首都科学讲堂|“天上”的日子有多酷——让空间站告诉你

发布日期:2022-09-17 08:45    点击次数:129

本期首都科学讲堂邀请国际宇航联合会(IAF)卫星商业应用专委会亚太办主任、研究员朱林崎,以故事的形式介绍中国空间站的结构和航天员在空间站的主要工作,带领公众了解航天员在空间站的衣食住行、健身娱乐等酷炫的太空生活。

主讲嘉宾:

朱林崎

国际宇航联合会(IAF)卫星商业应用专委会亚太办主任、研究员,中国宇航学会客座教授

▲“天上”的日子有多酷——让空间站告诉你(上)

▲“天上”的日子有多酷——让空间站告诉你(下)

前段时间,在天上发生了一件大事儿,你们知道是什么事儿吗?对,7月24日,我们的问天实验舱成功发射。那你们知道问天实验舱去了哪里吗?它去了空间站。这个海报上也写了“一站定苍穹”。

我想问问同学们,空间站到底是个什么“站”?首先它是航天器的一种,在天上绕着一定的轨道转圈,我们可以把它看作是一个“天上的房子”。在这个房子里面,有航天员长期工作和生活。今天我们就和大家一起聊聊《“天上”的日子有多酷——让空间站告诉你》,一起来看看“天上的房子”长什么样;航天员在这个“房子”里面又做些什么工作,他们的工作有多酷,他们的生活有多爽;在天上工作和生活,航天员的身心又有多强。

“天上的房子”有多怪

在你们的心中,“天上的房子”长成什么样呢?今天,老师就带你们去看看三套“天上的房子”,看看和你们心里想的一样不一样。

我们先来看第一套,它是天上最早的“房子”,即1970年4月19日苏联发射的“礼炮-1号”空间站。它长15.8米,重18吨,空间站内部最宽的地方有4米,里面大概能放下8张桌子,还有7个工作台。

3名航天员曾进驻这个天上最早的“房子”里待了23天,完成了100多项实验,还是非常成功的。但非常不幸,在返回地球的途中, 3名航天员都因窒息而牺牲了。为什么呢?因为当时的飞船非常狭小,其实只坐得下2名航天员。返回途中,3名航天员都没有穿舱内航天服,而是挤坐在一起,不幸发生了意外。从此以后,所有航天员在进入太空和返回地球的时候,都必须穿上舱内航天服。

这3名航天员为我们人类探索太空献出了宝贵生命,所以探索太空其实是一项风险非常大的事业。不仅需要过硬的技术和本领,也需要勇于牺牲的精神和勇气。这个惨痛的事故发生之后,再也没有人去过天上的第一套房子。1970年10月,“礼炮-1号”空间站坠入大气层烧毁了。天上第一套单间就此拆迁了。

接下来,我们看看天上的第二套“房子”,也是史上最贵的“房子”——现在正在天上运行的国际空间站。国际空间站是1998年开始建造的,前后有16个国家共同参与。2000年的时候,第一批航天员就进驻到了国际空间站里面,曾有来自20个国家的航天员到访过这里。

国际空间站有109米长,就像我们的一个大操场那么长。光是它的太阳电池翼就有73米长。73米是个什么概念呢?即世界上最大的飞机空客A380那么长。这可是一个庞然大物,大家猜一猜它有多重呢?国际空间站重达420吨,相当于300多辆小汽车摞在一起。

我们提到,国际空间站是史上最贵的“房子”,那你们猜一猜它值多少钱呢?不要不相信你们的眼睛,国际空间站目前在天上已经运行了20多年,至今它的成本已超过1万亿元人民币,每年仅维护的费用就达到了两三百亿元人民币。

在这个史上最贵“房子”的内部,常年有6名航天员在里面工作和生活,供他们工作和生活的空间是388立方米,相当于一个六居室。这得是多豪华的一个六居室呢?我们就来看一看它里面到底什么样。

虽然国际空间站里面布满了各种各样精密的仪器设备,放眼看去好像比较零乱,但国际空间站有世界上所有的其他房子都没有的360度看宇宙的穹顶舱。去年东京夏季奥运会的闭幕式上,一位法国航天员在穹顶舱中演奏了一段“巴黎八分钟”,就问看到这个美丽的房间你们动心不动心?

