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长久以来,我们人类都对地球以外的世界充满着强烈的好奇心 ,1961年4月12日,著名的宇航员加加林(Yuri Alekseyevich Gagarin)乘坐“东方1号 ”宇宙飞船首次进入了太空,从此开启了人类的载人航天之路 。时至今日 ,人类早已不满足于“在外太空兜一圈就回来”,为了长时间地呆在外太空,人类建造了好几个空间站 ,而其中我们最熟悉的就是国际空间站(ISS)了。
国际空间站在外太空给宇航员提供了能够长期生存的环境,通常情况下,每个进入国际空间站的宇航员都可以在这里呆上数月的时间 ,相信大家一定会比较好奇为什么宇航员可以长期呆在国际空间站,下面我们就来了解一下。
想要长期维持一个适合人类生存的环境,食物、氧气以及可饮用的水是最基本的物质保障 ,其中食物和水都还好,但氧气的储存和运输却比较困难,并且大量地储存纯氧还有一定的风险,因此如果国际空间站的氧气只是依靠地面的供给就会是一件很困难的事情。那么国际空间站的氧气是怎么来的呢?
其实这个问题的答案并不复杂 ,国际空间站获取氧气的主要方式就是电解水,即利用电能将水分解成氢气和氧气 。简单地讲就是,电解水的设备所需要的电能由太阳能电池板提供 ,其产生的氧气用于宇航员的呼吸等用途,而氢气则会被当作废气排出。
但另一个问题就来了,国际空间站的氧气为什么一直都用不完呢?需要注意的是 ,水里蕴含的氧气其实是很多的,一升水完全电解后可成生大约620升的氧气,而一个人每天大概会消耗550升的氧气 ,也就是说,只需要很少的水量,就可以保证宇航员的氧气供应。
地面上会定期给国际空间站运送各种物资 ,其中当然也包括水,上图为JAXA(日本航空航天 探索 局)的“HTV-6”货运飞船准备发往国际空间站的水包,每个水包都有20升的水,如果将它们用于氧气供应 ,一包水完全电解后所生成的氧气就足够一个宇航员呼吸22天 。
然而国际空间站里的水并不能全部用于制造氧气,这是因为宇航员的日常的生活和工作都需要大量的水,再加上从地面将水运送到外太空的成本很高 ,所以说在国际空间站里,水是非常珍贵的资源,必须得到有效的循环利用。
对此人们采用的方法是废水回收 ,具体点讲就是说把宇航员在生活和工作中产生的各种废水(如洗漱水 、尿液等)全部收集起来,除此之外,那些宇航员排放在空气中的水蒸气也会通过冷凝的方式进行收集 ,数据显示,国际空间站在废水回收这方面做得很好,可以回收大约93%的废水。这些废水在经过多重蒸馏、分离以及过滤等过程后 ,将重新转化为可饮用的水以供后续的使用 。
整个过程如上图所示,我们可以看到,国际空间站中的绝大部分水都是处于不断地循环利用的状态,在这个过程中 ,除了无法收集到的废水以外,只有用于制造氧气的水是真正地被消耗掉了,而因为被消耗掉的水很少 ,完全可以依靠地面上的补给来维持,所以国际空间站就能够给宇航员提供源源不断的氧气,一直都用不完。
顺便讲一下 ,国际空间站中还有一个完善的环境控制与生命保障系统,这个系统可以有效地清除宇航员在这里所产生二氧化碳、硫化氢、氨气等废气,并提供合适气压以及空气的组成比例 ,从而保证了宇航员身心 健康 。
需要指出的是,除了以电解水的方式获取氧气之外,国际空间站还准备了两种备用的方式来应付不时之需 ,第一种就是直接准备了一些加压的氧气罐;第二种则是固体燃料氧气发生器,它可以利用固体粉末的化学反应来制造氧气,比如说氯酸钠和铁的固体粉末混合物在被点燃时就可以生成氧气(反应方程式为:NaClO3 + Fe +点燃 = O2 + NaCl + FeO),因为点燃就可以产生氧气 ,所以很多宇航员都亲切地将其称为“氧气蜡烛” 。
就目前来看,我们人类还没有制造出能够完美地自给自足的封闭环境,这也是人类 探索 宇宙的一大障碍 ,不过人类的 科技 在不断地进步,也许会在不远的未来,我们的科学家就能够达到这个目的。可以想象的是 ,到那个时候,人类就可以摆脱地球的束缚,从而真正地走进星辰大海。
你好! 由于人在太空的生活环境与地球表面的生活环境迥然不同,因此,在太空中的衣食住行与地面不同,会带来许多惊险和奇趣.但太空生活不仅仅是个供人谈论的奇趣问题,而是一个最基本的实践问题.
