文 / 李杰信

　　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

　　中國載人的宇宙飛船又出發了，這是第三次 “神舟七號”(本文皆簡稱“神七”)。在刻骨銘心、大悲大慟的汶川大地震后，中國人噙住淚水，沉著穩健地獻給世界一個全球同醉的北京奧運�！吧衿摺崩^奧運之后，踏上征途，又一次在世界舞臺上的聚光燈下，展現出中華民族騰躍宇宙的豪情。

　　任務

　　“神七”的任務和以前不同。“神七”的航天員要出艙活動。

　　迅速回憶一下中國在載人航天踢出的標準前三步。

　　2003年的“神五”，鵑啼初試。宇宙飛船載人升空，船到人到，踢出第一步。中國繼蘇俄美國之后，晉登載人航天三強國。

　　2005年的”神六”，大鵬展翅。航天員從返回艙進入為太空作息而設計的軌道艙，演出在太空中五天的生活工作秀，踢出第二步。中國以獨立的智慧和能力，贏得了國際社會的尊敬和喝彩。

　　2008年的“神七”，鷹唳長空。航天員出艙活動，太空行走，展示中國在太空中維修和緊急應變能力，為“神九”以后宇宙飛船對接、空間站組裝任務鋪路，踢出第三步。

　　這基本前三步一定要一環扣一環踢出，中國才能建立起載人航天完整的基本實力，被國際太空強國認可，正式取得國際載人航天俱樂部金卡會員證。金卡會員只有三名，俄羅斯、美國和中國。

　　“神七”宇宙飛船的結構，和“神五”、“神六”略有不同。為了出艙，“神七”將軌道艙改裝成氣閘艙。氣閘，顧名思義，是為了平衡壓力而設計的。出艙的程序是兩位航天員先穿過內氣閘門，進入氣閘艙，關死內氣閘門，穿上艙外航天服(以下皆稱出艙服)，開始預先吸純氧氣排氮氣一段時間(最短40分鐘，最長可達3小時)，調整身體的生理狀態。吸氧排氮動作完畢后，兩位航天員做出艙前最后檢查。一切就緒后，就把氣閘艙內的空氣抽入到返回艙，直到真空，然后打開氣閘艙通往太空的另一扇外氣閘門，一位航天員出艙，一位航天員留守在氣閘艙內打下手(圖1)。任務完成回艙后，依相反程序操作兩扇氣閘門，回到返回艙�；爻淌怯傻蛪合蚋邏呵斑M，不需生理適應時間，就可直接由真空太空，通過氣閘艙，進入一大氣壓下的返回艙。

　　雖然“神七”的航天員只出艙一小時，但這一小時的工作成果，打開了另一維嶄新的空間，把中國載人航天事業推上了更高的一個境界。

　　“神七”航天員在艙外時，還會順手釋放一顆伴飛小衛星，同時也在艙內進行一些微重力實驗。

　　2008年4月25日，中國為“神七”任務發射了一枚在地球同步軌道上運作的數據中繼衛星“天鏈一號”，同時又新增了兩艘遠洋通訊船(圖2)。加上中國現有的地面通訊站和其它四艘“遠望號”通訊船，“神七”62%的軌道皆已納入通訊系統。這是中國載人航天通訊上一項重大的成就。

　　太空行走

　　從1965年3月18日前蘇聯“上升二號”(Voskhod 2)航天員里奧諾夫(Alexei Leonov)首次人類太空出艙起算， 到本文截稿日為止(2008年9月11日)，“神七”是人類第298次太空行走(Space Walk)。

　　“行走”是人類在重力場中雙腳和路面摩擦前行現象。在太空軌道中，重力被速度產生的離心力抵消，航天員處于漂浮狀態。雖然我們一直軌道軌道說個不停，但在太空中找不到鐵軌，也看不到柏油路，更沒有高速公路。像李寧在北京奧運會點燃圣火前的“空中行走”一樣，航天員“太空行走”， 腳不沾地，是文學加工后羅曼蒂克的形容詞。正確的說法是出艙活動(Extra Vehicular Activity，EVA)。

　　航天員頻繁出艙，不是因為出艙活動像戶外郊游一樣好玩，而是因為一大堆艙外的復雜精密太空設備需要組裝和定期或緊急維修。出艙是必要的手段，也是載人航天必備的基本功。

　　航天員到目前為止已出艙近三百次，皆能安全完成任務返回。但這并不說明出艙任務絕對安全。實際情況是，太空環境極度惡劣，除開超真空外，還有高速流竄的微隕石流星體，溫度也極度不均勻：向陽面可以把水燒開，背陽面比南極冬天還冷。也別忘了太陽強烈的紫外線，還有它不時瘋狂地噴出接近光速的各類粒子和輻射能。航天員出艙訓練和工作，有如在槍子兒亂飛、冰山火海中討生活，出艙服也隨時可能被打穿漏氣，是一項超級危險的活動。

