太空旅行指南

    [美]尼尔·F.科明斯 著

    宋阳 译

    中信出版集团

    2

    3

    第5章 发射!

    第二部分 适应太空环境

    洗手间技能

    太空飞行、航天器和外星表面模拟

    宇航服

    低气压

    微重力

    极限加速度

    第4章 太空旅行训练

    法律和保险问题

    行前筛查

    第3章 为旅行做准备

    飞向火星及其卫星

    飞向小行星和彗星

    飞向月球

    绕地轨道飞行

    亚轨道飞行

    第2章 太空旅行素描

    万有引力

    电磁辐射

    彗星

    小行星

    第1章 科学和太阳系面面观

    第一部分 准备工作

    前言

    目录

    4

    返回地球

    太空性行为

    在旅途中工作

    太空行走

    太空天文学

    环地空间站和更遥远的目的地

    亚轨道飞行

    太空摄影

    第9章 经历太空万象

    第三部分 充分体验太空

    遵守规则

    无聊和士气

    感官侵袭

    害怕辐射

    失神状态

    幽闭恐惧

    压力

    群体的互动

    出现严重心理健康问题的概率

    筛选的重要性

    第8章 在太空中与人相处 ——太空旅行的心理和社交影响

    太空里的撞击

    太空辐射

    睡眠干扰

    昼夜交替和昼夜节律

    让身体适应微重力

    第7章 长期生理调整

    增高

    营养和消化

    体液重新分布

    视觉和运动技能

    第6章 最初几天的调整

    进入轨道

    亚轨道飞行月球

    前往小行星、彗星和火星的卫星

    访问火星

    第四部分 家!佳？家？

    第10章 移民火星还是返回地球

    移民火星

    返回地球的太空旅行者

    附录 科学记数法

    5

    6

    本书基本不涉及数学，只是偶尔用到“10的n次方”和牛顿第二运

    挑战。

    人更多地了解我们生存的这片宇宙，了解太空旅行者将要面临的机遇和

    不同于地球上的经历。《太空旅行指南》就是想让对太空旅行感兴趣的

    很多特征，我们在地球上闻所未闻。因此，人们在这些星球上的遭遇将

    星，它们拍摄的图像显示，每颗星球都有自己独一无二的特征，甚至有

    我们已经向月球、火星和它的两颗卫星、小行星以及彗星发射了探测卫

    食这样的日常活动，到人体如何运行，再到性行为方式，都会不一样。

    一个人进入太空之后，生活的方方面面都会发生改变，从移动和饮

    球和火星，进军即将蓬勃发展的太空旅游业。

    在积极开发太空旅行硬件。那些具有远见卓识的企业家渴望参与殖民月

    等国际联盟一直在参与太空探索技术的开发和应用。现在，私人企业也

    数十年来，一些国家以及欧洲航天局(European Space Agency)

    地球运行的国际空间站。

    空两次的美国亿万富翁查尔斯·西蒙尼 [2] 。这些人的目的地都是环绕

    期。截至2016年6月，已有7名自费游客进入太空，其中包括已经进入太

    他到国际空间站(International Space Station)度过了为期8天的假

    人类首位自费太空游客是美国企业家丹尼斯·提托 [1] 。2001年，行者大军。时至今日，每年有超过10亿人外出旅游度假。

    现，人们制订和实施旅行计划的能力显著增强，越来越多的人加入了旅

    括埃及、希腊和中国。随着15世纪“中产阶级”的形成和印刷机的出

    早在几千年前，为权贵们组织旅行的业务就已在世界各地开展，包

    前言动定律公式F＝ma(F是力，m是质量，a是加速度)。我也会解释为了理

    解太空“有什么与为什么”所必需的科学知识。本书收录的各种太空挑

    战均来自我为写前一本书——《太空旅行的危害》(The Hazards of

    Space Travel)——所做的调查研究。我要感谢我的经纪人路易斯·凯

    茨(Louise Ketz)处理与本书相关的商务事宜，感谢我的编辑帕特里

    克·菲茨杰拉德(Patrick Fitzgerald)为本书润色，感谢瑞安·格罗

    恩迪克(Ryan Groendyk)帮助组织本书使用的数据和其他素材，感谢

    安德鲁·韦斯特(Andrew West)教授严谨的编辑，感谢我的教科书出

    版商弗里曼出版公司(W. H. Freeman Co.)允许我使用那些教科书

    中的图片。我还要特别感谢我的妻子苏(Sue)，感谢她在我写书期间

    始终保持耐心，也感谢她以一名英语教授的眼光仔细审阅了我的手稿。

    [1] 丹尼斯·提托(Dennis Tito，1940— )，美国工程师、亿万富翁，早年曾在美国国家航

    空航天局喷气推进实验室从事科学研究，后创立一家投资管理公司。他将航天器路径的计算方

    法应用于市场风险分析，开发出这家公司赖以生存的市场风险定量分析法。他虽已转行，但仍

    十分关心太空事业。据说，他为2001年的太空旅行花费了2 000万美元。(全书脚注均为译者

    注，书后注为作者注)

    [2] 查尔斯·西蒙尼(Charles Simonyi，1948— )，匈牙利裔美国人，资深软件工程师、企

    业家，曾任微软公司应用软件业务负责人，目前经营自己开办的公司。他在2007年4月和2009年

    3月两次作为太空游客进入太空。

    7

    8

    9第1章

    科学和太阳系面面观

    10

    11

    难。因此，本书会在必要时解释这些词语的科学含义。

    常用语赋予了很多技术含义，这给业余人士阅读科学读物造成很大的困

    科学知识。本书的目标之一就是让这些知识能够为你所用。科学家给日

    和医学问题。《太空旅行指南》会阐述各种太空经历，所以会包含不少

    想从太空旅行中获得极致体验，你必须了解一路上可能遇到的科学

    万人有机会进入太空。

    的一个短程太空游项目，一个座位只要几十万美元。这意味着将有几百

    太空旅行各类分支业务的新生代公司有望降低这个价格。目前正在开发

    从历史上看，业余太空旅行的价格一直以千万美元为单位，但从事

    旅。

    空项目正在建设之中，这预示着在不远的将来会有更多人踏上太空之

    个数字无法更精确，因为有些秘密的军事任务无从统计)。大量商业太

    烧友提供了落脚点。截至目前，进入太空的人数在500~1 000之间(这

    构有机会向太空输送宇航员和科学家，同时也为实力雄厚的太空旅行发

    国的“天宫二号”各自雄踞一方。国际空间站不仅使各个国家、公司和机

    的“天宫一号”等环地空间站你方唱罢我登场。现如今，国际空间站和中

    平号”(Mir)空间站、美国的“天空实验室”(Skylab)空间站和中国

    赛进入了白热化阶段。苏联的“礼炮”(Salyut)系列空间站、苏俄的“和

    70年代，人们见证了苏联与美国之间的太空竞赛，而人类登月使这场竞

    从那以后，人类的太空飞行断断续续地发展起来。20世纪60年代和

    了一个电话，叫人来接他。 [3]

    最后降落在偏离预计着陆点大约2 800 [2] 千米的地方。就在那里，他打

    落。在距地面7千米的时候，舱门打开，他被弹射出去，打开降落伞，球一圈后，到达非洲上空，此时制动火箭点火，返回舱开始减速并降

    火箭的推动下向东飞行，飞行高度大约325千米。飞船 [1] 差不多绕行地

    飞，开始了人类的首次太空之旅。他乘坐的飞船在“东方”(Vostok-K)

    哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场(Baikonur Cosmodrome)起

    1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林(Yuri Gagarin)从今天的

    12

    时便会摆脱地球重力。因此，地球大气层不断有气体逃逸到月球，甚至

    所以如此，是因为粒子受热越多，其运动速度就会越快，待速度足够快

    最外层的气体受太阳辐射，还是会挣脱地球重力，向星际空间逃逸。之

    把空气聚拢在地球四周，阻止它们逃逸到太空中去。即便如此，大气层

    让我们做个粗略的比喻：就像气球把气体聚集起来那样，地球重力

    来。

    把气体原子和分子聚在一起，而一旦被刺破，里面的粒子就会四散开

    的。除非以外力强行拉近，否则这些粒子会彼此渐行渐远。例如，气球

    是原子和分子的弱束缚组合，而气体的原子和分子是无法被束缚在一起

    地球大气层之所以没有一个明确的边界，是由于气体的性质。液体

    给“太空”下定义，我们需要换一个角度。

    确。大气层没有一个固定不变的顶盖，所以光是大气层还不够拿来

    相比之下，你往游泳池里跳的时候，入水的那一刻，水面的边界非常明

    进入大气层，你会发现空气变得越来越稠密，但看不出哪里算是边界。

    域。但是大气层与游泳池不同，它没有明确的边界。如果你从高空降落

    定义。我们大多数人从直觉上会把“太空”理解成地球大气层以外的区

    头我写了“……开始了人类的首次太空之旅”，这里我没有给出“太空”的

    本章的第一句话也可以很好地证明理解科学词语的重要性。本章开

    二象性的设定反而方便科学家深入地解释电子的行为。

    点状物体的运动方式。虽然电子运动的“视觉化”因此变得复杂，但波粒

    围绕恒星运动的行星。波的性质使电子在运动时向四周发散，这不同于

    子的双重属性。撇开其他不谈，这首先意味着，我们不能把电子想象成

    子——质子、中子和电子——根本不是实心粒子，而是同时具有波和粒

    粒

    Golden Atom)，作者是雷·卡明斯 [4] 。然而事实上，原子内部的各种

    为主人公的小说，比如1922年出版的《金色原子中的女孩》(Girl in the

    原子核想象成微缩版的行星和太阳。20世纪早期甚至出现过以原子生物

    的电子围绕着体积较大的原子核运动。读到这里，大多数人会把电子和

    让我们看看对科学词语进行不同解读的两个例子。如你所知，微小

    13

    持球形。事实上，地球表面有山脉和峡谷，并不是一个完美光滑的圆

    条件。第一，太阳系行星必须具有足够大的质量，从而让自己基本上保

    国际天文学联合会的天文学家认为，太阳系行星 [5] 必须满足两个

    体分为四类：行星、卫星、矮行星和太阳系小天体。

    文学联合会(International Astronomical Union)2006年的定义，这些天

    我们生活在太阳系，包括太阳和围绕太阳转动的所有天体。按照国际天

    的将来能够访问的目的地。思考这个问题时，我们需要一点宇宙视角。

    在确定了太空的起始高度之后，让我们再来想想太空旅行者在不远

    ■■■

    而言，太空始于卡门线。

    术原因，各个机构和国家对“太空”起始高度的界定并不一致，但就本书

    表的方向上具有足够快的速度，所以不会一落到底。出于各种政治和技

    地球。例如，国际空间站不断被地球重力向下拉，但由于它在平行于地

    在无动力飞行的时候，航天器需要依靠自身的运行速度来避免坠向

    线。

    使关闭发动机依然可以环绕地球飞行。这个高度就是现在所说的卡门

    飞行高度。换句话说，在绕地轨道的高度上，飞机的速度会非常快，即

    变得非常稀薄，以至于飞机必须飞得足够快，进入绕地轨道，才能维持

    飞行速度)。他发现，在距离地球表面100千米左右的高度，空气已经

    毕竟，飞得越高，空气密度就越小，空气所能产生的升力也越小(不论

    机的机翼产生足够的升力以保持飞行高度，我们需要多大的空气密度？

    Karman，1881—1963)的一个推论。卡门曾提出一个问题：为了使飞

    间。这个定义源自匈牙利裔美国科学家西奥多·冯·卡门(Theodore von 多数太空爱好者把“太空”定义为卡门线(Karman line)以外的空

    阳辐射和昼夜更替而不停地变化。

    会向外膨胀，遇冷时会向内收缩，所以大气层的高度会随天气状况、太

    更远的地方，不再回来。让问题变得更复杂的是，整个大气层在受热时

    14

    冰或者岩石和金属为主要成分的太空碎片。与行星和矮行星不同，这些

    太阳系小天体是围绕太阳运行的最后一类天体，基本上是以岩石和

    否符合矮行星的标准。

    神星已知拥有卫星。天文学家正在评估太阳系其他一些天体，看它们是

    星 [9] (Makemake)和阋神星(Eris)。冥王星、妊神星、鸟神星和阋

    归为矮行星：冥王星、谷神星(Ceres)、妊神星(Haumea)、鸟神

    除临近的小块太空碎片，所以最终被划为矮行星。太阳系有5个天体被

    冥王星的体积和质量足以让它保持球形，但它的质量不足以让它清

    的度量。

    所含物质多少的量度，或者换个说法，是物体所含各种元素的粒子数量

    量远远小于其他太阳系行星。质量确实很关键。任何物体的质量都是其

    在新的行星标准下，冥王星(Pluto)丧失了行星地位，因为它的质

    太阳运动，运动方向也与地球一致。 [8]

    所有太阳系行星基本上都在被称作黄道面的地球公转轨道面上围绕

    体，所以如果它被学者发现，我们将把它列为太阳系的第九颗行星。

    路径受到某个未知天体的引力影响。经过计算，这是一个行星大小的天

    卫星。2015年，天文学家发现海王星轨道以外很远处，有些天体的运动

    (Neptune)。水星和金星没有卫星，而其他六颗行星加起来拥有173颗

    (Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)和海王星

    (Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星 我们的太阳系目前拥有八颗行星，从太阳开始向外依次是水星

