书城科普必知的航天科技(青少年科技爱好培养)
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第14章 太空探索(5)

也许有人会这样想,要是有朝一日,太空旅行成为可能,那么一个矮个人要想长高些,通过参加太空旅行团去旅行一年不就行了吗?其实是不行的。因为,这种长高与正常的身材增高是不同的。正常的增高是由于人体内较大的骨头的两端长出新的骨膜,并不断积累的结果。而太空人的高是在太空的特定环境下发生的,所以当他返回地球后,就会很快恢复原来的身高。

曲线登月

当年,“阿波罗”首次登月,引起巨大的轰动。也许,你会理所当然地认为,它登月飞行所走的轨迹是直线,因为两点之间直线最短,肯定既经济又省时。

其实不然,阿波罗飞行实际上是沿着一条十分复杂的曲线进行的:先通过一、二级火箭把飞船送入180千米的圆形环地轨道。在此轨道上运行1.5~2周后,再通过第三级火箭的推动使飞船达到第二宇宙速度进入奔月轨道。在飞船距月面约110千米时,进入先椭圆后圆形的环月轨道。在作了13周的绕月飞行后才由登月舱正式登月。

为什么登月飞行要走曲线呢?这是因为,地球、月球都在运动之中,火箭的发射都得考虑这种运动。选择最佳的航行轨道对规划飞行时间、优化火箭设计等都是必不可少的。再则,登月飞行是空前规模的航天创举,虽有充分而精确的前期试验,但在正式奔月和登月之前,先在绕地、绕月的“停泊轨道”上逗留做冲刺前的精心调整,也是十分必要的。

未来的月球城市

美国航天局提出一项计划,打算在2010年,耗资1000亿美元在月球建立一个可容纳100人的基地。这个基地外形为轮状或圆筒状,直径1~2千米,内有山脉、河流、湖泊、森林、草原等,还有许多生物,是一个能自给自足的充满生机的封闭型生态系统。

美、日等国还准备从2020年起建设月球农场和工厂,研究开发利用微波照射等提炼氦的技术,以解决能源供应问题。并把多余的能源输送回地球。从2030年开始,月球上的居民将完全能做到自给自足。月球到地球之间设有定期往返的航线,中途还有供人们休息和娱乐的太空旅馆。

航天界还有一个更令人鼓舞的目标,到2050年,在月球表面建造一个巨大的人造气罩,内有青山绿水,自然环境如同地球一样。到了那个时候,月球上将出现一座座崭新的城市。不过,由于客观因素影响,月球城市的居民不会太多,也许只有数百人。

太空旅行

美国安德鲁航天技术研究所已研制出一种新型推进方案,取名为“炼金师”。该方案能够大幅度降低航天飞机起飞和飞行的费用。因而,几年来一直停留在宣传阶段的太空旅行不久将成为现实。

与以往的设计不同,航天飞机将不再凭借自己的力量起飞,而是由一架类似波音777的飞机来运载。如果采用传统的垂直推进方式起飞,航天飞机需要非常大的推力才能克服重力,而采用运载飞机可节省很多花在推进剂上的费用。另外一项降低费用的举措就是减轻安装在运载飞机上的航天飞机的重量,使之降低到通常起飞重量的五分之一。其中的奥秘在于,航天飞机的燃料箱里只装氢气。至于推进器工作所必需的、占推进剂总重量80%的氧气则由运载飞机和航天飞机在大气中共同生成。为此,它们需要在8000米高空盘旋3个小时之久。在盘旋的过程中,由涡轮机吸进的空气只有20%在推进器中燃烧,剩余的空气从燃烧室旁边的管道中通过。通过热交换器使这些空气充分冷却,变为液态;然后在离心机中分离空气中的其他成分;最后剩下纯液氧,其中的一部分被抽取到航天飞机的燃料箱里。在这之后,运载飞机和航天飞机发动火箭推进器,升到5万米的高空。在那里,航天飞机与运载飞机分离,航天飞机使用自己储备的氧气飞入太空。

这种背负式技术还有另外两个优点:首先,航天飞机可以在世界上任何一个大型机场起飞;其次,起飞时的水平位置会让旅客们觉得更舒适些。富翁丹尼斯·蒂托飞往国际空间站花了2000万美元,但15年后,我们的太空之旅或许只需花费大约2万美元。

太空移民举步维艰

现在,人类已经掌握了比较成熟的航天技术,到宇宙中旅行,甚至居住都已经不再是梦想。面对地球的人口压力,科学家们提出了向宇宙其他星球移民的设想。但是,这个设想暂时还无法实现,因为它涉及到方方面面极为复杂的科学问题。

首先,人类及动物在地球环境中经过漫长的演化,才逐步适应了目前地球上的物理、化学的生存环境。一旦到太空去生活,那里的生存环境与地球截然不同。即使设计的与地球环境相似,但也很难长期保持。一旦发生环境变化,后果不堪设想。

