太空探索麵臨的三種風險
小火箭出品
本文作者：邢強博士
原文標題：太空探索的三種風險
國際航空聯合會把地面以上100km的高空定為大氣層與太空的分界線，並將這條線命名為卡門線，以此來紀念錢學森的導師、美國噴氣推進實驗室（簡稱JPL）的創始人馮·卡門教授。
從幾何意義上來說，卡門線無非是一層包裹著地球的球殼，但是對於處於太空探索時代的人類而言，其象徵意義無異於維京時代那條將陸地與海洋分隔開來的海岸線。實際上，那些跨過卡門線進行太空探索的科學家和宇航員們在冒險程度和開拓精神上並不遜於維京時代的航海家。將現今的太空探索時代稱作新維京時代也未嘗不可。
小火箭在本文中將如今的太空探索與古代的維京人的航海曆險做對比，向大家展示和說明太空探索時代的三種風險。
1000多年前的維京海盜開啟了人類航海探索的篇章。雖然他們的瘋狂掠奪行徑給他們打上了野蠻人的烙印，但是維京海盜優秀的造船和航海技術以及大無畏的探險精神最終為他們贏得了榮譽。
比如俄羅斯人就以這些維京人的俄語叫法「瓦良格」命名過好幾艘軍艦。
如果你去問一個維京海盜船長，在航海過程中他最懼怕什麼。那麼，最可能的回答便是：我不害怕戰爭與瘟疫，但卻恨極了不體面的死法。比如：撞上北冰洋海域的冰山而隨船沉沒、被船上突發的大火所吞噬、掉入冰冷的海洋與千萬浮冰永遠作伴。
捫心自問，在科技發達物質豐富的現代，我們仍然無法完全避免戰爭和疾病。在新維京時代，我們又能否徹底戰勝冰山、大火和墜海這些事故呢？
1.冰山
當宇航員漂浮在溫暖舒適的空間站里俯瞰地球的時候，他（或她）或許會慶幸在這個新維京時代再也不會像維京人那樣擔心狂風暴雨和兇險的冰川暗礁了。但是，我們必須及時地提醒他：當船進入太空後，冰山暗礁也跟著進入了太空，那就是空間碎片。
在航天器的發射和運行過程中，由於破損、碰撞和爆炸等原因會產生大量空間碎片。這些碎片在軌道上高速運行，給航天器帶來了極大威脅。現在太空中有大約10萬個直徑大於1cm的碎片，其中1.2萬塊直徑大於10cm的碎片隨時會成為飛船和空間站的殺手。
雖然這些碎片比起冰山來說顯得微不足道，但是繞地軌道賦予了碎片極高的速度，也就使得碎片擁有了巨大的破壞力。在300km到500km的軌道上，太空碎片以接近8km/s的速度飛行著，當碎片以一定的角度與航天器相撞時，其相對速度能夠達到10km/s以上（1996年，一塊撞斷法國電子偵察衛星重力梯度穩定桿的碎片與該衛星的相對速度為14km/s）。
小火箭計算之後，發現：一塊從運載火箭上剝落的直徑為1cm，厚度為1mm的漆片在碰撞瞬間能夠給航天器送上高達4800焦耳的動能。這個能量和一枚7.92mm毛瑟步槍專用S.m.K.H. 穿甲彈的出膛動能相當。
1980年2月14日，一顆用於研究太陽現像，特別是太陽耀斑的太陽極大期任務衛星發射升空。上圖為1984年挑戰者號太空梭維修這顆衛星的時候，在星體上發現的太空垃圾撞擊造成的孔洞。
美國科學家凱斯勒（Donald J. Kessler）在1978年提出了一種理論假設。他認為：「當在近地軌道運轉的物體的數量達到一定程度時，這些物體在碰撞後產生的碎片將形成更多的新撞擊，從而引發連鎖效應。這意味著近地軌道將被危險的空間碎片所覆蓋。由於失去了能夠安全運行的軌道，在之後的數百年內太空探索和人造衛星的運用將變得無法實施。「
如果這個假設成立的話，今後在近地軌道運行的空間站將陷入槍林彈雨之中。
既然目前使用的300km到500km高度的軌道上有危險的空間碎片，那麼為什麼不把軌道高度降低到300km以下或者升到500km以上呢？
