漫談“對接”和“出艙”

現任美國航天總署(NASA)總部資深技術顧問兼太空任務科學家

人類進入太空后很快就發(fā)現，在太空搞真格的，非得在“對接”（docking）和“出艙活動”（extravehicular activities，，EVA）兩項技術上玩得轉才行。載人航天事業(yè)只有超越這兩道關口，才能更上一層樓，開拓出一片可持續(xù)發(fā)展的沃土。

用最簡單的比喻來說，您出去買東西，先上車，朝要去的商店駛去。找到目的地，停車，進商店，買到所需物品，大包小包拎回車。回程路上爆胎，打開車門，下車把備胎換上，再上車，開回家。

如果您開的是宇宙飛船，那您得與“商店”先“對接”，才能進去辦事。事辦完了，宇宙飛船機件故障，您就必須得“出艙活動”，排除故障后，才能返航。

其實在地球軌道上“對接”前，還有一個關鍵動作，那就是宇宙飛船要先找到目標“商店”與它“會合”（rendezvous）。在地面開車找商店，走過頭了，大不了掉頭回來。商店是一棟建筑物，固定在地面上，挪不了地方，保證讓您能找到它先“會合”，再走進去和它“對接”成功為止。要知道，最高速度的槍子兒大約以2至3倍的音速飛行，但在地球軌道上的“商店”，則是以25倍的音速在太空奔馳！宇宙飛船追目標“商店”，比用槍子兒打槍子兒還要快上十倍。所以在太空，“會合”的本身，就是一項高難度動作。目標找到，“會合”了，還要精確地“對接”，那更是難上加難。

“會合”前還有很多準備工作。比如說太空“商店”，可不是天生就在地球軌道上飛行，一定得花大本錢用火箭送上去。所以，要“對接”，先得“會合”。要“會合”，先得把會合的靶標送上去。一環(huán)扣一環(huán)，環(huán)環(huán)到位，“對接”才能大功告成。

日常開車，不能只坐在駕駛座上。洗車、換電池、換輪胎等等，都得離開駕駛座，到車廂外面進行。宇宙飛船和空間站等，里里外外，組成部件復雜，需要組裝和定期維修保養(yǎng)，或不定時緊急修護。要在太空生活，航天員“出艙活動”勢在必行。出艙要穿艙外航天服（以下稱出艙服）。近代太空艙皆使用和海平面相同的一大氣壓力，而出艙服皆使用低壓純氧設計。航天員出艙前，得仔細調整生理狀況，避過減壓癥狀（hypobaria，或俗稱decompression sickness，DCS），才能出艙，進行“太空行走”（space walk）活動。

從邏輯上講，載人航天能力的發(fā)展順序，應是先“對接”，把艙內的事做好，再“出艙活動”。但“對接”需先送上靶標，成本高、技術難。而“出艙活動”只需出艙服和氣閘艙，成本低且易行。蘇俄挑容易的先做，在1965年搶先發(fā)展“出艙”技術，到1969年才完成“對接”。美國本想依邏輯順序，先“對接”，后“出艙”，但蘇俄搶“太空行走”風頭，美國只好匆忙跟進，在兩個半月后先行完成“出艙”動作，次年才成功“對接”，做好1969年7月20日人類登月準備。

中國走的也是先“出艙”、后“對接”的路線。“神七”的出艙，為“神八”和“神九”以后的“對接”任務鋪墊 。

軌道

人造衛(wèi)星繞地球飛行的軌道，五花八門，玲瑯滿目。最高的在赤道上空的地球同步軌道上，每24小時繞地球一周，地面上的人看去，好像掛在天上不動。這類軌道最適合通訊衛(wèi)星使用。中國為“神七”任務發(fā)射的數據中繼衛(wèi)星“天鏈一號”，就在地球同步軌道上。它因距地球遠，可覆蓋“神七”50%的軌道，加上原有的地面通訊站和六艘遠洋通訊船（圖1）覆蓋的12%，“神七” 和地面通訊時間大幅度提高到62%。

飛行在12小時周期軌道上的全球定位衛(wèi)星群，目前共32顆。它的用途早已和每個地球人的生活息息相關。

另一類衛(wèi)星繞地球南北兩極飛行。這種軌道能看到地球每一點，一般較適合軍事用途。這種衛(wèi)星朝南或北的方向發(fā)射（90度傾角），與同步軌道（零傾角）向東發(fā)射不同，用不上地球由西向東自轉速度的助推好處，送入軌道較費燃料。

在0和90度傾角之間，衛(wèi)星軌道種類繁多。軌道形狀也可由圓形到橢圓形。橢圓形軌道又可以一邊離地近，一邊離地遠。在離地遠的一邊，衛(wèi)星滯留時間長，適合高緯度幅原廣大國家通訊之用，如俄羅斯、加拿大和北歐地域。

