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宇航员到底是怎么在太空中上厕所的?| 展卷

“我认为,这个国家应该致力于在这个十年结束之前实现人类登月并安全返回地球的目标。在这期间,没有任何一个空间项目会比这个目标给人类留下更深刻的印象,或对太空的长期探索有更重要的意义,也没有任何一项任务会如此艰巨和昂贵。”这是美国第 35 任总统约翰・F. 肯尼迪(John F. Kennedy)于 1961 年 5 月 25 日在国会发表国情咨文时所说的话。这样的宣言既大胆又激动人心,当然在有些人眼里,也显得很愚蠢。当时,立博博彩公司以 1000:1 的赔率赌肯尼迪的宣言不会成真。

1969 年,美国宇航员成功在月球表面行走并安全返回了地球。

人类迈开了大步。

本文经授权节选自《BBC宇宙入门:怎样看待这个世界》(江苏凤凰科学技术出版社)。前往“返朴”公众号,点击文末“阅读原文”可购买此书。点击“在看”并发表您的感想至留言区,截至2021年10月17日中午12点,我们会选出2条留言,共赠书2本。撰文 | Adam Hart-Davis, Paul Bader

翻译 | 邵鑫

太空科学

宇航员在太空站做什么?他们把一部分时间花在生活上――睡觉、做饭、吃饭、锻炼――剩下的大部分时间都在工作:维护、修理仪器,做生理健康检测,进行科学实验等。

其中一些科学实验是为了验证某一理论。比如,阿波罗15号任务结束时,戴维・斯科特(David Scott)站在月球上同时扔下了一把锤子和一根羽毛。在地球上,由于空气的阻力,羽毛会慢慢落下。但在没有大气的月球上,它们一起坠落,同时撞上了月球表面。这表明,只要物体坠落时不受空气阻力的影响,重量就不会影响物体的坠落速度。伽利略在1590年就表达过这一观点,亚当也曾从比萨斜塔上扔下不同大小的西红柿来验证这种观点。美国航天局开展过覆盖面非常广的生命科学研究项目,该项目中宇航员会研究各种内容,既包括失重对自己身体的影响,也包括动植物在太空中的生长情况。对于植物和小型动物,科学家们希望至少通过观察完整的两代,来追踪它们的生长发育情况,观察微重力或零重力环境对它们的生长会造成怎样的影响。实验表明,这对无脊椎动物似乎并没有影响,所以接下来的实验对象就是小型哺乳动物和鱼类了。

有待回答的问题还有很多:失重对内耳传感器和大脑会有什么影响?小动物肌肉萎缩及骨质流失的程度和人类一样吗?零重力状态下植物能正常生长吗?植物的哪些部分对重力敏感?能种植足够的食用植物作为宇航员的食物来源吗?阿波罗-联盟测试计划、天空实验室和之后的空间站都让规划者不得不面对在短期和长期太空飞行中会遇到的问题和挑战。首先是发射升空过程中由于加速造成的超重状态,好在事实证明如果宇航员的身体可以得到固定并有良好的支撑,超重就不是一个大问题。

宇航员戴维・斯科特在月球上为数百万的电视观众演示锤子和羽毛实验。

资料档案丨太空实验

国际空间站上的这位科学家正在监测零重力环境下植物的生长情况。太空中也开展了一些蛋白质晶体的生长实验。科学家们希望在不受重力影响的环境下,可以更好地理解蛋白质的结构。当细胞处于失重状态时,组织培养过程也可能会出现变化。从太空观测地球则有望在全球变暖、荒漠化等方面提供有用信息。

失 重

失重,也可以称为零重力。在地球轨道上,宇航员并不是真正的失重,重力也不为零。实际上,航天器一直在向地球坠落,它的内部也不例外。因为下落加速度是一样的,宇航员和航天器的“地板”之间不会产生任何相互作用。这就好像你在蹦床上弹跳时,跳离蹦床的所有时间里处于自由落体或失重状态。想象一下,当你在跳离蹦床的期间想把水从一个容器(最好是塑料的)倒进另一个容器时,你会发现这相当困难。这就是通常所说的失重或零重力,也就是宇航员体验到的感觉。

