生活在太空

《大自然探索》2001年8月

乔阿光编译

自从40年前苏联宇航员加加林第一个飞上太空后，人类在太空生活就已不是梦想。最近美国富翁蒂托的太空旅游，更激起了众多太空爱好者对太空生活的向往。许多人都想步蒂托后尘，登上国际空间站，在舱与舱之间飘浮，俯瞰地球。

     然而，在国际空间站生活并非想象的那样惬意。

    自己造氧气

    在空间站首先遇到的是在离地面300多公里的高空中，几乎没有空气的难题。

    在地球上，空气的成分里有78%的氮，21%的氧，1%的其他气体。在空间站，宇航员要正常生活和工作，也必须有这样的空气。其中的氮气用航天飞机运来，而氧气则在空间站制造。中学生都知道两个氢原子加一个氧原子便构成了水，也都做过用试管电解水获取氧气的实验。在用高科技建造的国际空间站上，氧气的获取就是依这个最基本的化学方程式进行的，得到的氧储存在压力罐里备用。产生的氢气目前只能排入太空，将来准备用它和一氧化碳反应生成甲烷，作为维持空问站轨道高度的动力。

    在空间站上由俄罗斯建造的“星”服务舱内的电解水机器启动前，宇航员呼吸的是通过燃烧“高氯酸盐蜡烛”获取氧气。这是一个装有高氯酸盐的金属罐，拉动点火栓，它就燃烧起来，放出氧气，直到全部烧完。

　　每一个罐能释放一个人用一天的氧。这里使用的化学原理 ，也是中学生做过的加热高氯酸钾获取氧的实验原理。不过别以为读完中学就能去造这种“蜡烛”了，这里面还有更深奥的科学道理哩。比如，1997年2月 23日，俄罗斯“和平号”空间站上的这种“蜡烛”引发了一场大火 ，差点报销了“和平号”。事后，科学家花了两年时间，才找出这场大火的罪魁祸首是乳胶手套——在装罐时混进了装罐工人戴的乳胶手套的碎片，乳胶和高氯酸盐发生反应，造成了大火。

    除了获取氧气外，空间站还要排除有害于人体的气体 。现在空间站“星”舱内的机器用“沸石”作为分子筛过滤空气，它排出的二氧化碳目前也只能送入太空，将来要使它得到循环使用。

　　人除了排出二氧化碳外，还要排出少量其他气体，如甲烷、从尿液的尿素中分解出来的氨，还有丙酮、甲醇和一氧化碳，它们都是新陈代谢：即排尿和呼吸的副产品。空间站用活性炭过滤筛从空气中吸附这些气体化合物。

    为保证空间站里的空气是安全的，空间站上的管道网从空间站的不同地方采集空气样本，把它们送进质谱仪进行气体成分分析。机组人员当天在空间站某处工作，就告诉计算机多采集那里的样本，以保证机组人员的健康。

    不浪费一滴水

　　经过长途跋涉来到空间站，最想干的事肯定是冲进洗手间洗把脸，甚至钻进浴室冲个热水澡。但现实是只能用湿毛巾擦一把，而且用的水是由同伴呼出的水蒸气、燃料箱里的水等处理得来的水。在远离地球的高空，每滴水都是珍贵的，都要回收利用、节约使用，连尿液也要回收，经处理后再利用。

最初的用水是由美国的航天飞机和俄罗斯的“进步号”货运飞船送来的，一部分用来分解产生氧气，另一部分就成为空间站水循环系统的初始水。俄罗斯研制的轨道水处理器能收集空间站空气里的水蒸气。美国正在建造一个再生循环系统几乎可以使每一滴水都进入再循环，该系统从航天飞机的燃料箱、尿液、漱口水、洗手水里回收水，甚至连实验室里的动物也逃不出再循环系统的收集。否则为保证4人机组的最低用水标准，每年要从地球上运送1.8万多公斤水到空间站，费用太大。

