文 / 李杰信

　　现任美国航天总署(NASA)总部资深技术顾问兼太空任务科学家

　　中国载人的宇宙飞船又出发了，这是第三次 “神舟七号”(本文皆简称“神七”)。在刻骨铭心、大悲大恸的汶川大地震后，中国人噙住泪水，沉着稳健地献给世界一个全球同醉的北京奥运。“神七”继奥运之后，踏上征途，又一次在世界舞台上的聚光灯下，展现出中华民族腾跃宇宙的豪情。

　　任务

　　“神七”的任务和以前不同。“神七”的航天员要出舱活动。

　　迅速回忆一下中国在载人航天踢出的标准前三步。

　　2003年的“神五”，鹃啼初试。宇宙飞船载人升空，船到人到，踢出第一步。中国继苏俄美国之后，晋登载人航天三强国。

　　2005年的”神六”，大鹏展翅。航天员从返回舱进入为太空作息而设计的轨道舱，演出在太空中五天的生活工作秀，踢出第二步。中国以独立的智慧和能力，赢得了国际社会的尊敬和喝彩。

　　2008年的“神七”，鹰唳长空。航天员出舱活动，太空行走，展示中国在太空中维修和紧急应变能力，为“神九”以后宇宙飞船对接、空间站组装任务铺路，踢出第三步。

　　这基本前三步一定要一环扣一环踢出，中国才能建立起载人航天完整的基本实力，被国际太空强国认可，正式取得国际载人航天俱乐部金卡会员证。金卡会员只有三名，俄罗斯、美国和中国。

　　“神七”宇宙飞船的结构，和“神五”、“神六”略有不同。为了出舱，“神七”将轨道舱改装成气闸舱。气闸，顾名思义，是为了平衡压力而设计的。出舱的程序是两位航天员先穿过内气闸门，进入气闸舱，关死内气闸门，穿上舱外航天服(以下皆称出舱服)，开始预先吸纯氧气排氮气一段时间(最短40分钟，最长可达3小时)，调整身体的生理状态。吸氧排氮动作完毕后，两位航天员做出舱前最后检查。一切就绪后，就把气闸舱内的空气抽入到返回舱，直到真空，然后打开气闸舱通往太空的另一扇外气闸门，一位航天员出舱，一位航天员留守在气闸舱内打下手(图1)。任务完成回舱后，依相反程序操作两扇气闸门，回到返回舱。回程是由低压向高压前进，不需生理适应时间，就可直接由真空太空，通过气闸舱，进入一大气压下的返回舱。

　　虽然“神七”的航天员只出舱一小时，但这一小时的工作成果，打开了另一维崭新的空间，把中国载人航天事业推上了更高的一个境界。

　　“神七”航天员在舱外时，还会顺手释放一颗伴飞小卫星，同时也在舱内进行一些微重力实验。

　　2008年4月25日，中国为“神七”任务发射了一枚在地球同步轨道上运作的数据中继卫星“天链一号”，同时又新增了两艘远洋通讯船(图2)。加上中国现有的地面通讯站和其它四艘“远望号”通讯船，“神七”62%的轨道皆已纳入通讯系统。这是中国载人航天通讯上一项重大的成就。

　　太空行走

　　从1965年3月18日前苏联“上升二号”(Voskhod 2)航天员里奥诺夫(Alexei Leonov)首次人类太空出舱起算， 到本文截稿日为止(2008年9月11日)，“神七”是人类第298次太空行走(Space Walk)。

　　“行走”是人类在重力场中双脚和路面摩擦前行现象。在太空轨道中，重力被速度产生的离心力抵消，航天员处于漂浮状态。虽然我们一直轨道轨道说个不停，但在太空中找不到铁轨，也看不到柏油路，更没有高速公路。像李宁在北京奥运会点燃圣火前的“空中行走”一样，航天员“太空行走”， 脚不沾地，是文学加工后罗曼蒂克的形容词。正确的说法是出舱活动(Extra Vehicular Activity，EVA)。

　　航天员频繁出舱，不是因为出舱活动像户外郊游一样好玩，而是因为一大堆舱外的复杂精密太空设备需要组装和定期或紧急维修。出舱是必要的手段，也是载人航天必备的基本功。

　　航天员到目前为止已出舱近三百次，皆能安全完成任务返回。但这并不说明出舱任务绝对安全。实际情况是，太空环境极度恶劣，除开超真空外，还有高速流窜的微陨石流星体，温度也极度不均匀：向阳面可以把水烧开，背阳面比南极冬天还冷。也别忘了太阳强烈的紫外线，还有它不时疯狂地喷出接近光速的各类粒子和辐射能。航天员出舱训练和工作，有如在枪子儿乱飞、冰山火海中讨生活，出舱服也随时可能被打穿漏气，是一项超级危险的活动。

