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太空光伏电站的安装和维护:重要性与挑战

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:太空光伏电站面积很大,安装时宇航工人太空行走是常事。太空光伏电站建设对“太空建筑工”的依赖,使每次太空行走的任务变得更加关键。

太空光伏电站的安装和维护:重要性与挑战

太空光伏电站面积很大,安装时宇航工人太空行走是常事。

1.太空生活

(1)住 宇航员居住、生活和工作的密闭舱是宇宙飞船上的一个主要部分,是保证宇航员身体健康环境控制与生命保障系统。生命保障系统最为重要的是供水系统。它的主要任务是供给宇航员生活用水和饮食用水。密闭舱是一个狭小的环境,必须对不断产生的污染物加以净化,以维持舱内空气新鲜,保证宇航员的身体健康。

(2)睡眠

1)睡袋。科学家为宇航员设计了多种样式的睡袋,有长方形的,也有椭圆形的,有水平放置的,也有垂直放置的。因为在失重条件下,无上下之分,躺着睡和站着睡感觉一个样。在太空睡觉,会有一种掉进万丈深渊的感觉,主要因为身体下面没有任何支撑的东西。这种危险感大约要持续两三天才能消除。有的人喜欢将睡袋紧贴着舱壁睡觉,这样就会使人感觉像睡在床上一样。使用这种方式睡觉,后背可以伸直,有利于预防腰背痛

2)卧铺。装了专门用于宇航员休息的卧铺,类似火车上的卧铺床。卧铺分上下两层,在失重状态下,完全放松时,身体会自然形成一种弓形姿势。卧铺可以消除一种飘飘然式的自由下落感。由于失重飘浮,宇航员行动起来不像在地面上那样自如,坐立不稳、摇摇晃晃,稍一抬头仰身就有可能来个大翻身,弯腰时又有可能翻筋斗,所以一切动作都得小心翼翼。为了防止无意中触及开关,他们睡觉时必须把双手束在胸前。

3)卧室和床。在空间轨道站上,宇航员有分隔式卧室和床,但他们在睡觉时必须把自己捆在床上,以免翻身时因失重而飘离。

(3)吃喝 宇航员的营养需求、食品制备、供给和他们的进食方式等都有一定的特殊性,航天食品从本质上讲与地面普通食品是一样的,都是为人体提供能量和营养。如营养好的干化饼干和干化香肠,吃时用水泡一下,即可恢复到与新鲜食品相近的味道;食品或半湿食品的带汁火鸡牛肉等,它们的水分含量和地面吃的正常食品相同。航天食品除了要能经受住航天特殊环境因素的影响,如冲击、振动、加速度等的考验而不失效外,还必须针对宇航员在失重条件下生理改变的指数,对膳食的营养素作适当调整,如肌肉萎缩就要求食品必须提供充足的优质蛋白质;骨质疏松则要求食品提供充足的钙以及适宜的钙磷比例和维生素等。在太空舱里可以使用微波加热器来烘烤食物,这种微波加热器与地面上使用的加热器有所不同,上面有一些特制的凹进去的小格,需要加热的食物都必须固定在这些小格内,防止加热时食物飘浮起来。

宇航员进餐需站着吃,靠鞋子上的吸盘把身体吸在地板上,如果没有特殊的座椅,不能坐着吃,如果坐下来,上半身就会自然地朝后仰,吃饭就很别扭。吃饭时要做到轻手轻脚,不可以冲撞碗、碟、匙、叉,否则,饭菜就会从嘴边飞走。在一般情况下,宇宙食品要做成一口大小的方块、长方块或小球状的“一口吃”情况,吃时不必再切开,进食时就比较安全方便,避免碎屑飘浮。食物失重以后不容易滑入食道,所以,饭要一口一口地吞,水要一口一口地喝,菜要细嚼慢咽,切忌狼吞虎咽,否则的话,食物残渣和汤菜撒掉后就会到处乱飞,有可能被宇航员吸进肺里,从而酿成事故。一杯盛满水的杯子朝下朝上放都一样,杯子里的水不会自动飘浮或洒落出来,各种食物、零件、用具等都是固定好了的。宇航员从食品柜里拿出食品后,要把装食品的复合塑料膜袋剪开一个小口,把叉子和筷子伸进口袋里叉着往嘴里送。当宇航员要喝水,吃汤、羹、汁、果酱时,直接从塑料口袋或牙膏状的软铝管里,一点一点往嘴里挤就可以了。

