神奇的太空环境

千百年来，浩瀚无际的太空留给人们无尽的遐想，其中不乏有奇幻美妙的，比如说嫦娥奔月。也有黑暗恐怖的，比如说天狗吃月亮。无论是哪一种遐想，其根本原因就是我们对太空的了解太少了。

自从1957年10月4日第一颗人造地球卫星被送入太空以后，太空就开始慢慢进入了我们的生活。

直到现在，我们离开太空几乎寸步难行。我们开车出行必备的车载导航仪，用的就是导航卫星；我们天天看的天气预报，用的就是气象卫星；就连我们每四年才能看到一次的奥运会，也需要利用电视转播卫星才能保证我们能够准时看到现场直播。我们不知不觉已经与太空紧密地联系在了一起！

太空在哪里

我们要搞清楚太空在哪？大家可能都会指指我们头顶上的地方。对，太空确实就在我们头顶上，但是，它到底从我们头顶上的什么地方开始，又到什么地方结束呢？太空与我们通常所说的天空又有什么关系呢？

太空就是地球大气层和其他天体以外的虚空区域，也就是我们常说的“天空”这个词中“天”的范围，而“天空”这个词中“空”的范围指的却是地球大气层以内的地方。

我们头顶上的广阔空间就是天空按照大气层的上边界为限，可以把天空分为两个部分，大气层以内的部分称为空，而大气层以外的部分就称为太空，或者叫外空，人们更习惯称它为空间。我们经常提到的卫星、飞船、航天飞机、空间站等等这些航天器就运行在太空这个区域；而我们平常所说的飞机呢，只能在“空”这个区域飞行，而且是在“空”的底层部分。

关于太空从哪里开始，到目前为止也没有一个被普遍认可的精确定义，甚至有些定义还有一些其他的考虑。比如说，美国国家航空航天局（NASA）或是美国空军就把太空的边界划的比较低，他们把距离地面92.6km以上的空间都称为太空。为什么会这样呢？因为如此一来，美国X-15的飞行员和美国水星计划中的亚轨道飞行员就可以被称为宇航员了，就能够获得进入太空的殊荣。

从应用的角度看，太空的最低边界应该是卫星能够运行的最低高度，也就是说，一颗卫星进入太空以后，在不给它任何推力的情况下，它至少能够在这个高度上停留一到两天的时间。结果计算，发现大约130km以上的高度才会发生这种情况。所以，如果下次有人问你“怎样才能到达太空”时，你就告诉他“一直向上走130公里就到了”。 但是，按照国际航空联合会的定义，大气层的边界在距离地面100~110km的地方。

目前也不知道太空有多大。在这个巨大的黑漆漆的太空中，除了太阳、月亮和数不清的星星以外，到底太空中还有什么东西，对我们有害吗？这些问题已经困扰了我们人类上万年，经过一代代人的努力，尤其是从上世纪60年代，人类有了卫星以后，

太空中除了有我们看得见的物体，比如太阳、月亮这些天然的天体，以及人造卫星、载人飞船等人造天体以外，还有许多我们看不见的物质，比如电磁辐射、带电粒子等非常危险的东西。太空中到底有些什么我们看不见却又存在呢？我们将太空环境归纳为了6大要素，就是失重、大气、真空、电磁辐射、带电粒子以及空间碎片。

太空环境要素——失重

首先，失重可能是我们最先看到的一种太空环境的特性。

失重所失去的不是重力而是与重力相平衡的反作用力，或者说是除了重力以外其他的力都失去了。失重状态在地面上是很难获得的，因为无论我们走到哪里，都有东西支撑着我们。我们站在地上，地面会给我们一个向上的支撑力与我们自身向下的重力相平衡；如果我们坐在椅子上，椅子也会给我们一个向上的支撑力与我们自身向下的重力相平衡。

如果一个人走着走着，我们突然把他脚下的地面撤走，那么他就失重了！如果我们一定想体验一下失重的话，可以去跳伞或者 “ 蹦极 ”。

在太空的失重条件下，人们可以制造出几百米长的玻璃纤维。这就是因为在失重环境下，玻璃丝的两端和中间受力是一样的，就像玻璃丝漂浮在太空中一样，自然就不会在制造凝固当中断裂了。

利用失重环境，还可以制造出绝对球形的金属球，这在很多地方都非常有用。比如说：为了制造出尽量圆的钢珠，早在16世纪中期，意大利的武器制造者们就发明了一种制造步枪铅弹的秘密方法。他们设计了一套在当时极为先进的系统，在制造子弹时，将熔化的铅灌进一个高一百多米的“子弹塔”中，让融化的铅垂直下落，从而人为的制造出一个近5秒钟的失重环境；在这个失重环境中，融化的铅会形成一个近乎完美的球形；最后，球落进盛满凉水的池子中并迅速变硬，这样就生产出了比较理想的球形子弹了。