　　更重要的，在返回舱中，航天员的生理机能已经平衡在一个和地面重力场中不同的基点上。出舱前，航天员还要再咬紧牙根，把生理机能调节成能适应出舱服内低压纯氧状态，才能出舱。和地面人类比较，出舱的航天员首先已是在极度的失水状态，第二是在相当于珠穆朗玛峰的低压下呼吸纯氧。如出舱航天员需紧急帮助，在返回舱内的航天员一般无法立刻出舱救援。舱内舱外，咫尺天涯。所以为安全着想，出舱活动，会同时将两位航天员一起送进气闸舱，将他们的生理基点，同步调整到可以立即出舱状况。一人出舱，一人留守在气闸舱内打下手。万一发生紧急情况，预备航天员可立即出舱救援，省掉出舱准备时间。

　　生理

　　人类几百万年的生理演化一向以地心引力和一大气压空气为中心。我们顶天立地地站着；我们的肌肉、骨骼不停地接受着重力的千锤百炼，才能维持它们的强度；内耳的半规管依赖重力使我们能辨方位；我们的心脏血管的正常操作也是以地球重力场和一大气压为主轴演化发展出来的。

　　在过去四十多年太空飞行中，苏俄和美国的科学家收集了一些初步的数据。这些数据显示，失重对内分泌、红白血球的产量、内耳平衡器官及骨质的松弛都有一定程度的影响。但最明显的生理失重状况，莫过于太空失水及其引起的一些症状，如太空贫血、内分泌降低、双腿肌肉萎缩等。这些症状如果没有妥善处理，小至影响航天员的健康，大至引起宇宙飞船操纵失控。

　　人类的体液在重力作用下，大部分集中在下半身，在失重状况下，下半身的体液会向全身分布，造成脸部充水等现象。人体内两个重要的压感中心(baro receptor)全都分布在上半身，一个在心脏大动脉上，另一个在颈动脉上。这两个中心在失重时传给脑部的讯号，并不是体液重新分布的讯息，而是体液太多的告急信号，这个信号会引起体液大量排泄。

　　通常在航天员进入地球轨道后二十四小时之内，这种排水的现象就会告一段落，此时体液的分布，和在地表重力环境下不同，基本上是一种严重的失水状态。在微重力下，人类的生理机能平衡在一个和地面不同的基点上，在这个新基点上，航天员的血压与心跳都比在正常重力下约低上5%。血压与心跳的变化幅度降低，应变能力也随之减低，但航天员可以在这个基点上正常地生活与操作。

　　然而，生存在这个新的基点上，明显地潜伏着危机。譬如说，宇宙飞船突然需要紧急降落，航天员没有时间补充失去的体液，一旦重返正常重力状况，体液重新向下半身集中，造成上半身贫血，轻微状况会造成头晕，严重情况会造成休克。如果发生在正副驾驶员身上，就会造成极度的危险。美国航天员最严重的病例有两起，他们都需要在降落后，马上打点滴，把失去的体液补充回来，才能站起来。

　　唉！航天员进入太空失重状态后，入厕频繁，大量失水，身体机能已很不爽。有些航天员还得在空间站长住六个月。骨骼和肌肉细胞得此讯息，不胜雀跃，因为它们不必再每天费劲跟重力场拼搏了。别忘了，我们细胞是聪明的，既然不需我们支撑您航天员的体重，那就让我们歇歇，做个懒虫吧！

　　骨骼和肌肉细胞开始罢工，骨质和肌肉马上萎缩。航天员在太空不用肌肉骨骼，本可置之不理。但六个月下来，肌肉骨骼流失百分之十。返航落地后，不能挺胸昂首地走出宇宙飞船，竟需要救护担架抬着，有损英雄形象。

　　于是航天员只好绑上橡皮筋，每天在太空舱内拼命做撞击跑步运动，模拟重力场情况，明确照会体内骨骼和肌肉细胞，甭躲清闲耍小聪明，该干嘛干嘛，继续给我制造足够的细胞产量。