和衛(wèi)星的軌道相比，載人的宇宙飛船軌道設計就相當保守。除開“阿波羅”登月任務，人類目前所有在低地球軌道上飛行的宇宙飛船和空間站，皆采取圓形軌道，高度在350公里上下，傾角也只高到夠用就好。以前不去“國際空間站” （International Space Station，ISS）的航天飛機通常只在南、北緯28.5度內飛行。“國際空間站”因為要夠得著俄羅斯發(fā)射場，軌道傾角增加到51度。“神七”從甘肅省酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，內蒙古四子王旗降落，軌道為341公里圓形設計，在南、北緯42.4度之間飛行。

太陽不時噴出近光速的帶電粒子，被地球磁場引到南北極進入大氣層，所以載人飛船傾角太高的話，就會受到太陽輻射傷害。從宇宙四面八方射來的宇宙射線（galactic cosmic rays），對在低地球軌道上的載人飛船，一般影響甚微。

會合

在這兒有個有趣的問題﹕在同一個低地球圓形軌道上﹐兩艘宇宙飛船一前一后飛行﹐準備“會合”，再“對接”﹐后面的飛船怎么能追上前面的飛船呢﹖

一般的回答是像在公路上一樣﹐后面的飛船朝前加速就行。后面飛船加速﹐會把它原有的圓形軌道變成一個“大”橢圓形軌道﹐周期變長﹐需較長的時間繞地球一圈﹐回到原點時﹐反而會落后于前面的飛船更遠。所以后面的飛船要追趕﹐得減速﹐造成“小”橢圓軌道﹐才能縮短周期﹐如愿趕上。這是一個與本能背道而馳、似乎有悖常理的正確答案（圖2）。

人類第一次企圖在太空執(zhí)行“會合”任務的宇宙飛船是美國1965年的“雙子星四號”（Gemini 4）。會合的靶標是送“雙子星四號”上天的最后一節(jié)火箭空殼。進入軌道后，火箭空殼遠遠跟在“雙子星四號”后面飛行。兩位航天員初生之犢不畏虎，火箭發(fā)動機一開，就本能地向火箭空殼方向直撲而去。結果出乎預料。燃料燒掉一半，卻離目標越來越遠。休斯頓指揮中心只得緊急叫停，宣布任務失敗。唉！兩位航天員軌道力學不及格，但也不能責之太深，誰有本事反本能辨事呢！

歷史對接任務

九個月后美國重整旗鼓，精心設計靶標“愛琴娜”（Agena Target Vehicle），先把它射入一個298公里的圓形軌道中。“雙子星八號”隨后進入同一軌道面的一個160至272公里的小橢圓形軌道。“雙子星八號”由以后首位登月的人類阿姆斯特朗（Neil Armstrong）駕駛，經過一系列復雜的軌道處理后，在距離靶標140公里處，啟動計算機自動導航系統(tǒng)，總共用了四個多小時的時間，終與“愛琴娜”“對接”成功（圖3），連成一體。

“對接”后，“雙子星八號”的第八號姿態(tài)控制小火箭發(fā)生故障，失控狂噴，不聽命令熄火，“連體”系統(tǒng)開始一起滾動。阿姆斯特朗當機立斷，迅速與“愛琴娜”切割，脫離現場。他啟動其它小火箭，平衡故障火箭滾動推力，燃料急速消耗，進入危機狀況，只得放棄另一重要艙外活動任務，緊急返航。

“雙子星八號”本來預定在大西洋降落，但燃料已幾乎被八號小火箭耗盡，只能即刻離軌（de orbit），降落在沖繩島以東800公里的太平洋洋面。

阿姆斯特朗在“雙子星八號”危機事件處理中，表現出超常的急智和冷靜，成為他被選為“阿波羅十一號”（Apollo 11）首次登陸月球航天員的主要考量因素。

蘇俄的“對接”任務在1969年1月由“聯(lián)合四號”和“聯(lián)合五號”兩艘宇宙飛船執(zhí)行。載一位航天員的“聯(lián)合四號”先升空，載三位航天員的“聯(lián)合五號”24小時后跟進，主要任務是兩位“五號”的航天員，通過出艙“太空行走”手段，轉移到“四號”飛船返航。

兩艘飛船順利“對接”成功。“五號”的兩位航天員即刻穿上出艙服，迅速完成出艙準備，出艙，向“四號”“太空行走”而去。一小時后，航天員轉載任務成功。

登月競賽時期的蘇俄飛船，“對接”后兩船之間沒有通道。航天員轉移得靠艙外活動的“太空行走”完成。

“對接”4小時35分鐘后，兩船分離。“四號”載著三位航天員先順利降落。

“五號”只剩下一位航天員沃林諾夫（Boris Volynov）。“推進艙”完成減速離軌任務后，鉚釘炸藥棒失靈，無法與“返回艙”崩離。“推進艙”死纏“返回艙”不放。高速下的流體力量，使“返回艙”非絕熱面朝下，與大氣磨擦的高溫，眼看就要把“返回艙”燒穿。幸好“推進艙” 及時稀里胡涂地脫離了，“返回艙”瞬間轉成絕熱面朝下的正確姿態(tài)。降落最后一程，主傘沒有全開，反向軟著陸火箭偏偏也故障。“五號”最后硬著陸于烏拉爾山區(qū)（Ural Mountains），離預定哈薩克斯坦境內的降落地點有千里之遙。硬著陸的震力磕斷了沃林諾夫的門牙。時值1月隆冬，氣溫攝氏零下38度，“返回艙”內比冰庫還冷，救援最快也需數日。沃林諾夫做出正確決定，與其守株待援，不如主動尋找生機。他在老林深雪中跋涉2公里后，找到一戶農家，兩天后獲救。