好了,我们已经看完了两套“房子”,下面就去看看最令人期待的第三套“房子”,这套就是正在建造的天宫空间站——我们中国人自己在太空的房子。

天宫空间站分为三个部分,第一部分是我们2021年4月29日发射升空的天和核心舱。第二部分是今年7月24日发射的问天实验舱。在今年10月,我们还会发射梦天实验舱。最快到今年年底,我们在天上的自己的房子就要建好了,我们赶紧先来一睹为快吧!

我们先来看一看2021年发射升空的天和核心舱在地面时候的样子,它高有16.6米,接近6层楼的高度。

它分成了节点舱、小柱段、大柱段三个部分。圆圆的节点舱是航天员进入空间站的地方,很像房子的玄关;中间这个稍微细一点的小柱段是航天员生活的地方,相当于房子的卧室;后面粗一点的大柱段是航天员工作的地方,相当于一个工作室。尾部还有一个资源舱用来放物资,就相当于一个储藏室,所以天和核心舱是一个三室加储藏间的结构。

问天实验舱在今年7月也来到了空间站。问天实验舱高17.9米,比天和核心舱还要大,是目前世界轴向长度最长的单体载人航天器。我们的神舟十四号航天员乘组目前已经进驻问天实验舱,在这里开展大量的在轨科学实验。

今年10月,待到我国发射梦天实验舱后,天宫空间站将于今年年底建成。刚才提到国际空间站供航天员工作和生活的空间有388立方米,它带有31个实验柜。我们的天宫空间站建成之后,供航天员工作和生活的空间有110立方米,将有25个实验柜,所以它是标准的“小身材、大容量”,一个舱就要顶国际空间站的6个舱。

目前,天上只有国际空间站和天宫空间站两套“房子”,作为一个精装修的3室2厅还带储藏间的大“房子”,天宫空间站可是宇宙稀缺房源,你们动不动心?如果可以的话,是不是很想直接拎包入住呢?

天上工作有多酷

简单地看完了三套天上的“房子”,下面我们就来看一看住在这里的航天员的工作有多酷。

先来看看工作环境怎么样。说到太空环境,我们想到的第一个感觉可能就是失重。除此之外,太空还具有高真空、强辐射的特点。这种极端的环境在地面非常难模拟,所以太空环境给我们提供了绝佳的实验平台。

利用这个太空环境,我们脱离了大气干扰,可以更好地进行宇宙探测。另外,还可以研究太空生存,我们非常想知道太空环境会对人类造成什么样的影响。我们还能了解到:太空种出的蟠桃真的会更好吃吗?在太空真能炼出火眼金睛吗?……总之一句话,利用太空环境能够完成地面不可能完成的实验,制造地面不可能制造的产品。

下面我们聊一聊航天员在太空做过的奇妙实验。第一个实验叫做“走了这么久,你变了没有?”

这个实验的主角是来自美国航空航天局的一对航天员双胞胎,弟弟叫做Scott Kelly,哥哥叫做Mark Kelly。弟弟在国际空间站工作了342天,哥哥当时在地面工作,因此就有团队对他们展开了研究,实验主题就是通过对比这对双胞胎,看看太空环境到底会对人产生什么样的影响。

研究发现,相比在地上工作的哥哥来说,在天上工作的弟弟的细胞端粒变长了。简单来说,人的岁数越大,细胞端粒越短。那么这个弟弟在天上快待了一年,怎么细胞端粒还变长了呢?难道是他变年轻了吗?进一步研究发现,当弟弟回到地面上几个月之后, 飞艇一期精准计划在线他的细胞端粒就又恢复到了原来的长度。所以,这个实验结果不能证明人在太空能变年轻,只能说明人类适应环境的能力是很强的。

另一个实验结果发现,和哥哥相比,回到地面上的弟弟有7%的基因表达永久发生了变化。基因表达变化的意思可不是基因变了,因为比如说人类和小鼠都有99%的基因是一样的,如果有7%的基因发生变化的话,那可就是大事件,不得了了。所谓基因表达可以简单理解为基因打开和关闭的方式不一样,引起了这个细胞的工作方式不一样,基因表达7%的变化其实是不算太高的。那么是什么导致了这个变化呢?科学家推测是太空辐射的影响。这个弟弟就此事非常幽默地回应说:“我的基因都变了,太好了,我再也不用说Mark是我哥哥了。”

这个是我们讲的第一个实验,这类实验在空间站里实际上也是进行最多的一类实验(约占42%),叫做生命科学实验。

接下来要讲的第二个实验,可能吃货们会比较喜欢,那就是“太空能种菜吗?”

