图片来源：詹姆斯·沃恩
CHAPTER2：暗黑禁地
太空并不欢迎人类，但是不要因此放弃探索。迄今为止，已经有500人被送入太空，大部分人平安返回。5这些勇敢的人愿意奔赴太空，是因为他们认为探索是一项值得冒险的事业，哪怕他们知道会有很大风险。只要风险概率在合理范围内，在我认识的宇航员中，没有谁会不乐意接受航行任务。太空并非一个天然适合人类旅行或定居的地方。要想把人类送入太空，并保证他们的安全，必须做很多准备，哪怕只是短时间停留。
先说发射。为什么进入地球轨道那么难？太空不就在上面吗——所谓的地球与太空的边界，就在我们头顶以上100千米处。每90分钟绕地球一周的国际空间站，离地高度也才不到400千米。如果不堵车，开这么远只需要4小时。但是事实证明，向上运动比向前运动难得多——需要极高的速度，才能达到地球轨道高度。向上爬升消耗的能量，也比在地球表面穿行多很多。另外，如何优化能效也是一个非常棘手的难题。
航天飞机视角的日落。
图片来源：美国国家航空航天局
航天飞机升空并向东移动的长曝光照片。
图片来源：美国国家航空航天局
搭载航天器进入地球轨道时，从地球出发的火箭必须走一段弯路到达赤道上方，还要提供很大的推力克服地球引力，达到一定的高度和一定的速度，航天器才能进入轨道并在轨道停留。你开车在地球表面行进400千米的路程可能只需要40升汽油，而且如果以每小时100千米的速度行驶，只需要4小时就到了。但是，如果你想抵达国际空间站，距离同样是400千米，你要做的却比开车去400千米之外复杂得多，通常你要先瞄准天空上起始位置以东*的一个点6。到达那个点之后，还需要极高的速度去对抗引力，因为引力会尽最大努力把你拉回地球。要到达轨道并在轨道上停留，除了离开地球表面所需的力（塞斯纳的飞机也能做到），还需要保持每小时28200千米的速度。因此，火箭运载的航天舱虽然不大，作为运输工具的火箭却很大。摆脱地面的束缚，达到所需的速度和高度，要消耗大量燃料。
火箭载荷的90%是燃料，有效载荷（人员、机器人、补给等）才占10%。这一现实被称为“火箭方程式的暴政”，这是著名的苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）在1903年提出的概念。
111米高的土星5号月球火箭，能返回的只有最后那4米的部分，也就是上面那个小小的圆锥形的指挥舱（图中红框内），指挥舱内有3位宇航员。
图片来源：美国国家航空航天局
地球的引力实际上非常强大，航行至几千万千米之外的火星，所需的能源不过是进入地球轨道的2倍。由此，你应该能大致想象出，抵达绕地最低轨道要克服多大阻力。
大多数人对此都有直观的感受。当运送卫星、飞船的火箭或航天飞机起飞时，会发出雷鸣般的响声，这类视频我们都看过。发射活动掀起的狂风、发出的怒吼，看起来既复杂又费钱——事实上的确如此。
在航天航空领域的商业交易中，人们常会郑重其事地表示：航天事业不容易。
20世纪60年代，美国发射了水星号飞船。图为水星号飞船的制动火箭，这些制动推进器在飞船重新进入大气层时，成功消减了飞船的速度。
图片来源：美国国家航空航天局
进入轨道，完成任务之后，航天器要重返大气层回到地球。为了摆脱地球引力、达到每小时28200千米的速度，航天器从火箭获得了大量的能量；但返回时航天器再次需要充足的燃料来抵消这些能量。实际上，返航和升空过程正好相反，航天器返航时要降低速度，让引力将其拉回地球。这个过程是通过小型制动推进器，也就是制动火箭实现的。制动火箭使航天器减速，低于轨道速度后，航天器就会重新回到大气层。航天器进入稠密的地球大气中（地球轨道没有大气），与大气分子产生摩擦，摩擦力会逐步降低航天器的速度。回到100千米之下时，大气的作用就很明显了，这时候大气密度已经足够大，摩擦力会让航天器速度变慢，温度升高，气态分子无法迅速移开给航天器让路。如果没有相应的防护措施，航天器就会开始熔化，最终解体。大部分进入大气层的流星，都没有坠落到地面上，是因为流星物质与大气摩擦产生高温，在坠落地面之前就汽化了。因此航天器必须足够坚固，能够充分隔离高温，这样才能在返回大气层时经受住结构应力和极端高温的考验。