這就涉及到了空間站軌道高度的設計問題了。影響空間站軌道高度的因素有很多，比如空間環境、用戶需求（用於對地觀測尤其是對地軍事偵察的空間站的軌道比較低，這樣可以確保觀測圖像有較高的解析度；而對於長期無人值守且沒有較強軌道機動能力的空間站來說，軌道越高則越有利於延長其使用壽命）等。另外，限於目前運載火箭的運輸能力，大型空間站的組件也只能發射到低近地軌道的高度了。
影響空間站軌道高度的另一個重要因素是補給。
早期低近地軌道（低於500km）空間站的補給品中，占最大份額的不是宇航員的飲水和食品，而是供空間站維持軌道所需的燃料。空間站雖然是在太空運行，但是在它的軌道高度上仍然有稀薄的大氣存在。這些大氣會給空間站帶來飛行阻力，隨時都在拉低著空間站的高度。
小火箭在這裡以蘇聯「禮炮」系列試驗型空間站為例，計算和展示空間站軌道高度與所需補給燃料之間的關係：
當空間站運行在200km到300km之間的軌道上時，每天需要耗費15kg的燃料來維持軌道高度，否則每過24小時，空間站的軌道就會降低3km，不出半個月空間站就會栽入稠密大氣成為一顆綻放的禮炮了。
可是，每過兩個多月就得補充1噸燃料的空間站實在是個耗能大戶。因此後來的禮炮-6號空間站的軌道提升到了349km的高度，禮炮-7號更是升到了475km，在這樣的高度下每天用不到0.5kg的燃料就足以維持住空間站的軌道了。（有關禮炮空間站，詳見小火箭的公號文章《蘇聯的禮炮：空間站技術的最早嘗試》）
既然軌道低了不好，那麼把軌道提升到500km以上如何呢？空間站孤零零地漂浮在太空，其泄露的氧氣和氮氣需要補充、損壞的元器件需要更換，駐守在上面的宇航員需要氧氣、水、食物、藥品等，這些都需要貨運飛船或者太空梭（已退役）等天地往返器來補給。通常情況下，這些往返器先由地球上的運載火箭運送到240km到300km的停泊軌道上，然後再經過變軌機動「跳」到較高的空間站軌道上。
如果空間站的軌道太高了，那麼這些往返器就需要更多的能量來進行變軌，或者一次只能攜帶很少的補給品。另外，較小的空間站一次儲存不了太多的貨物，每年需要多次補給。為了節省補給飛船的燃料，較小空間站的軌道需要低一些。
而對於大型空間站來說，每年最多只需補給一次，軌道可以適當提高一些。
小火箭認為，當用一艘6噸重的飛船每3個月運送500kg補給品給小型空間站的時候，這個空間站的最佳高度應在370km附近。而對於大型空間站來說，它的最佳高度大約在520km處。當然，影響軌道高度的因素是比較複雜的，目前國際空間站就運行在近地點399千米，遠地點409千米，軌道傾角51.6°的軌道上，顯然是考慮了補給之外的因素（如宇宙輻射、實驗科目等）。
單憑改變軌道高度的方式是無法完全避免空間碎片的，因為空間碎片已經普遍存在於地球附近各種各樣的軌道上。美國在上世紀60年代年（冷戰時期）實施了名為「西福特計劃」的太空任務。該計劃準備將4.3億根銅針散布到3500km到3800km之間的軌道上，以形成一個環狀金屬雲。
這樣就可以保證海底電纜被割斷的時候，美軍仍能藉助這個雲團來實現全球通信。可惜這些銅針的散布並沒有全部按照計劃進行。直至今天，空間軌道上還有不少逃出預定軌道的銅針在遊盪著。該事件被提交到聯合國處理，並最終促成了《外層空間條約》的誕生。該條約提出了包括各國相互援助宇航員、限制太空軍事化以及保護空間環境等10條原則，體現了人們平等和平地探索太空的美好願望。上圖就是該計劃中所用的若干根銅針。
目前空間站主要靠監測較大碎片、忍受較小碎片（平均每5天就會遭受一次較小碎片的撞擊）以及變軌機動躲避和設置逃生艙的方式來預防新維京時代的冰山事故。
