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神舟九號載人飛船昨日已經順利完成了手控交會對接任務，全國觀眾都感到歡欣鼓舞。其實，除了手控交會對接任務外，3名航天員還需要在上面進行15項實驗。大家對這些太空實驗都十分感興趣，但同時又覺得有心無力，它們離地球那么遠，太高深難懂了。其實，這些實驗并不像我們想象的那樣遙不可及，今天我們就請專家來幫您解讀部分實驗。 航天員在軌質量測量實驗 案例：在太空失重環境下，怎么測出飄浮人的體重 大家都知道，在太空失重環境下，所有東西都輕飄飄的。如何測質量成為航天科研長期面臨的難題之一，此次在天宮一號與神舟九號載人交會對接任務中，就將利用失重環境下人體質量測量儀，來測量體重。 究竟失重是怎樣的感受呢？專家給記者舉了個例子，當我們在地面上站著不動時，地面會給我們一個支撐力，這個支撐力和我們自身的重量相等，此時你處于平衡的狀態。而當我們坐高速電梯時，當電梯上行，你感覺身體比平時要重，這時你就處在超重狀態，也就是地面給予的力量大于你自身身體的重量。而當電梯下降時，你會覺得自己有點飄，感覺地板沒有支撐力了，這時你就處在失重狀態。在游樂場坐“海盜船”時，當你從最高點往下墜落時，也會有這種失重體驗。 專家告訴記者，“航天員永遠不會‘沉底’，對他來說頭朝上朝下沒有區別。而且在太空中，特別省力。平時你做雙手抬起與肩平行的動作，雖然不知道具體用了多少力，但你心里有數，知道大概用多少力就能完成這個動作。但是到了太空中，按照平時的習慣，使用差不多的力，總是發現手超過了預定的位置，因為太空中無阻力，同樣的動作，在太空中只要一點點力就能完成。” “因此，很多人憑字面意思理解，覺得太空中沒有阻力了，那不是應該暢通無阻了，做事情很輕而易舉。比如，在太空中我們是不是輕輕松松就能舉起一個鐵球？但實際上，因為人和鐵球都處于飄浮狀態，無所謂舉起。并且力的作用是相互的，當你對重物施力時，重物同時會給你一個相反的作用力。所以航天員在天空中用錘子釘釘子時，釘子的反作用力會將他彈開；用力擰緊螺絲帽時，螺絲帽的反作用力會推著他往相反的方向擰。此時，你必須先固定好自己，才能施力，但是在哪尋找支點就是個問題，所以很多實驗在想象中覺得很簡單，實際操作起來卻很困難。我們很難模擬出真實的太空環境，所以一切還得接受實踐的檢驗。” 分析：理論上能測出質量，實際操作困難重重 如此說來，在太空中測出質量真的好比天方夜譚，那么航天員怎么進行這項實驗呢？ 南京航空航天大學航空宇航學院力學教學實驗中心教授王立峰告訴記者，雖然操作困難，但是在軌質量測量理論上是完全可行的，“根據牛頓第二定律，物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，即F=ma，F為所受合力，m為質量，a是加速度。要測量質量，只要給它一個力，借助工具測量力不是很困難的，記錄下這個力；根據加速度傳感器，測出加速度，就可以套用公式算出質量了。” 但是王立峰也指出，在具體操作時困難重重，許多在地面上可輕易進行的測量，因為在太空的失重狀態下，難度就變大了許多。比如，受空間局限，位移不會很大，這就提高了加速度測量的難度。“測量的關鍵在于那臺質量測量儀，它結合了光學、力學、電子、工效、機械和材料學等先進的技術應用，實驗的成功完全取決于它。其實把這些精密的儀器運往太空，讓它在失重環境下發揮作用本身就很困難，研究人員付出了極大的努力。” 空間骨丟失防護技術研究實驗 案例：失重環境下，骨骼肌萎縮、骨丟失嚴重 在地面上，人受地心引力的作用，身體內血液的流動，血管、肌肉、骨骼所有機體的運行都是在有重力的條件下進行的，一旦進入太空，一切都發生變化。因為體液向頭部轉移，這時就會出現頭脹、鼻塞、眼睛發脹，快速轉動眼球時頭疼等感受，同時面部浮腫，下肢變細，大約有2L液體從下半身轉移到了上半身。除了這些變化外，還有一個很明顯的問題就是航天員在太空中骨丟失特別嚴重，換句話說，就是骨質疏松。 