(4)刷牙 前苏联宇航员是用湿毛巾刷牙,在手指头上缠上一段湿毛巾,沾点清洁剂,伸进嘴里,反复地摩擦牙齿,这一方面可以起到清理牙齿的作用,另一方面,对牙齿也起到了按摩作用。美国宇航员除了采用上述方法刷牙外,不少人还采用嘴嚼特制口香糖以代替刷牙。

(5)洗脸 洗脸的方法是用一块浸泡着护肤液的湿毛巾来擦擦脸,或者用浸过润肤液的卫生巾来“洗脸”。

(6)梳头 梳头是用一块卫生巾铺在特制的电动梳头器上,用以梳理头发,头皮屑都沾在了卫生巾上。

(7)剃胡须 在失重的太空需要特制的剃须刀。美国和前苏联宇航员使用的电动剃须刀上,带有专门用来吸胡须渣的匣子,以免在刮脸时胡须渣在舱内到处飘浮而影响生活。

(8)洗澡 短期飞行时,宇航员一般用浸有特制清洁液的毛巾擦身以代替洗澡。长期逗留在太空的宇航员一般每十天入浴一次,进入浴室,只需要用手指轻轻按一下开关,水就会自然地附在身上,如果稍稍多用了一点水,就会产生很多大小不一的闪闪发光的水珠,像星星一样绕着身体不停地旋转。在身上浸透了清洁液后按下旁边的开关,就有一股向下的气流,把清水淋向全身,大约5s后,向上的气流就会把身体吹干。

(9)“方便”问题 航天飞机或空间站上,都设有专门的厕所,一般它设在废物管理舱的房间里,厕所内有一个呈漏斗状的收尿器,往收尿器内通气流,可把排出的尿吸收进内部的收集袋里。收集袋每天要换一次。航天飞机马桶直径20cm,配有易于装卸的粪便贮存罐,安有高功率尿液风动分离器。(www.xing528.com)

2.太空行走

太空行走又称为出舱活动,即航天员在载人航天器之外或在月球和行星等其他天体上完成各种任务的过程。太空光伏电站建设对“太空建筑工”的依赖,使每次太空行走的任务变得更加关键。由于太空处于真空状态,没有大气层的保护,温度变化也很大,太阳照射时温度可高于100℃,无阳光时温度可低于-200℃,同时还存在着能伤害人体的各种辐射和微流星体,因此在太空行走时,必须身穿特制航天服。同时,由于宇宙飞船、空间站、航天飞机这些载人航天器密闭舱内的人造气压、空气组成基本与地面相同,故人体内吸有一定量的氮气,而航天服内的气压较低,仅为大气压的27.5%,宇航员如果猛然出舱,遇到低的气压后血液供应会较差,溶解在脂肪组织中的氮气游离出来,却不能通过血液带到肺部排出而形成气泡,因此可能造成气栓堵塞血管,引发严重疾病。所以宇航员出舱前需要吸取纯氧将体内氮气排出,以免产生隐患。在太空行走的宇航员围绕地球高速运行时,在广袤的空间中没有参照物,无法分清物体的远近大小、速度快慢,如无保险措施,就可能会丢失在茫茫太空中而成为人体卫星。再加上载人航天器和自己都在运动,宇航员有时会被搞得晕头转向,亦有可能出现危险,所以太空行走需要采取保险措施——身系安全带。安全带犹如婴儿的脐带将宇航员与航天器连接起来,万一宇航员不能自己走回航天飞机,可以用牵引缆索把他拉回来。在一次太空行走中在太空停留时间最长的是两名航天员赫尔姆斯和沃斯,他俩于2001年3月11日从国际空间站出舱,在太空停留8小时56分钟,将近9个小时。而美国航宇局的要求是6h,一般航天员在太空停留的时间是7h左右,因此在太空停留8小时56分已到了太空行走时间的极限。

(1)气闸舱、航天服、喷气背包 气闸舱、航天服和喷气背包是太空行走的三大法宝

1)气闸舱。气闸舱与长江大坝的船闸有些类似。不同的是,船闸作用是水位过渡,而气闸舱是气体压力过渡。国外的载人航天器有专门的气闸舱。要进行太空行走首先要使用的重要设备是气闸舱,它不但防止在打开舱门时舱内的气体泄漏,还能在航天员出舱前进行大气压力调节。航天员离开航天器前先要在舱内进行吸氧排氮。这是因为舱内外气压差别极大,航天员出舱后人体组织内的气体会因外界压力低而往外逸出。人体的各组织都需要氧气,所以氧气逸到哪里都可以。但氮气逸出人体组织外就会使人体出现皮肤发痒、关节与肌肉疼痛、咳嗽和胸闷等症状。因此,航天员在穿低压航天服之前,必须把体内多余的氮气排出,用氧气来代替,其方法就是吸入纯氧。我国运七将航天员的生活舱“一舱两用”改成气闸舱。