出艙

人類的生理以重力場和一大氣壓兩個主軸因素演化而來。當然水更重要，但與主題無關，在此略去不談。

人類進入太空，重力場被軌道上的離心力抵消，導致體液重新分布，造成嚴重太空失水現象，航天員在生理上要做調整。

在地表生活的人類，每口氣飽吸氧和氮。氧分子附在紅血球上，傳到全身，供應活命需求。而氮分子不同于氧分子，和體液無化學作用，如惰性氣體，溶入體液和組織中。把體液當成海綿，把氮氣當成水氣。體液吸氮氣就像海綿吸水氣。海綿在水氣重的環(huán)境，吸水氣多，在干燥之地，吸水氣少。水氣進出海綿全靠外界水氣多少而定。用科學語言來形容，就是靠水氣在環(huán)境中的“分壓”（partial pressure）節(jié)制。氮分子溶入體液中的數量也由氮氣在大氣中的分壓而定，與海綿吸水氣屬同樣物理現象。在海平面一大氣壓下，氮氣分壓高。此時氮氣在體液中的溶量，比在氮氣分壓低的珠穆朗瑪峰上高。從平地慢慢向峰頂爬上去，氮氣分壓逐漸降低，體液中的氮分子量隨時調整，往體外排泄，以達到與外界氮氣分壓平衡之目的。氮分子慢慢排出，身體平安。如用直升機把人從平地一下子送上峰頂，氮氣分壓急降，體液中氮分子要加速排泄跟進，造成“塞車”狀態(tài)。許多氮分子在停停走走期間，就可能先匯合成大型氣泡。氣泡變大，身體更無法即刻排出。這些氮氣氣泡就由血液帶到腦部或心臟，輕則得減壓病，重則中風或喪命。

再用老百姓語言形容一下。急速減壓時氮氣由血液中冒泡而出，就像拽開易拉罐的可口可樂，氣體吱吱溢出一樣。物理現象相同，都是減壓太快的結果。

在太空“出艙”，進入的環(huán)境是真空。航天員雖有出艙服保護，但因工作需求，出艙服皆為低壓純氧設計。所以在出艙前，需要解決體液中氮氣分子過剩問題。下期詳談。

1965年3月18日蘇俄“黎明二號”（Voskhod 2）航天員里奧諾夫（Alexei Leonov）首次演示人類“出艙” “太空行走”。上天前，兩位航天員已完成至任務需求程度的排氮程序（約相當于40%大氣壓的純氧氣壓）。“黎明二號”的“氣閘艙”是軟性氣球式設計，經濟、簡單、實用。進入軌道后，“氣閘艙”充氣伸出。里奧諾夫穿著出艙服進入“氣閘艙”，關上內氣閘門，抽氣至真空，開外氣閘門，出艙。回程動作是頭上腳下回“氣閘艙”，關外氣閘門，充氣加壓，開內氣閘門，回艙。然后關內氣閘門，彈棄“氣閘艙”（圖4），離軌降落。

在回艙動作中，里奧諾夫過度緊張，做錯了第7步。他頭下腳上，一頭扎回“氣閘艙”，無法翻身回去關外氣閘門。他本想吞下事先預備好的自殺藥丸，請同行航天員狠下心彈棄“氣閘艙”，單獨回家。而他自已則準備以“氣閘艙”為棺槨，星辰為珠璣，太空漂流葬身。

求生本能促使他最後一搏，放出艙服的氣。出艙服放氣后，壓力降低，軟了。他萬幸地能翻個身，關上了外氣閘門。

里奧諾夫不得已放出艙服的氣，是一個向死神挑戰(zhàn)的超級危險動作。如有閃失，殘余在體內的氮氣就會從他的血液中冒泡而出。下期再詳談。

降落過程中，“黎明二號”自動導航系統(tǒng)失靈，改由人工控制，和前文提到的“聯(lián)合五號”一樣，也誤降于烏拉爾深山老林之中。還好三月的氣溫比一月的攝氏零下38度溫暖許多，兩位航天員決定在饑狼眈視下，苦守在“黎明二號”艙內待援，兩天后獲救。

結語

“神七”2008年10月發(fā)射，主要任務是“出艙”，演示“太空行走”。下期，我將以《談“神七”出艙任務》為題，專文詳談。

中國太空“對接”任務，可能由“神九”執(zhí)行。靶標或許是“神八”。“對接”任務比較復雜，等有確切消息后，我再專文論述。