在零重力环境中,物体如果不被固定住就会飘浮起来。你不能正常地在“地板”上行走,而必须要用上尼龙搭扣或磁性靴子之类的东西。你也不能把东西放在桌子上或者架子上,而必须将它们固定住。失重常常导致宇航病,这种病和晕船一样,都是因为大脑接收到的有关上下方位的信号产生了冲突。当耳朵中的半规管在重力作用下工作时(相当缓慢),你的眼睛可以告诉你水平方位在哪里,从而区分哪个方向是向上,哪个是向下。零重力状态下,耳朵完全没有适应过来,就连眼睛也往往分不清水平方位在哪里,由此带来的生理反应便是恶心。许多宇航员都经历过严重的宇航病,不过幸运的是相关症状似乎两三天就过去了。此外,长时间缺乏锻炼会造成肌肉萎缩,所以空间站配备了健身脚踏车、振动健身器等器材。不过这些器材都是经过改造的,可以把宇航员固定在上面。

处于零重力状态下一段时间后,人体内的血液量也会减少。在太空中,宇航员不会有太多不适的感觉。但是当宇航员返回地球后,加上肌肉萎缩和重力恢复,人会感到非常不适。在飞往火星的长途旅行中,这可能会造成一些麻烦,因为宇航员在抵达火星的时候需要保持高度警觉和健康的体魄。另外,在太空中,由于四肢支撑身体重量的工作量大幅减少,身体会认为骨骼不需要那么健壮,因此骨骼中的钙也会大量流失,流失速率可能高达每月1%。如果长时间在太空停留的话,就会带来非常严重的问题。

国际空间站的宇航员们在共同体验零重力的过程中拉近了彼此的距离。失重一开始是很好玩,但其实也会有诸多不便。

资料档案丨人造重力

科学家们想出了各种方法来产生人造重力。在电影中,我们看到航天器的环形部分通过旋转就能在外部产生人造重力(左图),但在现实中是不容易做到的。一种可能的解决办法是将航天器分成两部分,一部分放置发动机,另一部分作为生活区。两部分由电缆相连,让它们围绕共同的重心旋转。

医疗紧急事故

当宇航员执行任务的时间越来越长,生病、受伤或只是牙痛的可能性都会越来越大。因此,大多数任务都会有一名能够处理此类紧急情况的医生随行,并且所有宇航员都必须接受急救以及各种技能的培训,以便随时接手任何失去正常行动能力的同伴的工作。不过还有另外一个棘手的问题,如果有人死在太空中该怎么办?接下来几个星期也不能一直把尸体留在大家身边,那他们会把同伴直接“埋葬”在太空中吗?

空间站中的宇航员必须坚持每天锻炼几小时,以避免肌肉萎缩和骨质流失。

太空辐射

离地球越远,辐射带来的危险就越大。在地球表面,大气中的臭氧可以阻挡大部分来自太阳的紫外线,地球磁场也能阻挡大部分有害的宇宙射线。但到了环绕地球的轨道上,尽管紫外线还是无法穿透太空船,但是其他辐射带来的风险却增大了。如果宇航员登上火星,紫外线辐射可能是一个更严重的问题,因为火星没有臭氧层,其表面从早到晚都完全暴露在紫外线的辐射下。宇航服必须能阻挡紫外线,否则宇航员会被严重烧伤。

宇宙射线的危害比紫外线更大,最好用含有大量氢原子的材料来隔绝。神奇的是,最简单的聚合物之一――聚乙烯,在这方面的表现十分卓越。航天器周围30厘米厚的聚乙烯墙能吸收30%的辐射。但还是有很多射线会进入到舱体中,为了最大限度地减少其危害,其中一种方法是让宇航员补充大量的维生素C和其他富含抗氧化剂的食物,这些食物能够清除身体内因辐射产生的有害离子和自由基。

太空食物

食品和饮料需要特殊处理。零重力状态下,食物不会稳当地呆在盘子里,饮料也不能放在杯子里来喝。较早的时期,所有东西都是用铝管装的。1961年,苏联宇航员戈尔曼・季托夫(GhermanTitov)的餐点是一管蔬菜泥、一管肝酱和一管黑加仑汁。现在的食物,不管是俄式的罐装食品,还是美式的脱水食品,都要美味多了,而且品种也很丰富。宇航员们进餐时会使用磁化的刀、叉和勺子,这样就可以将它们吸附在桌子上,或者放在固定于膝盖的托盘上。