　　地球上的水也在循环使用，只不过是通过动植物的自然过程。动物呼出的水蒸气进入空气，再变成雨水落下来。动物的尿液被微生物分解，供植物吸收，植物成熟后，供人食用。空间站的净水系统模拟了这一过程，只是不靠微生物、动植物，而完全用机械方法，这样在技术上比较可靠。首先进行初步过滤以去除碎片和颗粒，再通过多层过滤清除有机物和非有机物杂质，最后用催化氧化反应器去除挥发性的有机物，杀死细菌和病毒。因此，空间站的水比地球上任何一个家庭水龙头里流出来的水都干净。

　　在地球上水龙头一开，水就流出来了。但空间站的水压只有地球上的一半，因而在空间站只能用喷头把毛巾打湿，然后用来擦手。因此在空间站洗手，只需在地球上洗手的1／10水。想喝水时，要把盛水的盒子钩上来放到分配器里，选择所要的数量，按下按钮，就会得到所需要的定量的水，而不能拧开水龙头让它自己流出来。尽可能回收之后，空间站上的水还是会有损失，因此必须不断用航天飞机和“进步号”飞船补充。在俄罗斯的“曙光”舱里安装了备用的紧急水罐，每一个可装大约41公斤水。

    消灭微生物

    在第一个人登上国际空间站之前，就己有某些东西捷足先登了。这是一些虽看不见但有着潜在危险的、具有在最恶劣的环境中生存和再生能力的、能攻击机组成员和空间站的东西——这就是微生物。

　　为了消除微生物对宇航员健康的威胁，空间站上用催化氧化反应器对水进行消毒，把水加热到130，微生物中的有机分子在这一过程中被氧化，几乎被全部被杀死。消毒后的每100毫升水中只有不到100个微生物。

　　微生物在空间站设备表面生长会产生酸，导致表面的腐蚀。为解决这一问题，首先要全部使用耐霉材料，用杀霉化学物质制成的漆涂抹表面；其次要控制空间站的湿度，不给微生物提供适合滋生的环境；三要保持表面清洁，使微生物没有食物。

    和过冷过热做斗争

　　人类只适合生存在不冷不热不太亮也不太暗的地方。在地球上，只要远离南极，不掉进火山口，不陷入沙漠，都是适合人类生存的。但人类要到太空去探险，并且不只是作为访问者，而是定居者，要创造适合人类的生存环境，对空间站的设计者来说是一大挑战。

　　如果空间站上没有温度控制，那么向阳面会达到121，而背面则为-157，因而只有空间站中部的某处适合人类居住。但空间站的设计者考虑到了空间站的热平衡，装配了热控制系统，使轨道上的“宇航员之家”凉爽而舒适。为此，既要解决来自空间站外太空寒冷的影响，也要对付在超绝缘、拥有各种产生热的仪器的轨道试验室里不断上升的内部温度影响，因为在一个完全与外界隔绝并关闭了空调的房间里，所有电线产生的能量最终都会变成热。在空间站上，来自太阳能电池板的能量进入空间站，使航天电子仪器等所有系统工作，它们全都产生热，因此必须采取措施，避免超出人所能承受的热度极限。

　　解决这个问题，用两种方法。被动的方法之一是，用绝缘材科或在表面涂抹绝缘涂料来减少各舱壁的热损失。聚酯薄膜能阻止太阳的热辐射进来。聚酯薄膜层间用涤纶纤维分离，能阻挡层与层之间的热传导，保证辐射成为通过这种“毯子”的主要传热方式，既防止太阳的辐射流失，也防止太空的寒流穿透空间站的金属外壳；二是用电加热线加热各处；三是用装有液体的管道传递热，使之达到均衡。

     另一种方法是主动方法。是用冷板——一种金属板材，直接传走热量。高热发生器附着在冷板上，冷水以每分钟1700转的涡轮推动进行循环。用热交换器把热收集到液态氨里，再把热传递给水。由于在太空站外部的循环水很快会冻住，为使这些液体系统工作，废热要第一次交换到另一个含有氨的循环中去。氨在正常大气压下要到-77才会冻结。加热的氨通过安装在空间站外部的巨大辐射器流动，释放出热，在流动中冷却。用类似太阳能电池板的大型阻热器，把收集到的热，辐射到太空中去。空间站的这种外辐射器使用蜂窝式铝板制成，共有14块，总面积156平方米。

