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第8章 衣食住行在太空生活在太空(4)

太空婴儿何时诞生人类在太空生儿育女,面临着许多新问题。首先,太空失重环境对人体机能影响较大,人在失重环境中,身体没有重量,肌肉负荷减轻,血液的流体静压几乎为零,会出现头晕、无力、空间骨质脱钙等现象,其中最严重的足骨质连续脱钙,月脱率为全身总钙量的0.5%。大量脱钙的后果,将会对母体内胎儿骨骼的形成产生不利影响。为防止宇航员脱钙,研究人员采取了许多措施;一方面适当地增加太空食品中钙的含量,保持体内的钙量的平衡;另一方面进行必须的体育锻炼,”在航天器中备有诸如“自行车记功器”、“微型跑道”、“弹性拉力器”等奇特而适合太空锻炼的体育器材,规定每天锻炼的时间不得少于2个小时,以帮助他们有效地对付失重,保持强壮的身体。这些方法对胎儿骨骼的形成是否有效,尚待进一步证明。

其次,人类生育是“十月怀胎”,在失重环境下也不能违背这一自然规律。这也就是说,人类要能在太空中生儿育女,必须在太空中能生活十个月以上。

第三,长期航天飞行,远离故土,久别人间,宇航员会产生抑制不住的孤独感、恐怖感。这被称作空间飞行的心理障碍,直接影响宇航人员的健康。在载人航天过程中,为驱除这种心理障碍,目前虽然采取了双向电视不时家人会面、通信,增设文娱设施、播放录像资料片,增添生活乐趣、增加宇航人员;在舱内种植地球植物、模拟生态环境等方法。但不少女宇航员一听到太空长期飞行,就本能地产生恐惧心理,这无疑会对妊娠中“宇宙婴儿”产生不良影响。

第四,在空间轨道站失重环境下接生和母子饮食问题,也是需周密考虑的,要设计出适合于太空接生的一整套卫生设备和手术设施。据报道,目前已设计出一种太空手术台,这种太空手术台是否可用于太空接生尚不知晓。目前宇航人员在太空的食物严格按着三个标准制作,一是易消化;二是要在37.7℃温度下放置6个月而不变质腐烂;三是可口,必须引起宇航员的食欲。但这只能保证宇航员的营养,宇航员吃得是否惬意另当别论。那些经过脱水处理的“面目全非”的空间食品,能否使未来的“太空产妇”吃得饱,吃得好,切实保证母子营养,看来也有待研究。

人们借助人造卫星和空间站,进行了大量的动物“生儿育女”试验。1973年,美国“天空试验室”曾把两条海水幼鱼和50颗鱼卵、6只老鼠、720个果蝇蛹和两只普通蜘蛛送人太空轨道,在持续59天的飞行中,观察这些生物对失重环境的反应。尤其是观察授精的鱼卵是否能孵出小鱼。结果令人震惊,鱼卵孵出了幼小的鱼苗,并能在特制的水池中游动,生活正常。1974年,前苏联发射了“宇宙-690”号生物卫星。在飞行期间,特意安排的蚕卵孵化试验证实,在太空失重条件下,由蚕卵孵化成蚕,不仅完全可行;而且比在地球环境中孵化的时间还短。这些实验表明,在太空失重环境下,生物进行有性繁殖是可行的,给人类在太空生育带来可资告慰的信息。

