制作：冰結(jié)向日葵
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
自2016年“神舟十一號”進(jìn)入太空，航天員景海鵬、陳冬雙人乘組完成了在軌一個月的太空生存之后，時隔5年，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心921工位久違地迎來了新的載人航天飛船——“神舟十二號”。此次任務(wù)將要完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，每一項(xiàng)都與未來空間站的建設(shè)有關(guān)。
（圖片來源：人民網(wǎng)）
一個空間站的運(yùn)行時間越長，能夠完成的科學(xué)任務(wù)也就越多，我們對于太空的認(rèn)識也就能更全面，而空間站的運(yùn)行也勢必需要實(shí)現(xiàn)航天員的在軌駐留。顯而易見，如果航天員在軌駐留的時間越長，那么飛船發(fā)射的頻率也就越低，空間站運(yùn)營成本也越低。但要實(shí)現(xiàn)航天員的長期在軌駐留，就需要從許多方面實(shí)現(xiàn)突破。此次“神舟十二號”任務(wù)將著重驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù)，在一些方面取得較大突破。
從6天到90天，我們有能力為航天員中長期駐留太空提供生命保障
人為了維持生存，需要能量。為了產(chǎn)生能量，則需要攝入氧氣、水、食物，同時通過新陳代謝作用排出廢物。盡管個體間會存在性別、體重、勞動強(qiáng)度等差異，但平均而言，一個人每天需要攝入約840克氧氣，3.5升水（飲用1.5升，食品攝入2升）以及640克食物（干重）；同時會釋放約1000克二氧化碳，1.6升尿液，120克糞便（干重），通過呼吸排出1.8升水。而且需要注意的是，以上數(shù)據(jù)還不包括食品包裝、食物殘余、氣瓶以及衛(wèi)生用水等等必須的物資。
如此計算下來，一次載人飛行任務(wù)，所需要的物資總量既與航天員數(shù)量成正相關(guān)，又與飛行時長成正相關(guān)。因此，我們在描述一套生保系統(tǒng)的支持水平時，就可以使用【人 日】的單位，將乘員數(shù)與任務(wù)時長聯(lián)系起來。
那么，對于神舟飛船而言，按照已有的飛行記錄推斷，其生保系統(tǒng)的支持水平大約是12人 日，即2人乘組6天在軌飛行（神舟六號）或3人乘組4天在軌飛行（神舟七號）；在“天宮一號”空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射之后，極大擴(kuò)容的活動空間讓生保系統(tǒng)支持水平升級至45人 日，即3人15天的在軌生命保障需求（神舟九號、神舟十號）；經(jīng)過升級之后的“天宮二號”進(jìn)一步擴(kuò)充至60人 日，即2人在軌駐留30天（神舟十一號）。
但未來我們要前往更遠(yuǎn)的地方，在太空待的時間就會更長，短期的在軌駐留顯然不能滿足我們。要想研究清楚空間環(huán)境對航天員的長期影響，就要實(shí)現(xiàn)航天員的長期在軌駐留；而要實(shí)現(xiàn)航天員的長期在軌駐留，首先要讓生命保障系統(tǒng)能夠支持更多乘員更長時間的在軌生存，這就需要更多的物資，更大的空間，以及更大的發(fā)射質(zhì)量。
而在軌運(yùn)行一個多月的“天和”核心艙的發(fā)射質(zhì)量為20余噸，已經(jīng)超過了“神舟-天宮”組合體的質(zhì)量。在此次任務(wù)中，“天和”核心艙與“天舟”貨運(yùn)飛船組合體的生保系統(tǒng)的支持水平實(shí)現(xiàn)了數(shù)倍的增長，達(dá)到了至少270人 日，即3人乘組90天（三個月）的太空生存，可以說，我們已然從過往任務(wù)的“短期駐留”開始向“中長期駐留”的高地大踏步邁進(jìn)了。
2021年5月29日，天舟二號成功發(fā)射（圖片來源見水印）
從十幾分鐘到數(shù)小時，航天員在太空中邁出自信步伐
如果想在太空中工作更長時間，除了滿足基本的生存生活之外，還需要面臨一些可能的突發(fā)狀況，例如設(shè)備故障。盡管航天級的產(chǎn)品質(zhì)量相對優(yōu)良，但時間長了仍然容易損壞。此次航天員將在軌駐留三個月，這是過去任務(wù)從未達(dá)到的時長，將可能會遇到以往的任務(wù)所不曾出現(xiàn)的狀況。比如說，如果艙內(nèi)的設(shè)備出現(xiàn)故障，可以依靠備品備件以及工具進(jìn)行修理，未來也將會有包括3D打印在內(nèi)的新技術(shù)應(yīng)用于空間站，進(jìn)一步提升維修效率。但對于艙外的設(shè)備而言，如果損壞，就必須在艙外更換，因此就需要航天員出艙進(jìn)行維修。
在2020年5月發(fā)射的新一代載人飛船試驗(yàn)船上，就曾開展3D打印實(shí)驗(yàn)
（圖片來源見水印）
