空间太阳能发电站

    近年来，由于人口激增和工业无节制的发展，人类对能源需求不断增长，使用煤炭、石油等一次性石化燃料，造成了严重的环境污染，为此，研究开发和应用可再生洁净能源已势在必行。经科学家研究分析，地球上可供开采的煤炭和石油等能源的储量非常有限，按照现今能源需求的增长速度，如无特别重大的发现，估计只能维持200—300年。还有人估计，地球上石油的蕴藏量为2兆桶，从1900年前后开始使用石油能源，如果不控制使用，预计到2050年石油将被用光，到那时必须有能替代石油的新能源。人们现已把注意力转向太阳，向太阳索取能源。

    太阳是太阳系的中心天体，它是一颗稳定的恒星，一个处于动态平衡的炽热的气体球。来自其中心产能区的巨大能流主要是电磁辐射，其次以粒子流的方式从太阳表层稳定地向外发射。太阳辐射能，是大气圈、水圈、生物圈运动，以及岩石圈作用的主要能源。人类生存活动更离不开太阳能，太阳粒子流以及太阳活动对地球也有重大的影响。通过实测，推算出太阳辐射总功率为3.82×1023千瓦，而地球仅仅能得到太阳总辐射能的22亿分之一。太阳每秒钟供给地球的能量是4.1×1013千卡，相当于每秒钟燃烧500万吨优质煤所发出的能量。太阳能的能量非常巨大，但绝大部分在茫茫太空中白白地散失掉了。

    如何把太阳能收集和利用起来为人类服务，已成为许多科学家研究的重大课题。20世纪中叶，科学家已在利用太阳能方面取得了一项重大的突破，就是能够把太阳能直接变为电能。太阳能发电是将太阳能转换成电能的过程。太阳能发电可分为太阳热发电和太阳光发电两大类。利用太阳辐射产生的热能生产蒸汽，来推动汽轮发电机组发电的过程，被称为太阳热发电。利用光电效应原理，将太阳光直接转换成电能的过程，被称为太阳光发电，亦称光电池发电。

    太阳光发电的核心是太阳电池组件。它是由硅单晶或砷化镓半导体材料制成，每个太阳能电池的面积只有几平方厘米。这种太阳能电池的应用十分广泛，在现代日常生活中随时都可以见到，比如太阳能电池计算器、太阳能电池手表和太阳能电池钟，只要太阳光一照射，这些计算器、手表和钟就能工作。由于航天技术的突飞猛进，如今人造卫星、宇宙飞船、空间站等航天器上的能源，大部分是采用太阳能供电，有些是将太阳能电池贴在卫星的表面上，有些则是贴在专门供给贴太阳能电池的翼板上，这种翼板好像是卫星向左右伸出的两扇翅膀。在翼板表面上贴有数以万计的太阳能电池，将它们并联或串联起来，在太阳光的照射下，便能供给几百瓦乃至几千瓦的电力。翼板面积越大，贴的太阳能电池越多，产生的电力就越大。1968年格拉塞博士提出了空间太阳能发电站方案，这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上，由它来聚集大量的阳光，利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上，然后通过天线接收经整流转变成电能，送入全国供电网。

    人们也许会想，目前在地面已经能够将太阳能电池安装在个人住宅的屋顶上，组成家用光电池发电系统，又何必到太空中去建设太阳能发电站呢？经研究人员分析，要把丰富的太阳能转变成电能，在地球上建立大型太阳能—电能转换装置，会出现很多不利因素。这是因为一般在地球上的任何一个地方，一年中只有1/2左右的时间能获得日照，而且日照程度又随时间和天气而改变，比如云、雾、雨、雪等天气现象的出现，使工作效率大为降低，所以不能把它作为基本负载的电厂来使用。

    同时还因为在地面上有风和重力存在，建筑超级大型太阳能电池阵或反射镜颇为困难。加之存在大气和地面的各种污染，还需要设计专用自动清洗设备对其进行定期清洗，不然就会影响它的转换效率。