航天員生活在密封的座艙環境中，光照度較低，而CO2濃度又偏高，同時由于失重而使骨骼肌收縮負荷最小化，這些都會對骨骼系統產生明顯的影響。據統計，6個月的航天飛行中，最高的骨質喪失可達到15%-22%。航天飛行帶來的另一個危害是骨質喪失迅速而恢復緩慢，“和平號”空間站上一名航天員在4個半月內骨質喪失約12%，返回地面1年后，才恢復了6%。 江蘇省人民醫院內分泌科主任醫師何畏告訴記者，我們正常人一年骨丟失0.5%—1%，而航天員一個月就會丟失1%—3%。“我們的骨骼由成骨細胞與破骨細胞共同組成，平時這兩種細胞數量差不多，保持平衡。但是在失重的情況下，破骨細胞就會變得很活躍，而成骨細胞的生長變得十分緩慢，此時就會發生骨質疏松的現象。” 有人或許會說為什么不能在食物中增加富含鈣質的食物呢？何畏指出太空飲食并不像我們想象的那樣營養均衡，航天飛行過程中無法供應新鮮水果與蔬菜，且這種高纖維素會導致排泄物增加。 “因此航天員的菜單上高磷高蛋白食物就占主導。但是這些食物就會促進鈣的排泄，磷高鈣就低了，血甲狀旁腺素（PTH）濃度上升，就會去骨骼溶鈣，此時就很容易骨質疏松。因此航天員剛回到地球上時，十分容易發生骨折的現象，要十分小心。” 分析：地面有儀器可改善骨丟失，太空中不知是否適用 那么怎么樣才能改變這種骨丟失現象呢？何畏說，改變骨質疏松的方法有三種，一是藥物治療，一是鍛煉，一是飲食。因此，航天員需要在太空中進行一些負壓鍛煉，但是因為空間有限，也許就需要借助一些儀器。“或許，可以使用一些高頻振動的儀器，這種儀器我們平常會給一些老年人使用。老年人長期缺乏運動，加上機體老化，破骨細胞活躍，但是他又不能做劇烈的運動，我們就給他們使用這種高頻率振動的儀器鍛煉身體。在上面，人幾乎感覺不到振動，但實際上已經刺激成骨細胞生長了。但太空中的環境比較復雜，不知道這種儀器在太空中是否適用。所以這個問題才需要研究。” 在軌有害氣體采集與分析實驗 案例： 太空猴受糞便與有毒材料污染而死亡 地球上的人常常受到空氣污染的影響，殊不知，航天員也會受到航天器中的化學污染。到1998年為止，在美國航天飛機進行的30次航天飛行中，就曾發生過11起化學毒性事故。那么這些污染是從哪里來的呢？ 大致可以分成兩類，一類是持續或經常釋放污染物的污染源，其中人體代謝產物和非金屬材料脫氣是主要污染源。美國一次生物衛星實驗中，在實驗的第8天，實驗中的猴子出現體力衰竭的癥狀，不久就死了，后來檢查就是受了糞便和艙內聚合材料的污染。精心設計的座艙空氣凈化系統和慎重選用非金屬材料能夠有效地預防此類污染。 第二類則是與疏忽、意外或突然釋放污染物有關的污染源。有效載荷中，液體化學品的泄漏、儲存器破裂、設備過熱及聚合材料的熱分解往往會造成急性中毒事件。就曾經有過冰箱風扇馬達過熱及其周圍泡沫絕緣材料降解產生甲醛和氨，結果導致航天員出現刺激性癥狀，鼻黏膜發炎、頭疼和惡心等。美國20世紀60年代進行的30天載人環境系統模擬試驗，試驗過程中受試者嗅到了刺激性的氣體，第3天后出現了惡心、嘔吐、頭痛等反應，第4天只好停止試驗，后來檢測發現是清潔劑的溶劑三氯乙烯與堿性材料起反應，產生二氧乙炔和一氧乙炔，引起中毒反應。 分析： 已想到一些對策，但還需實時檢測 可見利用有害氣體采集設備，實時采集在軌飛行中艙內的微量揮發性氣體，等返回地面進行分析研究，是十分重要的。目前已經從各種載人航天器座艙空氣中檢測出多達300余種污染物，研究人員對最經常或最可能出現的175種潛在座艙污染物進行檢測，發現許多污染物有多重毒效應，最共同的毒效應是黏膜、呼吸道刺激和中樞神經系統的抑制。因此要對飛行器內的微量有害氣體進行評估，了解飛行器內污染水平。 據專家介紹，現在已經有一些對策了：比如，設置座艙空氣凈化系統，該系統有微粒和煙霧過濾器，用來清除空氣中的微粒、塵屑和棉絨；此外還有應急真空管，在突發事故情況下，用來清除局部燃燒產生的氣體和煙霧污染物。 除了以上3項實驗外，此次還將進行在軌微生物檢測、航天員睡眠清醒生物周期節律監測等12項實驗，通過這些實驗將為未來空間飛行提供更多的技術支持。或許不久的將來，我們也能夠安全地暢游太空。 來源：現代快報 |