防护材料能帮助航天器在返航时抵御高温。耐高温的复合防护材料能抵挡住上千度的高温。航天飞机隔热瓦的防护等级是800℃。在建造阿波罗飞船时，就考虑到飞船从月球返回地球时的速度为每小时40233千米，要经历2800℃的高温。
阿波罗指挥舱（Apollo command module）重返地球大气层时的概念图，舱体温度能升到2760℃。
图片来源：美国国家航空航天局
经受住大气层的炙烤和重击之后，还需要其他方法继续给航天器减速。比如航天飞机是有机翼的，还有一些私人企业以及空军部队的新型太空飞机，返航时靠机翼滑翔降落，降落过程中逐渐损耗动能，最终降落到跑道上。从早期的水星号到最近的联盟号和SpaceX的龙飞船，宇宙飞船降落时依靠降落伞减速，有时也会在最后阶段点火制动火箭降速。
这是一幅20世纪70年代美国国家航空航天局绘制的画作，航天飞机正在返航途中，隔热瓦在高温炙烤下发红发亮。
图片来源：美国国家航空航天局
联盟号飞船着陆俯视图。这艘俄罗斯航天器，只有载人舱降落到了干燥的平原上。
图片来源：美国国家航空航天局/比尔·英格尔斯
在跑道上降落的宇宙飞船，着陆速度大约是每小时322千米（在跑道上滑行，继续消耗剩余动能），联盟号飞船和龙飞船的着陆速度是每小时11千米左右。“ΔV”是一个航天术语，表示速度的变化。从每小时28200千米到每小时11千米，速度变化非常大。
如果航天器的目的地比地球轨道还远，比如月球，或者有朝一日登陆火星，航天器返回时的速度会更高，这是因为在地球引力场的作用下，航天器在太空中行进的速度会越来越快。为了保证宇宙飞船成功返航，阿波罗登月任务中使用的散热装置，必须比航天飞机的隔热瓦还耐用。
进入太空，以及返回地球，都需要相应的技术支持。在升空过程中、在太空停留以及在返回地球的过程中保障宇航员的安全，也不是一件容易的事。
要想了解其中的不容易，我们可以用一些机械术语重新思考一下人类的属性。从本质上来讲，我们人类就是一个湿软的袋子（我们称之为皮肤）包裹了一些水分和肉。我们从弱小的单细胞生物，演化成复杂的灵长类动物，花费了近40亿年。这40亿年间，环境带来的挑战，迫使我们一直在挣扎中求生。这就说到了问题的关键：是孕育了我们的这颗星球，将我们塑造成了现在的样子。一开始的地球，对于人类来说是有毒的，而且狂暴、混乱，后来才平静下来，变成现在我们眼中的样子，跟过去比起来，温和了许多，正好适合人类生存。我们全天候受制于重力——自身质量和地球质量相互吸引的产物。你的身体也会受到大气的挤压，海平面承受的压力是每平方厘米6.6千克。一般来说，承受的温度区间是从极地的冰点到热带的49℃。人体感觉最舒适的温度是15℃〜21℃，所以大部分发达国家的人，如果在室内装了空调，通常会定在这个温度。人类的演化，使我们完美适应了这样的环境。
地球的大气层和重力环境非常适合人类生存。太空远不如地球这般欢迎我们。
图片来源：美国国家航空航天局
为了生存，我们要喝水，让身体保持适当的含水量；我们要进食，获取能量来做功（维持心脏跳动、保持血液流动，也算做功）；我们还要呼吸。如果我们的演化环境是在月球或者火星、金星、木星，甚至太空，情况会大不相同。但是我们生活在地球上。演化环境造就了我们的生物设定，同时我们的生物设定也把我们困在了这个表面温暖、潮湿且被一层大气包裹着的星球上。
太空与地球完全不同。地球的环境对于人类而言是一种恩赐，为了在太空中生存，我们必须带上一小份地球的恩赐。我们的行程越远，花费的时间就越长，所做的准备也要越缜密。我们必须带上赖以维生的空气、水和食物。如果是长期任务，我们还要想办法应对重力缺失的问题，因为长期处于失重状态，身体会出状况。与此同时，太空中的真空环境让我们无法呼吸，还会挤压体内的水分，让我们变成一具没有生命的干燥躯壳。与地球类似的相邻行星，比如金星、火星，温度直接受太阳影响，非常极端。直面太阳的半球，温度会迅速升到120℃，而背阴的一面温度则直线下降，大约是－160℃，最低能达到－210℃。如果在没有任何防护的情况下进入太空，你会迅速窒息、脱水，然后一面结冰固化，另一面则开始嗞嗞冒泡，变成一块熟肉。