在失重状态下，你感觉航天员在空间站里飘来飘去挺有趣的，但是，失重环境对于航天员的身体健康也是非常不利的。我国首位进入太空的航天员杨利伟就曾提到，飞船刚刚入轨进入失重状态时，大多数航天员都会产生一种“本末倒置”的错觉。

除了这些航天员能够感觉到的不舒服以外，失重还会引起航天员心血管功能的下降，而这些更是隐形杀手。在空间站中一待就是几个月的航天员，刚返回地球时甚至要用担架抬着才行。所以，在我们收看杨利伟返回地球的现场直播时，为了防止他着陆后晕倒，一出返回舱就让他坐在了椅子上，两边还有医务人员保护着，把他抬到了医护车上。

失重还会导致航天员的骨质损失，也就是我们常说的骨质疏松。研究表明，处在太空中的航天员每个月会丢失1％～2％的骨骼重量，看来，航天员比我们更需要补钙！

失重给航天员们造成的威胁远不止这些，比如：肌肉松弛、免疫力下降、衰老程度加快，以及多种空间运动病等等都是失重给航天员带来的不利影响。尤其是空间运动病，它的发病率比较高。

为了尽量减少失重对航天员的不利影响，在太空飞行过程中还是采取了很多防护措施的，比如说：安排合理的作息制度，改善饮食，增加营养，配备一些药物和运动装置、特殊航天服等等。

太空环境要素——大气

太空中不是没有大气，只是大气比较稀薄而已，而且稀薄到了我们人类不能在太空中直接进行呼吸的地步。

距离地面越高，大气越稀薄。地表海平面的大气密度为1，那么，随着距离海平面高度的增加大气密度会减小，当高度升到100km时，大气密度是海平面上大气密度的万分之一；而当高度升到300km时，大气密度会就只有海平面的百亿分之一了；如果继续上升，到了600km高度时，大气就会更加稀薄，甚至可以忽略不计了。

对于我们人类而言，大气可是我们的护身符，那么，太空中的大气对于航天器甚至是航天员来讲是否也是“正能量”呢？目前看来，可能要让大家失望了。因为太空中的大气除了可以加速低轨道的空间垃圾陨落大气层以外，好像就没有什么好作用了。那么，太空中的大气到底对航天器有什么不好的影响呢？

首当其冲的就是阻力。当你坐在一辆高速行驶的汽车中，将手伸出车外，就会明显的感觉到你的手在被往后推，这个推你手的力就是大气所产生的阻力，而你的手所感觉到的阻力的大小主要取决于四个因素，就是空气密度、汽车的速度、手的形状大小，以及手与空气之间的相对运动方向。也就是说，即便手的面积不大，但是汽车的速度大或者是空气密度大，都会产生比较大的阻力。这也就是为什么太空中的大气密度那么小，却也能够对航天器产生较大阻力的原因，这就是航天器在太空中的运行速度太快了。

那么，大气阻力会对航天器的运动产生什么样的影响呢？按照我们通常的认识，阻力会使汽车减速，对于航天器也是一样，在低轨道运行的航天器受到大气阻力的作用，它的运行高度会不断降低，就像螺旋线一样，开始时每圈高度降低的都不大，但是随着时间的增加，轨道高度会越来越低，大气密度却越来越大，阻力也会增大，那么每圈轨道高度降低的幅度也会加大，最终航天器就会一头扎入大气层，冲向地球，就像一颗陨石一样，要么是在大气层中烧毁，要么是在撞击地面时撞得粉身碎骨！

太空中有不少航天器最终的命运都是在大气阻力的作用下陨落地球了，比如美国的“天空实验室”就是因为大气阻力的长期作用，在1979年7月的时候坠落大气层了。必须想办法克服大气阻力的影响，让航天器能够稳定的运行在它需要的轨道高度上。每隔一段时间就给航天器一个推力，抬升它的轨道高度。比如我国的“神舟六号”飞船就在它运行第3天进行了一次轨道抬升。

除了阻力，大气对航天器还有一个非常重要并且是不好的影响，就是原子氧。在太空辐射和带点粒子的作用下，氧气分子会分解成两个氧原子，通常情况下，氧原子会迅速重新形成一个新的氧气分子，然而，由于太空中大气非常稀薄，氧气分子也就自然很少，相互之间的距离就会很远，从而造成一旦氧气分子分裂以后，将很难再组合成新的氧气分子，从而只能以原子氧的形式长期存在下去。

原子氧是一种强氧化剂，就像暴露在空气中的铁会生锈一样，暴露在太空中金属也会“生锈”。原子氧已经成为导致航天器材料失效的主要原因，它不仅破坏了航天器表面的热涂层，还使得航天器表面的强度下降，光学和电性能也会发生改变；同时，氧化过程中产生的大量气态或者是固态氧化物也会污染航天器的光学镜头等关键部件。俄罗斯就曾经在和平号空间站上开展过纤维复合材料的长期暴露试验，这种复合材料在太空中暴露了1024天后，表面上就形成了一层像玻璃一样的物质，厚度在0.1到O.5微米之间。