住--密封座舱
密封座舱是载人航天器上最基本的也是最根本的生命设施.太空中的强辐射,就像原子弹爆炸时的辐射一样,破坏人体细胞组织;高速飞行的微流星体撞击,能致人
于死地;人体暴露在高度真空中,不仅仅是缺氧窒息的问题,而且可能体液沸腾 、气化而迅速死亡.密封座舱的舱壁,可以防止辐射和微流星体对人的伤害,座舱中
的空气可以使人不受真空的伤害.
密封座舱是人在太空的生活空间.为了使人舒适,能把温度调节在18℃~25℃之间,湿度控制在30%~70%之间,空气成分和压力一般与地面差不多.座舱
中虽然可以用纯氧(美国早期的载人密封舱中为纯氧),但容易引起火灾(美国"阿波罗4A"上的三名航天员,就是因纯氧座舱起火,在地面上演练时被烧死
的).还有补充氧和空气的设备,控制二氧化碳和其他有害气体的设备,空气流动设备,垃圾处理设备,以及吃、喝、拉 、撒、睡需要的各种设备,当然还有食物和
饮水供应,对长期载人飞行的密封座舱,还有水循环使用设备,文娱和体育锻炼设备.
衣--舱外活动航天服
人进入太空,免不了要走出密封座舱,这时的生命保障设施就是舱外活动航天服.不言而喻,舱外活动航天服应具备密封座舱的全部功能,而且还要增加太空行走和
通信设备,那就是服装背部的喷气背包和通信背包.喷气背包可以向上下左右前后六个方向喷气,航天员靠喷气的反作用力移动位置.在太空真空中,没有空气传播
声音,近在咫尺也要靠通讯背包通信."主要生命维持系统"背在背上,包括空气系统的重要部件,它循环流通宇航员的呼出物,排出二氧化碳,补充所需的氧气.
太空服内的标准环境处于纯氧的0.29个大气压中;这种降低了的气压有两个目的:首先,它要考虑在几乎真空的空间宇航员应有充分的活动自由.第二,它减少
了施加到服装上的压力.然而,由于气压降低了,宇航员穿上这身衣服时必须"预呼吸"纯氧.通过预呼吸减少溶解在他们身体组织中的氮的含量,而且当他们从穿
梭机到置身于这套服装的低压环境中时,能够避免弯曲现象.
吃--太空食品
在航天器的密封舱中进食,既有情趣,又有危险.如果工作离不开,可把食物和饮料悬在空中,用嘴一口一口咬或吸食,而双手仍然可以做事情.但食物碎渣会到处
飘飞,迷眼钻鼻,还会损坏仪器设备.因此,在早期的航天活动中,将航天食品做成糊状,装在软管中,食用时,像挤牙膏一样往嘴里挤.这种进食方法,由于见不
到食物的色和形,也闻不到食物的香气,引不起航天员的食欲.现在的航天食物和进食方法,已与地面上差不多了.食物稍带黏性,可以粘在盘子中不飞走,而盘子
可以固定在餐桌上.将来在火星上如何进食?恐怕另有情趣,也是需要研究的问题.
睡
在航天器的密封座舱中睡眠,特别方便,不管什么姿势,不管什么地方,都可以睡.但是,为了安全,应该钻进睡袋中,并将睡袋固定住,不然,到处飘飞,最后每
个人都会挤在通风口,而当航天器加速或减速时,可能会被舱壁和仪器设备碰伤.还要带上眼罩和耳罩,以免快速交替的日夜节奏和仪器设备发出的声音影响睡眠.
手臂要放进睡袋中,以免被卷进机器或碰着仪器设备的开关,同时是为了不给自己造成虚惊,因为在失重环境中,头和四肢有与躯体分离的感觉.曾有航天员在梦中
把自己放在睡袋外边的手臂,当成向自己飘来的怪物,吓出一身冷汗.
