10厘米的碎片足够且随时会成为飞船或空间站的杀手。虽然这些碎片比起冰山从体量上来说显得极微不足道，但绕地轨道赋予其的极高速度使得碎片拥有巨大的破坏力。

在300千米到500千米高的轨道上，空间碎片以接近8千米/秒的速度飞行，当碎片以一定的角度与航天器相撞时，相对速度能够达到10千米/秒以上（1996年，一块撞断法国电子侦察卫星重力梯度稳定杆的碎片与该卫星的相对速度为14千米/秒）。一块从运载火箭上剥落的直径1厘米，厚度1毫米的漆片在碰撞瞬间能够给航天器送上高达4 800焦耳的动能。该能量和一枚7.92毫米毛瑟步枪专用S.m.K.H. 穿甲弹的出膛动能相当。美国科学家凯斯勒在1978年提出了一种理论假设：“当在近地轨道运转的物体的数量达到一定程度时，这些物体在碰撞后产生的碎片将形成更多的新撞击，从而引发连锁效应。这意味着近地轨道将被危险的空间碎片所覆盖。由于失去了能够安全运行的轨道，在之后的数百年内太空探索和人造卫星的运用将变得无法实施。”

按他的推断，今后在近地轨道运行的空间站将陷入枪林弹雨之中。既然目前所在的轨道上有危险的空间碎片，那为什么不把轨道高度降低到300千米以下或者升到500千米以上呢？

影响空间站轨道高度的因素有很多。比如用户需求，用于对地观测尤其是对地军事侦察的空间站的轨道较低，以确保观测图像有较高的分辨率；而对于长期无人值守且没有较强轨道机动能力的空间站来说，轨道越高则越有利于延长其使用寿命。另外，限于目前运载火箭的运输能力，大型空间站的组件也只能发射到低近地轨道的高度了。

决定轨道高度的另一个要素是补给。早期低近地轨道（低于500千米）空间站的补给品中，占最大份额的不是宇航员的饮水和食品，而是供空间站维持轨道所需的燃料。虽然在太空运行，但空间站轨道高度上仍然有稀薄大气存在。这些大气带来的飞行阻力，随时都在拉低空间站的高度。以苏联“礼炮”系列试验型空间站为例，当空间站运行在200千米到300千米之间轨道上时，每天耗费15千克燃料以维持轨道高度，否则每过24小时，空间站的轨道就会降低3千米，不出半个月空间站就会栽入稠密大气成为一颗绽放的礼花了。可是，每过两个多月就得补充1吨燃料的空间站实在是个耗能大户。因此后来的“礼炮”6号空间站的轨道提升到了349千米，“礼炮”7号更是升到了475千米，在这样的高度下每天用不到0.5千克的燃料就足以维持空间站轨道高度。

既然轨道低了不好，是不是提升到500千米以上，越高越好呢？空间站孤零零地漂浮在太空，其泄露的氧气和氮气需要补充、损坏的元器件需要更换、宇航员必需的食品、药品都需要货运飞船或者航天飞机（已退役）等天地往返器来补给。通常情况下，这些往返器先由运载火箭运送到240千米至300千米的停泊轨道，再经变轨机动“跳”到较高的空间站轨道。如果空间站的轨道太高，那往返器就需要更多的能量来进行变轨，或者一次只能携带很少的补给品。

较小的空间站一次储存不了太多货物，每年需要多次补给。为了节省补给飞船的燃料，较小空间站的轨道需要低一些。而对于大型空间站来说，每年最多只需补给一次，轨道可以适当提高。假设补给能力为一艘6吨重的飞船每3个月运送500千克补给品，小型空间站的最佳高度应在370千米附近，而大型空间站的最佳高度大约在520千米处。当然，影响轨道高度的因素是比较复杂的，目前国际空间站就维持在413千米到420千米的高度，显然是考虑了补给之外的因素（如宇宙辐射、实验科目等）。