太空中的建筑群

在太空建筑楼阁同样涉及许多特殊问题。首先是建筑环境不同。俗话说,万丈高楼平地起,地球上无论建造什么样的高楼大厦,都必须依据高楼的承受力打好基础。没有牢固的基础,高楼就有可能成为危楼。而在太空的失重条件下,一切都处在飘浮状态,太空建筑不用打地基,不用考虑地质、冰文条件和建筑材料所承受的压力,更毋需考虑建筑物的设备载荷。人们可以建造任意尺寸和形状的建筑物,建造各种款式新颖的空中楼阁。第二是建筑材料不同。地面建筑大都离不开“三材”,即水泥、木材、钢材,先进的建筑也不过是三材合一的板块和框架结构。但是这些对太空建筑一概不适用。太空与地球环境完全不同,那里温度变化急剧,且差异巨大,时而高达100多度,时而冷到零下100多度,对此地球上所用的任何一种建筑材料都难以招架。太空建筑材料必须是具备膨胀系数小、耐振动、耐高低温等条件的结构金属材料。第三是建筑工艺不同。地面建筑通常采取人工堆砌和机械组合方式建造,而太空建筑必须采取一整套适合于失重环境的特殊工艺来完成。首先,建筑材料必须按设想中的建筑物形状设计在桁架上,并在地面先组合,以验证其可靠性;然后,这些桁架或由运载火箭或由航天飞机按照设计要求,分批发送到预定的太空轨道上,再由宇航员组合成整体。第四是建筑工具不同。宇宙建筑工具同其他宇宙工具一样,其结构和功能必须符合太空工作的特殊要求,安全、可靠、实用、微型化和可控性以及同其他随航系统的一致性;例如,太空建筑用的锤子,外表像是日常用的锤子,但其内部却是空的,填充了金属小球,使锤击时不会回弹。失重件使用的钻头呈圆锥形,它不仅可钻孔,换上其他部件,还可用来拧紧螺丝钉和切割材料。所有工具都必须用尼龙绳子系起来,不然万一失手,就可能飘去十万八千里。第五是操作方法不同。太空失重环境使物质失重,也使人失重,给宇航员工作、带来了麻烦。拧螺丝时如果身体不固定,一人就会旋转起来,于是什么也做不成了。因而操作时必须事先在舱内找到支撑点或使用定位用的系带,穿上带有凸缘的专用鞋,以防止在舱外工作时飘走。由此可见,太空建筑是项非常细致而严格的技术工作,并非一般建筑技师所能胜任的。

1985年11月26日到12月3日,美国航天飞机“大西洲”号第二次飞行时,宇航员在货舱首次进行大型太空建筑骨架搭建试验,试搭两种类型的太空建筑结构:一种是13.7米长,由一百多根横梁和撑杆组成的木桁架;另一种是高3.6米的倒“金字塔”形的四面体结构,这种大型太空建筑骨架搭建试验,由宇航员舍伍德·斯普林和杰里罗斯担任操作任务,整个操作工序在敞开的航天飞机机舱内进行。组装一个桁架和一个金字塔形框架所用时间为51分钟,拆卸花了4小时。这次搭建实验成功证明宇航员在失重、真空和低温的条件下,是完全能够进行太空建筑的,它为今后建造永久性的太空建筑提供了依据。1988年12月9日,前苏联宇航员亚历山大·沃尔科夫和法国宇航员克雷蒂安在“和平”号空间站舱外,安装了一具由几十根塑料棒连接成的桁架结构,折叠时75厘米长,56厘米宽,120厘米高,打开后是一只高1米,对角线长的六棱柱。事先曾在地面上高温高寒条件下进行了数百次练习。这次安装虽出现了因太空温度太低把桁架冻住的现象,但经过宇航员的努力,还是取得了满意的结果。

今日酌探索是为了明天的成功。未来真正的太空建筑何时出现在太空?据报道,美国曾计划在90年代初建立永久性载人太空站,为实现这一目标,约翰逊航天中心和马歇尔航天中心分别提出了雄心勃勃的设计方案,前者设想在太空建造一个可同时居住8至12人的载人空间操作中心,操作中心将由两个服务舱、两个居住舱和一个后勤舱组成。两个服务舱连结在一起组成空间站的核心。居住舱既是指挥中心,又是生活中心。后者的方案是,太空建筑主要结构包括二对太阳能电池阵、指令舱、生活舱和可供航天飞机停靠的航天港。两个方案的运输任务将由航天飞机承担。设计者们打算用航天飞机把建筑构件送往太空,再在预定的轨道上完成组装。到底哪种方案切合最新科学技术水平的能力,尚待实践证明。