　　在失重的情况下，每天挥汗运动四小时，要消耗大量氧气。于是航天员集体一致要求，饶了我们吧，我们已失去重力场，请别在太空舱的空气方面再剥削我们，给我们一大气压吧，像海平面地球老家那种的空气，101.3千帕，21%氧，78%氮，让我们在太空中至少还能呼吸到哺乳类几亿年来最爱的空气，拜托拜托啦！

　　大家对一大气压的概念非常熟悉。但在讨论出舱任务时，工程师喜欢用比较精确的“千帕”来形容。一大气压为101.3千帕，大气中氧的分压为21千帕，氮的分压为78千帕。本文也跟着千帕一番吧。

　　所以近代太空舱的设计，包括以前的和平号空间站，现在的国际空间站、航天飞机和神舟宇宙飞船等，都是使用人类熟悉的一大气压空气，尽量在失重的环境下，不再增加航天员生理上的负担。

　　人类也掌握一大气压下所有的物理、化学、医药和生理等科学数据，尤其是有关太空舱所使用的材料和燃烧中间的关系。太空舱着火可不得了。虽然在无重力下燃烧化学和地面有很大的差异，但在一大气压下，我们所拥有的灭火知识最丰富，安全保障系数最高。

　　关在和海平面相同的一大气压下太空舱内，航天员的生活作息的确愉快了不少。但这个优越的条件，为舱内航天员专享，对要出舱的航天员，一大气压代表的是一堵高大的围墙，增加了出舱的难度。

　　减压

　　从生理方面来讲，对出舱的航天员最方便的是穿上和舱内同样一大气压的出舱服，继续维持舱内的生理状况，什么都不需做，就能迅速通过气闸舱出舱。但一到舱外，开始操作，就发现一大气压的出舱服太难使用，甚至到无法使用的地步。

　　一大气压的出舱服在太空高真空中无法使用的原因很简单，因为一大气压把出舱服绷得太紧，双臂和两腿被撑得硬梆梆像根柱子，动弹不得。

　　虽然我们不想再给航天员增加生理上额外负荷，但为了能实现有效出舱操作能力，出舱服不得不减压。

　　人类的呼吸系统，在一大气压下，已经演化了上千万年。我们每吸一口气，肺细胞得到约21千帕氧气供应，附在红血球上输送到全身，并呼出二氧化碳，完成呼吸程序。人要健康生存，每口气儿都得吸进21千帕压力的氧气，少了就得缺氧症(hypoxia)。因为这个21千帕数目字对人类有生死攸关的重要性，专家就特别发明一个专有名词，把大气中21千帕氧气的分压称为海平面相等(sea level equivalent，SLE)氧压。

　　但人每口气吸进了氧，也同时吸进了比氧多出近四倍的氮气。和氧分子不同，氮分子和人体不产生任何化学反应，基本上是以气体状态存在于人的体液(包括血液)和组织里。在一大气压下，溶在体液和组织里的氮气虽呈饱和状态，但与外界稳定平衡，相安无事。好像开罐前的可口可乐，只见液体，不见气泡。

　　现在要解决的问题是出舱服要减压。减压不难，打开气闸放气就成。但难就难在先要知道这压要减到什么程度，再要懂得这压如何减，才能避免氮气从血液中，像开了罐的汽水，冒泡而出，进入心脏或脑部，轻则休克中风，重则夺命。

　　第一个问题有底线。出舱服的气压不能低于海平面相等的氧气压力。所以不管你怎么减压，得保证给足至少21千帕的氧气。21千帕的纯氧压力，是出舱服压力的最低限度。在这个压力下，出舱服柔软灵巧，是工程师的最爱。但航天员出舱活动，常要应付紧急情况，在供氧上不能太抠门儿，就多给点吧！所以1960年代的出舱服设计在24千帕纯氧压，1980年代以后的设计，则皆在30到40千帕纯氧压力之间。

　　其实纯氧环境并不理想，出舱服内得有电线，万一短路起火，可不是好玩的事。低压还是加些惰性气体防火？两害取其轻，轻巧灵活较重要，低压纯氧出舱服占了优势。人类战战兢兢出舱298次，还没出过事。

　　低压纯氧出舱服当然好使。但从一大气压的轨道舱直接穿上低压出舱服出舱可是条人类生理无法克服的鸿沟。恰如可口可乐。拽开易拉罐，罐中高压下的二氧化碳气体就吱吱作响地直冲而出。喝下去清凉可口，再不时打个嗝，爽！但航天员血液里的氮气，在出舱服的低压环境中如果也像汽水一样冒泡而出，可不是闹着玩的事。深海自由潜水员有时得减压病(hypobaria 或俗称decompression sickness, DCS)，大半由于从高水压海底浮升到水面太快，血液里的氮气以气泡溢出，严重时对身体会造成致命伤害。