    天体不在此列。

    道上的太空碎片，但行星的卫星，也就是受引力束缚围绕行星运行的小

    过来或者远远地抛出去 [7] 。换句话说，太阳系行星必须能够清除其轨

    太阳系行星的质量必须大到足以产生巨大的引力，将临近的太空碎片拉

    约 [6] 42.8千米。这些微小的偏离并不影响我们对行星的界定。第二，球。此外，自转也使地球的赤道直径大于两极之间的直线距离，超出大

    15

    拉型小行星(即地内近地小行星)位于地球轨道 [11] 以内，从来都不会

    星登陆了阿莫尔型小行星爱神星(Eros，见图1.1a)。与之相反，阿蒂

    会从地球附近经过。2001年，美国国家航空航天局(NASA)的一颗卫

    行星的轨道位于火星和地球之间，比地球离太阳更远，但它们的确有时

    (Apollo)、阿顿型(Aten)和阿蒂拉型(Atira)小行星。阿莫尔型小

    未来太空旅行的候选目的地：阿莫尔型(Amor)、阿波罗型

    阳的距离。已知的近地天体有12 000多个。其中四类近地小行星是我们

    近地天体 [10] (Near Earth Object)与太阳的距离基本等于地球与太

    通常相距160万千米。

    中，你们的舰长用不着忙着躲避不计其数的小行星，因为它们彼此之间

    认。不管好莱坞的大制作电影是怎么演的，在实际飞往某颗小行星的途

    编号的小行星已超过45万颗，还有已经观测到的几十万颗在等待最终确

    个行星的运行轨道相交。现在，我们几乎每天都会发现新的小行星，有

    运行，而其余小行星的运行轨道更接近椭圆形，所以后者会与一个或多

    个区域被称为小行星带(Asteroid Belt)。大多数小行星沿着近圆轨道

    等。小行星在太阳系生命早期无序形成，大多位于火星和木星之间，这

    每颗小行星的外形都是独特的——球形、花生形、橡皮鸭子形等

    小行星

    小行星，体积较小的被视为对方的卫星。

    但有点复杂的是，小行星的卫星也是小行星。对于围绕彼此转动的两颗

    见的定义，流星体是直径小于1米的天体。已知几个小行星拥有卫星，碎片，体积较大的称为小行星，但两者之间并没有明确的界限。根据常

    集合。小行星和流星体包括太阳系里所有主要成分为岩石和金属的太空

    矮行星和太阳系小天体是过去被归为小行星、流星体和彗星的天体

    成分是通过化学键而非天体自身的万有引力结合在一起的。跑到地球轨道之外。

    16图1.1a

    阿莫尔型小行星爱神星，1898年发现，运行到近地点时距离地球2 670万千米，星体最长部分的

    长度大约34千米。

    图片来源：近地小行星探测项目(NEAR Project)、荷兰国家航空航天实验室(NLR)、约翰霍

    普金斯大学应用物理实验室(JHUAPL)、戈达德太空飞行中心科学可视化工作室(Goddard

    SVS)、美国国家航空航天局

    阿波罗型和阿顿型小行星都会与地球轨道相交。它们的轨道呈很扁

    的椭圆形，所以有时候比地球更靠近太阳，有时候比地球更远离太阳。

    这两类小行星里，有的会极其接近地球，有的甚至还会撞击地球。例

    如，此类撞击曾在6 500万年前造成了白垩纪–第三纪的生物灭绝，还可

    能在2.5亿年前造成了更可怕的二叠纪–三叠纪大灭绝(也称“大灭

    亡”)。

    17图1.1b

    “舒梅克尔号”(NEAR Shoemaker)登陆探测器拍摄的爱神星表面特写。

    图片来源：近地小行星探测项目、荷兰国家航空航天实验室、约翰霍普金斯大学应用物理实验

    室、戈达德太空飞行中心科学可视化工作室、美国国家航空航天局

    阿波罗型和阿顿型小行星的区别在于，阿波罗型小行星围绕太阳运

    行一周所用的时间大于一个地球年，而阿顿型小行星的公转时间小于一

    个地球年。美国国家航空航天局拥有一份档案，其中包括人类在不远的

    将来可以访问的1 300多个近地天体，而这样的天体正在迅速增多。图

    1.2总结了四类近地小行星的特征。

    科学与科幻作品

    18小行星是很多科幻故事的主角，最早可以追溯到19世纪儒勒·

    凡尔纳(Jules Verne)的作品。几部《星球大战》系列电影里都有

    小行星的身影。在《星球大战5：帝国反击战》(The Empire

    Strikes Back)中，汉·索罗(Han Solo)就把他的“千年隼

    号”(Millennium Falcon)藏在了一颗小行星里面。这颗小行星是

    一个密集行星带的一部分，符合人们对太阳系小行星带的一贯印

    象。问题是，如果小行星像这些电影展现的那样密集，它们相互之

    间的万有引力早就使它们互相撞击，最后聚合成一个巨大的天体

    了。这种情况实际上并没有发生，因为小行星带中的小行星，还有

    近地天体，它们彼此之间至少相隔160万千米(地球与月球之间距离

    的4倍)，甚至更远。到底有多远，就看你相信谁的计算结果咯。小

    行星由于质量小、运动速度快，在这样遥远的距离下不可能聚合在

    一起。

    19

    20

    星。火星、木星、天王星和海王星都有自己的特洛伊小行星，其他行星

    行星。它们的名字取自特洛伊战争中的英雄，故而被称为特洛伊小行

    与未来太空旅行相关的最后一类小行星是被锁定在地球轨道上的小

    图片来源：美国国家航空航天局

    的点，半长轴指近日点与远日点距离的一半。

    不同类型的近地小行星的特征。近日点是天体距离太阳最近的点，远日点是天体距离太阳最远

    图1.2

    21

    大部分呈粉状，被称作表土(见图1.3)，上面布满了陨坑(见图

    风)以及太阳系外粒子(宇宙射线)的撞击和粉碎。因此，它们的表面

    后，它们坚硬的表面不断受到无数流星体、太阳喷射的高速粒子(太阳

    所有矮行星、太阳系小天体和卫星的表面仍在不断演化。固化之

    有商业价值。

    因为大型小行星的残留物(诸如金属内核)在地球上既有收藏价值，又

    击都会产生大量较小的小行星和流星体。太空旅行者对此要特别留意，还有些被撞击时将自身的一部分喷射出去，但基本保持完整。这两种撞

    毁，残留的金属和岩石碎片成为更小的小行星和流星体飘浮在轨道上。

    撞击，而撞击的结果取决于小行星的体积和相对速度。有些被完全摧

    故事到这儿还没结束。一些大型小行星在固化以后又遭到了强烈的

    石包围。

    终固定下来。地球也有着类似的结构：里面是金属内核，外面主要被岩

    外壳。之后，小行星冷却，凝固，把这种金属在内、岩石在外的结构最

    (如铁和镍)沉淀到内核，较轻的岩石浮在内核上面，形成了小行星的

    撞击使体积不断变大的小行星受热熔化，进而使内部密度较大的金属 是太空巨石，体积较大的小行星则是无数小天体经过多次撞击而成的。

    小行星的组成各不相同，值得我们去了解。较小的小行星本质上就

    们知道地球有一颗特洛伊小行星，天文学家还在继续寻找其他的。

    近地球，所以地球引力无法将它们拉过来或者远远地抛出去。目前，我

    随意地拖来拽去。)位于地球L4和L5拉格朗日点的小行星永远不会接

    L1、L2和L3，位于这3个点上的任意太空碎片都会被行星和太阳的引力

    方60°和后方60°。(你从编号可以推断出来，还有其他拉格朗日点，即

    牢固定在那里。这两个点被称为L4和L5拉格朗日点，分别位于行星前

    的公转轨道上都有这样两个点：行星引力和太阳引力的合力将小行星牢

    但我们有充分的理由不将这个标准应用在特洛伊小行星身上。每颗行星

    这看似违背了“行星必须能够清除其轨道上的太空碎片”这一标准，可能也有。1.1a)、岩石和巨砾。

    22

    彗星便开始形成。在距离年轻的太阳很远的地方，寒冷的尘埃和气体粒

    彗星的演化过程既有趣又与太空旅行相关。从太阳诞生的时候起，点：“冰”包括结冰的水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨。

    行的目的地。彗星主要由岩石和冰组成。在天文学中要注意一

    围绕太阳运动的太空碎片还包括彗星，有些彗星也适合作为太空旅

    彗星

    图片来源：美国国家航空航天局

    “阿波罗11号”宇航员在月球表土上留下的脚印。

    图1.3子结合在一起，形成了很多体积越来越大的冰岩混合物，被称为彗核。

    不同于我们已经讨论过的其他天体，大多数彗星的运行轨道并不贴

    近黄道面，而是位于远离太阳系行星的两个区域中。柯伊伯带(Kuiper

    belt)位于海王星轨道以外，由彗星和其他太空碎片组成，形状酷似一

    个甜甜圈，黄道面从中间把它片开。它的名字取自首次发现其存在的荷

    兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯(Gerard Kuiper，1905—1973)。冥王

    星、妊神星和鸟神星都在柯伊伯带以内运动。这里的物质被认为是太阳

    系行星形成时残留的碎片。

    另一个大型的彗星集群被称作奥尔特星云，它以首次提出其概念的

    荷兰天文学家简·奥尔特(Jan Oort，1900—1992)的名字命名。奥尔特

    星云位于柯伊伯带之外，是一个呈球形分布的彗星群。这些彗星被认为

    是在行星(尤其是木星)引力的作用下从内太阳系[12]

    喷射出来的太空

    碎片。图1.4给出了柯伊伯带和奥尔特星云的位置。

    23图1.4

    柯伊伯带和奥尔特星云与太阳系行星的相对位置。

    图片来源：弗里曼出版公司

    在太阳系46亿年的生命里，大多数彗核都留在海王星轨道以外。然

    而，这些脏兮兮的太空冰山有时也会被推搡或拖拽到内太阳系里面。当

    彗星与太阳的距离缩短到差不多等于海王星轨道半径的时候，太阳源源

    不断的热量和粒子把彗核的部分冰体汽化，从而在彗核的周围形成非常

    稀薄的大气层，即彗发(comas)，比地球大气层要稀薄得多。彗核的

    质量太小，所以彗发散入太空中，不再回来。

    只有当彗核进入太阳系行星区域里面的时候才会出现彗尾。随着气

    体逃逸的还有尘埃颗粒和冰体释放出来的小石子。当彗星离太阳足够近

    时，太阳光和太阳粒子将彗星的部分气体和碎片吹走，从而形成两个彗

    尾：一个尘埃尾和一个气体尾(图1.5)。气体尾轻飘飘的，被直接吹

    向背阳的方向。尘埃没那么容易被吹走，所以尘埃尾的指向在气体尾与

    彗星来的方向之间。

    24

    25

    (Halley’s comet)沿轨道运行一周的时间是76年，最远不过才到海王星

    彗星每200年或者不到200年就会到达近日点。例如，哈雷彗星

    时，受行星引力的影响改变了运行轨道，最后留在了太阳系内部。这类

    星，它们的运行周期竟然超过3万年!短周期彗星在经过附近的行星

    外的空间，至少200年后才会回来。事实上，有些来自奥尔特星云的彗

    的彗星又分成两类。长周期彗星经过近日点后折返，奔向太阳系行星以

    落到太阳上汽化。更多彗星在近日点错过太阳，幸存了下来。这些幸存

    彗星的命运各不相同。有些彗星从遥远的星云进入太阳系，直接跌

    图片来源：弗里曼出版公司

    彗星在近日点形成的彗尾。背向太阳、成一条直线的是气体尾，弧形的是尘埃尾。

    图1.5而已。

    彗发和彗尾脱离彗星之后永不再回来，所以很显然，彗星每接近太

    阳一次都会变小一圈。虽然有些彗星的岩层和尘埃碎片能够阻止自身的

    耗散，但大多数彗星最终都会解体，在曾经的运行轨道上留下一个个岩

    石碎片。在太空旅行的途中，我们必须避开这些碎片，因为它们可能会

    撞上航天器。尽管如此，彗星旅行仍然是切实可行的。2014年11月12

    日，欧洲航天局的“菲莱号”(Philae)登陆器在67P楚留莫夫–格拉希门

    克(67PChuryumov-Gerasimenko)彗星上着陆(见图1.6)。当时，登

    陆器触地反弹之后，很明显掉进了沟里，得不到足够的阳光给电池充

    电，无法正常工作。2015年6月，这颗彗星到达近日点，温度回升，登

    陆器才苏醒过来，然后将这颗彗星的信息发回了地球。

    26

    27

    颗短周期彗星。

    在这张照片的底片上发现了它。名字中的“67P”表示这是已发现的第67

    天文学家克里木·伊万诺维奇·楚留莫夫(Klim Ivanovych Churyumov)

    哈萨克斯坦)东南部的一座天文台拍下了含有这颗彗星的照片。另一位

    拉希门克(Svetlana Ivanovna Gerasimenko)，1969年，她在哈萨卡(今

    星，它的名字便取自两位天文学家。一位是斯威特拉娜·伊万诺娃格·格

    机) [13] 。彗星一般以发现者的名字命名，比如上一段提到的那颗彗

    巧合得很，彗星往往看起来就像照片上的污点(胶片或数码相

    (IDA)

    里理工大学(UPM)、加拿大物理学会大气与空间物理分部(DASP)、国际黑暗天空协会

    LAM、爱尔兰航空局(IAA)、瑞士航天局(SSO)、西班牙国家航宇技术研究所(INTA)、马德

    欧洲航天局、“罗塞塔”探测器、可见光及红外遥控成像系统团队(OSIRIS Team)、UPD、米。

    由“罗塞塔”探测器(Rosetta)拍摄的67P楚留莫夫–格拉希门克彗星。最长部分长度为4千

    图1.6

    28

    我们会在第2章对上述各种旅行展开说明。

    ·火星。

    ·火星的卫星。

    ·地球的特洛伊小行星。

    ·经过地球的小行星或彗星。

    ·月球。

    ·绕地轨道飞行，到达国际空间站或在建的商业空间站。

    飞行轨迹呈一个弧形。

    ·亚轨道飞行至太空，不进入绕地轨道，直接返回地球，整个

    综上所述，在不远的将来，我们的太空旅行可以有下列选择：

    射破坏，而我们在短期内做不到。

    们需要掌握很多新技术，让航天器在接近太阳时不会过热，也不会被辐

    915米的压力，足以把人压扁。要飞到水星这颗最靠近太阳的行星，我

    包围，而且它的大气层如此之厚，以至于其表面大气压相当于地球水下

    当复杂。人类可能永远也无法去金星，因为它被一圈富含硫酸的大气层

    到小行星带的小行星或木星上也需要好几年的时间，而且后勤工作会相

    道，或是飞到地球轨道以内的金星或水星上，目前也还无法实现。要飞

    飞行，也要7万多年才能到达。就载人飞行而言，就算是飞出火星轨

    千米 [15] 。它离地球实在太远，常规航天器即便以大约6.4万千米的时速

    太阳系最近的恒星是比邻星(Proxima Centauri)，它距离我们4.0×1013

    很长一段时间里，人类的太空旅行将局限在宇宙的这片区域。已知距离

    我们已经对太阳系进行了概览，所以你很容易明白，为什么在未来

    们的月球 [14] 以及火星的两颗卫星。我们很快就会谈到。

    除了小行星和彗星，还有三颗卫星可以作为太空旅行的目的地：我

    29

    单位，由三种粒子组成，即质子、中子和电子。质子和中子结合成一个

    我们需要了解原子的本质。原子是一种元素(比如碳、氢)的基本

    了解如何保护自己同等重要。让我们先谈谈物质。

    各种辐射之下。很多辐射可能对你的身体有害，所以了解它们的性质和

    之所以要了解这个，是因为身处太空的你会暴露在地球上通常不存在的

    的物质与你在地球上见到的可不一样。二是光和相关电磁辐射的性质。

    内部的粒子，还有来自航天器外部、可能击中你的粒子。这些粒子组成

    的粒子的性质。之所以要了解这个，是因为你要打交道的不仅是航天器

    要理解太空经历，还有两方面的科学知识至关重要。一是组成物质

    ■■■

    往火星或从火星返回地球通常需要5~10个月的时间。

    相对位置，还有你的飞行速度(因为速度决定了你的路径)。从地球飞

    400×106千米。这样的话，飞到火星所需的时间取决于你出发时两者的

    地球与火星的最近距离大约是55×106千米，而最远的距离居然达到

    大差别。它们有时候出现在太阳的同一侧，有时候则分居太阳的两侧。

    太阳的距离相差很大，所以它们绕太阳运行一周所需的时间 [17] 也有很

    果同样适用于我们短期内能够访问的其他天体。由于地球和火星各自与

    让我们来看看火星的情况。请记住，理论上说，火星旅行的相关结

    一年里会相差大约4.8×106千米。

    是150×106千米 [16] 。由于地球公转轨道是椭圆形的，所以地日距离在

    中，地月距离会有大约4.2×104千米的变动。地球与太阳的平均距离大约

    3.9×105千米。之所以说“平均”，是因为从一个新月到下一个新月的周期

    面最远两点之间的距离大约是2.0×104千米。地球与月球的平均距离不到

    内部，那么让我们先来看看附近几个邻居与我们之间的距离吧。地球表

    目的地停留的时间。既然我们在近未来能完成的太空旅行局限在太阳系

    程中地球与目的地之间的相对距离和相对速度；航天器的飞行速度；在

    太空旅行所需的时间有长有短，这主要取决于几个因素：去程和返

    30

    成，但光子并不像桌球一样是实心的，而是由一包包的波组成(图

    可见光是电磁辐射的一种形式。电磁辐射由被称作光子的粒子组

    电磁辐射

    十分关键，所以下面让我们复习这两种基本力。

    用力与本书的相关性不高，我就说到这里，但电磁力和万有引力的作用

    核自发地解体，我们把这个过程称为放射性。强相互作用力和弱相互作

    用力用来解释某些原子核的不稳定状态。弱相互作用力会引起某些原子

    原子核内部起作用。强相互作用力将质子和中子束缚在一起，弱相互作

    作用力、弱相互作用力和万有引力。强相互作用力和弱相互作用力只在

    粒子通过自然界已知的四种基本力发生相互作用：电磁力、强相互

    个中子就会自动分裂成一个质子和一个电子。

    子也不会存在。如果我们把一个中子从原子核里拿出去，15分钟后，那

    起，也就形不成氢以外的其他任何元素。有趣的是，要是没有质子，中

    在原子核内。如果没有中子，质子之间的排斥力会使它们无法联结在一

    带正电，电子带负电。毫无意外，中子不带电，它的作用是把质子束缚

    荷，这使它们互相吸引，而一对质子会互相排斥。我们人为地规定质子

    接下来，让我们来了解原子的电属性。质子和电子带有相反的电

    氘，携带2个中子的被称为氚。这三种同位素都是氢元素。

    氢有3种同位素：最常见的一种没有中子 [18] ，携带1个中子的被称为

    止，氢是宇宙里最常见的元素。原子的中子数决定了它有几种同位素。

    的原子都是氢原子，所有包含6个质子的原子都是碳原子。到目前为

    原子的质子数决定了它是哪种元素。在宇宙中，所有包含1个质子

    布。

    电子不是一个实心粒子，而是以波的形式扩散在原子核周围的物质分

    粒子团，即原子核，而质量小得多的电子围绕着原子核运动。请记住，1.7)，所以科学家常常把光子称为波包(wave packet)。光子有三个

    属性与本书的内容相关：

    ·光子的运动速度恒定，被称为光速(写作c，大约为3×105千

    米秒)。

    ·每个光子都有固定的波长(如图1.7所示，波长指两个相邻波

    峰之间的距离)。

    ·不同波长的光子携带的能量不同，波长越短，光子的能量越

    高。

    31

    我们的身体已经进化出感知红外线(即热)的能力。

    在1800年首次发现了波长长于红色的光子，我们现在把它称为红外线。

    肯定的。英国天文学家威廉·赫舍尔(William Herschel，1738—1822)

    那么有没有波长长于红色或者短于紫色的光是我们看不见的呢？答案是

    字)。那么问题来了：如果红色是波长最长的可见光，紫色是最短的，靛蓝色包括在内，这样就有7种颜色，凑成了带有重要神秘寓意的数

    色、蓝色和紫色(我们不使用靛蓝色，牛顿在确定组成白光的颜色时将

    长从大到小的顺序，天文学中使用的颜色依次为红色、橙色、黄色、绿

    颜色只不过是我们的大脑对不同波长的可见光做出的解释。按照波

    图片来源：尼尔·科明斯

    光子的示意图，各个波长相等(如上图的双头箭头所示，波长指两个相邻波峰之间的距离)。

    图1.7还存在波长更长的光子，即无线电波。苏格兰物理学家詹姆斯·克

    拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell，1831—1879)预测了它的存在，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz，1857—

    1894)在实验室中第一次发出了无线电波。按照定义，无线电波是波长

    最长的电磁波，其波长比波长最大的红外线还要大(我们有时把波长介

    于红外线和无线电波之间的光子称为微波)。

    也有波长短于紫色的光子，即紫外线。1801年，也就是赫舍尔公布

    他发现红外线的第二年，德国科学家约翰·威廉·里特(Johann Wilhelm

    Ritter，1776—1810)发现了紫外线的存在。我们的身体也能够感知波

    长最长的紫外线——长波黑斑效应紫外线(UV–A)。这种光子让我们

    的身体产生维生素D和黑色素，使我们的皮肤变黑，以抵御它的辐射以

    及另外两种波长较短的紫外线——中波红斑效应紫外线(UV–B)和短

    波紫外线(UV–C)。紫外线会破坏不受保护的活细胞，可以导致白内

    障、雪盲症、皮肤癌、各种皮肤病以及DNA损伤。

    波长更短的光子是19世纪80年代被发现的X射线，当时它使早期的

    照片底片变得模糊。对其最早的研究始于1895年德国物理学家威廉·康

    拉德·伦琴(Wilhelm Conrad R?ntgen，1845—1923)[19]