太空织物的性能

宇航员的服饰并非为了美观;而是航天过程中关系生命,安全和完成任务所必须的个人保护性装备,它涉及许多高技术和生命科学,结构复杂造价昂贵。

为了制造宇航员装备要采用各种材料,其中包括金属、塑料和织物。

织物主要用来制造全压服的衣体、外衣和防寒服装。为此,宜对所用纤维及织物特性的知识作简要的介绍。

有些特性对装备的使用性能影响最大,如强度、耐磨、卫生、冷热稳定、防火、温度物理以及光学性能。

太空织物的强度

通常是按织物的用途来选择其特性;对大多数织物来说,典型的指标是:断裂强度、伸长率和撕裂强度。

断裂强度描述纤维、纱、线或织物拉伸至断裂瞬间所承受的最大载荷。由纱制成的纺织纤维,其平均细度通常以微米、纱支或单位为特克斯的纤维细度表示。

米制的纤维支数由下式求出:N=lM其中1纤维长度,单位为米;M为纤维质量,单位为克。故,纤维支数表示1克纤维有多少米长。

特克斯表示纤维或纱的细度,其单位为千米/克。欲评价纤维、纱和线的强度,可利用“抗拉强度”,单位为兆牛顿/米2;或用约定单位“断裂长度”,即其在重力作用下破坏时的长度,单位为千米。

撕裂强度系描述织物组织的指标。选择面料时,撕裂强度是决定性的因素。

太空衣料的卫生性能

织物的卫生性能对服装与身体间的小气候影响甚大。其中首当其冲的是吸湿率、透气量、透汽量、吸水率、含水量、吸湿率说明织物从空气中吸收蒸气状态水分并在一定条件下保持它的能力。

植物性纤维善于迅速地吸收人体蒸发的水分并同样迅速地将其发散到周围环境中去。丝织物则相反,吸收和发散水分均为缓慢。

织物的吸湿率以试样在试验前后的含水量描述,一般在空气相对湿度为6%及95%的环境中测定。

织物的透气量说明其透过空气的能力。其大小与压差有关。故,为了取得可比的结果,一般是在50帕(5毫米水柱)的压差下测定它,单位为分米3/(米2·秒)或厘米3/(厘米2·秒),1分米3/(米2·秒)=0.1厘米3/(厘米2·秒)。

防风布料的透气量为3-10分米3/(米2·秒),低透气量织物为10~40分米3/(米2·秒)。例如,经增水处理的雨衣料子,其透气量不超过4分米3/(米2·秒),而内衣衣料的透气量在同样压差下为4000~10000分米3/(米粉·秒)。

透汽量标志布料允许水蒸气通过能力的大小。试验时,将试验用水容器盖严,再放入空气相对湿度为60%或95%,温度为20℃的试验箱中,测量容器中水的质量减少多少,即可确定出透汽量。

吸水率及含水量表明布料吸水的能力如何。试样湿透时所含的水分称为最大吸水率,以百分数表示。布料的含水量系布料所吸水分的数量,以克/米2为单位计算。失水率描述纺织材料向周围介质发散出所含水分的能力,以百分数表示。失水率越大,材料干燥得越快。

透水量表明一定压力下布料允许水分透过的量,以分米3/米2计量。通常利用增水浸渍工艺提高织物的不透水性。

太空衣料的防火性能

制造飞行服的衣料必须具有防火性能。

大家都知道,纤维素织物容易燃烧,一旦接触火源很快就会起火。纤维素材料尚可阴燃,即燃烧时没有火焰。与纤维素织物相比,毛丝织物可燃性较低。在火焰作用下,毛、丝碳化而结成团块。毛和天然丝不阴燃。人造醋酸纤维制品可烧成玻璃状硬珠,同时散发出讨厌的气味。粘胶比棉花燃烧得快。卡普纶织物不燃,但是会熔化。赫洛林织物只在火焰中燃烧。

