宇航员在太空中面对的问题

□ 李鹏程



宇航员在太空中面对的问题

□ 李鹏程

方兴未艾的太空探索事业

20世纪60年代，人类开启了太空航行的新纪元。1961年4月12日莫斯科时间上午9时零7分，苏联宇航员尤里•阿列克谢耶维奇•加加林（Yuri Alekseyevich Gagarin）乘坐“东方1号”宇宙飞船从拜克努尔发射场起航，在最大高度为327千米的太空轨道上绕地球一周，历时1小时48分钟，于上午10时55分降落在苏联境内，完成了世界上首次人类太空飞行，实现了人类进入太空的梦想。1969年7月16日，阿波罗11号宇宙飞船从美国佛罗里达州肯尼迪空间中心起航，世界标准时间7月20日20时18分，宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐阿波罗11号宇宙飞船的月球舱在月球静海成功登陆，大约6小时后，两位宇航员走出月球舱，双脚直接踏上月球表面，这是人类首次到达地球之外的另一个星球。

如今，载人太空探索事业方兴未艾，发达国家纷纷制定新的载人太空规划。目前，国际空间站（International Space Station，ISS）仍然在太空中航行，它的第一个组成部分于1998年进入太空轨道，自2000 年11月以来，一直有宇航员在国际空间站上从事生物、医学、气象、物理和天文等科研活动。国际空间站由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大等多个国家联合运转，它是人类载人太空探索的一个典范。

图1 太空第一人，苏联宇航员尤里•阿列克谢耶维奇•加加林

图2 阿波罗11号宇宙飞船月球仓着陆月球，图中美国宇航员阿姆斯特朗在月球表面工作。

2003年10月15日9时，我国成功发射神舟五号载人飞船，将航天员杨利伟送入太空，2003年10月16日6时23分返回。这次飞行拉开了我国载人航天事业的序幕，标志着中国成为继俄罗斯和美国之后第三个将人类送上太空的国家。2013年6月11日17时38分，神舟十号在酒泉卫星发射中心成功发射，2013年6月26日，神舟十号载人飞船返回舱成功返回地面。飞行乘组由男航天员聂海胜、张晓光和女航天员王亚平组成，他们完成了预订的科研活动、太空授课、手控对接和交会试验等多项任务。

图3 太空中的国际空间站（I nt ernat i onal space st at i on，I SS）

图4 三位航天员在神州十号返回舱内

太空飞行面对的种种问题

目前，月球是人类亲自到达的地球之外的唯一天体，下一步，人类乘坐宇宙飞船探测的目标是火星。宇航员和科学家一旦乘坐宇宙飞船进入太空，离开了习惯的环境，没有了地球大气层的保护，将会遇到种种难题，面临严峻的考验。首先，离开了温暖的家庭，离开了熟悉的朋友和同事，孤独感会油然而生；其次，在太空中，存在强烈的电磁辐射和各种高能带电粒子，它们会严重伤害宇航员的身体健康，可能导致人体组织发生癌变；另外，在食物方面，太空中没有新鲜烹制的可口食品，一天一天宇航员只能吃到预先准备好的冷冻脱水食物，这对消化系统是一个考验；还有，除了完成预定的各项科学任务外，宇航员每日还要进行身体锻炼，以防止身体的肌肉萎缩和骨骼疏松等问题；此外，和两三个或许自己并不熟悉的宇航员禁闭在一个狭小的空间，也会让人倍感压抑。当然，宇航员面对的问题还有许多，多年来各国科学家正在不断总结和研究，期望解决各种不利于太空飞行的难题。

2015年3月，美国国家航空航天局将宇航员斯科特•凯利（Scott Kelly）送到国际空间站，决定让他在那里工作一年的时间，这比普通宇航员半年的时间延长了一倍。同时，美国国家航空航天局还通过宇航员斯科特•凯利进行各种实验，搜集相关数据，力求改进应对太空问题的方法。宇航员连续在太空工作一年的时间，这对于今后探索火星是一个准备，因为，按目前规划宇宙飞船往返火星可能需要三年或更多的时间。大致说来，参与太空飞行的宇航员在太空中会遇到如下五个方面的问题。

图5 将在国际空间站工作一年的宇航员斯科特•凯利（Scot t Kel l y）

重力变化引起的问题

未来，人类飞往火星，宇航员要经历自身重力的系列变化。从地球到火星的长途跋涉中，宇航员处于失重状态；在火星上，宇航员的重力约为地球上重力的三分之一；从火星返回地球的途中，又是失重状态；回到地球后，宇航员需要适应原来的正常地球重力状态。这些重力变化，听上去似乎平平常常，殊不知，它会给宇航员带来许多麻烦和不良后果。

生活在地球上，人的方向感非常明确，大脑可以轻易地分辨上下、前后和左右，并指挥眼睛、手脚和身体做出相应的动作，实现自己的目的。然而，失去重力的环境，对于人体而言也就失去了上和下等方向感。假如你从飞船的地面上跳起，你不会马上落回原地，而是一直向跳起的方向前进，直到你的头碰到飞船的墙壁。在失重的状态，你的大脑和眼睛、眼睛和手脚都不会那么协调，你的手脚可能真的不听指挥，所以，在太空中，你会得一种“行动和动作失控病”。研究人员还发现，在失重的状态下，人体的骨骼会过量损失矿物质，其矿物质的密度每月会下降1%，与之相比较，在地球正常生活的老年人每年骨骼中矿物质的损失率为1%～1.5%。即使宇航员返回地球后进行长时间疗养，也不会恢复到之前的正常水平，因此，他们在日后的生活中，因骨质疏松而发生骨折的危险性比普通人高许多。