    在宇宙空间建立太阳能电站，能合理地充分利用空间资源。太阳能电站最好设置在赤道平面内的地球同步轨道上，位于西经123°和东经57°附近。使太阳能电池阵始终对太阳定向，并且发射天线的微波束必须指向地面的接收天线。

    由于处在赤道平面的同步轨道上，因此空间太阳能电站与地面任何地方的相对位置都保持不变。电站上需带有少量推进剂，以便克服由太阳和月球重力作用、太阳光压和地球偏心率等因素造成的轨道飘移。不过当空间太阳能电站绕地球运动时，总有一部分时间内被地球遮挡住阳光。但由于该站设置在静止轨道上，每年有277天是全日照，仅每年的春分、秋分前后各有45天时间，轨道上的发电设施才出现地球阴影（亦称星食期），最长的停电时间也只不过75分钟，而停电时间又是可以正确预测的，照此算来，空间太阳能电站平均每天有99%的时间，可向地上接收设备输电。在外层空间，太阳能的利用绝不会受到天气、尘埃和有害气体的影响，再加上日照时间长，因此空间太阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比，接收的太阳能要高出6—15倍。

    美国波音公司设想的电站规模相当于一个空间小城市，如果建成，它的发电能力为美国最大水力发电站的2倍。据科学家估算，若建造60颗卫星式的空间太阳能发电站，其发电能力相当于美国目前所有发电站发电能力的总和。波音公司集中研究了两种电站的方案，一种是光电转换方案，另一种是热循环方案。每种方案能产生10000兆瓦的电能，可满足100万户家庭的需要。设想的卫星式空间太阳能电站，外形为长方形，长24.8千米，宽5.2千米，其面积为129平方千米，在这样大的卫星平台上，大约需贴140亿块太阳能电池。在太空建造这样的电站，总重量将达到10万吨。空间太阳能发电站所产生的电能是直流电，经转换成为微波能，送至电站平台上的发射机，通过直径1千米的天线发送出去。

    天线波束指向地面接收天线阵，经过地面天线接收后，再把微波能转换成直流电。这项工程之浩大实在令人惊叹，它将给人们留下深刻的印象，仅地面接收天线就足以说明这一点，其面积高达9.5千米×13千米，形状就像装在地面高处的一道道篱笆，不过在它下面的空间完全可以充分利用，用它来种植各种农作物。

    在外层空间轨道上，空间太阳能电站处于失重或微重力环境下，也就是说处于受很小外力作用的环境之中。这对于超级大型太阳电池阵和太阳能收集器的构筑十分有利，可采用轻型或展开式结构。此外，在太空高真空和高洁净环境下，也不必为太阳转换装置加设清洗、排水等机械设备，可大大简化装置。尽管如此，在太空建造空间太阳能电站，还需要解决一系列的技术问题，比如，要寻找制造成本低、性能好、重量轻的太阳能电池，以及轻型耐久的结构材料。同时还要研究解决好飞行控制问题，在太空对一个巨大的活动系统来说，如何使100多平方千米的巨型太阳电池阵始终对准太阳，并控制微波波束的发射方向，是一个难题。此外，人们也十分关心微波能量的传输，微波对电离层的影响，微波辐射对通信的影响，以及微波对生物的影响等问题。

    人们一旦下决心要在太空建设空间太阳能电站，必将要动用航天飞机、大型运载火箭这些运输系统，把为数众多的材料分期分批地运送到太空中去，将电站组装成型。如果一切能如愿以偿，待空间太阳能电站建成，地球上的能源危机就可得到缓解，环境污染问题亦会得到改善，人们期待的这一天不会太久了。

    前景广阔的空间建筑业

    现在国外一些大型科研中心的蓝图上，已描绘出永久性空间站、空间制药厂、空间冶炼厂、空间太阳能电站、空间旅馆、空间医院等的结构外形与施工方案。不久的将来，空间建筑师们就要奔赴太空，去那里开工建设了。