　　更重要的，在返回艙中，航天員的生理機能已經平衡在一個和地面重力場中不同的基點上。出艙前，航天員還要再咬緊牙根，把生理機能調節成能適應出艙服內低壓純氧狀態，才能出艙。和地面人類比較，出艙的航天員首先已是在極度的失水狀態，第二是在相當于珠穆朗瑪峰的低壓下呼吸純氧。如出艙航天員需緊急幫助，在返回艙內的航天員一般無法立刻出艙救援。艙內艙外，咫尺天涯。所以為安全著想，出艙活動，會同時將兩位航天員一起送進氣閘艙，將他們的生理基點，同步調整到可以立即出艙狀況。一人出艙，一人留守在氣閘艙內打下手。萬一發生緊急情況，預備航天員可立即出艙救援，省掉出艙準備時間。

　　生理

　　人類幾百萬年的生理演化一向以地心引力和一大氣壓空氣為中心。我們頂天立地地站著；我們的肌肉、骨骼不停地接受著重力的千錘百煉，才能維持它們的強度；內耳的半規管依賴重力使我們能辨方位；我們的心臟血管的正常操作也是以地球重力場和一大氣壓為主軸演化發展出來的。

　　在過去四十多年太空飛行中，蘇俄和美國的科學家收集了一些初步的數據。這些數據顯示，失重對內分泌、紅白血球的產量、內耳平衡器官及骨質的松弛都有一定程度的影響。但最明顯的生理失重狀況，莫過于太空失水及其引起的一些癥狀，如太空貧血、內分泌降低、雙腿肌肉萎縮等。這些癥狀如果沒有妥善處理，小至影響航天員的健康，大至引起宇宙飛船操縱失控。

　　人類的體液在重力作用下，大部分集中在下半身，在失重狀況下，下半身的體液會向全身分布，造成臉部充水等現象。人體內兩個重要的壓感中心(baro receptor)全都分布在上半身，一個在心臟大動脈上，另一個在頸動脈上。這兩個中心在失重時傳給腦部的訊號，并不是體液重新分布的訊息，而是體液太多的告急信號，這個信號會引起體液大量排泄。

　　通常在航天員進入地球軌道后二十四小時之內，這種排水的現象就會告一段落，此時體液的分布，和在地表重力環境下不同，基本上是一種嚴重的失水狀態。在微重力下，人類的生理機能平衡在一個和地面不同的基點上，在這個新基點上，航天員的血壓與心跳都比在正常重力下約低上5%。血壓與心跳的變化幅度降低，應變能力也隨之減低，但航天員可以在這個基點上正常地生活與操作。

　　然而，生存在這個新的基點上，明顯地潛伏著危機。譬如說，宇宙飛船突然需要緊急降落，航天員沒有時間補充失去的體液，一旦重返正常重力狀況，體液重新向下半身集中，造成上半身貧血，輕微狀況會造成頭暈，嚴重情況會造成休克。如果發生在正副駕駛員身上，就會造成極度的危險。美國航天員最嚴重的病例有兩起，他們都需要在降落后，馬上打點滴，把失去的體液補充回來，才能站起來。

　　唉！航天員進入太空失重狀態后，入廁頻繁，大量失水，身體機能已很不爽。有些航天員還得在空間站長住六個月。骨骼和肌肉細胞得此訊息，不勝雀躍，因為它們不必再每天費勁跟重力場拼搏了。別忘了，我們細胞是聰明的，既然不需我們支撐您航天員的體重，那就讓我們歇歇，做個懶蟲吧！

　　骨骼和肌肉細胞開始罷工，骨質和肌肉馬上萎縮。航天員在太空不用肌肉骨骼，本可置之不理。但六個月下來，肌肉骨骼流失百分之十。返航落地后，不能挺胸昂首地走出宇宙飛船，竟需要救護擔架抬著，有損英雄形象。

　　于是航天員只好綁上橡皮筋，每天在太空艙內拼命做撞擊跑步運動，模擬重力場情況，明確照會體內骨骼和肌肉細胞，甭躲清閑耍小聰明，該干嘛干嘛，繼續給我制造足夠的細胞產量。