其次,人类在太空中居住一旦遇到流星袭击,空气就会逃逸。缺乏维持人类生存的空气,人类及动物将无法生存。

第三,在太空建造人类生活区,不但耗资巨大,而且以目前的科技水平也难以实现。所以,人类向太空移民的设想,目前看来,还很难实现。

航天飞机会破坏臭氧层

目前,我们都已经了解了臭氧层的价值。它在距地面大约30千米的高空,相当于给地球穿上一件衣裳,可以保护人类,免受太阳紫外线的伤害。过多的紫外线照射,会损害人的免疫能力,使人类皮肤癌发病率增多,并危及海洋生物的生存,因此保护臭氧层是全球数十亿人们的共同责任。

据科学家研究发现,氯气和氯化物,氧化氮、氧化铝等都是破坏臭氧层的杀手。然而固体火箭助推器燃烧时在它的排放物中就会有上述物质。尤其是航天飞机的发射,据科学家统计,航天飞机在起飞后的2分钟内就向大气中排放出187吨氯气和氯化物,7吨氧化氮和180吨氧化铝,这些物质足以破坏800吨臭氧,这个数据是相当惊人的。

因此,我们必须采取有效的措施改进航天飞机的发射技术,以便保护人类赖以生存的地球,保护臭氧层。

航天飞机升降方式不同

航天飞机发射都是垂直升空,返回地面时,却像滑翔机一样无声无息地降落。这是为什么呢?

发射时的航天飞机身上“绑着”比自己还要大的外燃料箱,还有两枚助推火箭。在这些“大力士”的帮助下,航天飞机先上升到几十千米高空,扔下两枚耗尽燃料的助推火箭(它们可以用降落伞回收后重复使用)。再上升到100多千米高度时,又抛弃庞大的外燃料箱,这时航天飞机本身的发动机才足以把它送上几百千米的轨道。

航天飞机挂了那么多东西,当然无法像飞机那样水平滑跑起飞,而且它受到的空气阻力也远远超过大型飞机。再说火箭发动机只能短时间工作。因此,航天飞机必须在最初一二分钟里垂直上升,尽快冲出稠密的低层大气。当它返航时,早已摆脱了累赘的外挂物,就能像滑翔机一样降落。

飞机发射卫星

我们都知道,要把卫星从地球送到太空,必须要克服地球的强大引力。传统的发射卫星方式是利用火箭作为运载卫星的工具。将卫星固定在火箭的前端,火箭点火后,在极短时间内达到第一宇宙速度,从而使卫星脱离地球,在太空中环绕地球飞行。

可是,这种传统的发射卫星方式有一个缺点。发射卫星时,往往需要多级火箭;况且,火箭都是一次性使用,不能重复利用,因此,随着火箭级数的增加,卫星发送的成本就跟着急剧增加。

能不能既节省投资,又能安全可靠地将卫星发送上天呢?有人把目光投向了飞机。现在,飞机的技术日趋完善,人们设想,用飞机将卫星带到尽可能高的高空,借助飞机的速度和高度,只要使用一级火箭就可以发射卫星了。这样,不仅可以大大节省卫星发射的地面设备,还可使相同质量卫星发射的成本大大下降。目前,利用飞机发射卫星的技术已基本成熟,即将投入正式使用。

回收“太空垃圾”

在太空中,漂浮着许多废弃的航天器及其零部件,我们把它们称为太空垃圾。太空垃圾中,大多数都是金属物品,它们可不是普通的“废铜烂铁”,而是十分宝贵的黄金、钛和钨等,具有很高的回收价值。

还有一些“垃圾”就更宝贵了,它们是一些失效的或失控而未能进入预定轨道的卫星。如1980年发射的“太阳峰年观测卫星”,运行还不到1年时间,就因不能对太阳定向而成废物。1984年4月10日,“挑战者”号航天飞机将它抓入货舱,修复了它的对日定向系统,并加装一台观测器,使这颗重2吨、价值2.4亿美元的科学卫星起死回生。

对一般只有8~10年工作寿命的卫星,通常都可通过更换部件、局部维修等方式,使它“返老还童”,费用只不过几百万美元而已。而修复后的卫星所发挥的作用是远远超过维修费用的,所以,我们要对“太空垃圾”回收再利用。

模拟天空

天空也能人造吗?英国科学家已经建了一个直径8米,安装着640个灯泡的大圆顶,这就是人造天空。这个人造天空能够模拟地球上任何气候条件下的光照情况,用来测量各种云层遮蔽天空时进入室内的太阳光辐射量,还用于测量不同时刻、不同气候条件和不同地区在一天中所得到的室内光照量。通过研究,人们能在将来更好地利用太阳能。