    处于特殊环境中的太空工地，具有许多不同于地面工作的特点。在广阔无垠的太空中，万籁俱寂，由于是一片茫茫的真空宇宙，尽管空间建筑工人在那里紧张地架设桁架，固定接头，但丝毫也听不到通常的叮当响和乒乓声。失重条件又给建筑师们带来了许多方便，人们有可能建筑任意形状和大小的建筑物，不需要过多地考虑建筑材料的承压力和所配置的设备载荷。但是，由于空间温度的急剧变化，也会给建筑业造成严重的困难，这就是使材料和构件变形，因此，必须寻找像石墨一类的膨胀系数低的建筑材料，以满足空间建筑业的需求。

    空间建筑业是一个新型行业，需要突破许多技术难关，比如空间装配技术就是其中之一。大型太空建筑结构，离不开横梁和桁架，空间用的桁架体积很大，从几百米到几千米不等，在地面很难制作，也无法运输。通常在地面把横梁卷绕成盘状，装在航天飞机的货舱内，送入太空工地后，由横梁制作机自动地把盘状材料切割成所需的长度，以供架设太空结构用。横梁制作、横梁装配、桁架展开以及成品结构总装，是建造大型太空构件的四个主要步骤，它们都必须在太空进行。通常，首先将第一批运送到太空的组件，拼接成立方形的空间建筑的中心体，或者利用折叠式的梁在空间展开，再竖成中心体。在中心体上装配起居室、设备舱、生命保证舱、库房等。然后，这些空间建筑工人仍到舱外活动，去装配第二个立方体，在第二个立方体基础上增加更多的装配件，扩大空间建筑物。

    建筑工人在太空中作业，如同水中的微粒处于某种悬浮状态，除了使建筑工人产生一些不寻常的感觉外，还带来了许多特殊问题。特别是难以和操作面保持确切的相对位置，并迫使工人在操作时十分谨慎小心，因为稍有大意将扳手或螺栓掉落下去，虽然用不着担心会砸到自己的脚上，但要把它取回来就不那么容易了，它总是在你够不着的地方游荡。为此，空间建筑工人本身以及所使用的工具、部件等，都必须用绳系住。当然，失重对操作工来说也有有利的一面，如太空建筑工人只要用极小的力气就可以安装好地面上十分笨重的构件，这是长期生活在地面上的人们一时无法想象的。

    建筑工人在失重情况下开始工作时，首先要做的事就是使自己的身体固定下来，或者从支架上找到一个支撑点，以免从工作地点飘走。为了使建筑工人定位，通常设计了一种带有磁铁或凸轮的专用鞋，鞋底的凸轮可以卡在工件的凹槽内，并采用特殊形状的定位专用工具，它有三种形式：第一种是在螺丝帽的孔内嵌入钢扣簧的弯曲头，建筑工人的手可握住扣簧而定位；第二种定位设备是固定在带拉杆的螺钉上，拉杆的另一端则系在建筑工人的腰带上；第三种是在螺帽上套着带有手柄的定位撑杆，建筑工人用手握住支撑杆就能定位。所有这些设备，都会有助于建筑工人在太空失重下的定位。为了适应太空环境，人们在地面建筑中常用的工具不能立即拿到太空中去使用，必须加以改进与革新。比如太空用的锤子与地面的完全不一样，其结构非常简单，但构思却很独特，锤子的敲击部分采用空心的，内部装的是金属球，当敲击时，下面的球往上跑，而上面的球则往下行，通过它们之间的摩擦来消除反冲力。因此，这种锤子与通常的锤子不一样的地方，就是在敲击后不会出现反弹力，有利于操作。太空用的剪刀做得也很巧妙，剪刀与手柄是组装而成的，根据需要可把剪刀卸下，而把平口钳、克丝钳等不同的工具换到手柄上去，还由于采用了双臂传动系统，建筑工人操作起来就十分省劲。

    太空钻孔专用机做得更为别致，其形状为圆锥形，有趣的是钻孔钻进的材料越深，钻出的孔就越大，操作时无需用力去压它，它会自动地伸进所加工的材料中去。此外，还有一种空间用的消旋电气传动装置，其原理是在使转子旋转的同时，定子也在旋转，只是旋转的方向不同，结果是一种方向的旋转抵消了另一方向的旋转，因而也无反作用力产生。