以前没人会把汉堡包和失重联系在一起。图中,一顿晚餐从国际空间站上一位宇航员的手中飘了出去。

食物本身是装在罐头或小包装里的,兑上水后会产生一定的黏性,可以黏附在勺子或叉子上。饮料装在塑料挤瓶里,可以直接对嘴喝。宇航员们必须要非常小心,不能撒出任何东西,不然飘浮在太空舱内的碎屑和液滴会造成很多麻烦:它们会堵塞仪器和空气过滤器,也可能会进入宇航员的眼睛。出于某些原因,宇航员在太空中通常吃得很少,回到地球后体重会减轻5%左右。在某些情况下,这会对宇航员的身体健康产生不良的影响,所以那些看上去明显消瘦的宇航员会被鼓励多多进食。你自己也可以买点太空食物尝尝。有几家公司推出了宇航员吃的同款食品,并宣传说这是野营旅行的理想选择。

零重力厕所

从艾伦・谢泼德第一次进入太空开始,如厕就一直是个问题。早期的宇航员们是穿纸尿裤的(美国航天局委婉地称之为“亲密接触装置”),但如果飞行时间超过几个小时,这些纸尿裤就不够用了。天空实验室安装了一套新的废物管理系统――废物收集器(WCS),它用一块很朴素的帘幕为使用者做遮挡。

WCS由一个高约80厘米、宽约30厘米的圆筒组成,长得有点像老式的旋转烘干机。圆筒的前部像真空吸尘器那样会伸出一根软管作为男女通用的尿液收集装置,软管末端装有一个三角形的橡胶收集口。但男女的排尿方式有别,所以这个收集口谁用着都不舒服。另外,由于WCS的真空吸尿性能做得不是很好,收集口在上一个人用完后总是有点湿湿的。

想上大号的时候就把裤子脱下来坐在圆筒的顶部,脚踩在筒外侧的脚镫上,然后在大腿上套一双弹力约束带。要记住,你现在是失重的,你应该不会想在方便过程中飘起来吧。完成这些步骤后你就可以滑开圆筒的盖子如厕了。下一个问题,零重力。在地球上,粪便会向下落;在零重力的环境下,排泄物因其黏性而难以顺利脱落。这个座位装有11个管道,可以从各个方向向上吹气,从而让排泄物能和你的屁屁“说再见”并落入圆筒中。不过,从管道吹出来的空气冰冷刺骨。粪便一旦进入圆筒就被旋转到外面冻干,免得碍事。使用WCS绝对不是什么愉快的体验,至少有一名宇航员在执行整个任务中什么都不吃,就是为了尽可能避免使用它。不幸的是,即使不进食,身体也会产生排泄物,结果是尽管挨了饿,这套装置照样还得用。

这款零重力厕所样机和WCS类似。使用气流将排泄物吸入一次性容器中干燥。不幸的是,WCS里的粪便因为过于干燥,最后会呈片状脱落,在太空舱里四处飘荡。而宇航员们又喜欢用花生互弹对方,所以他们只能凭味道分辨出到底是花生还是粪便碎片。

心理挑战

此外,还有一系列与太空飞行有关的精神压力。首先是长时间待在“金属盒子”里可能产生的幽闭恐惧症。阿波罗号的宇航员3人一组,相互之间挨得非常近,基本上不能改变位置或伸展四肢。尽管国际空间站有更大的空间,但也不能溜出去独处哪怕一分钟。你永远是和别人待在一块儿的,逃都逃不开。你只能祈祷同伴没有口臭或脚臭,如果有,也只能为了任务夜以继日地一直忍着。你的同伴或许嗓门很大,或笑声很刺耳,或喋喋不休,或喜欢打嗝,或不爱听别人说话,或者有其他一些让人难以忍受的小习惯。

远离家人和朋友可能会让人感到孤独,也可能会感到无聊和沮丧,尽管在实践中,宇航员抑郁的情况似乎不像潜水艇艇员那么严重。这大概说明地面控制中心给予了宇航员们足够多的支持,以防他们患上抑郁症。无聊时可以用电影和游戏来打发时间。执行在轨任务时也可以给家人打电话,但对于更远距离的任务,打电话就没那么容易了。哪怕只是在月球上,交流也会有3秒钟的延时,这使得谈话变得极其困难――等你听到一个问题的答案时,已经又想到两个新的问题了;而在火星上,这种延时大约是45分钟,那时就只能用电子邮件交流了。有些问题可能不容易事先预料到。一种是异味。一些维可牢尼龙搭扣(Velcro)曾被送到国际空间站用来固定物品。但在封闭的空间里,它怪异的气味会在人的喉咙留下一种难闻的味道;所以下一趟航天飞机来的时候就把它带回去了,但这个过程也花费了好几周的时间,而空间站又没有窗户可以让宇航摇下来透透新鲜空气。