这个问题很多同学都回答说“能”,是不是因为我们看到电影《火星救援》中,航天员在火星上种土豆、吃土豆?实际上,在空间站的科学家们的确做过种土豆的实验,但因为土豆的生长周期比较长,而且它不能生吃,所以科学家们转而做了种生菜的实验。当国际空间站种的生菜大丰收时,航天员们就特别开心地吃上了生菜大餐。天宫二号空间实验室也曾种过生菜,而且长势喜人。

那么,太空种菜有菜地吗?菜是种在哪里的呢?实际上,生菜在天上是长在盒子里的,种子放置在盒子的底部,盒子里面有一些缓释肥,给种子提供必要的营养。可是在失重环境下,怎么给菜浇水呢?实际上,盒子的底部有一个水箱,航天员通过给水箱定期注水来给太空生菜浇水。

在地面上,所有的植物受到重力影响,根都是向下生长,而叶茎则是向上生长。在天上的微重力环境下,植物会怎么长呢?如果你不给它施加任何影响的话,太空植物会无序生长——或者向上或者向下,一切方向皆有可能。但如果施加光照的话,它就会朝着光的方向长。

太空植物最喜欢什么颜色?我们应该给它施加什么颜色的光呢?一般来说,我们给它们施加的主要是红光,还要加一部分的蓝光和一点点的绿光。整个混合起来呈粉红色,所以不管是什么种类的太空植物,在天上最喜欢的都是粉红色。它们每天都进行着粉红色的灯光浴,然后植物就能茁壮成长了。可能大家会关心它们在天上种出来会是什么味道,其实和地球上没有很大的区别。比如航天员们吃完生菜大餐之后的评价是:“哇,实在是太好吃了。”

这是我们第二个故事。

接下来的第三个故事是:“放火烧飞船,竟有新发现?”要说科学家们的胆子也太大了,竟然在太空“放起了火”。在空间站这个狭小的空间里,一旦着火,会非常危险。科学家为了搞清楚火焰在太空燃烧的情况,做了很多次这种太空火灾实验。

让我们来想一想,天上火焰的燃烧和地面上的燃烧情况一样吗?在地面上,燃烧蜡烛的火焰像一个泪滴,因为燃烧之后,低密度的空气会上升,由于对流的作用,火焰呈现泪滴状;而在太空微重力状态下,低密度空气不会再上升,由于热膨胀效应,会从中间向四周扩散,所以火焰就变成了一个球形或半球形。同时,太空火焰燃烧得更充分,所以呈现了一个特别好看的蓝莹莹的颜色。

通过这个太空火焰燃烧实验,科学家们发现了一个在地球上很难发现的冷焰现象。什么叫冷焰呢?科学家燃烧庚烷和甲醇液滴进行燃烧实验。在庚烷液滴燃烧后,明明已经看不到火焰,是所谓的“熄灭”状态,但庚烷液滴仍在连续快速、几乎稳定地蒸发,表现出与可见火焰的相同状态,这种现象就叫做冷焰,火焰实际上是在以一种看不见的方式燃烧,温度也非常低。

▲国际空间站发现的冷焰现象

通过研究冷焰现象,科学家除了对太空灭火有了更深层的认识和了解外,也对地面研究如何燃烧更充分、开发清洁能源等有重大帮助。

这三个故事主要讲的都是航天员在天上做的实验。实际上除了做实验,航天员还有另一项非常重要的工作,就是在天上当好“建筑工”和“修理工”。他们实际上要去太空里安装、修理相关设备,也就是我们都知道的出舱活动。出舱活动也被叫做太空漫步,听起来很浪漫很轻松,但实际上除了非常危险之外,也非常累,会消耗很多体力。