    在这种消旋电气传动装置上，装上圆锯、螺丝刀、钳子、冲孔器等，在操作时，手既感觉不到振动，亦感觉不到有后坐力的存在，而且几乎听不到响声。

    进入大型空间站、空间太阳能发电站等建设时期，为了减轻工人的劳动强度，最好的出路是全面实施机械化。一种是使用遥控机械手，它有七个自由度，能模仿人的肩、肘、腕、手的动作，可在太空架设桁架。

    另一种是自动遥控架梁机，它带有一个安装控制器的敞开式工作台，与地面建筑工程用的液压传动的特种起重机相类似。身着航天服的建筑工人被牢靠地固定在平台上，利用遥控机械手可进行50米外的空间作业。

    此外，还有一种经过精心设计的舱式机械手，也叫作自由飞行器或轨道机动飞行器，建筑工人在里面可不穿航天服进行操作，这种飞行器能在太空中自由飞行，为建筑工人任意漫游太空工地、运输物资器材、架设横梁桁架、救护失去工作能力和处于困境的工作人员提供方便。

    在大规模空间建筑开始之后，需要在空间建立长期性的低轨道载人建筑基地。这种基地应能容纳若干个小型作业组在里面工作、生活三个月，基地内配备有自动桁架制造机、架梁机械、各种备件与工具、特种预制件以及供组员生活保障的物资。此外，为了把工人和物资及材料等从低轨道转移到高轨道上去，还需要配备载人变轨飞行器，亦称轨道转移飞行器。

    本世纪，在令人神往的空间建筑事业中，将出现装有吊车的大型货舱，可以在导轨上移动，并设有固定的控制指挥中心。到那时，空间机器人也将成为空间建筑的主力军，空间建筑工人完全可以像地面现代化工厂那样从事工作，坐在信号灯闪烁的控制台前，远距离操纵各种各样的机械设备与仪表，创造出更加光辉灿烂的人类文明。当空间建筑业兴旺发达时，大兴土木建造空间城市的日子也就指日可待了。

    大显神威的空间机器人

    21世纪太空科技工业的迅速发展，带动了空间机器人事业的发展，并逐步担任主角，人将退居二线。据科学家估计，建造一个500万千瓦的空间太阳能电站，需要600多人在空间工作半年时间，其中100多人在低轨道空间基地工作，其余的则到地球同步轨道空间基地上去工作，并且还需要建立一支空间基地及发电系统的维修保养队伍。可以想象，未来的太空开发活动，将需要大量的人去完成。

    在以往的太空开发中，航天员已经创造了许许多多的奇迹，如登陆月球、舱外捕获失灵的卫星、太空修理哈勃望远镜。但是，这些活动究竟花了多少代价却鲜为人知。开发和利用空间的前景虽十分美好，但要使人类能在太空中停留，就必须有庞大而复杂的生命保障系统、环境控制系统、物资补给系统、救生系统等，而这些系统耗资惊人。据科学家预估，永久性载人空间站，其中生命保障系统、居住系统和航天员舱外活动系统三部分的体积约占核心舱总容积的16%，功耗占空间站总功耗的25%—38%，研制费占总经费的20%。另据估计，为了保证航天员在太空中活动，每个航天员每天约花费50万—100万美元。

    如此看来，开发太空绝不能像在地面工厂那样，将成千上万的工程技术人员和工人送往太空，去从事各种空间材料加工、空间生产、空间装配、空间修理等作业。唯一解决的办法，就是招聘大量的机器人，把他们送上太空取代人类，使之成为劳动的主力军，成为航天员的得力助手。在太空中人和机器人的作用，可用人体来形象地加以比喻，机器人好比人的四肢和躯体，由他们完成各种各样的繁重工作，而人的作用则相当于大脑，指挥和监控着所有的机械活动。要使太空科技工业具有最高的生产率、最低的运行费用，一种最为有效的途径就是在人的监控下，将机器人和高度自动化系统结合起来，组成高可靠、高效益的人—机混合系统。