燃烧系进行很快的氧化反应,同时释放出光和热。要点燃物质可用两种方法:将材料加热至其燃点或将其点燃。前一过程称为自燃。自燃发生于特定的温度下,此温度值即称为自燃温度。

点燃温度和自燃温度在很大程度上取决于周围介质中氧气的百分比含量。此氧含量增加时,材料更易点燃。同时,点燃和自燃温度降低,而燃烧速度加快。

宇航员装备应采用可自熄的材料。拿开火源后不能继续燃烧而熄灭的材料即认为是自熄材料。建议以氧指数作为确定材料燃烧及自熄极限条件的标准。所谓氧指数系材料尚可稳定燃烧时的最低氧浓度,以体积百分率表示。若氧浓度低于下限,试样可很快熄灭;若等于或大于此极限则试样燃烧。

应采用难燃和自熄材料制作宇航员飞行服。阻燃浸渍工艺和织物处理可大幅度地提高材料的阻燃性能,从而充分保证不起火焰。经适当处理的材料遇火炭化而破坏;离开火焰后不再燃烧,也不阴燃。

太空材料的热物理和光学特性

1.材料的热物理性能

要想评价衣料的热物理性能就要知道它的导热系数和热阻。

导热系数久〔瓦/(米·开)〕:表示温差1度情况下,单位时间内有多少热量通过厚1米、面积1平方米的材料。

导热系数与材料结构、湿度、温度有关,通过试验测定之。

纺织材料的导热系数为0.03~0.05瓦/(米·开)。

热阻:表明材料厚度不变情况下的热流量:

R=δ/λ其中:R为热阻,以(米2·开)/瓦计;δ为材料厚度,以米计;λ为导热系数,单位是瓦/(米·开)。

隔热单位克裸,在文献中已广泛采用。隔热单位为1克裸的服装在产热量约为60瓦/米2时,保证室温条件下穿西装和衬衣的人感到舒适。1克裸;0.155米2·开/瓦。

为了便于将λ、R和克裸换算成米-千克-秒制单位,下面列出几个关系式:

1瓦/(米·开)=0.86千卡/(米2时·摄氏度);1.米2.开/瓦=1.16摄氏度·米2.小时/千卡;1克裸=0.18摄氏度·米2/小时/千卡。

2.物体的光学特性

物体中能吸收掉照射于其上之电磁波的全部辐射能量眷称为绝对黑体;反之,将之全部反射掉者则为绝对白体。允许全部辐射能量通过的物体称为透(镜)体。自然界并不存在绝对的“体”,一切物体均程度不同地吸收和反射一部分辐射能量,因而得名为“灰体”。

物体的辐射能力:乃单位面积上在单位时间内之辐射能量的总和E0,可示如下式:

E=εC0(T100)4其中:ε为物体黑度,在绝对白体的0和绝对黑体的1之间变化;C0=5.67瓦/(米2·开4)=4.88千卡/(米2·小时·开4),即绝对黑体的辐射系数;T为表面绝对温度(T=θ+273开)。

物体的“吸收能力”:取决于表面状态,其次也与材料本身的特性有关,射线波长的作用也不小。例如,白色吸收热辐射的性能很好;但吸收可见光的能力则不佳。

日常生活中常常利用这种状况,白色的衣服在阳光明媚的天气对预防过热有很大帮助。

太空织物总述

制造宇航员装备要采用各种各样的织物,对织物提出何种要求取决于这些织物的用途是什么。例如,全压服受力外层必须满足所需的强度、小的伸长率,同时又要耐洗、耐撕扯。

面料应不易燃烧且具有热稳定性,表面要符合给定的吸光及反光系数值。玻璃纤维织物具有良好的阻燃性能,这种织物在很大的温度范围内都不会损失强度。它的缺点是不大经洗、质量大和比较脆。

气密织物用于制造既不透气又不透水的受力衣面。

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