    的工作。1900

    年，法国科学家保罗·维拉尔(Paul Villard，1860—1934)最终发现了波

    长最短的光子，我们把它称作伽马射线。

    我们的身体不会对短波紫外线、X射线和伽马射线做出反应，但是

    如果剂量足够高，短波紫外线和X射线就会对生物造成伤害，而我们的

    确可以据此检测到它们的存在。伽马射线对生物造成伤害所需的剂量更

    低，而如果剂量达到一定水平，伽马射线可以迅速致死。图1.8给出了

    所有电磁辐射的波长和能量信息。

    32

    33

    起的树叶飘向太空，因为一旦风停下来，重力最终会使树叶落回地面。

    还是能把大气层的多数气体束缚在它的周围。地球重力也会阻止被风吹

    大气层的运动如此迅速，不会变成固态或液态。尽管如此，地球的重力

    当然，重力就是把物体固定在地球上的力。正如前文提到的，地球

    的大小仅取决于三个因素：两个物体的质量、形状和相互之间的距离。

    重力。这是唯一普遍存在的吸引力，万事万物因此相互吸引。万有引力

    自然界里直接影响太空旅行的另一个基本力是万有引力，常被称作

    万有引力

    图片来源：弗里曼出版公司

    各类电磁辐射及其属性。

    图1.8此外，有些航天器(如国际空间站)虽然被重力拉向地球，但由于它们

    环绕地球运行的速度较快，所以不会直接掉落到地球上。我们把这称

    作“在轨”。

    让我们看看火箭发射。发射时，火箭并不是垂直升空，而是以某个

    角度向上飞行，为的是保持一个与地球表面平行的运动分量，这样才不

    会在燃料耗尽时直接掉回地球。如果速度足够快，它就会进入轨道。如

    果速度不足以进入轨道，那么它会在燃料耗尽后继续向上飞行，直到地

    球重力阻止它继续上升并使它落向地球。如果暂时忽略空气阻力，在这

    段被称作弹道飞行的无动力飞行中，火箭就像一只被踢了一脚的足球，呈抛物线轨迹运动。喷气式飞机也可以在大气层沿同样的轨迹飞行，如

    图1.9所示。图的左侧是飞机的动力飞行阶段，到了标有“微重力状态”的

    区域，发动机熄火，飞机沿抛物线飞行。

    事实上，空气阻力的影响并不能忽略不计，它对弹道轨迹造成的改

    变可以计算出来。说到空气阻力，值得一提的是，火箭推进不需要空

    气。换句话说，火箭产生的喷射气流用不着反推空气就能推进火箭。

    34图1.9

    抛物线飞行。上图标有“微重力状态”的中间区域代表火箭或飞机在没有发动机推动时沿抛物

    线飞行的阶段。图中的数字代表你将要在KC–135里接受的失重和超重训练的强度。

    图片来源：美国国家航空航天局

    ①KC–135 喷气式运输机是美国宇航员失重训练常用的一种机型。

    此外，在太空的真空环境中，火箭不需要驱开空气前进，所以推进

    效率要高于大气层飞行。太空中极为稀薄的空气意味着我们不必再担心

    空气的影响。

    科学与科幻作品

    声音是空气压缩和稀薄化的结果。压缩是将气体原子和分子聚

    35集在一起，稀薄化是与压缩恰恰相反的过程，也就是空气变得比正

    常情况稀薄。换句话说，声音是空气压力变化的结果。因此，空气

    的存在是声音得以传播的必要条件。太空的空气密度是我们所呼吸

    的空气的1025分之一，也就是说，在太空中，每立方米只有几个原

    子或分子。因此，像电影《异形》(Alien)里“诺斯托罗莫号”飞

    船这样的航天器在穿越太空或者爆炸的时候，基本上没有空气来传

    播声音。太空是个非常非常寂静的所在，你在看科幻电影时听到的

    太空声响真的并不存在。

    36

    [14] 月球是地球的卫星。

    [13] 这里呼应前文将彗核形容为“脏兮兮的太空冰山”。

    [12] 内太阳系，指太阳系中太阳与小行星带之间的区域。

    [11] 地球轨道，指地球的公转轨道。同样，火星轨道指火星的公转轨道。

    地球之间的平均距离，1 AU≈1.5亿千米。

    [10] 近地天体，指近日点小于1.3个天文单位的太阳系小天体。天文单位(AU)指太阳和

    [9] 鸟神星的第一颗卫星是在我写本章的时候发现的。

    [8] 从黄道面上方俯视，太阳系八大行星均逆时针围绕太阳转动。

    [7] 抛出去，指太空碎片受行星引力的扰动而改变了运行轨道。

    比较。

    糊涂，所以我会使用“约”和“大约”这样的词语，便于你掌握概数，并将其与你已知的数字进行

    [6] 虽然在科学领域，数字可以做到高度精确，但过于精确的数字不但没有帮助，反而令人

    [5] 围绕其他恒星转动的行星被称为外行星或太阳系外行星。

    小说。

    [4] 雷·卡明斯(Ray Cummings，1887—1957)，美国科幻小说家，著有750多部长篇和短篇

    我也是苏联人，刚从太空回来，我现在必须找到一部电话，好打给莫斯科。”

    [3] 据说，穿着全套宇航服的加加林着陆后，对被他吓到的一对农民父女说：“不要害怕，夫(Saratov)地区的恩格斯(Engels)，两地相距约2 800千米，而不是280千米。

    [2] 原文为“280”，有误。加加林和返回舱的预计着陆点是拜科努尔，实际着陆点是萨拉托

    了，接下来环绕地球飞行的是加加林乘坐的“东方1号”(Vostok 1)飞船。

    [1] 原文为“rocket”(火箭)，用词不准确。事实上，火箭把飞船送入轨道之后就被抛弃[15] 本书的很多数字都使用科学记数法来表示，具体方法详见本书附录。

    [16] 科学记数法是把一个数表示成a与10的n次方相乘的形式，其中1Ga<10且n为整数。在

    原文中，本段的150×106，以及下一段的55×106、400×106等均不符合科学记数法的原则，这样

    写只是便于读者对各段距离进行比较。

    [17] 即公转周期。

    [18] 即氕，氢的主要稳定同位素。

    [19] 伦琴被认为是X射线的发现者，所以X射线又称伦琴射线。

    37第2章

    太空旅行素描

    38

    39

    的

    我们日常经受的地球重力加速度俗称1g。这种说法源自科学家们

    在座椅扶手上，其大小是你在地球上通常情况下所受重力的三四倍。

    会越大。此时，你会发现很难举起手臂，因为你感觉手臂被更大的力按

    椅，你会感觉自己比平时更重。在上升的过程中，你加速越快，体重就

    的加速也将你推向同一个方向，即推向座椅。这使你比平时更加紧贴座

    当你向上飞行时，地球把你向下拉向座椅(像往常一样)，而火箭

    落。

    着、坐着、躺着或是飘浮着，总有一个相等的向上的力，使我们不会下

    引力也会使我们加速下落——尽管这听起来与直觉不符，但无论我们站

    球向下拉扯对你造成的效果是完全相同的。即使我们静止不动，地球的

    越来越大，让你感到自己变得越来越重。换句话说，火箭向上加速与地

    箭载着你进入太空时，你会上升得越来越快，把你按到座椅上的力也会

    重。接下来是短暂的失重。最后返回地球时，你会再次经历超重。当火

    亚轨道飞行像一趟分三个阶段的过山车。在起飞阶段，你会经历超

    亚轨道飞行

    行最省钱，用时最短，所以我们先谈谈这个。

    进入太空但不进入绕地轨道的太空旅行被称为亚轨道飞行。这种旅

    可能目标天体的太空旅行。

    可能在后勤和财务层面尤其具有挑战性。本章将讨论往返于地球与所有

    的卫星。最后一种就是飞往火星，既可以是单程也可以是往返，但后者

    后再返回地球。第五种是飞往地球的特洛伊小行星。第六种是飞往火星

    三种是飞往月球。第四种是脱离绕地轨道，飞向近地轨道上的天体，然

    进太空就马上返回。第二种是进入绕地轨道，但不会继续飞得更远。第

    解的，最短的太空旅行会带你进入太空，但不会进入绕地轨道——一飞

    现在或是不远的将来，我们有7种太空旅行可选。正如我们已经了

    40

    第三个选项是将火箭动力飞机挂在体积更大的母机下方。母机像普

    (如果有机翼)或者使用降落伞着陆(像“联盟号”飞船的太空舱)。

    离。之后，飞行器继续沿抛物线运动，先是向上飞行，然后滑翔着陆 轨道飞行时，飞行器由火箭顶部搭载，火箭燃料耗尽时会与飞行器分

    的“猎户座号”(Orion)飞船，都采用这种方式。选择这种方式进行亚

    船，现如今俄罗斯的“联盟号”(Soyuz)飞船，还有美国2014年发射

    号”(Mercury)、“双子座号”(Gemini)和“阿波罗号”(Apollo)飞

    第二个选项是使用传统火箭搭载航天器。过去的“水星

    球。

    的飞机，靠火箭推动进入太空，待燃料耗尽后，沿抛物线滑翔回到地

    理论上，亚轨道飞行可以通过三种飞行器实现。第一种是水平起飞

    随即消失。

    (俗称熄火)以后，你乘坐的航天器也不再对你产生推力，你的体重会

    条抛物线(如第1章所说)。同样，在亚轨道飞行中，火箭停止加速

    由落体，即便最初你是在向上运动。从跳起到入水，你的运动轨迹呈一

    会进行人们常说的自由落体运动。你从跳水板跳出去的那一刻便开始自

    如果在下落过程中你没有遇到任何阻力，那么你的体重会消失，你

    上，地球对你施加的向下的拉力等于你的体重。

    如前文所说，质量不过是表示物体包含的粒子总数，因此，在地球尺度

    是物体所受的力，m是物体的质量，a是这个力对物体产生的加速度。

    么它所受的力也必然翻一倍。这种关系的数学表达式是F＝ma，其中F

    箭)的量度。力和加速度两者直接相关：如果物体的加速度翻一倍，那

    时候，你的体重是计算你所受引力(来自这个星球)或推力(来自火

    说句题外话，当你在某个星球上处于静止状态或者坐在航天器里的

    3g或4g，这是你被火箭送入太空时感受到的超重程度。

    落向地面的正常加速度，也就是9.8ms2。 [1] 人体通常可以长时间承受

    一个惯例：在计算重力的影响时，他们普遍使用g这个字母来代表物体

    41

    绕地轨道飞行

    亚轨道飞行去程和返程预计需要30分钟至2小时的时间。

    会慢慢变小。

    随着飞行器转为常规飞行，高度逐渐下降，直到着陆，这份额外的推力

    和地球重力的共同作用下，你会再次经受进入太空时3g~4g的加速度。

    翼使飞行器不断减速，飞行器会在你身上施加越来越大的推力。在推力

    时，失重状态下的抛物线飞行阶段即将结束，你需要回到座椅。随着机

    (以减缓下落速度)的时候，你会倒在地板上，并感到体重增加。此

    降落。在降落的过程中，当机翼开始摩擦大气层并且向上抬升飞行器 未来亚轨道太空游很可能使用有翼飞行器，它可以像普通飞机那样

    果机舱的空间足够大，你会飘起来。

    也被称作微重力，是亚轨道飞行最有意思的部分，大概持续4~6秒。如

    气层开始对你的航天器施加影响，这段时间里你将处在失重状态。失重

    从你开始抛物线运动的那一刻起(见图1.9)，直到下落过程中大

    行方式。

    行的情况下，母机挂载火箭动力飞机可能是最具商业可行性的亚轨道飞

    外挂燃料箱)，再次使用前也不需要大规模翻新。在三种发射技术均可

    ——这个高度已经超越了卡门线。火箭动力飞机没有一次性部件(比如

    脱离母机B–52轰炸机，之后以极快的速度爬升到大约108千米的高度

    用。最有名的火箭动力实验机可能要属X–15。它在将近15千米的高空

    耗飞机自身的燃料。此外，两种运载工具的几乎所有部件都可以重复使

    率的发射方式，这是因为如果由母机承担载荷，那么升空阶段就不必消

    自20世纪40年代以来，第三个选项很明显成为亚轨道飞行器最有效

    火以后，飞机沿抛物线飞行，最后滑翔返回。

    着，被释放的飞机内部的火箭启动，推动自身继续向上飞行。待火箭熄

    通飞机一样起飞，将挂载的飞机运送到尽量高的高空，然后释放。紧接

    42

    我们飞往近地轨道相对容易，也能够实现相当快的绕地飞行速度。

    亚墨尔本)。

    最北可看到地球北纬50°(包括伦敦)，最南可及南纬50°(包括澳大利

    像国际空间站那样，与地球赤道形成50°的夹角(见图2.1)。这样，你

    颗神奇的星球。所以，你的目标空间站不会平行于赤道绕地运动，而是

    为了让你花的钱砸出最大的动静，你肯定希望能从太空饱览我们这

    区。例如，从赤道上方400千米高的轨道上看向地球，你看不到伦敦。

    你可以看到许多有趣的景象，但却无法看到南北两个半球的高纬度地

    正上方绕地球运动，那么每90分钟你就会回到原地一次。从赤道上空，的高度上，天体绕地球运行一周需要90分钟。因此，如果你在地球赤道

    目标空间站的运行路径决定了你从轨道上能看到什么。在400千米

    备需要维修，那么你可能需要2天时间才能到达目的地。

    时。如果出现任何技术故障，比如你的初始轨道与计划略有出入或者设

    果可能的话，那么在理想的情况下，这段额外的距离需要飞行5个小

    继续远离地球。假设目标空间站与国际空间站大致处在同一高度——如

    的初始轨道。之后，你乘坐的航天器将发射小型火箭，推动自身上升，到达目标空间站的过程分两步。第一步是进入目标空间站轨道下方

    并向上延伸至距地面1 900千米)。

    站的轨道离地球表面400千米，这个高度属于近地轨道(从卡门线开始

    繁地把空间站推进到原始高度，空间站的维护费用可以很低。国际空间

    会使空间站失去能量，下降，在进入大气层后烧毁。如果不需要过于频

    地球大气层可能受热膨胀到240千米的高度，而大气层产生的空气阻力

    地球表面240千米，但目标空间站的运行轨道通常需要更高一些，因为

    迹相似。推动你进入轨道的加速阶段只持续大约8.5分钟。初始轨道距

    进入绕地轨道的路径或许与“联盟号”飞船目前飞往国际空间站的轨

    漫的太空际遇。

    空间站。其间，旅行者将有机会欣赏地球的壮阔图景，沉醉于奇异而浪

    绕地轨道飞行指航天器先进入绕地轨道，然后从绕地轨道进入环地此外，近地轨道的另一个好处是，你与地球磁场捕获的高能太阳风粒子

    的距离相对更安全。地球被磁场包围(想想你可能摆弄过的条形磁铁和

    马蹄形磁铁的吸力和斥力，还有你用来固定小纸条的冰箱贴)，这个磁

    场可以捕获大量高能、高速的质子和电子。捕获发生的两个主要区域被

    称为范艾伦辐射带，以詹姆斯·范·艾伦[2]

    的名字命名。1958年，他给早

    期火箭[3]

    配备的盖革计数器最终探测到辐射带的存在(见图2.2)。

    43

    地面约200 [4] 千米处(见图2.2)。国际空间站每天5次经过这个区域，异常区(South Atlantic Anomaly)的区域，辐射带在这个区域下降到距

