太空探索的三种风险

小火箭出品

本文作者：邢强博士

原文标题：太空探索的三种风险

国际航空联合会把地面以上100km的高空定为大气层与太空的分界线，并将这条线命名为卡门线，以此来纪念钱学森的导师、美国喷气推进实验室（简称JPL）的创始人冯·卡门教授。

小火箭在本文中将如今的太空探索与古代的维京人的航海历险做对比，向大家展示和说明太空探索时代的三种风险。

比如俄罗斯人就以这些维京人的俄语叫法“瓦良格”命名过好几艘军舰。

如果你去问一个维京海盗船长，在航海过程中他最惧怕什么。那么，最可能的回答便是：我不害怕战争与瘟疫，但却恨极了不体面的死法。比如：撞上北冰洋海域的冰山而随船沉没、被船上突发的大火所吞噬、掉入冰冷的海洋与千万浮冰永远作伴。

扪心自问，在科技发达物质丰富的现代，我们仍然无法完全避免战争和疾病。在新维京时代，我们又能否彻底战胜冰山、大火和坠海这些事故呢？

冰山

当宇航员漂浮在温暖舒适的空间站里俯瞰地球的时候，他（或她）或许会庆幸在这个新维京时代再也不会像维京人那样担心狂风暴雨和凶险的冰川暗礁了。但是，我们必须及时地提醒他：当船进入太空后，冰山暗礁也跟着进入了太空，那就是空间碎片。

在航天器的发射和运行过程中，由于破损、碰撞和爆炸等原因会产生大量空间碎片。这些碎片在轨道上高速运行，给航天器带来了极大威胁。现在太空中有大约10万个直径大于1cm的碎片，其中1.2万块直径大于10cm的碎片随时会成为飞船和空间站的杀手。

小火箭计算之后，发现：一块从运载火箭上剥落的直径为1cm，厚度为1mm的漆片在碰撞瞬间能够给航天器送上高达4800焦耳的动能。这个能量和一枚7.92mm毛瑟步枪专用S.m.K.H. 穿甲弹的出膛动能相当。

1980年2月14日，一颗用于研究太阳现像，特别是太阳耀斑的太阳极大期任务卫星发射升空。上图为1984年挑战者号航天飞机维修这颗卫星的时候，在星体上发现的太空垃圾撞击造成的孔洞。

如果这个假设成立的话，今后在近地轨道运行的空间站将陷入枪林弹雨之中。

既然目前使用的300km到500km高度的轨道上有危险的空间碎片，那么为什么不把轨道高度降低到300km以下或者升到500km以上呢？

这就涉及到了空间站轨道高度的设计问题了。影响空间站轨道高度的因素有很多，比如空间环境、用户需求（用于对地观测尤其是对地军事侦察的空间站的轨道比较低，这样可以确保观测图像有较高的分辨率；而对于长期无人值守且没有较强轨道机动能力的空间站来说，轨道越高则越有利于延长其使用寿命）等。另外，限于目前运载火箭的运输能力，大型空间站的组件也只能发射到低近地轨道的高度了。

影响空间站轨道高度的另一个重要因素是补给。

早期低近地轨道（低于500km）空间站的补给品中，占最大份额的不是宇航员的饮水和食品，而是供空间站维持轨道所需的燃料。空间站虽然是在太空运行，但是在它的轨道高度上仍然有稀薄的大气存在。这些大气会给空间站带来飞行阻力，随时都在拉低着空间站的高度。

当空间站运行在200km到300km之间的轨道上时，每天需要耗费15kg的燃料来维持轨道高度，否则每过24小时，空间站的轨道就会降低3km，不出半个月空间站就会栽入稠密大气成为一颗绽放的礼炮了。

可是，每过两个多月就得补充1吨燃料的空间站实在是个耗能大户。因此后来的礼炮-6号空间站的轨道提升到了349km的高度，礼炮-7号更是升到了475km，在这样的高度下每天用不到0.5kg的燃料就足以维持住空间站的轨道了。（有关礼炮空间站，详见小火箭的公号文章《苏联的礼炮：空间站技术的最早尝试》）

如果空间站的轨道太高了，那么这些往返器就需要更多的能量来进行变轨，或者一次只能携带很少的补给品。另外，较小的空间站一次储存不了太多的货物，每年需要多次补给。为了节省补给飞船的燃料，较小空间站的轨道需要低一些。

而对于大型空间站来说，每年最多只需补给一次，轨道可以适当提高一些。

小火箭认为，当用一艘6吨重的飞船每3个月运送500kg补给品给小型空间站的时候，这个空间站的最佳高度应在370km附近。而对于大型空间站来说，它的最佳高度大约在520km处。当然，影响轨道高度的因素是比较复杂的，目前国际空间站就运行在近地点399千米，远地点409千米，轨道倾角51.6°的轨道上，显然是考虑了补给之外的因素（如宇宙辐射、实验科目等）。