截至目前，我們僅實(shí)現(xiàn)了一次太空行走，是由航天員翟志剛在“神舟七號”任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的，時長僅十幾分鐘。
翟志剛出艙進(jìn)行太空行走（圖片來源見水印）
盡管航天員在地面的水池中對太空行走這一項(xiàng)目演練了很多次，但這與真正的空間環(huán)境仍存在差異。
事實(shí)上，第一次太空行走也確實(shí)出現(xiàn)了一些意外。例如，氣閘艙蓋無法正常打開、陽光照射艙內(nèi)傳感器導(dǎo)致虛警等。由此來看，我們對于太空行走的經(jīng)驗(yàn)仍然是有所欠缺的。因此，筆者認(rèn)為，此次“神舟十二號”的太空行走仍然是實(shí)驗(yàn)性的。令人振奮的是，航天員將在未來的三個月中開展兩次太空行走，逐步延長太空行走時間，最終達(dá)到數(shù)個小時。
不僅如此，“天和”核心艙外圍的機(jī)械臂將助航天員一臂之力，讓航天員實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同，能在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的移動，到達(dá)空間站的任何一個角落。無論是取回放置在艙外的科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，還是對“天和”核心艙實(shí)現(xiàn)全方位的肉眼檢查，機(jī)械臂的加入都將令這些操作變得十分輕松且方便。
2021年與2008年已然不同，更先進(jìn)的設(shè)施、更完備的計劃、更充分的準(zhǔn)備將幫助航天員在太空邁出更加自信的步伐。
航天員長期在軌的身心健康問題仍需研究
航天員雖然是萬里挑一的頂尖人才，而且接受了相當(dāng)漫長且嚴(yán)苛的訓(xùn)練，體質(zhì)超出常人，但這并不意味著他們在太空中也能保持這樣的健康狀況。空間環(huán)境對于人的短期影響可能并不顯著，但長期影響可能會是巨大的：
失重效應(yīng)——人站立在地面上，體液會受到重力的作用自然流向下肢，人體的血壓呈現(xiàn)“上低下高”的情形，且下肢作為主要承力結(jié)構(gòu)，其骨密度也比較大。但在失重狀態(tài)下，體液會較為均勻地分布在人體各處，那么上半身的血壓會因此升高，大腦得到反饋體液過多；而要想釋放掉多余的體液，就主要依靠排尿，導(dǎo)致大量水分丟失；同時這也意味著下半身的血壓將進(jìn)一步降低，下肢中的營養(yǎng)物質(zhì)輸入減少，輸出增加，長此以往將導(dǎo)致下肢肌肉萎縮。此外，在微重力的環(huán)境下，人體不再需要保持較高的骨密度，鈣質(zhì)也將持續(xù)流失，會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。
輻射效應(yīng)——盡管“天和”核心艙的軌道高度在400 km以下，低于“范-艾倫輻射帶”的高度，而且航天器的金屬外殼也對輻射具有一定的防護(hù)作用，但來自太陽和銀河的宇宙射線仍然有一部分會穿過艙壁，形成低劑量的電離輻射。有些外國航天員報告自己在睡覺時，會突然被眼前的閃光驚醒，這就是由于太空粒子穿過眼瞼，在晶狀體內(nèi)與其中的液體相作用，被視網(wǎng)膜捕捉所導(dǎo)致。盡管電離輻射劑量較低，但如果長期在這樣的環(huán)境下生存，患癌概率也可能因此上升。
心理健康——“天和”核心艙的容積與過往的載人航天器相比實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，達(dá)到了50立方米，但如果按照現(xiàn)代樓房每層3米的高度換算，核心艙內(nèi)面積就僅有約17平方米。3名航天員將在這狹小逼仄的空間內(nèi)生活3個月，這就會為他們施加無形的壓力。不僅如此，24小時的日出日落周期塑造了人類近24小時的晝夜節(jié)律，而在近地軌道上，航天器每90分鐘環(huán)繞地球一周，這就意味著一天24小時之內(nèi)，“天和”核心艙會迎來16次日出日落。盡管在太空中，航天員將按照北京時間進(jìn)行作息調(diào)整，但艙外的晝夜變化仍然會影響航天員的節(jié)律。而且艙內(nèi)可能的突發(fā)狀況也會突然中斷航天員的休息，讓他們以最快的速度投入到應(yīng)急工作中去。如何在這樣的長時間壓力下保障航天員的身心健康，同樣值得我們在未來好好研究。
時代楷模——中國航天員英雄群體（圖片來源：我們的太空）
明天，我們的航天員將抵達(dá)我們自己的空間站，在未來的三個月里，中國人在太空的生存時長紀(jì)錄將得到突破；在未來的兩年內(nèi)，我們的空間站運(yùn)行體系將實(shí)現(xiàn)從無到有的建立；在未來的幾十年中，我們的載人航天事業(yè)將以這一天為起點(diǎn)，邁向成熟，我們的航天員也將以這一天為起點(diǎn)，走向更加浩渺的深空。
鮮花簇?fù)碛⑿墼賳⑻照鞒蹋鸺信e飛船續(xù)寫飛天夢想。相約九月金秋時節(jié)，我們期待你們的歸來。