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神九太空实验解密:太空称重困难重重

2018-07-08 来源:网络整理 责任编辑:采集侠 点击:

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  神舟九号载人飞船昨日已经顺利完成了手控交会对接任务,全国观众都感到欢欣鼓舞。其实,除了手控交会对接任务外,3名航天员还需要在上面进行15项实验。大家对这些太空实验都十分感兴趣,但同时又觉得有心无力,它们离地球那么远,太高深难懂了。其实,这些实验并不像我们想象的那样遥不可及,今天《发现》周刊就请专家来帮您解读部分实验。

  □现代快报记者 唐蕾

  航天员在轨质量测量实验

  案例:在太空失重环境下,怎么测出飘浮人的体重

  大家都知道,在太空失重环境下,所有东西都轻飘飘的。如何测质量成为航天科研长期面临的难题之一,此次在天宫一号与神舟九号载人交会对接任务中,就将利用失重环境下人体质量测量仪,来测量体重。

  究竟失重是怎样的感受呢?专家给记者举了个例子,当我们在地面上站着不动时,地面会给我们一个支撑力,这个支撑力和我们自身的重量相等,此时你处于平衡的状态。而当我们坐高速电梯时,当电梯上行,你感觉身体比平时要重,这时你就处在超重状态,也就是地面给予的力量大于你自身身体的重量。而当电梯下降时,你会觉得自己有点飘,感觉地板没有支撑力了,这时你就处在失重状态。在游乐场坐“海盗船”时,当你从最高点往下坠落时,也会有这种失重体验。

  专家告诉记者,“航天员永远不会‘沉底’,对他来说头朝上朝下没有区别。而且在太空中,特别省力。平时你做双手抬起与肩平行的动作,虽然不知道具体用了多少力,但你心里有数,知道大概用多少力就能完成这个动作。但是到了太空中,按照平时的习惯,使用差不多的力,总是发现手超过了预定的位置,因为太空中无阻力,同样的动作,在太空中只要一点点力就能完成。”

  “因此,很多人凭字面意思理解,觉得太空中没有阻力了,那不是应该畅通无阻了,做事情很轻而易举。比如,在太空中我们是不是轻轻松松就能举起一个铁球?但实际上,因为人和铁球都处于飘浮状态,无所谓举起。并且力的作用是相互的,当你对重物施力时,重物同时会给你一个相反的作用力。所以航天员在天空中用锤子钉钉子时,钉子的反作用力会将他弹开;用力拧紧螺丝帽时,螺丝帽的反作用力会推着他往相反的方向拧。此时,你必须先固定好自己,才能施力,但是在哪寻找支点就是个问题,所以很多实验在想象中觉得很简单,实际操作起来却很困难。我们很难模拟出真实的太空环境,所以一切还得接受实践的检验。”

  分析:理论上能测出质量,实际操作困难重重

  如此说来,在太空中测出质量真的好比天方夜谭,那么航天员怎么进行这项实验呢?

  南京航空航天大学航空宇航学院力学教学实验中心教授王立峰告诉记者,虽然操作困难,但是在轨质量测量理论上是完全可行的,“根据牛顿第二定律,物体的加速度跟作用力成正比,跟物体的质量成反比,即F=ma,F为所受合力,m为质量,a是加速度。要测量质量,只要给它一个力,借助工具测量力不是很困难的,记录下这个力;根据加速度传感器,测出加速度,就可以套用公式算出质量了。”

  但是王立峰也指出,在具体操作时困难重重,许多在地面上可轻易进行的测量,因为在太空的失重状态下,难度就变大了许多。比如,受空间局限,位移不会很大,这就提高了加速度测量的难度。“测量的关键在于那台质量测量仪,它结合了光学、力学、电子、工效、机械和材料学等先进的技术应用,实验的成功完全取决于它。其实把这些精密的仪器运往太空,让它在失重环境下发挥作用本身就很困难,研究人员付出了极大的努力。”

  空间骨丢失防护技术研究实验

  案例:失重环境下,骨骼肌萎缩、骨丢失严重

  在地面上,人受地心引力的作用,身体内血液的流动,血管、肌肉、骨骼所有机体的运行都是在有重力的条件下进行的,一旦进入太空,一切都发生变化。因为体液向头部转移,这时就会出现头胀、鼻塞、眼睛发胀,快速转动眼球时头疼等感受,同时面部浮肿,下肢变细,大约有2L液体从下半身转移到了上半身。除了这些变化外,还有一个很明显的问题就是航天员在太空中骨丢失特别严重,换句话说,就是骨质疏松。

  航天员生活在密封的座舱环境中,光照度较低,而CO2浓度又偏高,同时由于失重而使骨骼肌收缩负荷最小化,这些都会对骨骼系统产生明显的影响。据统计,6个月的航天飞行中,最高的骨质丧失可达到15%-22%。航天飞行带来的另一个危害是骨质丧失迅速而恢复缓慢,“和平号”空间站上一名航天员在4个半月内骨质丧失约12%,返回地面1年后,才恢复了6%。

  江苏省人民医院内分泌科主任医师何畏告诉记者,我们正常人一年骨丢失0.5%—1%,而航天员一个月就会丢失1%—3%。“我们的骨骼由成骨细胞与破骨细胞共同组成,平时这两种细胞数量差不多,保持平衡。但是在失重的情况下,破骨细胞就会变得很活跃,而成骨细胞的生长变得十分缓慢,此时就会发生骨质疏松的现象。”

  有人或许会说为什么不能在食物中增加富含钙质的食物呢?何畏指出太空饮食并不像我们想象的那样营养均衡,航天飞行过程中无法供应新鲜水果与蔬菜,且这种高纤维素会导致排泄物增加。

  “因此航天员的菜单上高磷高蛋白食物就占主导。但是这些食物就会促进钙的排泄,磷高钙就低了,血甲状旁腺素(PTH)浓度上升,就会去骨骼溶钙,此时就很容易骨质疏松。因此航天员刚回到地球上时,十分容易发生骨折的现象,要十分小心。”

  分析:地面有仪器可改善骨丢失,太空中不知是否适用

  那么怎么样才能改变这种骨丢失现象呢?何畏说,改变骨质疏松的方法有三种,一是药物治疗,一是锻炼,一是饮食。因此,航天员需要在太空中进行一些负压锻炼,但是因为空间有限,也许就需要借助一些仪器。“或许,可以使用一些高频振动的仪器,这种仪器我们平常会给一些老年人使用。老年人长期缺乏运动,加上机体老化,破骨细胞活跃,但是他又不能做剧烈的运动,我们就给他们使用这种高频率振动的仪器锻炼身体。在上面,人几乎感觉不到振动,但实际上已经刺激成骨细胞生长了。但太空中的环境比较复杂,不知道这种仪器在太空中是否适用。所以这个问题才需要研究。”

  在轨有害气体采集与分析实验

  案例:

  太空猴受粪便与有毒材料污染而死亡

  地球上的人常常受到空气污染的影响,殊不知,航天员也会受到航天器中的化学污染。到1998年为止,在美国航天飞机进行的30次航天飞行中,就曾发生过11起化学毒性事故。那么这些污染是从哪里来的呢?