所以，为了避免原子氧对航天器的危害，通常我们都会在航天器的表面包裹一些保护材料，就像给它们穿上一件防护服一样；但是航天器上还有一些无法包裹的地方，比如说相机镜头、通信天线等等，那么怎么办呢？其实方法也很简单，像我们常用的相机镜头一样，开机以后镜头才会伸出来，不用时把它收回去就可以了，这样就减少了被暴露在原子氧中的时间，从而减少了被氧化的时间。

太空环境要素——真空

“真空”这个词，我想大家应该都听说过，比如说，医生打针用的针管，朝上一抽，我们就认为针管中就成“真空”了；还有我们经常把一些谁都不管的地带称为“真空地带”。

前面提到：到600km的高度时，大气就已经非常稀薄，甚至可以忽略不计了。其实，在太空中，随着高度的增加，不仅大气密度会不断减小，大气压强也会相应减小，当高度增加到500km时，大气压强就已经减少到不足地面大气压强的万亿分之一了，也就是说，这时的太空中已经几乎没有空气，几乎没有压强了，我们通常称这种状态就是“真空”，当然，这其实只是接近“真空”，这也正是太空环境的第三个特点。

下面，我们先来看看真空环境对航天器的影响。第一种影响就是排气。在航天器的制造过程中不小心会混入一些小气泡，就像我们给手机贴膜的时候，一不小心就会在手机膜下留有小气泡一样。如果到了真空环境中就不行了，因为在真空中压强几乎为零，这样就会导致气泡内外的压力不平衡，在真空环境中这些小气泡就会破裂，就像吹气球把气球吹炸了一样。一般情况下，排气不是什么大问题。但是，如果排气现象出现在镜头等一些精密仪器上，就会造成成像的清晰度降低等问题，从而影响航天器的应用。所以，航天器加热时会在地面上人为地营造一种近似真空的环境，再将航天器的各种关键部件放到这个模拟的真空环境中进行测试，以确保航天器在进入太空以后尽量不要发生排气现象。

太空的这种真空环境可能对航天器造成的第二个问题就是冷焊。冷焊是怎么回事呢？其实，这与刚才介绍的排气有关系。在太空中，固体表面由于排气现象会失去本来吸附在表面的气体，这样一来，当两个固体表面相互接触时就会发生不同程度的粘合现象，如果两个固体表面非常干净，那么在一定的压力作用下就有可能结实的“焊接”在一起，形成冷焊。显然，这种冷焊现象可能会使航天器上的一些活动部件出现故障，比如太阳能帆板无法展开、卫星天线不能转动，甚至是航天器上安装的机械臂不能进行灵活的空间维修活动等等，后果还是比较严重的。所以，必须防止冷焊的发生。怎么办呢？很简单，就是在航天器容易发生冷焊的地方抹一些润滑剂就行了，比如说石墨就是一种很好的固体润滑剂。

在我们地面上非常简单，而在真空中却难上加难的热传递问题。我们都知道，在地面上，热传递一般有三种方式，就是传导、对流和辐射。这三种方式在地面上都可以发生，但是，在真空环境中，由于缺少了大气这种介质，传导和对流都无法进行了，也就是说，在真空环境中只剩下一种热传递方式，就是辐射。热传递的效果就大大降低了，就会使得航天器的表面温度在白天和黑夜有着明显的差异，比如说，在太阳晒着的时候，航天器表面的温度可以高达零上120度，而在晒不到太阳的时候，就可能降到零下120度；甚至有时候，航天器向着太阳的一面和背着太阳的一面温度都会相差200多度。这种剧烈的温差给航天器的正常运行带来了很大麻烦。

航天器上装有许多精密的仪器设备，如果不能把航天器的温度控制在一个合适的范围，航天器上的设备就无法正常工作。所以，对航天器进行及时的降温和保温是非常重要的。那么，怎么进行热控呢？通常有两种方式，一种是主动的，一种是被动的。

所谓主动的方式就是给航天器装一个冷热两用的空调，在航天器需要时给它加温或者是降温就行了。反而是第二种方式，也就是被动的方式比较有意思，比如说给航天器加装一个“百叶窗”，通过调节，打开百叶窗可以通风，合上百叶窗又可以遮挡阳光。可见，百叶窗的调节部件很重要，通常我们都是手动控制的，而航天器的“百叶窗”巧妙就巧妙在它的调节部分。这个部分由一种特殊的材料制成，这种材料的特殊之处就在于它对热量非常敏感，一旦在太阳光的照射下受热，它就会膨胀，从而打开“百叶窗”，让航天器进行散热；相反，一旦到了太阳照不到的地方，它就会收缩，从而关闭“百叶窗”，对航天器进行保温。是不是很奇妙！

来源：国家空间科学中心