比如这是我们的神舟十三号航天员出舱活动,他们需要抬升一个全景相机。有人可能会问,相机装错地方了吗?为什么上了天之后,还要去抬升呢?这是因为核心舱在上天之前是装在整流罩里的,相机只能紧贴着舱壁安装。到了天上之后,就要给相机换上一个高支架,这就需要航天员出舱来安装抬高它。相当于给我们的空间站装上了一个自拍杆,这样就可以看得更清楚了。

平时在地面训练的时候,航天员是靠浮力水槽来模拟出舱活动的,这个训练非常辛苦,每次一练就五六个小时,相当于跑完一个马拉松。练完之后,经常手抖得连筷子都拿不起来了。

天上生活有多爽

接下来,我们一起来看一看天上的生活有多爽。

我们先来聊聊在天上都能吃点什么。有同学马上可以回答出来:“我知道,航天员们可以吃压缩饼干。”其实,现在航天员吃的内容可太丰富了。

比如国际空间站的航天员们会吃披萨,还有一种不掉渣的墨西哥玉米饼。国外航天员们爱吃的三明治、面包等食品在空间站上却不多,因为这些食品很容易掉渣,如果食物残渣在空间站中飘来飘去,对航天员的健康和仪器仪表的使用都非常不利。

墨西哥玉米饼里面夹的辣椒是在天上种的,所以航天员们特别兴奋。他们吃了这个玉米饼之后,纷纷表示:这可是我们吃过的最好吃的玉米饼。

国外航天员吃得这么好,我国航天员吃的内容就更丰富了。

去年6月21日,正好是端午节前后,神舟十二号航天员们在天上一日三餐的菜谱中,还被地面人员贴心地加入了豆沙馅的太空香粽。它的形状跟地面不太一样,设计成了扁扁的,方便储存运输和加热,甚至还仪式感满满地包上了一小片粽叶。

午餐中的菘菜牛肉汤的标识是复水汤菜,复水汤菜是什么意思呢?顾名思义,就是加水后就会恢复原状,变成原汁原味的美味。当然,这也还不是全部,还有一些其他小吃,共准备了120多种可在天上吃的食品,真的是非常丰盛。

在国际空间站流传有一句名言,叫做:昨天的咖啡就是明天的咖啡。这句话是什么意思呢?这里我们先卖个关子,一会儿再来讲为什么“昨天的咖啡就是明天的咖啡”。

在空间站中吃饱喝足后,是不是要解决一下生理问题?关于太空厕所长什么样,这是同学们问的最多的一个问题,那么航天员在天上到底怎么上厕所呢?

国际空间站上的太空马桶是美国花了1.3亿元人民币从俄罗斯那里购买的。

这个马桶直径只有10厘米。对比我们平常家用的马桶圈(40到50厘米的直径),真的是非常小。所以想熟练使用太空厕所,就要经过专门的训练。太空马桶不用水来冲,除了因为水在天上特别宝贵,还因为马桶里的水可能会溢出来成为水珠,飘得到处都是,所以太空马桶的工作原理就像吸尘器一样,利用的是强劲气流的吸力。

航天员要去上大号时,首先要把自己固定住,使用马桶上的一个空气泵,把开关打开,然后一定要对准这个小小的口压紧,否则一个操作失误,就会满天飞“翔”。解决小号也一样,也是有一个泵,不过用的是一个黄色漏斗。想做到“滴水不漏”,也是需要经过一定训练的。所以目前来说,在太空里“方便”,真的是不太方便。

那么,让我们猜一猜,黄色漏斗里的液体最后去了哪里呢?这就是我们太空厕所的“黑科技”——环境控制生命保障系统。

这套系统能把漏斗里的液体经过一系列的冷凝、蒸馏、再生、净化等,最后变成航天员的饮用水,实际上空间站绝大多数的水都是这种再生水。国际空间站的回收效率甚至达到了95%,我们的天宫空间站达到了90%。航天员叶光富还说过,当他们上天的时候,神舟十二号的航天员对他们说,我们在天上给你们留了好多再生水——你仔细地品一品这句话。航天员幽默地说:“听了这话我想哭,但是哭不出来。”因为在天上由于表面张力作用,眼泪也很难流下来了。所以,现在同学们都明白了吧,为什么看似简陋的厕所价值却那么高,为什么说“昨天的咖啡就是明天的咖啡”。