2)航天服。

①美国航天服。美国航天服重130多千克,由14层组成,也用于“国际空间站”。该航天服是按上半身、下半身和手臂分开裁剪缝制的,其工作压力为29.647kPa,较低的工作压力使手部活动比较灵活。航天服关节部位保持恒定的容积,允许身体能在航天服内很容易地活动。舱外航天服的航天手套触觉敏感性极好,可以很容易地拾起1枚硬币。航天服可以适合任何人,每半年就要送回地面维修。航天服的靴子底是硬橡胶的。航天服由软材料制造而成,航天员需要在别人帮助下才能穿得上。

②俄罗斯航天服。俄罗斯航天服在“国际空间站”上使用的是奥兰M航天服,重110多千克,工作压力为39.989kPa。尽管有较高的工作压力,但还是能容易或比较容易地完成一些操作的。较高的工作压力可以减少航天员出舱前用于吸氧排氮的时间。俄罗斯航天服适用的身材范围比美国的小,航天员需要选择适合自己的航天服,现有适应身高在165~190cm的几种型号,且袖长和裤长可加以调整,但手套却要按人定制。奥兰M航天服设计简单,非常耐用,使用期为4年,并可在太空中维修和更换零部件。俄制航天服呈半软半硬状态,除了胳膊和腿部为软材料制造外,其余部分全部为金属材料。俄罗斯航天服是“自穿”式的,即航天员一个人就可穿上航天服。其铝制上衣的背后有1个门,航天员从后门钻进去,关上门后开始加压。穿衣的过程比较简单,几分钟内就能完成。由于手伸不到脸部,舱外航天服中还有搔痒工具。宇航员身穿用金属链连接的两截充有冷却液的贴身内衣,外罩铠甲、手套、长筒靴和盔帽,都通过金属链与躯体部分连在一起,靴子底是软皮革的,宇航服的关节部分是可折皱的软结构,使宇航员也能自由地弯腰拾起地上的钱币。出舱活动中很重要的装备是舱外航天服,与舱内航天服相比,它多了3层:一是真空隔热层,用于保护航天员不受舱外环境过热、过冷的侵袭。二是液冷层,把航天员身体产生的热量散掉。三是防护层,能防太阳辐射并装有连接其他设备的接口。茫茫的太空中,盔帽及喷气背包上面发出白光,给太空行走指明了“道路”。俄罗斯航天服比较粗笨,但设计比较简单。

③国产“飞天”航天服。国产“飞天”航天服有90多个关键部件,首先是躯干结构。这是一个跟人体附形的铝合金结构,设计厚度为1.5mm。航天服内的氧气瓶利用复合压力等综合技术,使氧气瓶的体积仅有一个小开水瓶大小,内部压力高达400atm(1atm=101325Pa),单瓶供氧量可持续六七个小时,双瓶在十个小时以上,并且能够保证在地球及太空环境的变化中足够安全。在两本《辞海》大小的气体液体控制台里,集成了20余种精巧阀门服装最外层的防护材料,可以在±100℃的温差范围内保持很好强度。“飞天”一套重120kg,从外观上看,“飞天”呈白色,人从背部进入,先入两腿,再入胳膊,戴上头盔,然后关上背包门。身高160~180cm的人,都能通过调节服装大小穿着。与俄制“海英”相比,“飞天”的关节和手套都更灵活,更便于操作。此外,“飞天”的电控系统实现了全数字化,控制台的OLED彩色显示屏图像清晰色彩鲜艳。地面一个标准大气压约为101kPa,而“飞天”航天服工作时内部的压力为40kPa,相当于海拔7000多米高山上的气压水平,可把氮气排出体外。经过医学研究和试验,30~50kPa的气压不会威胁人的健康。