　　在失重的情況下，每天揮汗運動四小時，要消耗大量氧氣。于是航天員集體一致要求，饒了我們吧，我們已失去重力場，請別在太空艙的空氣方面再剝削我們，給我們一大氣壓吧，像海平面地球老家那種的空氣，101.3千帕，21%氧，78%氮，讓我們在太空中至少還能呼吸到哺乳類幾億年來最愛的空氣，拜托拜托啦！

　　大家對一大氣壓的概念非常熟悉。但在討論出艙任務時，工程師喜歡用比較精確的“千帕”來形容。一大氣壓為101.3千帕，大氣中氧的分壓為21千帕，氮的分壓為78千帕。本文也跟著千帕一番吧。

　　所以近代太空艙的設計，包括以前的和平號空間站，現在的國際空間站、航天飛機和神舟宇宙飛船等，都是使用人類熟悉的一大氣壓空氣，盡量在失重的環境下，不再增加航天員生理上的負擔。

　　人類也掌握一大氣壓下所有的物理、化學、醫藥和生理等科學數據，尤其是有關太空艙所使用的材料和燃燒中間的關系。太空艙著火可不得了。雖然在無重力下燃燒化學和地面有很大的差異，但在一大氣壓下，我們所擁有的滅火知識最豐富，安全保障系數最高。

　　關在和海平面相同的一大氣壓下太空艙內，航天員的生活作息的確愉快了不少。但這個優越的條件，為艙內航天員專享，對要出艙的航天員，一大氣壓代表的是一堵高大的圍墻，增加了出艙的難度。

　　減壓

　　從生理方面來講，對出艙的航天員最方便的是穿上和艙內同樣一大氣壓的出艙服，繼續維持艙內的生理狀況，什么都不需做，就能迅速通過氣閘艙出艙。但一到艙外，開始操作，就發現一大氣壓的出艙服太難使用，甚至到無法使用的地步。

　　一大氣壓的出艙服在太空高真空中無法使用的原因很簡單，因為一大氣壓把出艙服繃得太緊，雙臂和兩腿被撐得硬梆梆像根柱子，動彈不得。

　　雖然我們不想再給航天員增加生理上額外負荷，但為了能實現有效出艙操作能力，出艙服不得不減壓。

　　人類的呼吸系統，在一大氣壓下，已經演化了上千萬年。我們每吸一口氣，肺細胞得到約21千帕氧氣供應，附在紅血球上輸送到全身，并呼出二氧化碳，完成呼吸程序。人要健康生存，每口氣兒都得吸進21千帕壓力的氧氣，少了就得缺氧癥(hypoxia)。因為這個21千帕數目字對人類有生死攸關的重要性，專家就特別發明一個專有名詞，把大氣中21千帕氧氣的分壓稱為海平面相等(sea level equivalent，SLE)氧壓。

　　但人每口氣吸進了氧，也同時吸進了比氧多出近四倍的氮氣。和氧分子不同，氮分子和人體不產生任何化學反應，基本上是以氣體狀態存在于人的體液(包括血液)和組織里。在一大氣壓下，溶在體液和組織里的氮氣雖呈飽和狀態，但與外界穩定平衡，相安無事。好像開罐前的可口可樂，只見液體，不見氣泡。

　　現在要解決的問題是出艙服要減壓。減壓不難，打開氣閘放氣就成。但難就難在先要知道這壓要減到什么程度，再要懂得這壓如何減，才能避免氮氣從血液中，像開了罐的汽水，冒泡而出，進入心臟或腦部，輕則休克中風，重則奪命。

　　第一個問題有底線。出艙服的氣壓不能低于海平面相等的氧氣壓力。所以不管你怎么減壓，得保證給足至少21千帕的氧氣。21千帕的純氧壓力，是出艙服壓力的最低限度。在這個壓力下，出艙服柔軟靈巧，是工程師的最愛。但航天員出艙活動，常要應付緊急情況，在供氧上不能太摳門兒，就多給點吧！所以1960年代的出艙服設計在24千帕純氧壓，1980年代以后的設計，則皆在30到40千帕純氧壓力之間。

　　其實純氧環境并不理想，出艙服內得有電線，萬一短路起火，可不是好玩的事。低壓還是加些惰性氣體防火？兩害取其輕，輕巧靈活較重要，低壓純氧出艙服占了優勢。人類戰戰兢兢出艙298次，還沒出過事。

　　低壓純氧出艙服當然好使。但從一大氣壓的軌道艙直接穿上低壓出艙服出艙可是條人類生理無法克服的鴻溝。恰如可口可樂。拽開易拉罐，罐中高壓下的二氧化碳氣體就吱吱作響地直沖而出。喝下去清涼可口，再不時打個嗝，爽！但航天員血液里的氮氣，在出艙服的低壓環境中如果也像汽水一樣冒泡而出，可不是鬧著玩的事。深海自由潛水員有時得減壓病(hypobaria 或俗稱decompression sickness, DCS)，大半由于從高水壓海底浮升到水面太快，血液里的氮氣以氣泡溢出，嚴重時對身體會造成致命傷害。

