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你真的想去太空吗?——记“NASA宇航员在京科普分享会”

时间:2018-10-28 19:05:23        来源:

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伴随着科技不断发展人类越发频繁进入太空,对于宇宙地球的认知也不断刷新。

但我们大多数普通人,不过是由蓝色星球这个温暖家园一边眺望、一边猜想,广袤无垠的宇宙好似有着深邃背景——

你想去太空?确定一定以及肯定吗?

——记“NASA宇航员在京科普分享会”

国科技网 夏 青

题为《太空中生活工作》的NASA宇航员科普分享会26日在崇文青少年科技馆举行。中国科技网 夏青 摄

你印象中的外太空是什么样子的?

一个年仅10岁的孩子回答说,太空很黑,是个不存在地心引力的地方。另一个差不多年纪的孩子接着说,太空很大,没有边界

学生对这个问题的了解似乎更深一些。他们中有人说,宇宙是由大爆炸的;有人说,太空处于无氧状态;还有人说,生物研究重要因为人类在太空容易生病。

“那么,在座有多少人长大后想成为一名宇航员?”NASA宇航员威克曼博士问。

下面的孩子们一个个把手举得高高的。也许人类对于地球之外那茫茫宇宙的探究和向往从未在我们的血液中沉睡。

这是10月26日下午美国未来火星登陆计划候选宇航员、美国加州浸会大学(CBU)工程学院教授莱斯莉·威克曼(Leslie Wickman)一行到访北京市东城区崇文青少年科技馆,与来自北京市第五十中学、文汇中学、板厂小学的130余名师生代表进行“NASA宇航员在京科普分享”活动上的一幕。

本次活动由北京市东城区崇文青少年科技馆主办、北京外企国际商务服务公司承办,希望这位国际知名学者、工程顾问同时也是前美国职业沙滩排球和美式橄榄球动员的杰出女性,能将自己对于航空事业的热爱、外太空的生活经历以及前沿的航空专业知识分享给青少年学生。

“我接下来会告诉你们在太空中生活和工作的真实场景是什么样的,”威克曼说,“宇航员进入太空会遭遇各种生理、心理上的问题,当他们返回地球、着陆后也挑战重重。等我讲完,你们再告诉我,你们长大后还想成为一名宇航员吗?”

由重力变化引起的两番生理“磨炼”

比想不想更现实的问题,其实是能不能。

太空飞行具有其特殊的条件由于重力减少、辐射、真空、温度变化等物理因素,人的身体会发生各种变化。最初的生理上的变化发生在几分钟至几小时内,人体会长高、变瘦,具体来说是脊椎扩张反应将带来2.5-5厘米的身高增长及腰围减少);内脏器官会发生位移;人的姿态转换如在水下漂浮状(参见下图);体液移位,造成面部肿胀、头部充血、嗅觉抑制……这些变化出现得很快,相应的,也可以在返航着陆后快速逆转。

威克曼博士与一名学生一起模仿宇航员进入太空后的姿势转换。图片由主办方拍摄

接着,在几小时至几天内,生理上会发生更多变化,相应的,返航着陆后宇航员也需要更长的恢复时间。这些变化包括但不仅限于:到第四五天时,人体体液损失会达到身体总水分约3%的程度;腿部肌肉萎缩、变细;前庭系统对于运动、定位的各种感知信号冲突、失真——“我们可以把人的大脑想象成一个处理器,当习惯地球重力环境的宇航员到达太空时,他的大脑会接收到来自眼睛、耳朵等各部位不同信号,这一系列‘错乱’的信息让他非常迷惑、无法处理,因而产生恶心、不舒服的感觉,因此最初几天宇航员们常常处于生病的状态。”威克曼说。

然后,在几天至几周内,体液流失将导致宇航员血浆流失、红细胞减少(贫血),肌肉也进一步萎缩(失去协调能力),心血管功能失调(心脏变小、变弱)……

再然后,在几周至几个月内,宇航员将面对骨萎缩/骨质疏松症、肝脏等器官增大、免疫系统失调等生理问题;另外,还有辐射反应带来的各种风险(可参照癌症化疗后的症状):细胞可能凋亡、基因突变、发育缺陷、脱发、呕吐、不孕不育、中枢神经系统改变、白内障、染色体改变、肿瘤,甚至死亡

“当然,这些生理问题是有解决方案的,比如,体育锻炼、人体定位设备激素和药剂、人造重力,”威克曼说,“不过,人造重力现在只用于动物,还未用于人类,因为人类需要更大、更为昂贵的人造重力设备。我们正在积极尝试——太空飞行距离常常较远,需要人造重力设备来支持宇航员面对各种生理上的挑战。”

而即便是体育锻炼这种听上去很简单的解决方案,实现起来也相当有难度。据悉,宇航员的常规锻炼方式包括跑步机、脚踏车和阻力训练,他们需要保证每天4小时的锻炼才能够“抵御”上述生理风险。但实际上,宇航员们平均每天的锻炼时间有多少呢?