    离地面965千米处开始向外延伸，但这条辐射带上有一个叫作南大西洋

    范艾伦辐射带内飞行，人体和设备会遭受极大破坏。内辐射带大致从距

    击穿太空服、防护装备以及航天器和卫星的外壳。因此，如果长时间在

    在范艾伦辐射带被捕获的粒子的运动速度是如此之快，以至于能够

    球表面。轨道的浅色部分表示白天。

    置与赤道相交。由于交点在移动，所以每条轨道互不重合。最终，这些轨道将覆盖几乎整个地

    道上，终点在澳大利亚东北部的同一纬度。请注意，国际空间站每绕行一周，都会在不同的位

    上面的曲线显示的是国际空间站绕地球运行接近一周的轨道。轨道的起始点位于美国西南部赤

    图2.1在范艾伦辐射带停留最多23分钟。有宇航员报告说，经过这个区域时，由于高能粒子穿过了他们的眼睛和大脑，他们曾见过“流星”。

    44

    工程技术水平已经足够把宇航员送过去。此外，月球质量比地球小，用

    月球是人类早期太空旅行的理想目标。首先，20世纪中期的科学和

    飞向月球

    绕地轨道飞行往返所需时间从一个星期到几个月不等。

    陆方式)，要么让有翼航天器载着你像普通飞机那样降落。

    么坐着太空舱或者使用降落伞回到地球(“联盟号”飞船采用了后一种着

    结束空间站的各种旅游项目(可能包括一次太空行走)之后，你要

    图片来源：弗里曼出版公司

    子。

    地球剖面图和两个主要的范艾伦辐射带。范艾伦辐射带含有大量从太阳涌向地球的高能带电粒

    图2.2

    45

    近地轨道。你可以在近地轨道空间站里待上几天，让自己适应微重力环

    将来你去月球需要经过这样几个步骤。首先，你要进入前文提到的

    用的。

    此，等到你往返月球的时候，很可能各阶段使用的航天器都是可重复使

    是问题，但从经济性出发，未来的太空旅行无法接受这种方式。正因如

    硬件系统中，指挥舱的质量仅占百分之几。这对7次阿波罗任务来说不

    很明显，这种硬件使用方式十分低效，因为在离开绕地轨道的整个

    烧毁。指挥舱用降落伞降落在海上，再由直升机接走。

    脱离绕月轨道，飞向地球。途中，服务舱也被抛弃，在地球大气层中被

    登月舱上升级被抛弃，服务舱推进器再次启动，三名宇航员驾驶指挥舱

    器 [7] 对接，两名宇航员以及他们采集的东西一起回到指挥舱。然后，舱。登月舱的下降级大部分留在了月球表面。登月舱上升级与轨道

    的上升级。上升级点火升空，把他们带回绕月轨道上的指挥舱和服务

    登陆的两名宇航员对月球的一小块区域进行探索，之后进入登月舱

    离，并在登月舱火箭的作用下减速，降落到月球表面。

    启动，服务舱减速，进入绕月轨道。此时，登月舱与指挥舱和服务舱分

    员 [6] 带到月球表面，再带回绕月轨道。)接近月球时，服务舱推进器

    舱、服务舱和登月舱。(登月舱分为下降级和上升级，负责将两名宇航

    艾伦辐射带，到达“地月转移轨道”，然后被抛弃。此时，只剩下指挥

    箭推动一艘最初由四部分 [5] 组成的航天器脱离绕地轨道，快速穿过范

    道，最低两级火箭随即被抛弃，并在回到地球大气层时烧毁。第三级火

    阿波罗任务中故意浪费掉的硬件不计其数。阿波罗宇航员先进入绕地轨

    往返月球向来是一项劳民伤财的事业。美国国家航空航天局在历次

    讨论这一点。

    月球重力，把宇航员带离月球返航。我们将在谈到火星旅行的时候详细

    本带回了地球。)假如月球具有火星的质量，那早期技术便不足以克服

    回地球。(苏联向月球发射过多艘无人飞船，其中3艘将月球表面的样

    相同工程技术造出的火箭也足以把宇航员带离月球，进入绕月轨道，返

    46

    2.3所示，你只需要启动航天器的火箭两次即可。

    霍曼转移轨道是前往地月系统以外目的地的一条有效路径。如图

    很多能量。

    阳系小天体附近。这比把航天器送到严重偏离黄道面的平面上要少消耗

    我们会把航天器送到运行轨道位于黄道面或十分接近黄道面的行星或太

    其二，许多近地天体的公转轨道不是完全位于黄道面上的。通常，置。

    天体只会偶尔处于我们能在合理时间内(几个星期或几个月)到达的位

    的周期都与地球不同。这意味着，如果我们以地球为出发点，这些近地

    其一，地球的特洛伊小行星之外的所有近地天体，它们绕太阳公转

    万别。原因有二。

    飞出地月系统。但是，前往不同近地天体所花费的金钱和时间成本千差

    对于近地天体，选择哪些作为太空旅行的目的地取决于你什么时候

    飞向小行星和彗星

    以逗留几天到几个月。

    从地球飞往月球或从月球回到地球可能需要3~7天，你在月球上可

    把上面的流程反过来。

    接。不论哪种情况，登陆器都会把你带到月球表面。 [8] 返航可能就是

    间站对接，登陆器会在那儿等着你；或者你直接与绕月飞行的登陆器对

    轨道和减速进入绕月轨道的几分钟除外。然后是对接过程。你可以与空

    约需要3天。在此期间，你会处于失重状态，但航天飞机加速脱离绕地

    过范艾伦辐射带之后，你将飞向月球。从绕地轨道到绕月轨道的飞行大

    的关键是尽快穿过范艾伦辐射带，以尽量减少暴露在辐射中的时间。穿

    境。然后，你将乘坐航天飞机从绕地轨道到达绕月轨道。离开绕地轨道

    47

    径，但十分简便。航天器只要略微调整对地速度和方向，就可以飞到地

    形成约60°的夹角。前往这颗小行星的路径不同于前往其他天体的路

    2010 TK7。在绕日公转方向上，它在地球的前方，以太阳为顶点与地球

    另一个近地旅行的目的地是地球的一颗特洛伊小行星，目前编号为

    修正。

    很多目标天体都属于此类——需要多次点火，对霍曼转移轨道进行航线

    上的天体。要前往轨道面与黄道面成小角度的天体——人类太空旅行的

    环绕目标天体运行。你不需要修正航线，但这只适用于黄道面近圆轨道

    在接近目的地的时候，你需要再次启动火箭，将航天器送入轨道，开始

    的火箭，一个小功率火箭就足以推动你的航天器从绕地轨道向外飞行。

    离开绕地轨道比脱离地球表面要容易得多。比起将你送上绕地轨道

    图片来源：美国国家航空航天局

    从地球到火星的霍曼转移轨道。此路径同样适用于前往黄道面近圆轨道上的任何天体。

    图2.3

    48

    道飞往目标天体。宇宙空间科学家之所以考虑后一个选项，是因为从绕

    道相交的轨道上，另一个选项是从绕地轨道进入绕月轨道，再从绕月轨

    轨道开始。这之后，一个选项是从绕地轨道进入一条与目标天体运行轨

    我们可以通过两条路线前往小行星或彗星。两条路线都从进入绕地

    物的同时，也会捎上愿意付路费的旅客。

    矿的工人。同行的也会有游客，这让人想起那些不定期货船，在运送货

    早期前往这些天体的人里面，会有研究型宇航员，还可能有要到那里开

    球，让我们前往那里的旅行具有后勤上和经济上的可行性。我想，未来

    彗星的运行轨道之后，天文学家就可以预测它们什么时候会足够靠近地

    知道了阿波罗型、阿顿型、阿莫尔型和阿蒂拉型小行星以及短周期

    ■■■

    行。如果确实如此，那么在21世纪前往这些小行星是相对经济可行的。

    还有其他特洛伊小行星，而其中有些说不定就在紧邻黄道面的轨道上运

    道面轨道上。正如前文所说，技术不是问题，钱才是问题。地球很可能

    的垂直速度。此外，你还需要另一个火箭推进器，用来把航天器送回黄

    道面向下俯冲。你需要一个火箭推进器，让航天器获得一个与它相匹配

    显然很复杂，因为那一刻它要么正穿过黄道面向上爬升，要么正穿过黄

    如果让运行在黄道面上的航天器等着它穿过黄道面的那一刻进入轨道，下，航天器要想进入它的运行轨道然后登陆，就需要消耗更多的燃料。

    在黄道面的下面。航天器飞到它附近的花费相对较低，但由于它忽上忽

    运行时，好像海豚追逐海上的船一样，一会儿在黄道面的上面，一会儿

    但是，2010 TK7的运行轨道并不在黄道面上。事实上，它在绕太阳

    地球附近，这要求你必须提前几个月或几年就从地球出发。

    型小行星，你就做不到这一点，因为它们仅仅在某些特定的时候出现在

    它。理论上讲，你可以随时飞过去。对于阿波罗型、阿莫尔型和阿蒂拉

    显然，2010TK7与地球的相对位置永远不变，这使我们很容易接近

    某个特洛伊英雄的名字来命名。请把它的新名字写在这里：_______。

    球的前面，朝着目标前进。这颗小行星最长的部分约300米，早晚会以

    49

    在进入绕地轨道之后和减速靠近火星之前，你会处于失重状态。在

    速，但缺点是耗时更长。

    这么做的优点在于，不需要在进入霍曼转移轨道时使用火箭让飞船减

    效益更高的弹道捕捉方式，也就是让火星的引力把你的飞船拽上轨道。

    你的飞船可能需要借助霍曼转移轨道到达火星。或者，你可以采用

    以未来头几批火星旅行者可能还是会在失重状态下飘浮着。

    在外边缘上，就能感受到自己的正常体重。但是，这么做非常昂贵，所

    转动速度下，你相对于航天器外壳的加速度可以正好是1g。这样，你站

    型离心机。它缓慢地转动，令乘员向其外边缘相对运动 [9] 。在合适的

    大

    以在飞往火星的航天器内制造人工重力。这需要在航天器内安装一部超

    (2001: A Space Odyssey)和《火星救援》(The Martian)，我们可

    绕地轨道直接飞到火星是最经济划算的。就像电影《2001太空漫游》

    正如我们所了解的，到达火星附近的第一步是从地球进入绕地轨道。从

    飞往火星及其卫星是人类在不远的将来进行太空旅行的最高目标。

    飞向火星及其卫星

    道与黄道面的相对位置。你可能要留出几个月、一年甚至更长的时间。

    前往途经地球的小行星或彗星，所需时间取决于目标天体的运行轨

    拽，偏离轨道。

    在黄道面上运行的彗星每次途经行星和矮行星时，通常都会受到引力拖

    意飘忽不定的彗星，因为运行轨道在黄道面上的彗星相对较少，而少数

    行勘探、开采和旅游的目标天体。我们在做旅行计划的时候，要特别注

    综上所述，天文学家正在整理一份清单，上面会列出我们有可能进

    的路线有时候也更高效。

    节省金钱。同理，从外层空间回来的时候，先进入绕月轨道再回到地球

    月轨道进入星际空间，比直接从绕地轨道出发要节省燃料，也就相当于大型离心机变得经济可行之前，情况一直会是这样。正如前文所说，地

    球和火星公转周期的差别对往返两者所需的时间产生极大的影响。在我

    们发往火星的轻型航天器里，“水手7号”(Mariner 7)大约需要4个

    月，“海盗2号”(Viking 2)差不多需要1年。预计火星之旅的去程需要6

    个月至1年的时间，返程用时基本相同。

    让我们先看看火星的两颗卫星。与地球的卫星(即月球)不同，它

    们跟火星比起来非常小，形状也不规则(见图2.4)。月球的质量是地

    球的1.2×10–2倍，火卫一(Phobos)的质量是火星的1.7×10–7倍，火卫二

    (Deimos)的质量就更小了。事实上，火卫一和火卫二可能是被火星捕

    获的小行星。火卫一距离火星表面6 000千米，其表面任意两点之间的

    距离都小于27千米。火卫二距离火星表面20 000千米，它的长度大约是

    16千米。它们的运行轨道距离火星如此之近，以至于火卫一每 小时

    就会绕火星一周，稍微远一些的火卫二绕火星运动一周大约需要 小

    时。相比之下，月球每27天才绕地球一圈。我们还没有向火卫一或火卫

    二发送任何航天器。尽管如此，火星轨道器拍摄下的图像显示，这两颗

    卫星的表面都有陨坑和粉状表土。登陆和飞离它们所需的能量微不足

    道。

    50

    51

    大的拉力。同样道理，离开火星也比离开月球要难得多。

    难得多，因为与月球和其他任何目标天体相比，火星会对登陆器产生更

    约是地球的0.4倍，月球的2.3倍。那又怎样呢？答案是，登陆火星要困

    约是地球的一半，月球的两倍。火星表面的重力(你在那儿的体重)大

    再来看看登陆和离开这颗红色星球需要解决的问题。火星的直径大

    段)。因此，在可预见的将来，这也将是最昂贵的太空飞行。

    到火星上再飞离，会遇到目前为止最大的技术挑战(尤其是飞离阶

    的原因平淡无奇——我们确实能够到达那里并安全返回。相比之下，飞

    并不意味着我们在今后的探索中不会发现吸引人的东西。只到卫星上去

    主要是黄金，你可以带一些回来”。我们不知道那里有没有黄金，但这

    它的卫星呢？我不会跟你说些激动人心的推销口号，比如“它们的成分

    读到这里，你多半会产生疑问：为什么大老远飞到火星，却只登上

    学(University of Arizona)