这是一个让人备受煎熬的环境――低重力,行为受到限制,还得学会与人连续相处几个星期到几个月。

――尼克・卡纳斯(NickKanas)空间心理学家

人物档案丨尼克・卡纳斯

过去15年间,加州大学旧金山分校的心理学教授尼克・卡纳斯一直从事宇航员心理健康方面的研究。他还是空间生物学和医学学科委员会(Committee On Space Biology and Medicine Discipline)人类行为方面的顾问。他特别研究了美国航天局与和平号空间站宇航员的群体行为――他们是如何与其他宇航员、地面控制中心以及家人交流互动的。

乔治・奥尔德里奇(George Aldrich)是美国航天局的气味专家,被誉为“侦探猎犬”。过去这些年,他已经对至少700件物品进行了气味测试,而且这个数字还在不断地增长。和其他处于压力下的人一样,宇航员的沮丧往往也会传递给别人。就好像如果你在单位被老板骂了一天,回到家后你可能会对你的伴侣大喊大叫,或者给猫来上几脚。当宇航员在太空船上心情抑郁时,他们可能会冲着地面控制中心大喊大叫,或发生更为糟糕的事――回家后把情绪发泄在家人身上。

俄罗斯人和美国人在太空中的行为完全不同。如果一个任务有不同文化背景的人参与,除了难以避免的误解,还可能出现意料之外的紧张局面。不过,一个多元文化的团体也可以非常高效。空客A380在图卢兹工厂制造时,团队成员来自法国、德国、西班牙、英国等不同国家。团队领导人在报告中提到,虽然接受的工程培训是一样的,但他们会从不同角度解决问题,这种方式往往非常有成效。

宇航员当中不应该出现少数派,不然有人可能会被孤立、刁难或是戏弄。在和平号空间站上,当1名美国人加入到2名俄罗斯人中时就发生了这样的事。所以不应该让1名美国人和6名俄罗斯人,或者1名女性和8名男性共同执行任务。理想情况下,男女比例、不同种族人数比例都应该大体相当,总人数最好控制在7人。当人数是奇数时,有利于通过多数票做出表决。

舱外活动

宇航员有时会离开飞船去太空行走,也就是舱外活动(EVA)。许多人都把这描述为太空旅行中最棒的部分。舱外活动时,宇航员必须穿着增压宇航服,携带独立的生命维持系统,呼吸纯氧,宇航服体积庞大,而且相当笨重。让人最难以忍受的是,手套又重又硬,只要戴几个小时,手就会又累又酸痛,就好像连续几个小时反复挤捏一个橡皮球。然而,你会享受到一种非同寻常的自由,有点像你在游泳池里,却不需要划水。此外,这里还能看到令人叹为观止的景色――你可以一下子看到半个欧洲,白天和夜晚各只有45分钟。不过宇航员出舱可不只是为了欣赏风景,他们有各种工作要做,尤其是航天器、人造卫星或哈勃空间望远镜(见第64~65页)等仪器的维修任务。

没有床,人们往往难以安睡。宇航员们睡在系绳睡袋或吊床袋里,吊床袋通常垂直地(相对于“地板”而言)绑在墙上,因为这样占用的空间更少,而且身体也感觉不出方向。有些太空船上有铺位,宇航员可以在“上铺”或“下铺”睡觉,床板在零重力下不会感觉到那么硬。平均说来,宇航员在太空中的睡眠时间比在地球上少1个小时。

一部分宇航员在刚回到地球后特别难以适应。

――尼克・卡纳斯空间心理学家

人类未来的太空探索

人类探索宇宙的第一步自然是月球,下一步则显然是火星。相比金星,火星离地球的距离更远,但表面地质环境要好很多。人们一直想去火星,想更多地了解这颗红色星球,但这有可能吗?