太阳辐射，以及来自太阳系以外的辐射，受到地球磁场的影响。如果航天器飞出地球轨道，就无法受到地球磁场的保护。
图片来源：美国国家航空航天局
无论是在太空的边缘——地表96千米之上，还是月球表面或火星轨道，上文描述的这些特征都会出现。火星地表活动相对温和，但是温度依然极端，赤道附近高温能达到21℃；低温能降到－70℃，而两极温度直线下降到－140℃。火星大气层非常稀薄，密度不到地球的1/100，因此你的身体也会像在开阔的太空中一样体验类似窒息和脱水的感觉。
除此之外，太空中还有一只恐怖的“魔鬼”：辐射。如果你的活动范围超出近地轨道，即使抵挡住了真空和极端温度的考验，还要想办法解决致命的辐射。地球磁场将大部分入射辐射导向两极，因此地球磁场能保护地球，甚至近地轨道上的一切免受太空辐射的伤害。而大气能过滤掉太阳辐射出的紫外线，又为我们提供了一层防护。但是如果你飞到离地球几万千米之外，这些防护就全都失效了。在太空中，随着时间的流逝，来自太阳和其他星体的辐射会篡改你的DNA，引发癌症、心血管疾病，使你最终走向死亡。时间长了，辐射甚至会影响你的大脑7，让你在驾驶复杂的航天器时，出现混乱、抑郁、注意力不足等问题。
最后，我们必须说说重力。我们会抱怨气温或冷或热，也会抱怨呼吸时闻到的怪味，或者抱怨食物匮乏，但是我们不会抱怨重力，其实重力一直都在，无时无刻不在发挥作用。一旦我们离开地球进入轨道，重力和离心力相互抵消，重力对身体的影响也就跟着消失了。对于我们这些在一倍重力（地球重力）环境下演化过来的生命，这就成了问题。重力压迫消失之后，会出现各种反常现象。你体内平时聚积在腿部和下腹部的血液会自动平均分布，回流到胸部和头部。据在太空中待过的宇航员描述称，那种感觉就像得了无法康复的感冒。然后是骨骼，在地球上，骨骼要承受身体重量，与地球引力对抗；到了太空，压在骨骼上的担子消失了，反而会因此出现钙质流失的情况，导致骨质疏松。眼球形状也会发生变化，聚焦功能会逐渐丧失。8长期生活在低重力环境下，比如月球或火星，身体反应可能不会像在无重力环境下那么剧烈，但是人类还没有长时间在低重力环境下生活的经验，因此这会对人体产生什么影响，目前还不得而知。火星重力是地球的38%，也许长时间待在火星上不会对身体造成不好的影响；而月球重力只有地球的1/6。无论是火星还是月球，都比零重力环境友好，但是还需要通过进一步研究加以确认。关于这个话题，我们会在第六章做详细介绍。
人类第一次进入太空距今已有60年，这些年来，我们已经成功克服部分挑战，但是还有部分难题等待我们去攻克。如果将航天技术比作一棵果树，早年间，我们将一些小飞船送入地球轨道的成就，就相当于摘取了果树上低垂的果实——我们掌握了通过火箭喷嘴控制和引导高能化学爆炸的方法，将人类送入轨道，甚至登陆月球；我们设计并不断改进宇航服，让身体免受严峻太空环境以及月球表面有害环境的侵害；从太空竞赛开始，至今我们已经掌握了很多在太空中生存的技能，有些人在轨道空间站（orbiting stations）停留的时间已经超过了一年。但是对于我们的远大征程而言，这些只是开始。
为了摘到航天科技树上高悬的果实，我们要掌握在太空中长期生存的技能，消解低重力和强辐射环境对身体的影响。在太空长途飞行，乃至在太空中居住，变成日常活动之前，我们最好能更深入地了解这些问题。幸好，我们在开始的时候打下了坚实的基础，国际空间站项目等正在开展的研究也有了不少收获。虽说我们的航天技术已经达到有史以来的最高水平，但是航天飞行依然不是件容易的事，风险和挑战依然存在。
说到这里，我们就不得不面对一个摆在面前的问题：太空对于人类那么不友好，太空之旅又面临重重挑战，我们为什么非要迎难而上呢？
1972年，阿波罗17号登月任务的最后时刻，空间探索的序曲进入尾声。
图片来源：美国国家航空航天局
* 因为要借助地球自西向东的自转线速度来节约燃料，所以一般朝东发射。——编者注