    图片来源：美国国家航空航天局、加州理工大学喷气推进实验室(JPL-Caltech)、亚利桑那大

    妮坑(Crater Stickney)。

    火星的两颗卫星：火卫一(左)和火卫二(右)。上图拍下了几乎覆盖火卫一右半边的斯蒂克

    图2.4

    52

    说了这么多，但我还会在第10章讨论游客和移民在火星上的各种机遇。

    程旅行，这也解释了为什么只去火卫一和火卫二会便宜很多。尽管已经

    颗红色星球。这就是为什么在太空旅行这个行当里，有些人关注的是单

    上升火箭：它能够安全登陆火星，进行燃料补给，然后载着人们离开这

    服任何纯粹的科学障碍。只要投入足够多的钱，我们就能开发出这样的

    离开火星则没有那么困难，因为这完全是一个工程问题，不需要克

    败，或在升空过程中严重偏离航线，造成箭毁人亡。

    产生的撞击力可能会严重损坏火箭。仅一处故障就能导致火箭发射失

    电线或者金属部件断裂。返回火箭如果做不到极为轻缓的着陆，那着陆

    升温，破坏其机械和电力设备。空气的反复冲击还会使火箭弯曲，造成

    返回火箭着陆火星遇到的第一个问题是大气层。空气阻力会使火箭

    后来的人想回家的时候就可以用上。

    们返航的人还没登陆火星。这是为了保证返回火箭能够正常工作，以便

    的，我们可以让一套单独的返回火箭在火星上安稳着陆，即便需要靠它

    还能再次起飞的登陆器。但是，正如《火星救援》这些科幻电影所展现

    正因为有这些挑战，所以在可预见的将来，不大可能出现登陆之后

    动的火箭。

    也是做不到的。我们还需要其他设备，比如等降落伞初步减速之后再启

    预定降落地点是火星上空气密度最高的地方，想要软着陆，只用降落伞

    陆。在那里，密度较高的空气可以有效降低降落伞的速度。但是，就算

    要用到降落伞。位置越低，空气密度就越高，所以我们通常在峡谷里登

    火星大气的低密度和低气压会影响登陆过程，几乎每次登陆火星都

    此稀薄的空气也无法提供我们生存所需的氧气量。

    60倍。即便火星空气的化学组成适合人类呼吸(事实上并不适合)，如

    面的0.006倍 [10] 。换句话说，火星上的空气比我们日常呼吸的空气稀薄

    有大气层。这让登陆火星变得更加复杂。火星表面的气压大约是地球表

    陆设备就需要越大的动力来减速，以便实现软着陆。与月球不同，火星

    让我们先看看登陆。一个天体对登陆器的拉力越大，火箭和其他登科学与科幻作品

    想象你拿着一个瘪气球，橡胶柔软又有弹性。现在开始吹气。

    你需要颇费些力气才能把足够的空气吹进去，好让气球鼓起来。终

    于，你手里的气球充够了气，变成一个相对硬挺的橡胶物体。这意

    味着，在足够的气压下，如果你松开气球，它会满屋子乱飞，同时

    里面的空气也会窜出来。

    在这个情境里，你是在正常大气压下进行呼吸，也就是100千帕

    (千帕是1 000帕斯卡的简写形式)，这个压力差不多就是航天器内

    的气压。事实上，这也是国际空气站内的气压，并且很可能成为大

    多数地外航天器和居住地的标准气压。但是，在电影《火星任务》

    (Mission to Mars)里，登陆火星的救援人员发现卢克·格雷厄姆

    (Luke Graham)生活在一个温室里(那里适合培养植物，用它们吸

    收二氧化碳，释放氧气，也可以作为食物)，温室的布面墙在风中

    摇晃着。问题在于，正如前面所说，地球和温室内的气压大约是火

    星气压的160倍。所以，温室的布面墙本应该像气球一样向外膨胀，而不是在风中摇晃。布面要是不够结实的话还会胀破。

    53

    上升级看作两个部分。

    [5] 其实更普遍的说法是三部分，即指挥舱、服务舱和登月舱。作者可能把登月舱下降级和

    [4] 原文为“190”，有误，应为200。

    颗人造卫星：“探险者1号”(美国发射的第一颗人造地球卫星)和“探险者2号”。

    [3] 此处说法不准确。实际上，装有盖革计数器并发现辐射带存在的是1958年美国发射的两

    了基础，范·艾伦本人也被称为带领美国跑进太空时代的先驱之一。

    艾伦辐射带是人类1957年进入太空时代之后的第一个重要天文发现，为美国进入太空时代奠定

    [2] 詹姆斯·范·艾伦(James Van Allen，1914—2006)，美国物理学家。以他名字命名的范

    那么下一秒，它的速度会变成19.6米秒。

    [1] 下落物体的下落速度每秒会增加9.8米秒。例如，一个物体正在以9.8米秒的速度下落，[6] 从地球出发时共有三名宇航员，另外一名宇航员留在绕月轨道上。

    [7] 即留在绕月轨道上的指挥舱和服务舱。

    [8] 在最早的一款电脑游戏《月球登陆器》(Lunar Lander)里，玩家使用键盘控制一艘月

    球登陆器的下降过程。如果登陆成功，会有一名宇航员爬出登陆器，到月球上的麦当劳餐厅吃

    午饭。你或许会有这样的机会，但太空饮食的特殊性要求麦当劳餐厅调整菜单。

    [9] 原文无“相对”字样，表述不准确。离心机中的乘员并不受到向外的推力，而是因惯性相

    对于离心机外壳运动，显得有一个加速度。

    [10] 原文为“0.007”，有误，因为作者在后面会提到，火星表面的大气压为0.6千帕，地球表

    面正常大气压为100千帕，所以这里应该是0.006或0.6%(见第7章和第9章)。

    54第3章

    为旅行做准备

    55

    56

    2007年，第一套国际空间站访问者标准由商业太空运输卓越中心

    不管怎样，我们正在将对太空旅行者的某些特定要求整理成文。

    行前筛查

    的。

    在太空经历的所有疾病。因此，很难肯定哪些疾病确实是太空旅行造成

    短，乘坐的航天器连一点点相似都谈不上，甚至也没有完整地报告他们

    的疾病)。此外，到现在为止，去过太空的人在太空停留的时间有长有

    响，以及太空旅行对每种疾病的影响(无论是既有疾病还是在太空患上

    空的人实在太少。外科医生的确还不清楚每种既有疾病对太空旅行的影

    你的病历很重要。人类对太空的适应性研究十分有限，因为去过太

    的飞机可用不着接受这样的检查。

    进入太空的体格、口腔和心理问题，而你在地球上预定一班飞往爱尔兰

    分。所有计划进行太空旅行的人都必须接受检查，以便确认是否有不宜

    样，这一步可以在互联网上完成。这是简单的部分，下面才是困难的部

    后，你的第一步是找到一艘能把你带到那儿去的航天器。跟在地球上一

    相比之下，你的太空旅行则需要多一些规划和研究。选定目的地之

    个小时或几天就能完成所有这些工作，然后就可以出发了。

    游指南，或者下载几本到智能手机或平板电脑上。理想情况下，用上几

    带好所需药品。此外，再研究一下爱尔兰的历史名胜，买几本务实的旅

    那里可以使用，查询旅行期间的天气预报，以便决定带什么衣服，还要

    来，查看护照是否在有效期内，检查签证要求和疫苗情况，确保手机在

    路线、景点和食宿的选择应有尽有，点几下鼠标即可完成预定。接下

    打听了一下，网上冲浪几小时，然后我们决定去翡翠岛。互联网上关于

    从来没去过爱尔兰，所以打算去那儿玩玩。我们先跟去过爱尔兰的朋友

    如今，筹划一次地球上的长途旅行十分简便。举个例子，我和妻子

    57

    史、暴露在太阳光下的程度等各种因素考虑在内。事实上，太空医学只

    分析的难度在于，要得出有意义的结论，我们必须把年龄、性别、病

    去过太空的人患青光眼的比例。虽然我们掌握的信息越来越多，但统计

    据，一是从太空返回的宇航员患青光眼的比例，二是其他条件相似但没

    定哪些人适合做宇航员具有指导意义。例如，我们目前正在比较两个数

    研究人员目前正在识别太空飞行通常会导致的一些问题。这类信息对确

    交和心理状况，而这一知识体系正在不断扩充并开始具有统计学意义。

    合太空旅行的人也不能幸免。我们正在汇总所有太空旅行者的生理、社

    去过太空的人都会受到太空经历的影响，即便在生理和心理上都适

    绝环境。

    表现，包括潜艇、洞穴、南极洲、军事航空任务等压力大、要求高的隔

    心理标准的设定主要是基于人在模拟太空条件和地球极端环境下的

    我们找到解决办法，孕期妇女不可以进入太空。

    重力和高剂量辐射会导致胚胎和母体出现严重问题。因此，除非且直到

    的安全是个大问题。尽管我们还没有在太空中培育过胚胎，但据说，微

    对女性太空旅行者的要求更加苛刻，因为在太空中，妊娠和受精卵

    和肾脏疾病。

    血液病、呼吸和消化问题、糖尿病和痛风等新陈代谢疾病、甲状腺疾病

    备(如太空服和头盔)的身体畸形，不可挽回的听力问题、视力问题、间站。这样的疾病包括某些类型的心脏疾病，导致无法使用关键旅行装

    患。同样，我们也不允许患有某些疾病且无法有效治愈的人访问国际空

    常沟通的人，我们禁止他们进入太空，因为他们可能会在太空里形成隐

    空提供了基本原则。例如，像患有某些社交障碍、在地球上无法与人正

    的社交、健康和心理经历为我们判断哪些人适合而哪些人不适合进入太

    准，今后可能会继续更新。标准的设定参考了三方面经验。第一，日常

    (U. S. Federal Aviation Administration)的资助，但目前仍是非官方标

    2012年更新再版。这些标准得以推出，依靠的是美国联邦航空管理局

    (Center of Excellence for Commercial Space Transportation)出版，并在

    58

    台上爆炸了，那么会有以下几方要求理赔：首先是太空旅行公司，作为

    还有几个重要的保险问题。假设一个搭载载人航天器的火箭在发射

    他们先赚足了钱再去理赔。

    够。他们要么依靠其他资金来源，要么只能寄希望于极低的理赔率，让

    利。但太空旅行保险是一个新兴业务，保险公司已收到的保费远远不

    池。通常来说，保险公司会收取足够的保费，在支付索赔之后仍会有盈

    故和理赔也没有几例。此外，保险公司还需要一个用于支付索赔的资金

    确定太空旅行保险费率的最大问题在于还没有几个人到过太空，事

    据，计算出客户购买一份保单需要支付多少保费。

    时需要赔付的金额。精算师运用各种数学工具，基于承保事件的相关数

    取决于需理赔事件(比如旅行取消)的发生概率和保险公司在事件发生

    而，保险相关问题十分复杂，值得我们多些了解。先说重点：保险费率

    保险公司已经推出了面向太空游客和太空旅行公司的保险产品。然

    空旅行也需要购买类似的保险。

    疗救治、偷窃、行李损坏、行李丢失、旅行取消等等。看起来，你的太

    广，包括错过转接航班、意外死亡和伤残、正常医疗保险范围以外的医

    时候乘坐飞机，我都会购买旅行和旅行取消险。这份保险的承保范围很

    你需要了解太空旅行涉及的法律和保险问题，这很重要。无论什么

    法律和保险问题

    能导致你无法进入太空，而有些结果只要求你在行前接受治疗。

    Acceptance Guidelines for Commercial Space Flight)。有些体检结果可

    Medical (Flight Crew Medical Standards and Spaceflight Participant 版的《飞行人员体检标准与商业太空飞行参与者体检合格指南》

    想进一步了解太空旅行前必须接受的体检，你可以在线阅读2012年

    有几十年的历史，是一个有待发展的领域。

    59

    还有很长的路要走。让我们看一个例子。假设你乘坐的航天器从位于亚

    与太空旅行相关的法律问题极为复杂，所以在编撰成典之前，我们

    具体有多少钱要取决于保额。

    险公司会支付相关费用；如果你死亡，你的保险受益人将获得保险金，伤亡的情况下，不要求太空旅行公司或旅馆承担责任。如果你受伤，保

    已经在知情书上签了字，这表明你已知晓潜在的危险，并且同意在出现

    可以起诉太空旅行公司或旅馆吗？答案是否定的，因为你在出发前应该

    榻的太空旅馆，途中，你的手臂被舱内一个巨大的食物容器砸伤了，你

    现在谈谈与太空旅行相关的法律问题。假设你乘坐太空舱前往你下

    产损失。

    一路向东飞，所有残骸都掉进了大西洋，没有造成任何第三方伤害或财

    当时，火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)发射升空，几分钟就爆炸了。火箭及其有效载荷虽然被烧毁，但都在保险范围内。

    号”(Falcon 9)火箭要运输物资和实验设备到国际空间站，但在发射后

    Exploration Technologies Corporation，简称SpaceX)拥有的一枚“猎鹰9

    事故真的发生过。2015年6月28日，太空探索技术公司(Space 死亡的第三方事件自然更为严重，赔偿金额也更大。

    次交易无关，所以是第三方，他绝对有权要求太空旅行公司赔偿。涉及

    行交易中，公司是第一方，你作为乘客是第二方，游泳池的所有者与本

    后，机体的一部分掉到别人家的游泳池里，把泳池毁了。在这次太空旅

    太空旅行公司一定要有第三方责任险。例如，你乘坐的航天器起飞

    但因事故遭受损失或伤害的各方，即第三方。

    组人员和乘客(或者说他们中间的生还者)；最后是没有参与太空旅行

    行公司，也可能不是，但所有者必定已为航天器购买了保险；再次是机

    间，发射系统很可能会停用；其次是有效载荷的所有者，可能是太空旅

    因调查期间的损失，因为在政府(比如美国国家航空航天局)调查期

    智的话，还会购买收入损失险，用于对冲公司在发射系统再建和事故原

    火箭和发射系统的所有者，它必定为这些硬件投过保，这家公司要是明利桑那州南部的美国航天港(Spaceport America)升空，不知哪里出了

    问题，航天器最后迫降在得克萨斯州阿马里洛市(Amarillo)，给40号

    州际公路、附近的农田和航天器自身都造成了巨大的破坏。太空旅行公

    司应该遵循哪里的责任法呢？亚利桑那州[1]

    的？得克萨斯州的？阿马

    里洛市所在的波特和兰德尔郡(Potter and Randall)的？联邦的？这个

    问题尚待解答。

    再看另外一个例子。假设航天器从卡纳维拉尔角起飞，在德国坠

    毁，这应该依据哪里的责任法呢？联合国对此类事项有决定权，但前提

    是相关国家已达成共识。这很难实现，所以现行法律的措辞足够模糊，否则通过和实施起来都要大费周章。不过，既然商业太空旅行已经兴

    起，我们必须将这些法律事项完善成为有意义的法律条文。不必多说，除了太空医学，太空法律也是一个有待发展的领域。

    [1] 原文为“New Mexico”(新墨西哥州)，有误，应为亚利桑那州。

    60第4章

    太空旅行训练

    61

    62

    充分利用时间和机会以及怎样远程处理家里的事情。在你出发前，会有

    你在太空时的心理状况也至关重要，这包括怎样与同伴相处，怎样

    准备，情况必定会混乱不堪。

    备。心中有数会让你的旅行稳妥安全，如愿以偿。相比之下，如果毫无

    以及处理各种突发情况。所有这些都会帮助你为大多数太空经历做好准

    全带(豪华的座椅安全带)，还有如何在微重力下吃饭、喝水、上厕所

    会体验极限加速度、微重力、低气压、宇航服、进舱和出舱、全身式安

    即将在太空经历的事情。接下来是太空旅行可模拟部分的实操训练，你

    所有太空旅行的基本训练都会从课堂和书本开始，你可以从中了解

    更长。后几章的内容会让你明显感受到这些差异。

    片 [1] 和火星所需的训练时间则要长得多，因为问题更复杂，飞行时间

    练几天，绕地轨道飞行和飞向月球需要至少一到三个月。飞向太空碎

    决于你的目的地。从现有可行的商业太空旅行来看，亚轨道飞行需要训

    训练才有资格进行太空飞行。你的行前训练要短得多，具体需要多久取

    一名职业宇航员根据其在任务中的角色，通常需要经过两到三年的

    在为太空旅行做准备时，你需要接受哪些训练。

    同。因此我预言，太空旅行绝不可能简单。那么，让我们接下来想想，或许除了亚轨道飞行之外，太空旅行跟地球上的任何旅行都大不相

    等我们抵达洛杉矶的时候，他已经完全适应了这个过程。

    一步，我都告诉他会发生什么以及怎样处理。必要时，我们还做总结。

    责，并不是故意找碴儿。之后，我先过了安检，他跟在后面。此后的每

    检时，我解释说，运输安全管理局(TSA)的工作人员是在履行工作职

    市的机场，我让他看我怎样办理登机手续，然后让他自己办理。在过安

    告诉他怎样收拾行李，以及允许和禁止带上飞机的东西。在缅因州班戈

    我也是参会人之一，所以我提出来要帮他安排旅行，他欣然接受。我先

    点，这个故事是真实的)，他想从缅因州前往加州参加一个科学会议。

    我认识一个叫艾利克斯的人，他从来没坐过飞机(除了人名和地

    63

    也是决定你能承受多少个g的一个重要因素。假设你是一个健康的成年

    度，否则会遭受永久性损伤或者一命呜呼。此外，加速度与身体的角度

    人是相对脆弱的生物。我们在任何方向上只能承受某个有限的加速

    你是在水平拉动将近0.5g。 [3]