3)喷气背包。现在有两种出舱方式可供选择:一种是身系“安全脐带”走出载人航天器到舱外。“安全脐带”主要是提供生命保障功能及起保险绳的作用,航天员在舱外所需要的氧气、压力、冷却工质、电源通信等都是通过这根“安全脐带”由“母”载人航天器提供;保险绳的作用,就是以免航天员飘走。此法简单,但存在明显的缺陷。例如,“脐带”不能过长,活动范围小,航天员只能在离“母”航天器几米范围内活动,如果走远了则容易使“脐带”缠绕,像婴儿那样“窒息”而死。在早期出舱活动中常采用这种方式。另一种是不系安全带,而采用载人机动装置——喷气背包,它又称太空摩托艇。简单地说就是航天员身背一个可以控制的小火箭在太空自由飞行。这是最先进的一种方式,航天员活动范围可达近百米,目前的太空行走大多采用这种方式等。喷气背包造价700万美元,是一种有推力的小型喷气装置,结构小巧简单。喷气背包安放在宇航员的背上,背包里充满了压缩的氮气。喷气背包重38.25kg,装有1.36kg氮气,有24个喷气装置,每个推力为3.63N,可作6个自由度的机动控制,工作时间为13min。喷气时能产生15cm/s的移动速度,最大移动速度为3m/s。航天员可通过绑在航天服前面的开关控制喷气,形成各个方向大小不同的反推力,实现各个方向不同的运动,能在茫茫的太空中翻筋斗、旋转、左右摇摆或定着不动,也能上、下、左、右自由移动。做完这些动作,宇航员心不跳,气不喘,毫无受累之感,因为在太空中既没有风也没有摩擦阻力。1984年2月3日,美国“挑战者号”上面的两名宇航员进行了使用喷气背包的试验,这是世界上第一次不系安全带的太空行走,历时5h。它多次用于“国际空间站”的组装、维修和求援,不使用的时候可以折叠起来保存。

(2)太空工作机器人 美国计划向空间站运送首个类人太空机器人,它能代替宇航员进行太空行走。这名空间站“永久居民”将作为人类同伴,展示人机搭伴的新前景。机器人名为“太空机器人2号”,由美国航天局和汽车制造业巨头通用汽车公司联合研制,机器人重大约136kg,有一个头、一副躯干、两个手臂和两只手,着“白衣”、戴金色头盔,机器人进入空间站后活动范围起初局限在“命运”号实验舱内。随着技术进步,它在空间站内外活动的自由度可能增加,能像人一样使用工具。机器人升空后,地面工程师将监测它如何在失重状态下工作。按设计,这一机器人能和空间站工作人员使用同样工具,内部运作会产生它与宇航员共事的有关性能数据。随着地面研发活动的开展,空间站工作人员可获得硬件和软件为机器人升级,以完成新任务。另外,机器人将在空间站内接受包括微重力测试在内的多种测试,承受站内辐射和电磁干扰环境。在空间站利用“太空机器人2号”是人类利用机器人探索太空的新开端,人与机器人搭伴对探索太阳系至关重要。这个项目展现一个前景,即今后一代机器人无论在太空还是在地面,能作为人类同伴而非取代人类发挥关键、辅助作用,人与机器人联合的潜力完美示范出整体如何大于部分总和,取得的成果比我们今天所能想象到的要多,可代宇航员“出生入死”。按设计,“太空机器人2号”升空前10年内,空间站将成为人机合作,完成建造、维修和科学任务的试验场。太空机器人今后最大的益处可能在于,它能成为宇航员太空行走期间的助手或替身,或帮助完成对人类而言过于困难或危险的任务。“太空机器人2号”现阶段正在接受振动、真空和辐射等多方面测试。在向国际空间站进发准备期间,它将经历种种测试,其严格水平与车辆及零部件在制造过程中经受的验证相当。

3.训练

地面训练无法完全模拟太空环境,只能对太空环境进行分解训练。例如,在真空罐中模拟真空,在中性浮力水槽中模拟失重感觉。航天飞机航天员大都在美国航空航天局“中性浮力实验室”中进行航天飞机在轨维修的实际操作训练。这个“中性浮力实验室”是目前世界上最大的室内游泳池,能容纳整个“国际空间站”模型和一个航天飞机的货舱模型。在该实验室的水池中,身处其中的航天员有在太空中工作的感觉,因而可以熟悉在失重状态下身体如何运动和双手如何操作,让航天员学会运用粘合剂、维修材料及多种工具。除供航天员作失重训练外,该水池也是美国航空航天局设计、研制和试验“国际空间站”的主要设备之一。

美国还有一种供航天员失重训练用的水池,叫“失重环境训练设备”,其附属设备包括净水系统、环境控制系统、电视监控系统和1台5t的起重机。该设备主要用于评定航天员太空行走装备、航天员身体限制系统、发展太空行走程序和提高航天员的太空行走能力。

我国神七比神六增加的操作多达1000多次。飞船入轨后,航天员就要开始进行出舱准备,从服装的解包、组装、气密性检查到出舱前的训练,总时长超过15h,这对航天员的身体条件和体能负荷提出了很高的要求。神七的诸多新技术,衍生出了航天员的新操作和新要求:一是对于舱外航天服的熟悉与操作;二是新增的飞行程序、与飞船的接口、气闸舱与服装的连接、舱门的开启等程序;三是要求航天员具备更加快速准确的反应能力和应急处置能力。

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