好,当航天员吃饱喝足了,生理问题也解决了,接着就该进入梦乡了。航天员怎么睡觉呢?很多同学都知道是用睡袋。在天上睡觉,也不分上下左右,其实站着睡、躺着睡,怎么都行。在天上睡觉,其实飘着的感觉并不太好,因为地球上,重力会给人带来一种放松的感觉,但如果一直飘着就会有一种四处不着靠的感觉。航天员们白天在这个空间站飘了一天了,其实晚上是非常想有那种在地球上睡觉的感觉的。有的航天员为了追求这种感觉,还会在自己的脑袋上绑一个枕头。

我们的天宫空间站也会想尽一切办法,让航天员睡得更舒服些。天宫空间站中航天员的床铺比高铁卧铺看着还要好,起码航天员终于可以躺平了。床铺旁边还有一个非常棒的可以看风景的舷窗。我们一起来畅想,在天上都能看到些什么样的风景呢?

比如国际空间站拍摄到的北京,比如天宫空间站拍摄到的青海湖、昆仑山和祁连山。航天员在天上都变成了摄影师,他们拍出了非常多非常美的照片,大家有时间的话可以去网上找一找欣赏一下。

你们知道航天员在天上一天能看到多少次日出日落吗?空间站一直在离地球400公里左右的轨道上运行,它的速度大约达到了28000公里/小时。在一个半小时之内,它能够绕地球转一圈。

这样来算的话,同学们上一节课的时间,航天员就见到了一次日出,再上一节课的时间,航天员又见到了一次日落,所以航天员一天能看到16次的日出日落,你算对了吗?

天上身心有多强

前面讲了这么多航天员在天上的生活有多爽,工作有多酷,我们再一起看一看在天上航天员的身心有多强吧。

首先,在空间站的微重力状态下,人人都能化身大力士。但其实这种微重力状态对航天员的身体健康非常不利,比如他们的心脏会变小,视力会变差,还会造成骨质疏松和肌肉萎缩等不良后果。

微重力环境下,为什么人体容易骨质疏松?在人体的骨细胞里,有两类“打工人”:一类叫做成骨细胞,一类叫做破骨细胞。我们可以把成骨细胞想象成是盖房子的,破骨细胞是拆房子的,一边盖一边拆,就达成了一个动态平衡。可到了天上,成骨细胞没有重力影响,就偷懒躺平不工作了。但破骨细胞还在勤勤恳恳地工作,不停地啃骨头,这样就失去了动态平衡。每个月,航天员大致要流失1%到1.5%的骨质,相当于我们正常人在地面上一年的流失量,所以骨质疏松的影响还是非常严重的。

肌肉萎缩也是一样。在地面的时候,我们有肌肉来对抗重力,到了天上后肌肉用进废退,航天员在天上待半年左右,就会流失11%到17%的肌肉,就像长期卧床一样,发生了萎缩。

所以说,为了宝贵的健康,航天员在天上每天至少要锻炼2个小时以上。

除了工作和锻炼身体,航天员在天上也有一些娱乐活动。看看书、追追剧(上天前拷贝好或提要求后地面再上传的)、玩玩游戏……和地面的娱乐活动也相差无几。

有的同学一听,天上也能玩游戏吗?实际上,玩游戏也是航天员工作的一部分。为什么呢?因为在天上保持心理健康是非常重要的。在天上封闭狭小的空间中长时间工作,容易带来一种烦躁的心理,这就必须要有一定的休闲娱乐来调节保证航天员的心理健康。

航天员在天上一般会玩一些益智游戏。比如航天员叶光富爱玩华容道。国际空间站里的航天员还和地面进行过国际象棋快闪战大赛——地面选手是一位世界冠军,和他对战的是两位国际空间站的俄罗斯籍航天员。航天员们用iPad下棋,地面世界冠军用棋盘。他们对战了16分钟后打成了平局。

我们中国的载人航天工程是1992年9月21日启动的,也叫做“9·21工程”,到今年9月21日就正好三十年了。经过三十年的艰苦奋斗,到了今年年底,我们中国人就要有自己的天上家园了。你准备好了吗?

未来,随着技术的进步,我们还准备把“房子”盖到月球轨道和火星轨道上。未来的日子到底有多美——期待着让未来的你们去告诉世界。

(本期图片、视频来自第762期首都科学讲堂)

(来源:“首都科学讲堂”微信公众号)

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