单凭改变轨道高度的方式是无法完全避免空间碎片的，因为各种有心的无意的“垃圾”已经普遍存在于地球上空各种各样的轨道上。美国在上世纪六十年代实施了 “西福特计划”，旨在将4.3亿根铜针散布到3 500千米到3 800千米之间的轨道上，以形成一个环状金属云。在海底电缆被割断的时候，美军仍能借助这个云团来实现全球通信。可惜这些铜针的散布并没有全部按照计划进行。直至今天，空间轨道上还有不少逃出预定轨道的铜针在游荡着。该事件被提交到联合国处理，并最终促成了《外层空间条约》的诞生。

目前空间站主要靠监测较大碎片、忍受较小碎片（平均每5天就会遭受一次较小碎片的撞击）以及变轨机动躲避和设置逃生舱的方式来预防新维京时代的冰山事故。

大火，太空灭火器的无奈

船舶是个易燃物遍地、人员密集的地方。一旦燃起大火，维京海盗们就会面临着两难选择：要么留在熊熊火焰中，要么跳进冰冷刺骨的海水中。两个选择的后果都有些不堪设想。

在太空中，火灾的威胁也不可小觑。航天飞机执行前50次任务时，出现过5次火险。1982年前苏联“礼炮”7号空间站发生了严重火灾，灭火器无力控制火情，最后宇航员不得不打开舱门让太空的真空环境吸走舱内的空气才保住了空间站。1997年，“和平”号空间站的大火也发展到了难以控制的程度，直至烧了14分钟后，站内已无可燃物供燃烧时，火球才逐渐散尽。

比起维京海盗们，空间站中的宇航员们在火灾面前显得更加无力。高高在上的空间站内属于高氧气浓度微重力环境。当然并不是说不受地球引力影响，而是空间站绕地高速运行从而营造出类似高速下行电梯那样的失重环境。即使是远在380 000千米以外的月球都难逃地心引力的威力，何况是在距离地面仅仅数百千米的低近地轨道上。微重力环境中，火焰附近没有明显的空气对流，因此火焰会呈球形，并且相当稳定，不会闪烁。火焰的能见度很低，通常不可见或者略呈蓝色。这团静逸飘忽且无声的杀手温度高达880℃，可以瞬间将纸张、电缆、衣物等物品引燃。通常的火警探测器主要依靠火焰的光、热、烟尘等特征进行探测。而太空中的火焰可见性低，空气对流不明显也很难把热量传递到探测器上，舱内充足的氧气供应使得太空的火焰往往不会伴随烟尘。探测器的三个手段在太空中都无法施展，因此难以把太空火灾扼杀在萌芽阶段（航天飞机上安装有多个火焰探测器，但是上述5次火警中，这些探测器均未报警，最终是宇航员的鼻子闻到烧焦气味才发现了火情）。另外，太空火焰的燃烧动力学与我们的常识有很大出入。比如微重力环境下固体表面的火的蔓延，会有逆风火焰快于顺风火焰并且比顺风火焰旺盛的现象，没能掌握这些要领的宇航员在与火灾搏斗时往往会难以扑灭火焰甚至会促使火焰进一步传播。

为了应对太空突发的火灾事故，美国载人航天器早早地就装上了哈龙1301灭火器。这种灭火器喷出的气体只要在空气中达到了5%的浓度就能彻底隔绝氧气和可燃物的接触，达到灭火的目的，功能强大。但是当灭火气体的浓度超过10%的时候，就会生成有毒的卤化氢气体。这对于处于密闭环境中的宇航员来说可不是个好消息。弄不好，没被烧死却被自己喷出的气体给毒坏了。后来，人们发现哈龙灭火器中的卤代烷气体对臭氧层的破坏力比大家深恶痛绝的氟利昂还要强10倍，于是这种灭火剂被《蒙特利尔协定书》尘封在了历史中。出现在纪录片或者电影中的那种可以由宇航员拎着走的灭火器便属此类。该灭火器装有3千克卤代烷，可以工作30秒。

目前，国际空间站上使用的是二氧化碳灭火器。在沉重钢瓶中储存的高压二氧化碳气体可以在极短的时间内让空间站里的二氧化碳浓度达到50%以上。当然，如果舱内有宇航员的话，他们最好快速戴上呼吸器，因为当人呼吸的空气中二氧化碳的浓度达到17%以上时，会使人在1分钟内死亡。钢瓶给空间站带来的附加载荷以及使用过程的不便使得这种灭火方案注定终将被替代。