　　所以，在1960年代，人类刚开始面临太空减压出舱的问题，就用了个迂回战术，把减压工作在地面发射前就做完。上天后各类资源缺乏，也为了减低航天员的工作量，太空舱都设定在低压纯氧状态，航天员可以直接穿上较低气压的出舱服直接出舱，省掉了减压出舱的繁琐程序。

　　被纯氧充满的太空舱，压力虽低，也是枚定时炸弹。1961年3月23日，加加林上天前20天，前苏联航天员庞达伦可(Valentin Bondarenko)就在地面被火烧死在一个低压纯氧的太空舱内，成为第一位为太空事业牺牲的人类。1967年1月27日，“阿波罗一号”三位航天员，包括美国第一位在1965年出舱太空行走英雄怀特(Edward White)，在地面发射架上太空舱内任务模拟训练时，不幸电线短路失火，火苗在纯氧环境中，迅速蔓延，抢救不及，惨烈牺牲，美国登月计划第一梯队，全军覆没。

　　但为了太空和登月真空出舱任务能安全完成生理减压程序，人类不惜牺牲，继续踏着前人的足迹，坚持使用低压纯氧太空舱。

　　美国在1960年代的水星、双子星和阿波罗等太空舱，使用的都是35千帕低压纯氧大气。航天员在地面上预先进行数小时的吸纯氧排氮动作，然后进入纯氧太空舱，封舱，发射。出舱服设计在24千帕纯氧压力，只略低于35千帕太空舱纯氧大气，进入太空后，不再需减压调整，就可立即出舱。

　　预先呼吸纯氧(prebreathing)，是准备在低压环境生存的必要手段。航天员可以在舒适的地面一大气压环境下，穿上出舱服，戴着氧气罩，坐在电视机前，一边看自己喜欢的节目，一边把纯氧一口一口吸进去，慢慢地把体内的氮气分子一个一个赶出去。呼吸纯氧大半天，保证把体内氮气分子全数递解出境。

　　前文提到执行人类第一次太空行走任务的前苏联“上升二号”太空舱，设计气压为70千帕纯氧，出舱服40千帕纯氧。航天员在地面上预先呼吸纯氧动作完毕上天后，也是可以直接出舱。

　　随着知识和经验的累积，航天员要求较安全舒适的太空居住条件。出舱活动固然重要，但不是每天都做，属偶发事件。于是近代的太空舱(如前和平号空间站、国际空间站、航天飞机和神舟宇宙飞船等)都使用海平面一大气压101千帕的空气。既然您航天员把一大气压搬上了天，为未来建造太空五星级宾馆铺路，那就委屈您了，顺手把减压出舱的准备工作，也在天上做吧！

　　从一大气压出舱，所需生理调整时间的长短，端看出舱服的气压高低而定。出舱服气压越接近一大气压，出舱准备时间越短。俄罗斯“星辰” 公司(Zvezda)发展出来的“海鹰号”(Orlan)系列出舱服用的是40千帕纯氧。出舱前，航天员要预先在出舱服内呼吸纯氧1~3小时，将身体血液和肺叶中自由漫游的氮气清除干净，才能出舱。

　　美国的出舱服气压为30千帕，比“海鹰号”低上25%，需预先呼吸纯氧达六小时之久，才能出舱，比“海鹰号”程序几乎长出一倍。但出舱服压力低，较灵活，手套部份灵敏度也相对提高，触觉可到拾起一元钢蹦儿的程度。

　　通常美国航天员出舱所需准备时间更长。他们先把航天员(已呼吸纯氧一小时)关进一个70千帕(27%氧，73%氮)的气闸舱12小时。一觉睡醒后，神清气爽，并且身体含氮量至少已降到一大气压的70%，所以只要穿上出舱服再预先呼吸纯氧40~75分钟驱氮气，比六小时短了很多，即可出舱。这种安排是把大部份生理低压调整时间在睡眠中度过，较易排遣枯燥时段，符合人性需求。

　　总之，出舱先进国家找出几种可靠的的出舱程序，付诸实施。不过，也是像人类其它活动一样，五花八门，各村有各村的打法。

　　“神七”的“飞天号”出舱服，采用了“海鹰号”系统。