2.大火
船舶是個易燃物遍地、人員密集的地方。一旦燃起大火，維京海盜們就會面臨著兩難選擇：要麼留在熊熊火焰中，要麼跳進冰冷刺骨的海水中。兩個選擇的後果都有些不堪設想。
在太空中，火災的威脅也不可小覷。太空梭執行前50次任務時，出現過5次火險。1982年蘇聯禮炮-7號空間站發生了嚴重火災，滅火器無力控制火情，最後宇航員不得不打開艙門讓太空的真空環境吸走艙內的空氣才保住了空間站。
1997年，和平號空間站的大火也發展到了難以控制的程度，直至燒了14分鐘後，站內已無可燃物供燃燒時，火球才逐漸散盡。
比起維京海盜們，空間站中的宇航員們在火災面前顯得更加無力。空間站內屬於高氧氣濃度微重力環境（注意，這並不是沒有地球引力的影響，而是空間站沿著繞地軌道高速運行，相對於之前的地面，它每時每刻都在高速下落，從而營造出類似高速下行的電梯那樣的失重環境。地球引力的作用相當廣泛，即使是遠在380000km以外的月球都難逃其威力，何況是在距離地面僅僅數百千米的低近地軌道上呢），在這樣的環境中，火焰附近沒有明顯的空氣對流，因此火焰會呈球形，並且相當穩定，不會閃爍。火焰的能見度很低，通常不可見或者略呈藍色。
上圖左側為在地球表面燃燒的蠟燭，右側為在空間站燃燒的蠟燭。
這團靜逸飄忽且無聲的殺手的溫度高達880℃，可以瞬間將紙張、電纜、衣物等物品引燃。通常，火警探測器主要依靠火焰的光、熱、煙塵等特徵來進行探測。而太空中的火焰可見性低，在空氣對流不明顯的時候，很難把熱量傳遞到探測器上，艙內充足的氧氣供應使得太空的火焰往往不會伴隨煙塵。
探測器的三個手段在太空中都無法施展，因此難以把太空火災扼殺在萌芽階段（太空梭上安裝有多個火焰探測器，但是5次火警中，這些探測器均未報警，最終是宇航員的鼻子聞到燒焦氣味才發現了火情）。另外，太空火焰的燃燒動力學與我們的常識有很大出入。比如微重力環境下固體表面的火的蔓延會有逆風火焰快於順風火焰並且比順風火焰旺盛的現象，沒能掌握這些要領的宇航員在與火災搏鬥時往往會難以撲滅火焰甚至會促使火焰進一步傳播。
為了應對太空突發的火災事故，美國載人航天器早早地就裝上了哈龍1301滅火器。這種滅火器噴出的氣體只要在空氣中達到了5%的濃度就能徹底隔絕氧氣和可燃物的接觸，達到滅火的目的，可謂是功能強大。但是當滅火氣體的濃度超過10%的時候，就會生成有毒的鹵化氫氣體。這對於處於密閉環境中的宇航員來說可不是個好消息。弄不好，沒被燒死卻被自己噴出的氣體給毒壞了。
後來，人們發現哈龍滅火器中的鹵代烷氣體對臭氧層的破壞力比大家深惡痛絕的氟利昂還要強10倍，於是這種滅火劑被《蒙特利爾協定書》塵封在了歷史中。出現在紀錄片或者電影中的那種可以由宇航員拎著走的滅火器便屬此類。該滅火器裝有3kg鹵代烷，可以工作30s。
目前，國際空間站上使用的是二氧化碳滅火器。在沉重鋼瓶中儲存的高壓二氧化碳氣體可以在極短的時間內讓空間站里的二氧化碳濃度達到50%以上。當然，如果艙內有宇航員的話，他們最好快速戴上呼吸器，因為當人呼吸的空氣中二氧化碳的濃度達到17%以上時，會使人在1分鐘內死亡。鋼瓶給空間站帶來的附載入荷以及使用中的不便使得這種滅火方案終將被替代。
現今看來，比較有前途的空間站滅火方案便是潑水了。不要笑，雖然1000多年前的維京海盜們都懂得舀海水來澆滅火焰，但是此水非彼水。眾所周知，我們不能用水來澆滅電氣火災，而空間站本身就是個電子器件大集合。但是，當把水打散成極其細小的水滴的時候，水還是可堪使用的。如果還不放心的話，可以用導電性很差的去離子水。
