发明创造的故事（245）宇宙飞船与航天技术

　　宇宙飞船与航天技术
　　宇宙，对于人类有一种神秘的魅力。清晨冉冉升起的旭日，晚上夜空中眨着眼的星星，皎洁的月亮，都让人浮想联翩。人类渴望了解外面的世界，于是就有了许多关于宇宙的美丽神话。嫦娥奔月在我国是一个妇孺皆知的神话。在这个神话中，嫦娥吞下一颗长生不老的药丸，就飞到了月球上。而在现实中，要达到月球谈何容易！要知道似乎近在咫尺的月球，与地球平均距离是384401公里。
　　月球和地球
　　然而，人类的智慧是可以战胜一切的。20世纪中叶，许多有志于探求宇宙奥秘的科学家，都在试图研制一种能载人在太空中遨游的飞行器宇宙飞船。
　　在这一领域，前苏联和美国走在各国的前面。上个世纪50年代，前苏联政府拨出大量资金作为宇宙飞船的研制经费。成千上万的科学家、航天技术专家聚集在一起，研究外层空间的飞行、宇宙飞船的材料和结构等技术。他们考虑的问题，大到宇宙飞船的模型设计，小到宇航员上厕所的问题。要在茫茫的宇宙中航行，任何的细节问题都是马虎不得的。经过众多科学家的努力，人类历史上的第一艘宇宙飞船诞生了！它是由球形密封座舱和圆柱形仪器组成，除了具备一般人造卫星基本系统设备外，还设有生命维持系统、重返地球用的载入系统、应急跳逸系统及回收登陆系统等。
　　苏联东方1号
　　1961年4月12日，这艘名为东方1号的宇宙飞船，载着前苏联宇航员尤里加加林，在空间绕地球一圈，飞行了1小时48分钟。在东方1号宇宙飞船返回地面前，抛掉了末级运载火箭和仪器舱，只剩下座舱单独进入大气层；当座舱下降到离地面只有7公里时，飞船座舱弹出宇航员，然后，宇航员用降落伞单独着陆。
　　东方1号宇宙飞船的航行成功，意味着人类已经可以飞出地球，在宇宙空间中航行了。广大的科学家也深受鼓舞，以更大的热情投入宇宙飞船的研制中去。
　　此后，前苏联在1961年1965年还连续发射了东方2号、东方3号、东方4号、上升2号宇宙飞船，都获得了成功。
　　与此同时，美国也抓紧宇宙飞船的研制工作。终于在多次成功和失败的研制、发射基础上，制成了阿波罗11号宇宙飞船。这艘宇宙飞船长25米、重45吨。在飞船内，有3把靠椅，在靠椅的上方，安装了各种控制飞船的仪器。用于发射阿波罗11号的三级火箭有85米长，重达2700吨。这个巨大的工程耗资达240亿美元，有40多万人参加了它的研制工作。
　　阿波罗11号
　　1969年7月16日，在美国肯尼迪航天中心，发射了载有3名宇航员的宇宙飞船。阿波罗11号升空后，先用两个多小时绕地球一圈半，然后飞向月球。又经过73小时的飞行，宇宙飞船于1969年7月20日到达月球。
　　到达月球后，宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐登月舱登月，而宇航员科林斯则继续驾驶指令舱绕月球飞行。
　　阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上做了一系列的实地考察，并采集了22公斤月球上的岩石和土壤标本。他们在月球上逗留了21小时18分钟后，驾驶登月舱进入轨道。然后，登月舱与科林斯驾驶的指令舱对接起来，又形成了完整的飞船，向地球飞去。
　　阿波罗11号宇宙飞船登月的创举，震动了全世界，人们欢呼人类这一伟大的胜利。
　　阿波罗11号登月
　　宇宙飞船是一种航天器，其用途是运送有效载荷往返太空。其再入舱为钝体，没有机翼，可再入地球大气层。由于它容积较小，受到所载消耗性物资数量的限制，不具备再补给的能力，而且不能重复使用的。宇宙飞船可以独立进行航天活动，还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。