仅仅1小时。

当我们想象以及评估以上挑战抑或风险的时候,请别忘了,这些只是宇航员从地球去往太空时将经历的;而当他们在几个月或者一年后返航着陆时,他们历经“磨难”已经“重塑”的身体将再次“重塑”:体液从上半身移回腿部组织,血浆置换,前庭系统再次接收混乱反馈,肌肉骨骼萎缩以适应环境压力,心血管机能改变以适应体液体积和重力水平,等等。

回忆一下那些关于返回地面的宇航员出舱的新闻,他们是不是非常虚弱?他们是不是无法站立?重新回到地球,他们的身体将再次经历各种考验,以便重新适应有重力的环境。

隔绝、限制和各种其他心理上的挑战

除此之外,宇航员还将面临心理上的挑战以及社会关系变化,比如:

远离家人朋友,远离祖国和文化,甚至远离自己的星球,造成的隔绝感;

空间上的限制,包括长期居住在非常狭小的空间、和有限的人员一起生活、居住环境质量不佳、物品尤其是个人物品非常有限;

还有,感官刺激减少,无聊,规定的工作/休息时间表,无处不在的风险,以及所导致的巨大焦虑和压力,等等。

我们可能预想不到,就连日常习惯的每24小时轮回一次的日出日落,在太空舱围绕地球飞行时缩短为每90分钟轮回一次,也会给人的心理带来明显的陌生感。更有甚者,“在太空中,你无法呼吸到新鲜空气,更无法感受到风吹到脸上的感觉,”威克曼如此描述,“你只能一直待在太空舱中,就算有机会出去,也得穿着厚厚的太空服——那其实就像迷你版的太空舱一样。”

就仿佛是,你和几个你或许觉得关系还不错的朋友一起,挤坐在一辆很小的车里,每个人只带了一只放着极少个人物品的很小的包,却要踏上一条未知的路,去很远很远的地方旅行。并且,在危机四伏的路上,你们的那辆车并不会行驶得比过山车更稳。

对策当然有很多。

一切重在预防。设计飞行器、宇航员居住区时,可以尽量营造出地球上高低错落层次的样子;团队成员挑选、配置、培训等事项也各有讲究……但同时,一些难关也确实耗费心力,比如,长时间的太空任务需要精神状态足够稳定的人员,谁知道哪些人才能在复杂环境中长时间保持精神稳定呢?

威克曼博士作科普分享。中国科技网 夏青 摄

空间飞行中的人体工程学:保证宇航员的安全健康和高效

威克曼博士毕业于斯坦福大学人体工程/生物力学专业,在美国国家航空航天局(NASA)洛克希德马丁公司从事哈勃望远镜空间站、太空服设计等工作,任美国科学联盟(asa3.org)首席执行官。她所分享的经历,让我们对航空及宇宙知识的泛泛了解,显出了更多细节丰富的血肉。所谓的宇宙奥秘,也落脚到那些更具体、甚至细微得容易被人忽略的地方,比如,在零重力下生活和工作,所有东西都会漂浮!那么,在宇航员身体姿势改变、无摩擦力的状态下,如何设计并简化任务?如何设计出某种“力”来约束工具、设备和人员?

等等诸如此类的许多问题,正是人体工程学设计需要考虑的。其中,最为首要的任务一定是保证机组人员安全,识别并防范潜在危险。设计者还需要考虑并解决:如何让每个硬件都易于操作?如何用最少的支持设备提供有效支持?如何绘制可行的任务时间表?如何设计工具使最弱的宇航员能够使用、同时最强的宇航员不会损坏?如何保证宇航员的衣物具有安全、舒适、防火、多口袋设计等特性?还有沐浴、垃圾管理、医疗护理等等,全都不是小问题。

以及最重要的——如何保证在任何特殊状况出现时,始终存在备用方案。

“生活是一场冒险”

威克曼博士讲完上述宇航员将遭遇的生理、心理上的挑战与风险,并表示实际情况将比所讲的更为复杂和严峻之后,又问了一遍分享会开始时所问的那个问题。

“现在,在座还有多少人长大后想成为一名宇航员?”

下面许多孩子还是高高举起了手。人数一点儿也没有比开场问问题时少。

威克曼博士很欣慰。

她带着笑容,认真回答那些十几岁的青少年提出的各种问题,黑洞、暗物质、移居其他星球、平行宇宙……并不时发出由衷的称赞。她讲起去年5月自己带着学生一起做CBU高海拔气球项目实验,在日出之前驱车去往沙漠,等待着膨胀的气球终于在8万英尺高空爆炸,又在20英里之外找到降落伞和气球中携带的运动照相机+GPS定位工具的包裹的经历,不无自豪地说:“你们看,拍下的照片中能清晰看到地球美丽的蓝色大气层!”她说这话时,和北京市文汇中学一名学生说“太难得了,我们第一次有机会与宇航员近距离接触、直接交流”时一样,眼睛里都兴奋地亮着光。

提问的学生们手持博士签名照片,愉快合影。图片由主办方拍摄

“这次科普分享会让同学们大有收获,”崇文青少年科技馆杨韬说,“我们希望与更多的国内行业专家一起,通过各种各样的方式帮助青少年在成长过程中找到学习的方向、理解学习的意义。”

临别时,这位NASA宇航员引用了一句著名的话:“生活是一场冒险”。“认识你自己,找到你激情和才能重合的那个点;然后,利用好你的机会,努力工作;心有所盼,同时享受旅程。”她说。

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