    重力加速度。在汽车启动之前，你在水平方向上拉动0g，而在加速时，历加速或减速的术语是“拉动g”。记得我们在第2章谈到，1g是1个地球

    朝地球下落的每一秒，都会比前一秒的速度快9.8米秒。正因如此，经

    正常的地球重力加速度(9.8ms2)做个比较。例如，由于地球重力，你

    会感到一个把你推向座椅靠背的力(F＝ma)。 [2] 我们把这个加速度与

    秒钟后，你的速度达到97千米时。这显然是一个加速的过程，所以你

    这种极限运动的感觉是什么样呢？想象你一脚踩下豪车的油门，6

    落过程中经历大约8分钟的极限减速。

    地球的途中，你将在上升过程中经历大约9分钟的极限加速，然后在降

    从现在起，在需要区分两者的时候，我会慢点儿说。在进入轨道和返回

    线运动速率的增加称作加速，把速度或曲线运动速率的减小称为减速。

    加速度。加速度一般指运动速度或方向的变化。我们常常会把速度或曲

    在飞往太空和返回地球的途中，你将多次经历超越任何过往体验的

    极限加速度

    动g”(pulling gs)谈起。

    行前的实操培训，这将对你能否适应太空生活起到关键作用。先从“拉

    身体会发生什么样的变化。第6章将讨论这个问题。现在，让我们谈谈

    找不到类比。因此，我们的重点是研究在微重力环境下适应几天，你的

    微重力以及暴露在太空粒子和太空辐射下的很多经历，在地球上都

    明。

    人跟你探讨这些问题，教给你妥善处理的方法。我会在第7章展开说人，站在一部电梯里，电梯开始向上运动，此时你经历的加速度与脊柱

    在同一条线上，你身体里的血液向脚部流动。如果加速度足够大——比

    如5g，那会有大量血液快速离开你的大脑，引起昏迷，更不用说压碎脊

    柱，造成其他内伤了。

    假设你坐在汽车里，正在经历被压向座椅靠背的加速过程。在此期

    间，你体内的血液从身体的前部流向后部。在行驶中，你发现前方有事

    情发生，不得不踩刹车。在这个减速过程中，你会感到被某种力量向前

    推，体内的血液流向身体前部。在这两种情况下，一个健康的成年人在

    坐姿状态下最多只能承受几分钟大约6g的加速度。超过这个极限，人会

    昏过去。

    说句题外话，你跳起或者落下时，地球重力会使你加速向下运动。

    不管你原来的速度有多快，在着地的时候，撞击力会让你的速度降到0

    千米时。跟坐火箭相比，这是一个急促的减速过程。对于这种突然而

    急剧的速度变化，人体的承受能力是有限的，这就是为什么如果我们从

    足够高的地方掉下来会摔伤。在理想的太空飞行条件下，你不会经历突

    然的加速或减速，但应该对这种情况有心理准备，比如对接机动出现偏

    差时。

    长时间处于极限加速或减速状态可能导致相当严重的后果，包括昏

    厥、脊柱骨折、视力损坏、失明、动脉瘤(血管凸起)、整个循环系统

    尤其是心脏系统的损伤等等。

    在太空旅行的上升和返回过程中，你必然要经历巨大的加速度，所

    以你要在进入太空之前接受加速度耐受力测试。这需要用到一台大型离

    心机(见图4.1)，也就是高科技版的旋转木马。

    64

    65

    你也会经历失重。失重听起来很刺激，但对人类来说极具破坏力。我们

    你在轨道上就会始终处于失重状态。 [4] 如果你前往月球或其他天体，物线飞行的几分钟里。如果你前往一个绕地运动的太空旅馆，那么只要

    某个阶段经历微重力(失重)。如果是亚轨道飞行，失重仅仅出现在抛

    在发射、变轨和登陆时，你会经历加速。每次太空之旅，你总会在

    微重力

    于10分钟。训练的目的是让你感受进入轨道和返回地球时的加速度。

    离心机的转动速度可以让你体验4g~6g的加速度，每次训练都会短

    历的一样。因此，离心机可以用来测量模拟发射条件下你的反应。

    着的时候，你会感觉越来越被压向座椅。这与你在汽车或火箭加速时经

    样，这个加速过程会产生把你向外推的效果。换句话说，当你面朝里坐

    可能的)。然后机器开始旋转，速度越来越快。跟坐在旋转木马上一

    通常，你会被固定在离心机的外边缘，面朝里(虽然其他方向也是

    图片来源：美国国家航空航天局

    离心机。宇航员在旋转的离心机里体验类似于发射和返回地球大气层时所经历的巨大推力。

    图4.1

    66

    入太空之前亲身体验)，你将在出发之前接受失重训练。

    时，大家可能会鼓励你挺过去。为了帮助你了解太空病(可能的话在进

    服期间需要不间断给药 [5] ，但停药后，你还是会容易患上太空病。这

    失望透顶。你可以借助药物来避免在短途飞行中患太空病。你在穿宇航

    如果你对失重缺乏了解、体验和准备的话，太空旅行很可能会让你

    以，我们现在来谈谈为适应失重状态你需要做哪些准备。

    转。好消息是，太空病通常是一次性的，且持续时间不超过三天。所

    汗、食欲不振等。定向障碍可能会让你在不动的情况下也感觉天旋地

    上。太空病的症状包括恶心、呕吐、极度头痛、嗜睡、定向障碍、出

    第一晚会在游轮各处发放呕吐袋，因为在旅程初期，人人都有可能用得

    应跟在太空差不多：你会呕吐。实际上，游轮公司的工作人员在巡游的

    跟微重力下的神经混乱基本相似。船的运动使你的大脑混乱，而你的反

    果你曾经晕过船，你会有个大致的概念。船在海上颠簸摇晃带来的影响

    这被称为太空适应综合征(Space Adaptation Syndrome)或太空病。如

    在第一次经历微重力的人当中，大约有四分之三会出现定向障碍，却不能提供有效信息。

    着“此为向下”这样的标识，你的大脑还是试图从内耳获得指引，但内耳

    不知道哪个方向是向下，所以你的眼睛也不能提供方向信息。即使贴

    供方向信息。这时，你不得不依靠你的眼睛。问题是在失重状态下，你

    然而，在失重状态下，你的耳石不受重力拖拽，所以无法给大脑提

    动，带动纤毛向前弯曲。你的大脑将这解释为“我在向前倾斜”。

    知纤毛对耳石的反应。例如，当你的身体前倾时，耳石朝内耳的前部运

    纤毛上。正常情况下，耳石被重力向下拖拽，与纤毛相连的神经可以感

    耳。内耳中有一些细小的钙点，被称作耳石。它们躺在极细的毛发——

    我们感知重力的器官——知道哪个方向是向下——位于我们的内

    重训练。

    仅对人在失重环境下的初始体验做些解释，因为你的行前训练会包括失

    将在第6章和第7章中详细讨论失重带来的短期和长期的影响，这里，我

    67

    张桌子，桌上放着一杯水。我们学习怎样戴上氧气面罩。确认每个人都

    一辆校车大小的房间，座椅朝里。每人都有一个氧气面罩，面前放着一

    能会与我当时在低压舱里的课程相似。我们被安排在低压舱里，也就是

    空基地接受飞行培训，其中包括在低压舱进行的课程。你的缺氧训练可

    1970年，我在位于佛罗里达州彭萨科拉(Pensacola)的美国海军航

    的问题。

    泄漏等。重要的是，你要知道缺氧的症状以及如何应对，以免招致致命

    因造成，包括空气系统硬件或软件故障、太空碎片击穿航天器、宇航服

    的氧气量，引起缺氧(即血液中氧气不足)。气压降低可能由不同的原

    你在太空可能会经历的一种突发情况是气压损失，这会减少空气中

    低气压

    训练时，你需要贴着一张防吐皮肤贴。

    模拟太空的微重力环境。然而，当你在水下或地上穿着宇航服进行失重

    去，也不会沉下来。这被称为中性浮力(neutral buoyancy)，可以用来

    配重且穿着密封的宇航服，你就能浮在某个给定的深度，既不会浮上

    里会漂浮起来，但你可以系上重物来抵消水对你产生的浮力。有了这些

    的目的是让你学会在失重状态下进行各种操作。通常情况下，我们在水

    地球上的失重训练也可以在水下或通过地上特殊悬吊来进行，训练

    多人呕吐。在平飞和上升阶段，你将经历约2g的加速度。

    行，然后上升，开始下一个来回。即便是这样短时间的失重也会导致许

    态持续15~30秒，之后飞行员将飞机拉起，飞机停止俯冲，开始水平飞

    吐彗星”都要沿着上下弧线飞行多达30个来回。在单次来回里，失重状

    训练的飞机叫作“呕吐彗星”(Vomit Comet)，在每次飞行训练中，“呕

    可能会经历太空病。在抛物线飞行阶段，你会处于失重状态。用于失重

    上追逐船只一样沿着上下跳跃的路线飞行(见图1.9)。在此期间，你

    你将在一架喷气式飞机上接受失重训练，而这架飞机会像海豚在海

    68

    笨重，非常不舒服，但不穿不行。

    都要穿纸尿裤，因为你可能要被圈在里面长达8个小时。宇航服烦琐而

    速粒子、去除来自身体和呼吸的湿气以及防火。还有，你每次穿宇航服

    功能包括维持体温、保持正常呼吸所需的气压、阻挡太空辐射和太空高

    接受更多训练。宇航服及配套的内衣是由功能不同的几层组成的。这些

    即便是部分为舱外活动设计的宇航服都会更复杂一些，要求使用者

    走。

    球时身着的宇航服相对较轻，这样在必要时，宇航员能够在地球上行

    遭遇紧急情况、返回地球时，你都需要穿着宇航服。火箭发射和返回地

    光顾最喜欢的裁缝店不同。在火箭发射、到空间站以外(舱外活动)、到了某个时间点，你将会接触到宇航服。你会试穿一套，但这跟你

    宇航服

    项。事实上，你会领教在太空里为什么要时刻保持警惕。

    警报。你的行前训练会包括针对各种突发情况的应急训练，这是其中一

    候，你就能够做出快速反应：戴上氧气面罩，启动供氧设备，然后拉响

    乱、协调能力下降和皮肤颜色变化，那么在太空里出现这些症状的时

    如果你了解缺氧的症状，比如气短、出汗、呼吸急促、咳嗽、混

    操训练让我们更好地了解缺氧，让我们在必要的时候能够有效应对。

    再把面罩戴回去。有人已经昏过去了，是旁边的人帮他戴上的。这项实

    简单的事情，那会儿做起来都很困难，比如拍手。然后，我们按照指示

    困难起来，尤其是吸气时感到异样。我感觉气短并且开始咳嗽。平常很

    罐啤酒或汽水后看到的那样。我们听从指示摘掉了面罩，这时呼吸变得

    的空气压缩，于是膨胀成气泡上浮，就像水开始沸腾，就像你打开了一

    意义上的沸腾，而是随着房间里的气压降低，水里的空气不再受到周围

    璃杯开始出现气泡，气泡上升到水面，好像水沸腾了一样。这不是传统

    戴好后，舱门关闭，房间的空气开始被抽出。房间逐渐变凉，桌上的玻

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    这可能会引发各种疾病或导致死亡。因此，在穿上宇航服之前，你要经

    形成气泡(就像低压舱水杯里的空气)，从而导致减压病(弯曲症)。

    了。这样做会造成与水肺潜水上升太快一样的结果。你血液中的空气会

    宇航服，把正常的空气抽出去，再充进压强为29.25千帕的氧气就够

    从正常气压到宇航服气压的过渡可不是小事。不要以为你只要穿上

    给宇航服手动减压，减到他能挤进飞船为止。

    宇宙飞船。倘若一直这样下去，他连地球都回不去。幸运的是，他可以

    硬挺，以至于他行走了12分钟后，没办法回到“上升2号”(Voshkod 2)

    体和太阳光加热，宇航服内的气压开始上升。如前文所说，宇航服变得

    40%)的宇航服，进行人类的首次太空行走。然而，随着空气被他的身

    昂诺夫(Alexi Leonov)穿着初始气压为39.93千帕(接近正常气压的

    高压力宇航服有段好玩的历史。1965年，苏联宇航员阿里克谢·列

    气压是29.25千帕(接近正常气压的30%)，且里面的气体是纯氧气。

    形。除非有人帮你放气，否则你没法改变这个姿势。因此，宇航服内的

    根本无法动弹。你的手臂会支棱着，与身体形成直角，双腿站成V字

    增加到100千帕(我们日常呼吸的气压)的话，宇航服会硬到你在里面

    服)就会变得越硬(气球会越胀越大)。如果你把宇航服里的空气压力

    这是因为一个软质容器里的空气越多，这个容器(无论是气球还是宇航

    而且具有不同的化学成分。到目前为止，所有宇航服里的气压都很低，在宇航服里呼吸的空气比你现在呼吸的空气要稀薄得多(压力较低)，气体成分和气压与地球上的相同，也就是78%的氮气和21%的氧气。你

    气、氖气和氦气等痕量气体(trace gases)外，空间站和运载工具里的

    你在宇航服里呼吸的空气不同于航天器和空间站里的空气。除了氩

    设备。

    中，你将会学习怎样在正常和紧急条件下穿上宇航服以及怎样使用有关

    天器拴在一起的连接装置(防止你飘走)、摄像头等等。在行前训练

    附件，比如通信设备、精密的空气过滤和供氧设备、把你与空间站和航

    你还需要了解宇航服的特殊外围设备。舱外宇航服有几十个重要的

    70

    表面)，还有加拿大努纳武特地区(Nunavut)的德文岛(Devon

    (Black Point Lava Flow)、夏威夷群岛上的各种熔岩地形(模拟月球

    周边地区、亚利桑那州弗拉格斯塔夫市(Flagstaff)附近的黑点熔岩流 地点来模拟外星表面，比如南极洲、华盛顿州摩西湖市(Moses Lake)

    在模拟外星表面上行走。例如，美国国家航空航天局使用地球上的许多

    体上有很大不同。行前练习会让你的太空经历更称心如意。你甚至还会

    体上行走的感觉。在月球上跌倒和重新站起来，与在地球或其他目标天

    如果你的目的地在绕地轨道之外，那么你需要在水下感受在目标天

    何在容易诱发恐慌的情况下保持冷静。

    要知道该做什么，还要知道如何进行有效的沟通，如何与他人合作，如

    器被陨石击穿，造成空气泄漏，你该做什么？按照什么顺序做？你不但

    样，你就会知道可能遇到哪些情况以及如何应对。例如，假设你的航天

    在这些模拟器里，你会经历各种各样的日常情境和紧急情境。这

    你还会用到模拟火星居住地的设备。

    月球或其他天体的航天器以及目的地登陆器。如果你要移居火星，那么

    备，用于模拟发射车、登陆车、太空旅馆或其他空间站环境、载你前往

    方面，不过可能不包括失重状态下的性行为。你会用到各种高科技设

    升空之前，你还会参加大量模拟训练，差不多涉及太空经历的所有

    太空飞行、航天器和外星表面模拟

    航服可用了，这会使行前训练和适应太空的过程变得容易很多。

    战在于软性连接点的设计。等到你进入太空的时候，可能已经有这种宇

    年，基本原则是将最外层硬质化，这样气体便无法令最外层膨胀，而挑

    的各种麻烦就基本上都解决了。这种宇航服的设计开发已经进行了很多

    如果宇航服能够在我们的正常气压下不膨胀变硬，那么现代宇航服

    历一段减压期，你的身体将在这段时间里逐渐适应低气压。Island，格陵兰岛西海岸，用来模拟火星表面)。

    你将会穿着适合前往目的地的宇航服练习如何在地球以外的地方进

    行各种操作。例如，你可能会沿着山脉或峡谷跋涉好几千米，练习驾驶

    月球车和洞穴探索，学习如何采集和携带目标天体的岩石和其他样品。

    洗手间技能

    这项技能在航天器中尤其有用，你必须学会如何使用太空洗手间。

    缺乏重力意味着尿液和粪便不会“掉下去”，因此，你要学习怎样用真空

    管小便。尿液会被真空管吸走，然后被处理成饮用水。同样，太空马桶

    会把你牢牢固定住并将粪便吸走，你要学习怎样在这样的马桶上排便。

    请记住，你上洗手间的隐私程度取决于你的目的地和你乘坐的航天器。

    洗澡等其他基本的洗手间技能也跟在地球上完全不同。在微重力条

    件下，根本不可能形成淋浴用的水流，所以你得用毛巾清洁自己。这是

    你作为太空旅行者要做出的一点小牺牲。愿意冒险进入太空的人都热衷

    于探索，淋浴这种与普通旅行联系在一起的物质享受不在他们的优先考

    虑之列。

    71

    [5] 不间断给药的原因是如果宇航员在宇航服内呕吐，在失重环境下自由飘浮的呕吐物会导

    来或许能够实现。

    旅馆和运输工具的直径必须足够大，并且以很慢的速度旋转，这样你才不会感到恶心。这在未

    取得正常重力的效果，而高速旋转本身就会让人感到恶心。因此，这个办法要想行得通，太空

    中心轴旋转来模拟重力环境。问题在于如果你与旋转轴的距离很短，那么你必须高速旋转才能

    [4] 我们在第2章曾谈到，前往遥远天体可能要用到离心机，也就是我们可以通过围绕一个

    (约26.94米秒)，套进公式a＝(26.94–0)(6–0)，计算结果a = 4.49ms

    2，约等于0.458g。

    [3] 根据加速度的计算公式a=(V2–V1)(T2–T1)，这辆汽车用6秒从0千米时加速到97千米时 的身体会后仰，挤压座椅靠背，所以感觉好像有一个向后的推力。

    [2] 这种说法不准确。汽车加速时，作用在你身上的力是向前而不是向后的。由于惯性，你

    [1] 即第2章讲到的小行星和彗星。致宇航员窒息，危及生命。

    72

    73

    74第5章

    发射!

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    76

    假设你采用第2章描述的母机挂载方式旅行，那么你乘坐的航天飞

    亚轨道飞行

    戴上身。

    落伞)、靴子、手套和头盔。这些装备会在你进入航天器的前一刻才穿

    易让你不舒服，比如把你固定在座椅上的安全带(可能还有一个应急降

    备相对易坏，越少使用，损坏的概率就越低。还有一些装备体积大且容

    发射前你虽然穿上了宇航服，但这时硬件还没有装配齐全。有些装

    技术已经十分先进，纸尿裤完全可以吸收多达2升的液体。

    喝水也可以减少排尿，进而减少纸尿裤吸收的尿量。不管怎样，如今的

    粪便，因为大多数宇航员在穿上宇航服的前不久刚上过厕所。另外，少

    历史上，在发射升空和返回地球时，你穿的纸尿裤很少被用来接收

    着它行动的时候，感觉跟穿着日常的冬季服装差不多。

    室的气压跟宇航服内的气压是相同的，所以宇航服不会受压膨胀。你穿

    飞行的喷气式飞机的内部气压。在航天器起飞和降落过程中，你所在舱

    和着陆时，你必须穿着宇航服，里面的气压基本相当于在9 000米高空

    有害气体从燃料箱或其他地方进入火箭，你的宇航服将会保护你。发射

    你将穿着宇航服进入轨道。如果运载火箭出现空气泄漏，或是任何

    你的宇航服被弄坏。

    发生身体接触。所谓安全原因，就是即便在最理想的情况下，也要防止

    台的路上，你会再次见到家人和朋友，但出于安全原因，你不能与他们

    将与同行的太空旅行者一起吃一顿传统的发射前早餐。在乘车前往发射

    能会与家人和朋友一起度过，共进一顿丰盛的晚餐。睡个好觉之后，你

    后你发现，发射当天的准备工作竟然出奇地简单。发射前的那晚，你可

    历之一。你已经完成了大量的行前训练，每个步骤都反复演练多次，最

    发射进入太空将是你一生中最激动人心、大开眼界和惊心动魄的经

    77

    你感觉被推向座椅靠背。航天飞机向上斜飞，载着你飞向卡门线。

    然脱离母机。几秒钟后，航天飞机后部的火箭将点火，产生的推力会让

    最后一次目视检查，地面各相关方也给予了批准之后，航天飞机将会突

    大高度。当母机与航天飞机完成了内部系统检查，追逐机飞行员完成了

    如果一切顺利，在追逐机的陪伴下，母机将上升到其能力所及的最

    机受损以及不稳定状况(比如振动)。

    程中是否有任何问题或出现问题的迹象，比如燃料泄漏、航天飞机或母

    一同起飞。追逐机飞行员的工作是关注由母机挂载的航天飞机在升空过

    起飞过程感觉像普通飞机起飞的高功率版本。一架追逐机将会与你

    话。飞行控制可以保证不会有任何未经授权的飞行器出现在你的附近。

    以及指挥母机飞行员、航天飞机飞行员和空中交通)之间的无线电对

    责指挥母机在地面上的行动)与飞行控制(负责控制飞行的各个方面，随后，发动机的轰鸣声将充斥机舱。你可以选择收听地面控制(负

    门，从这以后就没有空乘为你服务了。

    有你的安全带。每个乘员都将受到同等重视。地勤人员离开时会关上舱

    会检查与你连接的所有系统，包括通信、供氧、液体摄入系统，当然还

    地勤人员会帮你坐进座椅并系好安全带，然后建立系统连接。他们

    你的腿紧紧地贴靠在座椅上，以备弹射。

    上的应急弹射座椅使用起来会稍微复杂些，因为你还要绑上约束带，使

    的安全带差不多：它会系住双肩，而汽车安全带只系住单肩。航天飞机

    体——从头到脚。因此，把你固定在座位上的安全带可能与军事飞行员

    通座椅更结实，以便在升空和返回的加速过程中平稳地支撑你的整个身

    一样，允许你在外太空离开座椅，在机舱里飘浮。但是，这些座椅比普

    失重是亚轨道飞行的一个主要特征，所以你的座椅设置跟普通飞机

    通信设备，可能还有备用氧气瓶。地勤人员会帮助你完成这些步骤。

    简单得多，但你在登机前可能仍然需要穿戴好最后的装备，比如头盔、地轨道和轨道外旅行者穿着的宇航服相比，亚轨道飞行宇航服的附件要

    机会在你登机前就已经与母机连接起来。请记住，母机承担载荷。与绕

    78

    射台上的夹具就会松开。此时，你很可能会感到剧烈的振动。

    期间，火箭发动机已经点火。当火箭推力达到要求时，把火箭固定在发

    之前你会听到：“10、9、8、7、6、5、4、3、2、1，发射!”在倒计时

    载工具可能会用到这个术语，也可能不会，但几乎可以肯定的是，发射

    表计划发射时间，这就是为什么你会听到“T减10、9、8……”。你的运

    正式的发射从倒计时开始。美国国家航空航天局历来用字母T来代

    通常，在发射前，你要被束缚在座椅上大约两个小时。

    干的上方。正因如此，在发射过程中，你会感到被向下推向座椅靠背。

    可是动真格的。座椅是水平躺卧的，所以你坐上去之后，腿和脚位于躯

    程你已经演练过好几次，但忙碌的场景和火箭的振动会让你知道，这次

    有系统运转正常之后，支持人员将会离开，然后关闭舱门。尽管这个过

    椅上。支持人员将把你连接到机载通信、监控和氧气系统中。在确保所

    发射台上的火箭运载升空。穿好宇航服之后，你将进入航天器，坐到座

    你将乘坐一艘飞船(航天飞机比较合理)进入太空，并由垂直竖在

    候，你可以把它推上去。

    盔。头盔很可能有一个伸缩式遮光板，在不需要宇航服完全密闭的时

    上手套，穿上靴子，并将两者与宇航服连接起来。最后，你会套上头

    把你牢牢困住。你将戴上通信帽组件(包括耳机和麦克风)。你还要戴

    术，你可能还要配上一个降落伞和救生设备。安全带会绕在宇航服上，服将装配上各种电子设备、备用氧气罐、饮用水。根据具体的急救技

    你在白房间里穿上的设备会让你彻底改头换面。你之前穿好的宇航

    上它喷着白漆)。在那里，你将宇航服穿戴整齐。

    台。下车后，直升梯或起重机会把你送到白房间(如此命名是因为传统

    进入空间站下方的初始轨道。你离开朋友和家人，乘坐大巴前往发射

    正如我们在第1章谈到的，进入轨道空间站和轨道外飞行都需要先

    进入轨道从发射到进入轨道的过程中，你会有很多感受。火箭发射时，你就

    会感到振动，而剧烈程度取决于运载火箭的类型。据说，液体火箭比固

    体火箭让人感觉更平稳。发射后几秒之内，你会感觉被大力推向座椅靠

    背，也就是第2章所描述的火箭加速产生的效果。这是一次生命之旅。

    对于多级火箭，在抛弃已用部件和启动下一级火箭时，你会感觉到颠

    簸，而到底要颠簸几次，这取决于火箭的级数。发射后10分钟内，火箭

    将熄火，你将进入近地轨道。如果一切顺利，火箭推进器将在短短几分

    钟内点火，推动飞船飞向更高处的空间站。这要么是你的终点，要么是

    你在太空的第一个中途停泊点。进入近地轨道5小时后，你将抵达空间

    站。如第2章所说，如果第一次进入轨道时出现问题，那么你可能需要

    多达两天的时间才能到达。

    79第6章

    最初几天的调整

    80

    81

    进入轨道后，你开始感受到失重，本体感觉可能会暂时受到影响。

    司机酒驾，经常会让司机做上面那个动作，或者让司机走一条直线。

    这里提到喝酒，是因为酗酒会削弱本体感觉。正因如此，警察如果怀疑

    对位置。这种能力以及准确移动身体不同部位的能力被称为本体感觉。

    喝了很多酒，否则这应该没什么困难的，因为你“知道”手指与鼻子的相

    向伸开手臂，闭上眼睛，然后分别用两只手的食指摸鼻子。除非你之前

    如果方便的话，你可以现在就尝试做下面的动作：从身体两侧沿水平方

    困惑的也许是无法判断身体各部分之间以及你与周围物体的相对位置。

    在太空旅行初期，你可能会出现各种神经系统问题，而其中最令人

    算机相关的活动，因为这些都需要你能够灵活运用你的手和手指。

    系，但在很长一段时间里，你都没法发推特、发博客以及从事其他与计

    虑太空旅行者与地球的联络问题，让你跟朋友和家人能够保持密切联

    动开关，即便你在水下训练期间已经多次练习。太空旅行公司会优先考

    你可能还需要重新学习一些精巧的运动技能，比如旋转门把手和扳

    后，大脑对微重力的适应也会反映在各种生理变化和心理变化中。

    眩晕(旋转的感觉)以及快速且剧烈的眼球运动。即便在这些症状消失

    衡信息缺失相关的神经系统症状。除了太空病，这些症状还包括头晕、受过失重训练(第4章讨论过)。许多太空旅行者会经历各种与内耳平

    旅行中将一直处于失重状态。你知道这是什么样的感受，因为你已经接

    忽略航天器进入更高轨道或离开绕地轨道时的短暂加速，你在太空

    视觉和运动技能

    章将探讨各种适应过程。

    卡门线、进入近地轨道时便已开始，并将一直持续到你进入空间站。本

    月里适应微重力和高辐射环境的能力依然十分惊人。这种适应从你越过

    虽然人类没有进化出在太空生活的能力，但人体在几个星期或几个

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    肿的，这是大多数宇航员在执行任务初期不肯拍照片的原因之一。 [2]