将来在月球上长期生活,如何睡眠?在那里睡眠能不能达到休息的目的?睡多长时间才能达到休息的目的,还是个需要研究的问题.
卫生
在航天器上的个人卫生是件十分麻烦的事.如早晚刷牙,牙刷一动,泡沫就会飞溅起来.所以目前航天员用洁齿药清洁牙齿.必须用能吸收须渣的剃须刀剃须,以免须渣乱飞.为了不使洗脸水飘飞,一般只用湿毛巾擦脸.
在失重环境中洗澡更困难,为了不使水飘飞,要在一个封闭容器中进行,用压力将水从上方压出来,但水在出了喷管后,就会在空中乱飘,碰到人体就会附着在人体
上,为了防止附着在口鼻上的水呛人和溺人,必须带防水和供氧罩.脏水要用水泵从下边抽出去,但附着在器壁上的水珠,需要用吸尘器才能收拾干净.因此,15
分钟淋浴,需要两三小时的准备和收拾的时间.加上太空水比金子还贵,一般半个月以下的短期航天飞行,只能用湿毛巾擦身.将来在月球和火星基地上长期居住,
如果水仍像太空那样珍贵,如何洗澡,则是需要解决的关键生活问题.
行
在航天器的密封座舱中行走,非常省力和方便,只要用身体的任何部位碰一下任何物体,反作用力也可把人推到任何位置上.用四肢划动空气,反作用力也会使人前进.
但在密封座舱外的宇宙空间行走,却是十分困难和惊险的事.首先,必须穿舱外活动航天服.其次,由于舱外活动航天服内的压力比密封座舱低,为了从舱内的高压
到航天服的低压环境不致产生减压病,出舱前必须吸纯氧排氮.因为航天器密封座舱中使用与地面上同样的大气成分,除氧以外,主要是氮,被吸入人体的氮,不会
被人体吸收,而是溶解在血液等体液中,当外界压力降低时,就会游离出来,形成气栓,堵塞血管,轻者使人头昏、胸闷 、呕吐,重者使人丧生.因此,出舱活动
前,必须吸纯氧,把氮气排出来.第三,走出座舱后,在空旷的太空中,没有任何东西作参照物,会分不清速度的快慢,物体的远近和大小,因而也就分不清方向.
近在咫尺的小纸片,被当作远在天边的庞然大物.1984年2月,美国航天员麦坎德利斯和斯图尔特走出航天飞机座舱,进行太空行走,地面指挥人员要斯图尔特
向航天飞机靠近,但他执行指令时,却是远离航天飞机而去.第四,太空行走是很累人的.法国航天员让·克雷蒂安1988年12月21日,在"和平"号舱外工
作6小时后,累得筋疲力尽,在别人帮助下才进入座舱.最后,太空行走也难免发生意外.1965年3月18日,苏联航天员进行了世界上第一次太空行走后,返
回"上升2"号座舱时,想把照相机先放进去,可是几次放进去,都被舱内的微弱气流推了出来,他只好用脚踩住照相机的背带,才没有再逃出.但他自己在进舱
时,却被鼓鼓的舱外活动航天服卡在舱外,进不去.他冒险降低航天服的压力.第一次不成,再降低,还是不成,最后降到危险的极限0.25个大气压,才挤进过
渡舱.
由于月球的重力比地球小,人在月球上双脚迈步行走,身体会被弹得老高,所以登月航天员的经验是,双脚并拢,像袋鼠一样地蹦跳更舒适.如果将来能到木星上去,习惯于地球重力的人类,那里的巨大重力恐怕会使人抬不起腿来的,那将怎样行走?
安全应急措施
运载火箭要求绝对可靠,但实际上不可避免地会有事故发生.因此,发射载人宇宙飞船的运载火箭,备有应急逃逸救生系统.航天飞机也有许多应付发射故障的安全救生措施.
如果飞船在运行轨道上密封座舱发生故障,而又不能排除时,舱外活动航天服可作为临时救生设备使用.还有一种救生球,可在一定时间内维持一名航天员的生命,在发生紧急情况时,航天员进入球中,等待救援.
载人飞船返回时发生意外,弹射座椅可把航天员弹出飞船,然后用降落伞减速着陆.着陆后用无线电信号机、烟雾剂、海水染色剂等发生信号,指示着陆地点,以便地面人员前去救援.
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