　　载人飞船必须能够在太空的真空条件下维持生命，往往还有苛刻的热环境和辐射环境要求。它属于一次性使用的返回型载人航天器。
　　航天器按着执行的任务与属性分类如下：
　　航天器分类如下表
　　哈勃太空望远镜
　　通信卫星
　　遥感卫星
　　自1961年苏联宇航员尤里阿列克谢耶维奇加加林乘坐东方1号宇宙飞船完成首次载人航天任务始，人类涉足太空已经将近60年。从走入太空、太空生存到太空生活，宇航员太空生活的质量已经有了质的飞跃。现如今宇航员在太空的衣、食、住、行是怎样的呢？现简述如下：
　　衣
　　厚重的外壳、圆圆的面罩，这大概是大多数人心目中宇航服的经典形象。但重达几十公斤的宇航服，当然不可能是居住在宇宙空间中的人类的日常穿着。
　　其实，在空间站工作生活的宇航员们，平时会穿着同地面上一样的衬衫和裤子，宇航员通常会一次筹备几个月的衣物，由补给航天器定期送到空间站中。水在太空中是珍稀品，空间站上并不会配备洗衣机，宇航员也不能像在地面上那样频繁地更换衣物他们可能几天才会得到一条新的T恤或者裤子。不过好在空间站中灰尘很少，宇航员们每天运动后也有机会沐浴并擦去身体表面的汗水，因此衣物不会很快变脏。
　　如果要走出航天器，宇航员依然需要穿着宇航服保护自己。一件宇航服就像一座小型的航天器，既需要保温保压，有足够优秀的性能和强度防御宇宙射线以及微陨石的袭击，还要具备全套的通信系统和生命保障系统。还有一种舱内宇航服一般用于航天器座舱内，在发射和返回地球时保护宇航员，有着平衡温度、提供气压保护的作用。
　　国际空间站内部
　　目前，宇航服正在向着轻便与美观的方向发展，SpaceX公司、波音公司等最新研发的舱内宇航服重量比之前减轻了40左右。在未来，宇航服应当能让人类在宇宙空间中自由地行动与探索。
　　食
　　吃喝当然是人生一大乐事，如果生活在太空，我们还能愉快地享用大餐吗？
　　最早的太空餐是让人望而却步的牙膏：宇航员要从管子里面挤出半流体的食物，不需要咀嚼便可直接吞下肚。苏联宇航员戈尔曼季托夫有幸成为了第一位享用这份太空大餐的人，他的菜单里有一管蔬菜泥汤，一管法式肥肝肉酱和一管黑加仑果汁。顺便一提，他也是第一位在太空中呕吐的人，不过这倒并非因为食物太难吃，而是由于在太空环境中睡眠引起的太空病。而美国宇航员约翰格伦1962年乘坐水星飞船起飞时，他的便当盒中塞满了一口大小的食物冻干块，这些小立方块必须在太空中重新加水融成食物泥，装进牙膏管再食用。没有咀嚼的快感，没有多样的选择，首代宇航员的饮食条件相当艰苦。
　　吃货的生产力是不可低估的。很快，牙膏管就被赶出了太空餐厅。人们发明了种种能在无重力环境中使用的餐具，甚至包括咖啡杯、煎锅。如今，宇航员们已能在太空中自如地使用刀叉等餐具，与地面用餐相当接近。
　　太空食品的种类也丰富了很多，国际空间站中的宇航员有上百种餐品，他们可以选择自己的用餐计划虽然这一用餐计划是每8天循环的。这并不妨碍宇航员们开发新的太空料理：小饼干、日式寿司、花生酱冰棍，甚至是昨天的咖啡奋进号航天飞机的指挥官在采访中自豪地展示了一批再生水，而原料是什么自然不言而喻。
　　然而，制定太空菜谱仍然相当受限。大部分蔬果在宇宙中最多只能保持两天鲜度，空间站中新鲜食品极其稀缺。绝大多数食品只能脱水或加工成罐头运上太空。科学家们正在想方设法解决这一问题，比如在空间站种蔬菜（主要是生菜和西红柿等方便食用的蔬菜）、养螺旋藻。现在，已经有一些宇航员吃上了太空实验生菜。太空菜园成真之时，人类自给自足的太空居留才能实现。
　　住