    的头部、手臂和躯干，使这些部位迅速肿胀起来。你的脸看起来会是浮

    当然，本应该流到腿部的血液仍然还在你的身体里，但却集中在你

    腿会恢复到正常的粗细和结构。

    改善。由于腿部血流量变小，你的腿会越来越细。返回地球之后，你的

    提高跳动速度和力度来推动血液下行，腿部供血不足的情况也就得不到

    所以腿部的血流量会变小。然而，心脏并没有收到相关信息，所以不会

    减轻了心脏的负担。在太空的失重环境里，这份向下的引力并不存在，重力。有了重力，心脏就不必用同样的力量向所有方向推动血液，从而

    说，人站着或坐着的时候，血液离开心脏向下流到腿部的过程便得益于

    人体需要适应微重力，但进化已经使人体习惯于利用重力。具体来

    体液重新分布

    自如地抓取和移动物体。

    开始可能还是没法准确地移动物体。实际上，你需要练习几个小时才能

    移动下去，而不会在重力的作用下“落”回去。即使明白这个道理，你一

    行类似行为不同，在太空里，一旦你让一个物体向上移动，它就会一直

    玩。相反，想要移动一个物体，你必须对它施加一个力。与在地球上进

    不可能举起一个装满208升水的圆桶 [1] ，然后拿它当羽毛一样摆弄着

    体仍然有质量，这些我们在第1章里谈到过。即使在失重状态下，你也

    如你所知，你和你在轨道上接触的一切物体都处于失重状态，但所有物

    在太空旅行初期，你必须要适应的是判断用多大的力来移动物体。

    你触碰物体的时候，比如扳动开关。

    会出现在你要同时感知两个身体部位的时候，比如脱靴子；也会出现在

    伸得过长，你会捅进去；可要是伸得太短，你可能会碰不到。这种情况

    当你伸手拿东西的时候，它可能比你想象的更近或更远。如果你的手臂

    83

    正常运行。无法消化食物的后果是你无法吸收营养。此外，肠道功能失

    进入太空之后，如果要进食，你的消化道至少得有一部分功能可以

    生在地球上，比如许多外科手术也会引起肠梗阻。

    度，削弱肠道蠕动(推动食物通过肠道的肌肉活动)。肠道停摆也会发

    会减小食物的重力，影响肠道内食物的正常流动，改变肠道内的细菌浓

    阻，其病因尚不完全清楚，但微重力的作用显然是多重的，比如微重力

    道在进入太空的第一天便停止工作的情况并不罕见。这就是所谓的肠梗

    趣。从进入微重力环境的那一刻起，你就可能已经出现了消化问题。肠

    美食是人生一大乐趣，但却是你进入太空后不得不失去的一大乐

    全都发生了变化，所以你的饮食和消化会受到影响。

    运动能够使这一过程顺利完成。然而，在微重力环境下，这些条件几乎

    化已使人体适应了地球重力，所以体液平衡、小肠内的细菌以及正常的

    中不需要的成分排出体外，这中间会经历许多步骤，耗费几个小时。进

    理所当然的事情。消化其实是一个复杂的过程，从我们吃东西到把食物

    在地球上，除非消化系统出现问题，否则我们通常把消化食物看作

    营养和消化

    细胞充分供氧的时候，这些问题就会消失。

    晕、昏迷以及视力模糊的情况。等到心跳速度和强度恢复，心脏能够向

    住，如果需要突然从事重体力劳动，你可能会出现心跳乏力、暂时性头

    系统形成新的平衡还会引起血压下降，这在理论上是件好事，但请记

    体，所以你的小便次数会增多，直到大脑感知到血量已恢复正常。循环

    会立刻向肾脏和相关器官发送激素信号，要求它们清除体内多余的液

    这些流进脑部的额外血液可能会造成严重伤害。为避免伤害，大脑

    胀。

    相关的体征和症状包括鼻腔充血加重、严重头痛、皮肤变油和颈静脉肿

    84

    非被外力强行弄出来，否则饮料会一直留在杯子里，聚在一起。请记

    一侧的边缘呈V字形。饮料被缓缓地喷入杯中 [3] ，贴在杯子的一侧。除

    尝饮料，还可以闻到饮料的香味。这款杯子的杯口不是正圆形，而是有

    杯，利用了微重力条件下完全违反直觉的流体运动规律，让你不但能品

    从密封的软袋里吸取。然而实际上，我们在2013年设计出一款特殊的水

    过去，宇航员在太空里想喝咖啡或摄入其他饮料的话，需要用吸管

    来刺激食欲。

    于维持健康食欲的医疗干预办法，而你可以做的是多准备些更辣的食物

    应过程。第10章会详细讨论返航后的调整问题。我们正在研究各类有助

    生素和矿物质缺乏等等。营养不良还会破坏你的旅行感受和返航后的适

    不足会导致各种疾病和疲弱，包括骨质流失、体重下降、肌肉损失、维

    在太空里，你如果跟随直觉而减少饮食，这会带来很多问题。营养

    程。

    的饱腹感；三是本章前面谈到的体液重新分布会让人很难享受进食的过

    原因有三个：一是食物味道过于清淡；二是消化时间变长，这会延长人

    会使执行长期太空任务的宇航员出现极其严重的问题。造成食欲减退的

    了，大多数宇航员的实际摄入量都小于应摄入量。这种情况日积月累，你在地球和太空里的热量需求基本相同。即使最初的消化问题消失

    菜单，多放辣椒才行。

    吃的食物拿到太空去吃会变得没有滋味，所以太空麦当劳餐厅必须调整

    有400多种食物和饮料可供选择。不过，你或许会发现，在地球上很好

    在做太空餐饮计划的时候，你有多种选项。即使在今天，宇航员也

    厕所，对吧？在这个段时间里，就算不吃固体食物，你也一定要喝水。

    并不是一个好主意，因为服用泻药会导致腹泻，你可不想在太空里总跑

    后，你的消化系统才会开始工作，所以请耐心一些。人为缩短这个过程

    到时候吃苦头，不如先做检查。通常情况下，进入微重力环境48小时

    素的观察者来说，很容易通过听肠鸣音来判断是否出现了肠梗阻。与其

    常可能会引起呕吐，呕吐物要是被吸入还会造成窒息。好在对于训练有住，在微重力条件下没有“向下”，所以随你怎样晃动杯子，里面的饮料

    还是会留在原处。喝饮料的秘诀是，把嘴唇放到杯口V字形的那边，然

    后吸。跟真空吸尘器的效果一样，这个动作会产生局部真空，让饮料向

    你的嘴里流，这样你就能喝到了。这是常识、直觉和经验在太空失效的

    诸多例子之一。

    增高

    如果你曾经希望自己长得更高些，那么太空旅行会帮到你，至少暂

    时有所帮助。骨骼维持身体的整体形状，而骨骼之间的连接使你身手灵

    活。从头部到臀部的这段身体大部分都很灵活，因为脊柱由33块脊椎骨

    组成，其中24块两两之间还有软骨，并由肌肉、韧带和肌腱连接在一

    起。(其他9块结成一体。[4])肌肉使单个脊椎骨能够前后左右旋转，让你可以前后弯曲和左右扭动。在微重力条件下，你的脊柱不再受到重

    力的压迫，所以在进入太空的最初几天里，由肌肉、韧带和肌腱组成的

    支撑系统会解压缩，从而将背部拉长多达5厘米。事实上，宇航员杰里·

    利宁杰(Jerry Linenger)报告说他在两天里就长高了5厘米!

    还有另一种方式可以让你增高。今晚躺在床上的时候，请想想你的

    脚会指向哪里？你会发现，你的双脚并没有像白天的时候指向与腿垂直

    的方向，而是指向头部的反方向，与腿差不多在一条水平线上。在微重

    力条件下，你的双脚会始终自然放平。这就是所谓的垂足姿势，长时间

    保持会造成腿部肌肉损失。好消息是，骑单车和跑步都可以让你以正常

    足位运动，这有助于减缓肌肉损失。所有空间站都有此类健身器材，这

    对宇航员保持健康非常重要。因此，所有未来的太空场所以及载你前往

    月球、火星和其他目标天体的航天器里都会有各类锻炼器械。

    85

    [2] 当然，另一个主要原因是很多宇航员患上了太空病。

    [1] 208升是美国包装圆桶的一种常见规格。[3] 由于失重，在太空里，我们如果像在地球上那样倒水，水是倒不进杯里的，必须靠挤或

    喷才可以。

    [4] 这种说法不准确，其余的9块骨头并非结成一体，而是形成骶骨和尾骨两部分。

    86第7章

    长期生理调整

    87

    88

    (肌肉)结合起来，使我们在改变身体姿势和身体位置的时候不会损伤

    骨骼可以作为肌肉的杠杆和支点。人体的坚硬部件(骨骼)与运动引擎 的情况下，骨质流失速度会加快。此外，我们之所以能够运动，是因为

    问题变得更加严重。例如，在维持骨骼健康必需的维生素D3摄入不足

    力造成的一个主要问题就是骨骼退化和骨质流失，而营养不良会使这个

    我们之所以能维持身体的整体形状，是因为我们有骨骼结构。微重

    骨骼

    的影响。

    中，适当的锻炼和合理的饮食十分必要，有助于减轻微重力环境对人体

    时很难从事重体力活动，因为你可能会受伤和摔倒。因此，在太空生活

    响。例如，骨质疏松会使你更容易骨折，肌肉损失会使你在刚回到地球

    后，这些变化(比如骨骼和肌肉损失)可能给你的生活造成严重的影

    一旦进入微重力环境，你的身体将经历几次长期调整。回到地球

    让身体适应微重力

    中。

    在此期间可能发生在他身上的生理和基因变化。这项工作目前仍在进行

    不仅能够看到他在一年里发生的变化，还能通过对两兄弟的比较，寻找

    久。从医学角度看，斯科特在国际空间站生活的一年尤其有意义。医生

    (Gabby Giffords)也去过国际空间站，只是没有像斯科特停留那么

    Kelly)是同卵双胞胎。马克的妻子、美国前众议员加比·吉佛兹

    活，并在2016年3月1日返回地球。斯科特和弟弟马克·凯利(Mark

    延科(Mikhail Korniyenko)进入国际空间站，开始了为期一年的太空生

    美国宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)和俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼

    为了帮助我们理解长期太空飞行对人体的影响，2015年3月27日，89

    成的，也可能是因为骨骼受到了外力——同样的力在地球上一般不会导

    骨骼矿物质流失的后果极其严重。最危险的是骨折，可能是意外造

    比现在低很多的水平上。

    如果你在太空停留的时间足够长，那么你的骨骼钙质密度会稳定在一个

    矿物质密度达到一个最终的“稳定状态”。我们只能从他们的经历推断，凯利和米哈伊尔·科尔尼延科在太空停留的时间是否足够让他们的骨骼

    为骨质不停流失而最终坍成一团肉泥。我们现在还不能确定，斯科特·

    幸运的是，这些数字只是进入太空初期的骨质流失速度，你不会因

    度。

    (约0.9克)的骨骼矿物质。这远远快于地球上绝经女性的骨质流失速

    句话说，在进入太空的最初几个月里，每4天你就会损失大约0.002磅

    别是每个月大约1.4%和1.1%。全身平均的流失速度是每个月0.35%。换

    初期每个月最多流失1.6%的矿物质。骨盆骨骼和腰部骨骼的流失速度分

    分是股骨的上端(股骨是臀部和膝盖之间的长条形腿骨)，在太空旅行

    骼所流失的质量是上身骨质流失质量的20倍。人体骨骼系统最脆弱的部

    有趣的是，这些改变主要集中在腿部、骨盆和腰部的骨骼。这些骨

    像在地球上那样坚固的支撑结构，即可行动自如。

    减轻和太空中的失重状态有关系。在这两种情况下，你的身体不需要有

    家能够确认的一点是，这种流失在一定程度上与你在其他行星上的体重

    其他部分得不到所需的含钙化合物。研究骨骼矿物质流失的医生和科学

    (骨质疏松)会带来双重打击：不仅会使骨骼变得更脆，还会令身体的

    需。例如，耳朵的前庭器官耳石的成分就是碳酸钙。骨骼矿物质的流失 钙元素，前者使骨骼具有硬度，后者贮存在周身的骨骼里以备不时之

    空中，骨骼会出现重大变化。骨质流失的两种主要化学成分是磷酸钙和

    腔，里面充满了海绵状的骨髓——制造各类血液细胞的组织。 [2] 在太

    由坚硬的物质组成，可以撑起身体的形状，但大多数骨骼内部都有空

    除了支撑身体和辅助运动之外，人的骨骼还有其他作用。有的骨骼

    胸腔内所有柔软的部件 [1] 。

    90

    失的矿物质归还给牙齿。如果做不到这一点，细菌就会侵入，从而形成

    腔分泌的酸会破坏牙齿的外保护层。理想的情况是，我们第一时间把流

    十分痛苦，只是费用有点高。吃剩饭剩菜会使口腔滋生细菌。此外，口

    为牙痛还是通过牙科检查发现的，补牙的过程比较快，也不会让人感到

    在地球上，人的牙齿腐蚀得比较慢，而一旦发现蛀牙——无论是因

    牙齿

    却很危险的疾病。你应该了解的是，太空旅行会使你患病的风险变高。

    概率。幸运的是，人们正在做大量的工作，旨在防止和减轻这种不明显

    太空医学界认为，太空中的骨质流失会增加你老年时患骨质疏松的

    不会有那么多水供你饮用。

    是否也是这样，还有待观察。大量喝水对排出肾结石有好处，但太空中

    地球上，肾结石经常不必通过外科手术干预就可以排出体外。在太空中

    这样的严重后果。肾结石往往会引起剧痛，还可能伴有恶心和呕吐。在

    收。大部分钙还是会流失掉，从而加剧你的高钙尿症，直接导致肾结石

    骨折而摄入钙，那么在骨骼愈合的过程中，你无法将摄入的钙全部吸

    直富含钙基矿物。这种含钙量过高的尿液被称为高钙尿症。如果你因为

    空旅行中，你体内的钙会不断从骨骼中流失，所以你的血液和尿液会一

    人体如此复杂，以至于一个变化往往会引起一系列其他变化。在太

    际上不仅解决不了问题，还可能带来新问题。

    含钙质的食物或补充剂来帮助愈合呢？这么做乍看起来是合理的，但实

    愈合的骨骼脆弱得多。你可能会问：为什么不给骨折的太空旅行者吃富

    要更长的时间，而且我们认为，在太空里折断和愈合的骨骼比在地球上

    和其他低重力条件下妥善接骨。在太空里，断骨愈合通常比在地球上需

    太空医学还没有碰到过骨折问题，所以医生尚不清楚如何在微重力

    一块骨骼完全能承受这个重量。

    在火星上重22千克的东西，那你会有骨折的风险，而当初在地球上，同

    致骨折。换句话说，如果你经过6个月的航行到达了火星，想举起一个

    91

    世界行走、攀爬和跑步的持久力会远远低于你在地球上的水平。虽然白

    转化为白肌。因此，如果在途中不进行适应性训练，你会发现你在其他

    比如短跑或提起重物。对宇航员的研究揭示，在微重力环境下，红肌会

    法迅速恢复能量。这种肌纤维在你从事短促和爆发性活动时提供力量，另一种肌纤维被称为快肌或白肌，它们没有大量的能量库存，也无

    痛。相当多的太空旅行者因此出现过背部疼痛。

    运动。在太空中，由于慢肌处于闲置状态，所以你会频繁感到慢肌疼

    (ATP)的分子中。慢肌使你有能力进行长跑、骑自行车、游泳等有氧

    量供给，所以不易疲劳。肌肉能量通常储存在被称作三磷酸腺苷

    成。被称为慢肌或红肌的肌纤维含有丰富的血液，能够维持长时间的能

    对肌纤维类型的转化，我要多说两句。人的肌肉由两种肌纤维组

    萎缩通常在你进入微重力状态的5天后开始出现。

    生转化。肌肉萎缩很好理解，基本上就是遵循“用进废退”的道理。肌肉

    骨骼强度减弱的同时，骨骼肌也在萎缩，同时肌纤维的类型也会发

    肌肉

    发性感染，以及让牙齿在接受专业牙科治疗之前得到保护。

    用于这些环境的牙齿预防和修护措施。这些措施旨在减轻痛苦，防止继

    的地球环境(比如潜艇)中可能出现的牙科问题，促使我们不断开发适

    我们已经对太空牙齿护理做了很多思考。人类在太空以及长期孤立

    大量飘浮物撞击、牙齿的自然磨损以及吃东西时崩断牙齿。

    蛀牙外，还有很多其他事情也会损坏牙齿，比如牙齿被微重力环境里的

    造成牙神经外露。他不得不忍受两周的剧痛，直到任务结束。除了自然

    间，苏联宇航员尤里·罗曼年科(Yuri Romanenko)出现了一颗蛀牙，菌的繁殖速度是地球上的40~50倍。1978年，在“礼炮6号”空间站停留期

    在太空中，牙齿腐蚀的风险会增加，因为在微重力条件下，致龋细

    蛀牙。氟化物可以增强牙齿的硬度和耐腐蚀性。

    92

    它对人体产生的效果，所以化学成分的改变会导致药物失效。正因如

    通过地球的大气层到达地球表面。由于每种药物的独特化学组成决定了

    成，但这种说法还有待确认。我们在第1章里谈到，这种辐射通常无法

    期日之前失效。造成这种情况最可能的原因是辐射改变了药物的化学组

    的调整也因此变得更加复杂。换句话说，在太空中，药物会在标注的过

    许多药物在太空中失去效力的速度都比在地球上快得多，药物剂量

    献，这样在你之后进入太空的人会对药物剂量有更清楚的认识。

    量尚不明确的药物。你对这些药物的反应是对医学知识体系的一份贡

    对较少，所以你在太空中生病的时候，可能不得不服用一些微重力下剂

    题之一。由于处方药和非处方药种类繁多，而且先于你进入太空的人相

    评估剂量才能在太空服用。这是新兴的太空医学领域正在研究的诸多问

    吸收药物的速度不同于在地球上的吸收速度。因此，所有药物必须重新

    谈到了一些)，人在太空中对药物的反应也会发生变化。微重力使人体

    太空医药研究现在已经成为一个全职行业。伴随着生理变化(前文

    太空医药

    间。

    种常见的现象被称作内斜视，甚至在你回到地球之后还会持续一段时

    谈到肌肉，如果有人在太空变成斗鸡眼，你不要感到意外。 [4] 这

    在减慢肌肉萎缩速度上也没什么效果。

    结果显示，在太空中使用这些器械对慢肌向快肌转化的抑制作用不大，感单车等有氧运动器械，以维持慢肌的数量。然而，到目前为止，实验

    动)所需的慢肌，所以你可能会希望在太空中使用跑步机、划船机、动

    肌肉萎缩的办法以及多种医疗干预的效果。由于失去有氧运动(耐力运

    营养不良可能是造成肌肉萎缩的原因之一。我们目前仍在研究克服

    量损失而衰减。 [3]