　　最后，必须使空间站内部的空气流动达到平衡。在空间站里零重力的条件下，热空气不会上升，冷空气不会下降。要想法造成合适的空气流动，防止出现冷点，因为这种冷点会造成冷凝、电火花，严重的腐蚀甚至会促使微生物增长。俄罗斯的“和平号”上就出现过腐蚀霉。

太空家政

    宇航员需要收拾垃圾或打扫厨房吗？太空也有家政服务员吗？

    空间狭小的空间站只能容纳3-7人，每个人都承担着繁重的科学技术工作，哪有闲人来专事家务呢。所以空间站的所有食物都是由美国的航天飞机或俄罗斯的“进步号”货运飞船送来的，无须机组人员自制。机组人员可以从一张内容丰富的菜单上选择自己喜爱的食品。大多数食品已经过处理，包装在小袋子或罐头盒里。有些食品还经过脱水处理，只要加进热水即可食用。放在袋子和罐头盒里的食品，只需加热就可吃，还有少量的生食蔬菜和水果。但这些食品都不用放在冰箱里，只需在室温下存放；空间站上有一个小冰箱，但由于动力原因，不能连续使用。

    空间站上有炉灶，最初是俄罗斯造的公文包大小的小型食品加热器或美国造的手提食品加热器，二者都是热传导型炉灶，而不是微波炉。后来有了微波炉，但仍不是最终的太空炉，还要改进。

　　航天飞机到来时，送来水和食品等新的供给，回去时就成了世界上最昂贵的垃圾清运车，把密封的垃圾箱运回地球。而俄罗斯的“进步号”货运飞船更神奇，到来时带来新的供给，卸载。然后就把垃圾箱装进“进步号”密封起来，离开空间站后，进入低轨道，受控再入大气层，在此期间，“进步号”就和垃圾都烧成灰烬落入海洋。

管道系统销综复杂

    在地球上，打开卫生间的水龙头，水就会流出来。冲洗完厕所，水便流走了。但是在太空，卫生设备是怎样的呢？例如，在零重力的情况下，水会怎样流？冲厕所的水是否会自动落下？

    在大多数时候，空间站像瓶子里的船一样工作，和外界完全隔离。只有在航天飞机和“进步号”飞船给空间站运来空气和水、“联盟号”飞船来更换机组人员和宇航员走出舱外进行太空行走时，才打开一下对接口或密封室。有效地防止漏气和保证水的再循环对空间站是最重要的。

    为此，在空间站的外表面和内壁上布满了复杂的管道网。在这些管道里，流动着保证机组人员健康所必需的液体和气体。由于太空的特殊环境，空间站上的管道必须体积小、重量轻、耐腐蚀、不渗漏、不滋生微生物、十分可靠。为满足这些要求，空间站上的管道都用钛、不锈钢或在金属网上缠绕特氟隆(聚四氟乙烯)等昂贵材科制成。

 空间站上的管道必须在没有重力帮助的情况下工作。在没有重力的情况下，流体只会呆在那里，除非有压力推动它们。为使液体流动，空间站的管道系统里有几十个泵和风扇，增加需要运送液体和气体的压力。可以想象，空间站上的洗手间和地面上明显不同，厕所没有重力便完全不能工作，因此空间站用特殊吸管清除人体排泄物。

    国际空间站的通讯采用了俄罗斯“和平号”空间站的经验，鼓励机组人员给家里打电话。每个机组人员都有可视电话，每星期都可以给家里打电话。机组人员也可以每天收发电子邮件，所以没有人会感到远离家人。

    在太空制氧、循环用水、建立温控系统等等保证人类在太空生命安全的系统就叫“生命保障系统”。科学家早已开始研究高级生命保障系统，即微缩的地球环境。有朝一日，人类终将能在太空吃到自行种植的粮食，呼吸太空植物提供的氧气，喝到太空植物净化的水。