噴洒出去的水霧不會遺留有毒物質，也不會立刻威脅宇航員的安全。用水霧來滅火的另一個優勢是可以同時清理掉火災產生的有毒氣體。在微重力環境下，有毒氣體小顆粒會飄散在空間站內，而霧化後的水有極強的吸附能力。當髒水霧在空間站空氣循環系統內重新凝結成水滴的時候，經過過濾處理，水還能被再次利用。並且，水霧的快速蒸發能夠降低艙內溫度，減輕環境控制系統的壓力。
另外，擁有多個艙室的空間站還有封閉著火艙室、艙內泄壓甚至放棄艙室等較為極端的滅火方式。
3.墜海
如果一名維京水手墜入波濤洶湧的巴倫支海的話，料他有再好的水性也難以支撐1個小時。而如果墜入了茫茫太空，宇航員又將面臨怎樣的命運呢？
太空中無從借力，處於近地軌道中的宇航員如果沒有推進裝置的話，將會漂浮在無氧、超低溫、強輻射的太空中，成為一顆「人」造衛星。
運氣足夠好的話，他會躲開所有的空間碎片，成功地繞地球飛行，並能在24小時內看到16次日出日落（如果他帶著足夠的氧氣）。之後，隨著大氣阻力等因素的損耗作用，他的軌道會越來越低越來越圓，地球上的美景在他眼前掠過的腳步也越來越匆忙。最後他將會再入大氣層成為一顆璀璨的流星。
既然這麼危險，那麼為什麼還要讓宇航員出艙呢？
實際上，太空出艙活動是很難避免的。比如哈勃望遠鏡需要宇航員定期進行維護。它上面有6個用於調整姿態的陀螺儀。隨著時間的推移，陀螺儀會逐漸漂移偏離正常的角度，使得望眼鏡無法瞄準遠方星系。這就需要宇航員通過太空行走來到望遠鏡上，對陀螺儀實施人工更換，順便還要更換性能下降的電池和破損的太陽能電池帆板等。
另外，哈勃望遠鏡沒有變軌發動機，這艘「沒有發動機的大船」需要由太空梭定期地向高處推一下，以維持正常的軌道高度不至於墜入大氣層。隨著太空梭的退役，哈勃望遠鏡將失去維持軌道高度的幫手，將壽終正寢。
既然太空補帆和太空系纜繩等活動是必不可少的，宇航員的出艙活動也就不可避免了。好在大多數的出艙宇航員都系著一根叫做「臍帶索」的安全帶把自己和航天器綁在一起。
當然，技術的進步會幫助人類在太空中越走越遠。1984年2月，美國宇航員McCandless操縱著MMU（Manned Maneuvering Unit，載人機動單元）進入了太空，成為首位擺脫繩索遨遊太空的宇航員。這套擁有24個氮氣噴嘴重達148kg的裝置共使用過3次，最遠將人送到了離航天器100m遠的地方。後來該裝置的減重版SAFER（Simplified Aid for Extravehicular Activity Rescue，艙外活動簡便救援裝置）成為了宇航員的自救必備裝備。該裝置僅重37.7kg，可以提供13min的推進力。
今後，能夠提供更持續的動力和更強大的防護能力的艙外宇航服的出現將會使宇航員即使墜入太空也不至於束手無策了，甚至可以像鳥兒一樣，長期地自由地在太空中翱翔。
結束語
空間碎片撞擊、空間站大火以及孤零零墜入太空三種危險是宇航員在新維京時代進行太空探索麵臨的危險。而能夠對抗這些危險的，則是人類的智慧和勇氣。
只要是向未知世界進行探索，就會遇到危險和困難。但是，憑藉智慧和勇氣，人類總是能夠戰勝這些阻礙。在這個新維京時代，小火箭回首往事，窗外的鳥鳴聲和風聲讓我們想起了公元9世紀時的北歐著名航海家弗勒基。他總是在船上養著烏鴉，並且不時地將籠中的鳥兒放飛。如果鳥兒在船的周圍漫無目的地飛翔，那說明離陸地還遠著呢。而如果鳥兒朝特定的方向飛去，那麼他就會堅定地追隨鳥飛去的方向。通過這個方法，他到達了地球上最後一個無人居住的大島——冰島。
感謝大家對小火箭的支持！
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