第一,到达火星大约需要8个月,当然回来也得这么久,加上宇航员需要在那里待上几个月,所以一共差不多要花费两到三年。假如一次去了7名宇航员,那在这段时间内所需的食物、水、氧气和其他生命维持物资的数量是非常巨大的,甚至土星5号也只能将其中的一小部分送入太空。航天器和生命维持物资必须像国际空间站那样在太空中组装。

2007年1月,美国宇航员苏尼塔・L.威廉姆斯(SunitaL.Williams)在国际空间站参与了一次舱外活动任务。在7小时的任务中,威廉姆斯为其中一个模块重新配置了冷却回路,重新布置了电气连接,并在撤回后固定了P6桁架的右舷散热器。

第二,没有人在太空待过这么长时间。美国宇航员沙伦・卢西德(Sharon Lucid)在俄罗斯的和平号空间站一共待了188天,也就是6个月。她曾给家里发邮件说,每个星期天她都穿着粉红色的袜子,还和两名俄罗斯宇航员分享一碗果冻。令专家们惊讶的是,当她终于结束任务回来的时候,她竟然能自己从航天飞机上走下来。俄罗斯宇航员瓦莱里・波利亚科夫(Valeriy Polyakov)博士从1994年1月至1995年3月在和平号空间站停留了438天,创造了在太空中持续停留时间最长的纪录。在太空中,他每天锻炼1.5~3小时,着陆后还可以走到附近的椅子旁。第二天,他还去慢跑了。从这些经历来看,宇航员经过8个月的太空旅行抵达火星时还是能行走的,但等他们回到地球时会是什么状态呢?

第三,人类的寿命很短。为期3年的火星探险,虽然对于人类旅行来说已经很漫长了,但这也不过是旅行者号星际探索任务(Voyager Interstellar Mission)时长的十四分之一。旅行者号在发射42年后仍在运行中。

第四,成本过高。作为曙光女神计划(AuroraProgramme)的一部分,欧洲空间局(ESA)计划实施一系列火星探测任务,最终目标是于2030年完成载人探测任务。美国航天局也暗示将执行载人火星任务,但目前还没有任何正式的消息。英国体育科学家亚当・霍基(AdamHawkey)认为,如果宇航员真的到达火星,他们将在火星上跑步而不是行走。火星的引力只有地球引力的三分之一,相当于脚下踩着弹簧,这时候跑步比走路更有效率。

1998年,美国航空航天工程师罗伯特・祖布林(RobertZubrin)参与创立了火星学会(TheMarsSociety)――一个致力于宣扬人类探索并殖民火星理念的组织。他们构想中的第一步叫作“直达火星”计划:先派遣一辆无人“火地往返车”登陆火星。它将把一座小型核反应堆、一个小型化工厂和一座氢气供应站运过去,通过这些设备把氢气和火星大气中的二氧化碳进行结合制造甲烷和氧气。这将为宇航员提供必要的燃料,而宇航员会与火星居住单元(MHU)一起进行随后的航行。

火星学会还运行着火星模拟研究站(MARS),通过模拟火星的环境条件试验火星居住单元的使用状况。其中一个研究站位于犹他州的沙漠中,是一个圆形的两层楼建筑,二楼是6个人的休息和生活区,下面是一个开放式的工作区。研究站里还有一个“压差隔离室”,参与者在进入沙漠进行“舱外活动”之前要花5分钟的时间在里面“减压”。在沙漠里,他们穿着全套的宇航服,配有手套、头盔和背包,模拟宇航员的工作――收集岩石样本,寻找水的迹象等。他们还希望了解团队的动态:团队的最佳人数是多少?在同一栋楼里待上两三个星期后,大家相处得怎么样?

人类进入太空有意义吗?一方面,人类比机器人更善于运用自己的智慧去做决定,发现潜在的问题,纠正错误。另一方面,人类的生命维持成本又很高昂:食物、水、空气、睡眠――这些机器人都不需要。登过月球的巴兹・奥尔德林确信人类应该“大胆地去做……”,当被问及原因时,他说他相信造物主会希望我们这样做。

作者简介

【英】亚当・哈特-戴维斯(Adam Hart-Davis)

英国科学家、作家、摄影师,BBC电视节目著名主持人。他先后于牛津大学、约克大学获得硕士和博士学位,曾在牛津大学出版社担任科学图书编辑。

【英】保罗・巴德(Paul Bader)

BBC纪录片《宇宙入门:怎样看待这个世界》的执行制片人。