现今看来，比较有前途的空间站灭火方案便是泼水了。不要笑，虽然1 000多年前的维京海盗们都懂得舀海水来浇灭火焰，但是此水非彼水。众所周知，我们不能用水来浇灭电气火灾，而空间站本身就是个电子器件大集合。但是，当把水打散成极其细小的水滴的时候，水就会失去了大部分的导电能力，如果还不放心的话，可以用不导电的去离子水。喷洒出去的水雾不会遗留有毒物质，也不会立刻威胁宇航员的安全。用水雾来灭火的另一个优势是可以同时清理掉火灾产生的有毒气体。在微重力环境下，有毒气体小颗粒会飘散在空间站内，而雾化后的水有极强的吸附能力。当脏水雾在空间站空气循环系统内重新凝结成水滴的时候，经过过滤处理，水还能被再次利用。并且，水雾的快速蒸发能够降低舱内温度，减轻环境控制系统的压力。

坠海，摆脱束缚的绳索

如果一名维京水手坠入波涛汹涌的巴伦支海的话，料他有再好的水性也难以支撑1个小时。而如果坠入了茫茫太空，宇航员又将面临怎样的命运呢？

太空中无从借力，处于近地轨道中的宇航员如果没有推进装置的话，将会漂浮在无氧、超低温、强辐射的太空中，成为一颗人体卫星。运气足够好的话，他会躲开所有的空间碎片，成功地绕地球飞行，并能在24小时内看到16次日出日落（如果他带着足够的氧气）。之后，随着大气阻力等因素的损耗作用，他的轨道会越来越低越来越圆，地球上的美景在他眼前掠过的脚步也越来越匆忙。最后他将会再入大气层成为一颗璀璨的流星。

既然这么危险，那么为什么还要让宇航员出舱呢？

实际上，太空出舱活动是很难避免的。比如哈勃望远镜需要宇航员定期维护。它上面有6个用于调整姿态的陀螺仪。随着时间的推移，陀螺仪会逐渐漂移偏离正常的角度，使得望眼镜无法瞄准远方星系。这就需要宇航员通过太空行走来到望远镜上，对陀螺仪实施人工更换，顺便还要更换性能下降的电池和破损的太阳能电池帆板等。另外，哈勃望远镜没有变轨发动机，这艘“没有发动机的大船”需要由航天飞机定期地向高处推一下，以维持正常的轨道高度不至于坠入大气层。随着航天飞机的退役，哈勃望远镜失去维持轨道高度的帮手，几年后就将寿终正寝。

既然太空补帆和太空系缆绳等活动是必不可少的，宇航员的出舱活动也就不可避免了。好在大多数的出舱宇航员都系着一根叫做“脐带索”的安全带把自己和航天器绑在一起。当然，技术的进步会帮助人类在太空中越走越远。1984年2月，美国宇航员麦坎德利斯操纵着MMU（载人机动单元）进入了太空，成为首位摆脱绳索遨游太空的宇航员。这套拥有24个氮气喷嘴重达148千克的装置共使用过3次，最远将人送到了离航天器100米远的地方。后来该装置的减重版SAFER（舱外活动简便救援装置）成为了宇航员的自救必备装备。该装置仅重37.7千克，可以提供13分钟推进力。今后，能够提供更持续的动力和更强大的防护能力的舱外宇航服的出现将会使宇航员即使坠入太空也不至于束手无策了，甚至可以像鸟儿一样，长期地自由地在太空中翱翔。

只要是向未知世界进行探索，就会遇到危险和困难。但是，凭借智慧和勇气，人类总是能够战胜这些阻碍。在这个新维京时代，我们回首往事，窗外的鸟鸣声和风声让我们想起了公元9世纪时的北欧著名航海家弗勒基。他总是在船上养着乌鸦，并且不时地将笼中的鸟儿放飞。如果鸟儿在船的周围漫无目的地飞翔，那说明离陆地还远着呢。而如果鸟儿朝特定的方向飞去，那么他就会坚定地追随鸟飞去的方向。通过这个方法，他到达了地球上最后一个无人居住的大岛——冰岛。