    肌的增加会提高你的举升力以及其他力量，但这种积极影响会因肌肉总

    93

    好地控制航天器内的温度。)如果你必须在这样频繁的昼夜交替中生活

    (虽然航天器外每90分钟就会发生一次剧烈的温度变化，但我们能够很

    期间，你将经历45分钟的白昼和酷热，紧接着是45分钟的黑夜和严寒。 7.1。例如，前文提到过近地轨道的昼夜交替周期大约是90分钟。在此

    除火星以外，其他天体的昼夜交替周期与地球相去甚远，详见表

    圈内，我们需要提供人工照明和气候循环。

    如潜艇、自然光照不进去的水面战舰以及极昼和极夜时的北极圈和南极

    每天重置生物钟是必要的。在没有昼夜更替和气候循环的地方，比

    天“早上”重新同步，这会导致严重的生理和情绪问题。

    个昼夜周期远远长于或短于24小时的环境里，那么你的生物钟无法在每

    你往往起不来床，这是因为没有光线帮你重置生物钟。如果你生活在一

    眠的化学物质，比如褪黑素。实际上，在该出太阳却没出太阳的早晨，例如，清晨的阳光可以帮助你重置生物钟。光线会抑制大脑分泌诱导睡

    钟。生物钟非常靠近视神经，所以光线变化是重置生物钟的最好办法。

    人体要在一天有24个小时的地球上正常运行，需要每天重置生物

    需要睡觉、醒来、吃饭和进行其他持续时间较长的活动。

    的生物钟调节。人体生物钟以24小时为一个周期，规定你什么时候感到

    本意是“大约1天”)，由位于大脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus)

    代谢和体温变化，被称为昼夜节律(circadian rythms，其中circadian的

    种，分别为α、β、γ、δ和θ波。许多人体活动，比如入睡和醒来，新陈

    器可以产生不同频率的脑波，帮助大脑组织和调节人体活动。脑波有五

    我们的身体受控于体内“嘀嗒嘀嗒”的生物钟。例如，大脑里的振荡

    昼夜交替和昼夜节律

    年太空医学领域将会得到显著发展的诸多方面之一。

    此，药物剂量必须根据药物在太空中的药效长度进行修正。这是未来几和休息，那你的身体会出现机能紊乱，你的情绪会变得十分糟糕。因

    此，近地轨道上的生活要靠飞船或空间站的人工昼夜循环系统来调节。

    表7.1 邻近天体一个昼夜循环的长度

    94

    睡眠干扰

    碍让他们感到难受。让我们看看睡眠这个关键问题。

    生活过的人一样，很多到过太空的人都抱怨说，睡眠干扰和时间感知障

    研究太空医学的医生和心理学家已经注意到，就像在南极和潜艇中

    环。

    开地月系统的太空旅行中，你的飞船也将预设24小时的昼夜和温度循

    必须对火星以外的太空居住地提供对人类有益的24小时昼夜循环。在离

    即便太阳已经“升起”，你也看不到地球上那样明亮的天空。因此，我们

    大气层那样散射太阳光，照亮天空。同理，在火星以外的任何天体上，天空永远是一片漆黑，因为太空里几乎没有任何气体，所以无法像地球

    星际空间里没有自然的昼夜循环。当你向舷窗外看去，飞船周遭的

    95

    值，见表7.2。

    的强度量化，衡量的是经过某一点的声能。这里，我们需要了解一些数

    声音在我们的生活中十分重要，我们用分贝(db)这个单位将声音

    的判断。对听众来说，不爱听的音乐就是“噪声”。

    最后这个方法指的是人的主观感受，比如对一段音乐好听还是难听

    ·是否每个人都认为这是噪声。

    ·是否与维持生命的活动有关。

    ·必要的还是不必要的。

    ·意料之中的还是意料之外的。

    ·连续的还是间歇性的。

    ·响度。

    ·频率或音高(例如，一声尖叫与一声低吼相对比)。

    音)：

    我们可以通过很多方法判断噪声(也就是几乎没有信息内容的声

    悦耳动听。

    此时传来发动机低沉的轰鸣声，你会感觉那是天籁之音，比任何声音都

    减速进入月球轨道，而在此之前你被告知火箭点火可能会出问题。如果

    迎。想象一下你正在飞往月球的途中，火箭即将点火，准备让你的飞船

    是一种噪声而已。有趣的是，通常被认为是噪声的声音可能非常受欢

    告诉你，飞船正在变速前进。但除此之外，火箭发射的声音通常来说只

    音长短之外基本不携带任何其他信息的声音。火箭发射时发出的咆哮声

    噪声和振动常常会破坏睡眠。噪声本质上就是除了音量、音高和声

    噪声表7.2 不同噪声的效果

    96

    呢？风扇、泵、马达、水管、人们四处移动和说话、变压器、电子产

    但即便如此，你也会听到各种各样的噪声。是什么让航天器这么嘈杂

    你在太空的大部分时间里都将处于滑行状态(即没有火箭推动)，分严重。

    空进行生死攸关的活动时，如果噪声使你无法听清指令，那问题显然十

    如果你的睡眠环境很嘈杂，那你的睡眠时间和质量都会打折扣。在外太

    噪声还会让人更容易疲劳，降低工作效率，使人精神不振，消极怠工。

    往会影响工作表现，而在安静的环境里，我们能够把工作完成得更好。

    噪声常常使人分心，严重影响我们的生活质量。嘈杂的工作环境往

    伤。

    大，以至于一些宇航员在上面待了几个月之后，听力遭到了永久性损

    声引起的身体和精神紧张。事实上，俄罗斯“和平号”空间站的噪声太

    续噪声的影响，宇航员通常会戴上耳塞或降噪耳机，这可以有效减缓噪

    平通常高于这个值，也高于一般航天器50分贝的预设上限。为了避免持

    丧失。公认不会影响睡眠的噪声水平是35分贝，而国际空间站的噪声水

    以上的环境里，你的听力会受损，而85分贝以上的持续噪声会导致听力

    面的清单中可以知道，这是致命的。我们认为，如果你长期处于60分贝

    地方，那么火箭从地球升空时，你会听到超过200分贝的噪声。你从上

    让我们看看巨大噪声产生的后果。假如你站在一枚火箭15米以外的

    97

    抖动，而其他频率——通常是较低的频率，会令你感到五脏六腑都在跳

    不同频率的振动会给我们造成不同的影响。有些频率令你感觉皮肤

    会产生振动和噪声的事物。

    最强烈的振动。然而，即使在火箭发动机熄火的情况下，还有许多其他

    航天器在离开地球时会剧烈振动。事实上，这是你在太空中经历的

    ·方向，比如上下、扭曲的或变化的。

    ·连续的，时断时续的(间隔长度固定)，还是零星的。

    ·时长。

    ·强度。

    ·频率。

    样，振动也有很多量度，包括：

    里，你周围的固体和液体如果振动起来，也一样不受欢迎。跟声音一

    噪声可以定义为耳朵探测到的、不受欢迎的空气振动，而在太空

    振动

    机，这样既能阻挡噪声，又能舒服地与人交谈。

    件好事。令人欣慰的是，我们现在有可能用上带麦克风的无线降噪耳

    使你与周围的人更加疏离。我们在第8章中会谈到，心理问题可不是一

    都找得到，也便于带上航天器。这些太空降噪技术的问题在于，它们会

    软耳塞或降噪耳机来缓解噪声对人的生理和心理影响。这两样东西哪里

    须大声说话。如果需要经常说话，那你很可能会喉咙痛。我们还可以用

    越难传播。问题是，气压越低，你说的话就越难被人听到。因此，你必

    减轻背景噪声影响的方法之一是降低舱内气压。气压越低，声音就

    声，等等。

    品、开关电动机械阀门等发出的声音，当然还有耳机里漏出来的音乐来跳去。表7.3列出影响人体的振动频率。

    表7.3 对人体不同部位产生影响的振动频率

    98参考来源：《美国国家航空航天局人与系统集成标准》(NASA Man-Systems Integration

    Standards)图5.5.2.3.1–1

    振动如果进入人体会引起身体机能问题和生理问题。机能问题会干

    扰人的行为能力，表7.4列出了与此相关的振动频率。

    表7.4 受振动影响的行为能力

    99参考来源：《美国国家航空航天局人与系统集成标准》图5.5.2.3.2–1

    这些问题涉及大脑与身体的相互作用机制，而振动导致的各种身体

    不适会使这个机制变得复杂。表7.5列出了振动导致的各种生理问题。

    在微重力环境下，当你被捆绑固定住的时候，或许可以感受一下周

    围的环境，这时你更有可能出现下述症状。你可以通过自由飘浮(如果

    可能的话)来降低危险和缓解不适。

    表7.5 振动导致的生理问题

    100

    101

    时间也会变得不正常，包括做梦的阶段。 [5]

    感到难受。你的睡眠将无法达到所需的深度，而且睡眠5个阶段的持续

    昼夜交替以及其他主要循环超出了你的昼夜节律所能承受的范围，你会

    境里保持警醒。在睡觉的时候，我们的大脑会进行自我修复和重置。当

    的睡眠，你将很难处理这些变化，也无法在一个需要时刻保持警惕的环

    了你离开地球时身体和大脑将要经历的各种生理变化。如果没有高质量

    良好的睡眠无论在地球上还是在太空里都同样重要。我们已经讨论

    睡眠紊乱大脑其他部分(尤其是下丘脑和脑垂体)的变化往往会使睡眠问题

    加重。下丘脑和脑垂体通过一种复杂的化学反馈机制发生相互作用，使

    脑垂体分泌生长激素，促进儿童正常生长。在微重力条件下，这个腺体

    系统会经常出现化学失衡，导致脑垂体重新分泌生长激素，从而引发一

    系列可能让人衰弱的脑内化学变化，从而影响睡眠。这些变化会令你感

    到浑身乏力和情绪低落，削弱你的判断力，使你在面对压力时反应怪

    异，出现非正常行为。

    睡眠障碍是太空报告中最常见的疾病之一。除非服用药物，否则宇

    航员每天的睡眠时间通常会比必要的睡眠时间少两小时。足量优质的睡

    眠是如此必要，以至于大约75%的宇航员都会服用安眠药，这是宇航员

    在太空中摄入的药物总量的45%。然而，没有任何一样药物在改善睡眠

    深度和睡眠时间以及解决药物副作用方面完全令人满意。最近获批的新

    药或许会让情况有改观。

    一旦你的睡眠周期被打乱，通常的结果就是睡眠不足。不幸的是，服用咖啡因和其他兴奋剂类药物这种显而易见的补救方法，在帮你保持

    清醒的同时，也会加重已经出现的各种认知问题。你会变得易怒，理性

    和推理能力也会下降。毋庸置疑，这些问题都可能在太空旅行中导致严

    重的后果。

    除了自身的睡眠障碍之外，你的睡眠还可能受到其他人的影响，而

    其他人也可能受你的影响。一个半夜从噩梦中尖叫惊醒的人一定会吵醒

    其他人，“众人皆睡我独醒”的失眠者也必然会影响别人睡觉，在地球上

    打呼噜的人在太空中也会继续打呼噜。随着睡眠知识体系的发展，尤其

    在更多了解太空睡眠的不同之处后，我们应该可以找到更好的方法保证

    高质量的睡眠。

    太空辐射

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    就是极光。

    候这些粒子会从地球磁场，尤其是两极附近泄漏出去，使空气发光，这

    极高，极其危险。地球磁场会捕获太阳风和一些太阳宇宙射线，但有时

    宙射线。然而，太阳喷发的有些高能粒子确实被归为宇宙射线，且强度

    大于太阳风粒子(太阳持续喷射的气体)。因此，太阳风粒子不算是宇

    物，还有其他有待确定的来源都可以产生宇宙射线。它的强度通常远远

    光的恒星、爆发的恒星、相撞的恒星、中子星和黑洞等恒星相撞的残留

    来自太阳系以外的宇宙射线是近地空间中最强大的抛射体之一。发

    和波的属性。如第1章所说，这让粒子之间的相互作用变得复杂。

    们不会像台球那样撞上然后弹开。与光子一样，宇宙射线同时具有粒子

    不同的是，原子、离子和电子不是实心的，所以当碰到其他粒子时，它

    生相互作用时产生的影响。运动物体具有的能量被称为动能。但与台球

    宇宙射线的速度和质量决定其能量大小以及它与宇宙中其他物体发

    称α粒子)，剩下1%差不多都是自然形成的其他原子核和电子。

    系之外。观察表明，银河宇宙射线的85%是质子，14%是氦原子核(又

    让人感到极为困惑。宇宙射线常被称为银河宇宙射线，因为它来自太阳

    发现宇宙射线其实是由粒子组成的，但“射线”这个误称还是保留下来，(Robert A. Millikan，1868—1953)将其命名为“宇宙射线”。后来人们

    年首次发现了宇宙射线。1926年，美国物理学家罗伯特·A.密立根

    破坏。奥地利物理学家维克多·赫斯(Victor Hess，1883—1964)在1912

    除了高能光子，宇宙射线——弥漫太空的高速粒子 [6] ，也会造成

    宇宙射线

    比不上航天器和太空居住地。

    你在另一个星球上行走时，情况尤其严峻，因为宇航服的保护作用通常

    具可以提供一些保护，但跟在地球上相比，你受到的辐射会更严重。当

    和伽马射线的高能光子可以直接破坏DNA和其他生物组织。虽然运载工

    太空充斥着有害的电磁辐射。正如第1章谈到的，紫外线、X射线大多数银河宇宙射线的能量太高，以至于会穿过范艾伦辐射带，逃

    脱地球磁场。幸运的是，地球大气层可以阻止它们到达地球表面，但能

    量最高的宇宙射线除外。拦截过程是这样的：宇宙射线撞击空气中的气

    体，使这些气体分解成更小的粒子，以高速飞向地球；很快，许许多多

    这样的粒子继续与空气中的其他粒子相撞，从而形成粒子簇；最初入射

    的这些外太空高能粒子(正式的名称是初级宇宙射线)会把部分能量传

    递给地球大气层的粒子，这个过程会产生次级宇宙射线簇射(见图

    7.1)，并一直持续下去，直到有些粒子击中地球及其上面的东西或人

    [7]。由于每次碰撞都会带走入射粒子的一部分动能，所以到达地面的

    次级宇宙射线的能量比引发簇射的初级宇宙射线要低得多。

    图7.1

    四条宇宙射线簇射的图画。一束外太空高能宇宙射线引发了一系列大气粒子向下运动，并与其

    他粒子相撞。

    图片来源：西蒙·索迪(Simon Swordy，芝加哥大学)、美国国家航空航天局

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    ·皮肤。

    ·循环系统。

    ·消化器官。

    ·生殖器官。

    ·造血器官，包括淋巴结、胸腺、脾脏和骨髓。

    列：

    具有不同的敏感度。下面10个人体器官系统按照辐射敏感度从大到小排

    已经确定的是，人体各个系统和器官对穿过人体的地球或太空辐射

    因此，关于辐射对人体的影响，我们的科学和医学理解尚不完整。

    及实验室辐射(尤其在人类了解放射性物质的危害性之前)的受害者。

    燃料相关的核事故、放射性矿石提炼、切尔诺贝利和福岛核电站灾难以

    人身上。这些人除了宇航员之外，还包括和平及战争时期的核爆炸、核

    宙射线)只有一个世纪多一点。严重的辐射暴露一直局限在相对较少的

    人类接触危险剂量的辐射(包括大气层较高位置和外太空的初级宇

    辐射对人体的 ......