　　我们可以直接居住在某个星球或外太空空间中吗？目前看来这还是不可能的。无论是现阶段的太空站，还是想象中的火星殖民地，人类都需要一个足够庞大坚固的人造建筑来保护自己。多国合作、经营多年的国际空间站，是现阶段唯一真正实现长期居住功能的太空场所。国际空间站内部比一座五居室公寓要宽敞得多，除了用于科研用途的实验室，还设置有两间浴室、健身设施和一个360度视野的凸出舷窗。
　　国际空间站
　　如果你想要减肥，太空环境绝对是不二之选。无重力环境会扰乱人体的肠胃功能，因此宇航员在太空中大多食欲不振，进食量减少，但是他们每天却要在各种特制健身器材上花费多达两个钟头太空环境会导致人体肌肉、骨骼、心肺等器官产生复杂变化，为了抵抗身体机能的衰退，宇航员必须每天进行锻炼。国际空间站上配备有跑步机、自行车骑行装置和阻力锻炼装置，宇航员在健身的时候会把自己固定在机器上，免得自己飘来飘去没错，宇航员是一群带着绳索生活的人。太空中的生活有一半时间都是要被绑着的，睡觉时要把自己固定好，运动和洗澡的时候要被绑住，甚至上厕所也要将自己卡在厕所上，以防在无重力环境下飘荡出去。
　　为什么不能像科幻电影中那样，让国际空间站舱体转起来，靠向心力来伪造人工重力呢？如果要营造同地面一致的重力感，空间站的结构要么足够长（旋转半径足够大），要么转得足够快。无论采取哪种方案，都是对材料和能源的严峻挑战。在寸土寸金的宇宙空间中，比起花费高昂的成本去营造类地环境，修建几个健身房反倒划算得多。
　　空间站中还有一个常常被忽视却必不可缺的豪华配置：厕所。它或许更像吸尘器，能够产生强大的吸力，将排泄物迅速吸入。如果速度不够快，排泄物在失重环境下很容易四散飘开，那样的画面当然是任何人都不太愿意想象的。太空厕所的气密性和耐腐蚀性需求比地面上的厕所要高得多，还要配备污水处理系统，提取排泄物中的水重新利用。今年NASA运送到空间站的豪华厕所造价高达2300万美元，宇航员们将在空间站上对这台厕所的性能进行测试，这套厕所系统或许会被应用在之后的登月或者火星任务当中。
　　行
　　宇宙空间如此广阔，居住在太空中的人有机会出去看看吗？科幻大片中的星际跃迁、穿越虫洞，在今天还更像是只手换乾坤一类的神话。人类目前可以达到的速度远不及光速的千分之一，即使是运行轨道距离地球最近的火星，航天器也要花费7个月以上的时间，经历复杂的变轨才能抵达。
　　现阶段的太空出行主要依靠航天飞机和载人飞行器，许多国际空间飞行器都到访过国际空间站，输送工作人员和物资。至于去太空里散散步，仍是可望而不可即的。虽然早在1965年苏联宇航员就已经走出舱门，太空行走在今天仍然并非易事。出舱行走是需要提前数日准备的重大行动，即使是装备齐全的宇航员，在宇宙环境中依然面临着相当程度的风险。除了必要的器械安装、维修与太空行走实验，宇航员们一般不会走出舱门。
　　2008年9月27日，中国宇航员翟志刚完成了我国首次太空行走任务，中国成为第三个独立掌握空间出舱技术的国家。同之前其他国家的出舱任务相似，翟志刚也使用脐带式行走，通过一根又粗又长的电脐带同飞船相连。
　　太空行走
　　或许在将来，随着单体移动装置的进一步改进，宇航员可以在舱外更自由地行动，飞行器的速度也将不断提升，帮助人类向更广阔的宇宙进发。
　　经过数十年的太空探索，我们已经能够部分实现在太空生活。我们可以畅想未来，也应始终心存敬畏在浩瀚的宇宙，营造一个空间站、建造一个太空基地，甚至移民另一个星球，或许都不过如蚁筑穴。越是深入宇宙，时空的深邃、人力的有限与无穷，就越充分地显现出来。
　　从一片衣料和一粒种子出发，从在空间中可能遭遇的每一点困难出发，人类正在走向辉煌广阔的星空。云外与天宫，已经并不那样遥远。
　　神舟飞船