　　所以，在1960年代，人類剛開始面臨太空減壓出艙的問題，就用了個迂回戰術，把減壓工作在地面發射前就做完。上天后各類資源缺乏，也為了減低航天員的工作量，太空艙都設定在低壓純氧狀態，航天員可以直接穿上較低氣壓的出艙服直接出艙，省掉了減壓出艙的繁瑣程序。

　　被純氧充滿的太空艙，壓力雖低，也是枚定時炸彈。1961年3月23日，加加林上天前20天，前蘇聯航天員龐達倫可(Valentin Bondarenko)就在地面被火燒死在一個低壓純氧的太空艙內，成為第一位為太空事業犧牲的人類。1967年1月27日，“阿波羅一號”三位航天員，包括美國第一位在1965年出艙太空行走英雄懷特(Edward White)，在地面發射架上太空艙內任務模擬訓練時，不幸電線短路失火，火苗在純氧環境中，迅速蔓延，搶救不及，慘烈犧牲，美國登月計劃第一梯隊，全軍覆沒。

　　但為了太空和登月真空出艙任務能安全完成生理減壓程序，人類不惜犧牲，繼續踏著前人的足跡，堅持使用低壓純氧太空艙。

　　美國在1960年代的水星、雙子星和阿波羅等太空艙，使用的都是35千帕低壓純氧大氣。航天員在地面上預先進行數小時的吸純氧排氮動作，然后進入純氧太空艙，封艙，發射。出艙服設計在24千帕純氧壓力，只略低于35千帕太空艙純氧大氣，進入太空后，不再需減壓調整，就可立即出艙。

　　預先呼吸純氧(prebreathing)，是準備在低壓環境生存的必要手段。航天員可以在舒適的地面一大氣壓環境下，穿上出艙服，戴著氧氣罩，坐在電視機前，一邊看自己喜歡的節目，一邊把純氧一口一口吸進去，慢慢地把體內的氮氣分子一個一個趕出去。呼吸純氧大半天，保證把體內氮氣分子全數遞解出境。

　　前文提到執行人類第一次太空行走任務的前蘇聯“上升二號”太空艙，設計氣壓為70千帕純氧，出艙服40千帕純氧。航天員在地面上預先呼吸純氧動作完畢上天后，也是可以直接出艙。

　　隨著知識和經驗的累積，航天員要求較安全舒適的太空居住條件。出艙活動固然重要，但不是每天都做，屬偶發事件。于是近代的太空艙(如前和平號空間站、國際空間站、航天飛機和神舟宇宙飛船等)都使用海平面一大氣壓101千帕的空氣。既然您航天員把一大氣壓搬上了天，為未來建造太空五星級賓館鋪路，那就委屈您了，順手把減壓出艙的準備工作，也在天上做吧！

　　從一大氣壓出艙，所需生理調整時間的長短，端看出艙服的氣壓高低而定。出艙服氣壓越接近一大氣壓，出艙準備時間越短。俄羅斯“星辰” 公司(Zvezda)發展出來的“海鷹號”(Orlan)系列出艙服用的是40千帕純氧。出艙前，航天員要預先在出艙服內呼吸純氧1~3小時，將身體血液和肺葉中自由漫游的氮氣清除干凈，才能出艙。

　　美國的出艙服氣壓為30千帕，比“海鷹號”低上25%，需預先呼吸純氧達六小時之久，才能出艙，比“海鷹號”程序幾乎長出一倍。但出艙服壓力低，較靈活，手套部份靈敏度也相對提高，觸覺可到拾起一元鋼蹦兒的程度。

　　通常美國航天員出艙所需準備時間更長。他們先把航天員(已呼吸純氧一小時)關進一個70千帕(27%氧，73%氮)的氣閘艙12小時。一覺睡醒后，神清氣爽，并且身體含氮量至少已降到一大氣壓的70%，所以只要穿上出艙服再預先呼吸純氧40~75分鐘驅氮氣，比六小時短了很多，即可出艙。這種安排是把大部份生理低壓調整時間在睡眠中度過，較易排遣枯燥時段，符合人性需求。

　　總之，出艙先進國家找出幾種可靠的的出艙程序，付諸實施。不過，也是像人類其它活動一樣，五花八門，各村有各村的打法。

　　“神七”的“飛天號”出艙服，采用了“海鷹號”系統。