图6 在太空处于失重状态的宇航员没有在地球表面的方向感

此外，在太空中，宇航员可以轻易地移动自己的身体，不费吹灰之力地拿起原本很重的物件，因此，身体的肌肉将长期处于松弛状态，如果不进行锻炼并保持适当的饮食，宇航员的肌肉会失去它的强度和韧性。在失重的状态下，人体内的体液还会大量涌向头部压迫眼睛，引起视觉问题。另外，由于脱水作用和骨骼中钙的流失，宇航员非常容易出现肾结石。总之，太空中的失重状态会带给人体各种各样的麻烦。

当然，科学家们总结过去的经验教训，找到了应对失重问题的一些办法，例如，在人体大腿部位，紧紧缠绕束缚带，可以将体液保留在人体的下半身，以免过量的体液压迫眼睛引起视觉障碍；服用药物柠檬酸钾可以有效缓解肾结石的发生；药物二磷酸盐则可以有效减少骨骼矿物质的流失。科学家还采用多种仪器仔细检测国际空间站上宇航员的各种生理变化，记录大量数据用来进一步研究，为将来的太空航行做准备。

孤立且有限的活动空间

科学家研究发现，如果一个人长期处在一个孤立且有限的狭小空间，那么，他的行为举止必定会出现问题，异于常人。宇航员所处的宇宙飞船就是这样的一个场所，尽管经过了严格的挑选和训练，宇航员仍然会出现或轻或重的行为问题。将来，登陆火星需要更长的时间，这类问题将会更加突出。这些行为问题可能表现为情绪低落、认知力变差、缺乏精气神以及人与人之间不能有效互动；生活在这样的环境，常常导致人的生理节奏紊乱，比如，睡眠失调；在这样的环境下工作，且工作相当繁重时，宇航员的疲劳感明显加剧；再加上宇宙飞船长时间航行时，那里没有新鲜的高营养食品，这使得上述种种表现会更加明显。

在这方面，科学家们也做了多年的研究，取得了一些成果。目前，宇航员可以使用精巧的体动记录仪记录睡眠时身体的动变次数以及当时的光照情况，根据这些数据，科学家可以了解宇航员的睡眠质量与光照的关系。研究人员利用先进的发光二极管技术，设计了全新的照明系统，它可以调节宇航员的生理节奏，改善他们的睡眠质量。研究人员还制订了一套让宇航员在短时间内进行自检的方法，检验其疲劳程度对其行为的影响。另外，写日志也可以减轻宇航员的挫折感，且这些记录有利于科学家日后进一步研究“孤立且有限的活动空间”对宇航员的不利影响。

图7 在国际空间站上的宇航员，可见他们的活动空间非常有限。

有害健康的封闭环境

科学家发现，在太空中微生物会改变它的特性，而且，在宇宙飞船和国际空间站这样的封闭环境中，寄生在人体上的细菌更容易在人与人之间传播。此时，人体的应激激素处在较高水平，免疫能力减退，因此，更容易产生各种过敏反应和疾病。为了应对这些问题，科学家利用最新的生物技术、物理技术和化学技术来保障宇航员的健康。首先，实时监测航天器内的空气质量，防止因甲醛、氨气和一氧化碳等有害气体超标；其次，通过分析宇航员的尿样、唾液和血液，检查他们是否有病毒和细菌感染，也可以监测他们的免疫状态；另外，对于宇航员身体各部位、衣物、舱内设备和墙壁等等，做取样分析，保证那里不存在过多的有害微生物；同时，宇航员生活和工作的每一个角落，都要精心规划和安排，保持整洁，力求创造一个健康安全的环境。

图8 太空中有太阳和其他天体的辐射，包括电磁辐射和高能粒子两类。

图9 N ASA新设计的硬壳太空服

太空的辐射问题

离开地球表面，来到太空，没有了地球大气层和地球磁场的保护，宇航员会经受严厉的电磁辐射和粒子辐射。国际空间站上的辐射强度是地球表面的十倍以上，如果飞往火星，则宇航员承受的辐射强度更大，辐射的类型可能也有所不同。太空中的强烈辐射对宇航员的危害非常大，可导致多种疾病。例如，辐射可能提高癌症病患概率，也可危害人的中枢神经系统，产生长期或短期的病症，常常表现为认知功能减弱、运动功能减退和行为失常；太空辐射还会引起恶心、呕吐、厌食和疲劳等症状；长时间处于太空辐射之中，可能使得宇航员身体的某些组织变性，产生白内障及心脏与循环系统疾病，等等。目前，研究人员在地面实验室和国际空间站同时展开研究，监测辐射是如何影响人体的，力求今后制作更好的宇航服及采用更好的材料制造宇宙飞船来保护宇航员，减少太空辐射对他们的伤害。

超长距离带来的麻烦

图10 远距离太空飞行会遇到许多麻烦，与火星上的宇航员完成一个问答就需要20多分钟。

人类下一个实地探索的目标是火星，火星距离地球的平均距离为2.25亿千米，而月亮与地球的平均距离只有38.4万千米。当火星处在2.25亿千米远处时，火星附近的宇航员与地面人员完成一次问答需要约25分钟，他们要讨论一个简单问题，可能要花费数小时，这非常不利于宇航员通过咨询地面人员来解决问题，若是紧急情况，这种方式更是无能为力。因此，宇航员必须自己处理出现的各种技术故障和突发情况，同时也需要解决自己身体出现的健康问题，例如，宇航员必须会使用超声仪器检查身体，会配置简单的药物，保持身体健康，当然，事先需要对宇航员做相关的培训。目前，研究人员正在通过国际空间站上的实验，为下一步火星探索和其他太空活动做准备。

（责任编辑 张长喜）