目前空间站主要靠监测较大碎片、忍受较小碎片（平均每5天就会遭受一次较小碎片的撞击）以及变轨机动躲避和设置逃生舱的方式来预防新维京时代的冰山事故。

大火

船舶是个易燃物遍地、人员密集的地方。一旦燃起大火，维京海盗们就会面临着两难选择：要么留在熊熊火焰中，要么跳进冰冷刺骨的海水中。两个选择的后果都有些不堪设想。

比起维京海盗们，空间站中的宇航员们在火灾面前显得更加无力。空间站内属于高氧气浓度微重力环境（注意，这并不是没有地球引力的影响，而是空间站沿着绕地轨道高速运行，相对于之前的地面，它每时每刻都在高速下落，从而营造出类似高速下行的电梯那样的失重环境。地球引力的作用相当广泛，即使是远在380000km以外的月球都难逃其威力，何况是在距离地面仅仅数百千米的低近地轨道上呢），在这样的环境中，火焰附近没有明显的空气对流，因此火焰会呈球形，并且相当稳定，不会闪烁。火焰的能见度很低，通常不可见或者略呈蓝色。

这团静逸飘忽且无声的杀手的温度高达880℃，可以瞬间将纸张、电缆、衣物等物品引燃。通常，火警探测器主要依靠火焰的光、热、烟尘等特征来进行探测。而太空中的火焰可见性低，在空气对流不明显的时候，很难把热量传递到探测器上，舱内充足的氧气供应使得太空的火焰往往不会伴随烟尘。

后来，人们发现哈龙灭火器中的卤代烷气体对臭氧层的破坏力比大家深恶痛绝的氟利昂还要强10倍，于是这种灭火剂被《蒙特利尔协定书》尘封在了历史中。出现在纪录片或者电影中的那种可以由宇航员拎着走的灭火器便属此类。该灭火器装有3kg卤代烷，可以工作30s。

目前，国际空间站上使用的是二氧化碳灭火器。在沉重钢瓶中储存的高压二氧化碳气体可以在极短的时间内让空间站里的二氧化碳浓度达到50%以上。当然，如果舱内有宇航员的话，他们最好快速戴上呼吸器，因为当人呼吸的空气中二氧化碳的浓度达到17%以上时，会使人在1分钟内死亡。钢瓶给空间站带来的附加载荷以及使用中的不便使得这种灭火方案终将被替代。

喷洒出去的水雾不会遗留有毒物质，也不会立刻威胁宇航员的安全。用水雾来灭火的另一个优势是可以同时清理掉火灾产生的有毒气体。在微重力环境下，有毒气体小颗粒会飘散在空间站内，而雾化后的水有极强的吸附能力。当脏水雾在空间站空气循环系统内重新凝结成水滴的时候，经过过滤处理，水还能被再次利用。并且，水雾的快速蒸发能够降低舱内温度，减轻环境控制系统的压力。

另外，拥有多个舱室的空间站还有封闭着火舱室、舱内泄压甚至放弃舱室等较为极端的灭火方式。

坠海

如果一名维京水手坠入波涛汹涌的巴伦支海的话，料他有再好的水性也难以支撑1个小时。而如果坠入了茫茫太空，宇航员又将面临怎样的命运呢？

运气足够好的话，他会躲开所有的空间碎片，成功地绕地球飞行，并能在24小时内看到16次日出日落（如果他带着足够的氧气）。之后，随着大气阻力等因素的损耗作用，他的轨道会越来越低越来越圆，地球上的美景在他眼前掠过的脚步也越来越匆忙。最后他将会再入大气层成为一颗璀璨的流星。

既然这么危险，那么为什么还要让宇航员出舱呢？

另外，哈勃望远镜没有变轨发动机，这艘“没有发动机的大船”需要由航天飞机定期地向高处推一下，以维持正常的轨道高度不至于坠入大气层。随着航天飞机的退役，哈勃望远镜将失去维持轨道高度的帮手，将寿终正寝。

既然太空补帆和太空系缆绳等活动是必不可少的，宇航员的出舱活动也就不可避免了。好在大多数的出舱宇航员都系着一根叫做“脐带索”的安全带把自己和航天器绑在一起。

今后，能够提供更持续的动力和更强大的防护能力的舱外宇航服的出现将会使宇航员即使坠入太空也不至于束手无策了，甚至可以像鸟儿一样，长期地自由地在太空中翱翔。

结束语

空间碎片撞击、空间站大火以及孤零零坠入太空三种危险是宇航员在新维京时代进行太空探索面临的危险。而能够对抗这些危险的，则是人类的智慧和勇气。

只要是向未知世界进行探索，就会遇到危险和困难。但是，凭借智慧和勇气，人类总是能够战胜这些阻碍。在这个新维京时代，小火箭回首往事，窗外的鸟鸣声和风声让我们想起了公元9世纪时的北欧著名航海家弗勒基。他总是在船上养着乌鸦，并且不时地将笼中的鸟儿放飞。如果鸟儿在船的周围漫无目的地飞翔，那说明离陆地还远着呢。而如果鸟儿朝特定的方向飞去，那么他就会坚定地追随鸟飞去的方向。通过这个方法，他到达了地球上最后一个无人居住的大岛——冰岛。

感谢大家对小火箭的支持！

本文已由邢强博士独家授权小火箭刊发，禁止非授权转载，欢迎朋友圈转发。

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