    众所周知，机器人是一种通用机械系统，它像人一样，可以在事先未知的环境条件下完成各种各样的任务，具有对外界环境的感知、推理、判断和决策的功能。但是，人们也早已意识到并非所有的机器人都能到太空中去工作，因为空间环境与地面环境有着天壤之别。空间机器人工作在微重力、高真空、超低温、强辐射、照明差的环境里，因此，空间机器人与地面机器人有着很大的差别。在失重状态下，只要加速度不太大，纤纤细手也可挪动庞然大物。比如，航天飞机上的遥控机械手，就是用复合材料制成的6自由度的机械臂，长达15米，自重400千克，在地面上软弱无力，连自身重量的物体都抬不起来，然而，一到太空却能举起几十吨重的载荷。在失重状态下，只要对物体稍加推动，它将立即飞走，这给操作带来诸多不便，特别是给视觉识别带来麻烦。例如，在地面上，放在工作台上的物体总是以固定面朝向视觉镜头，而在太空，飘浮的工件可以任何方位朝向镜头。这样空间机器人就必须具备三维视觉系统，还需配以特殊的标志码来识别物体及其方位。要求手指能灵活地选择所要抓取的方位上的物体，并带有接近觉、触觉、滑动觉、力觉等智能传感器，以便配合视觉系统来完成操作任务。在失重状态下，任何物体包括机器人本身都是处在飘浮状态，这样空间机器人必须是多臂型。一只固定用手臂抓牢某个结构件而稳住自身，一只操作手臂稳住工件，另一只操作手臂用来完成操作任务。在高真空条件下，空间机器人的活动关节，与地面上的机器人活动关节也有本质上的差别，它需要采用固体润滑，并且要解决高真空条件下的金属冷焊问题。由于空间的微重力环境，操作手的动力方程与地面有较大差异，因此空间机器人是一种特殊形式的机器人。

    被选聘到太空工作的空间机器人，除了要能适应空间环境，还必须具备体积小、重量轻、挠性大，智能高、功能全、多臂型，微功耗、长寿命、高可靠等特性。空间机器人在太空主要从事的工作有：空间建筑与装配；卫星和其他航天器的维护和修理；空间生产和科学实验。

    空间建筑与装配是空间机器人的一大任务，尤其是在空间建设的初期阶段。

    一些大型结构件，如无线电天线和太阳能电池帆板的安装，大型桁架及各舱段的组装等舱外活动，都离不开空间机器人。空间机器人去舱外将承担大型构件的搬运，构件与构件之间的连接紧固，有毒或危险品的处理等一系列任务。据估计，空间建筑一半以上的任务将落在能舱外活动的机器人的身上。舱外活动机器人的特点是，在其末端操作器上带有高级遥观装置，可多臂协同工作，并配有工具夹和供货盘，由现场的计算机和专家系统给出工作指令，完成各种建造任务。

    随着空间活动的不断深入，人类在太空中的财产越来越多，截至1994年年底，世界各国已向太空发射了4500多个航天器，其中人造地球卫星约占90%。这些卫星一旦发生故障，丢弃它们再发射新的卫星，一是很不经济，二是增加了空间垃圾，因此必须设法加以修理。利用空间机器人将出现故障的卫星，从轨道上抓回来，带到空间站上去修理，然后再用辅助火箭或轨道机动飞行器，将修复的卫星放回太空轨道上。倘若有的航天器不能带回空间站修理，大多利用智能机器人乘坐自由飞行器去执行任务，对某些部件进行拆卸和再组装，或者对构件进行切割和焊接。

    有很多航天器，为了延长它的工作寿命，需要不断补给被消耗的物资，如照相胶片、氮气、燃料、冷却剂等，这些物资中，有的是有毒物质，有的则具有强腐蚀性，有的低温冷冻，在失重状态下很难处理。派舱外服务机器人去执行这些任务，既经济，又安全。舱外服务机器人携带全向天线，以便与空间站保持通信。还带有激光雷达和彩色立体视觉系统，用以导航和目标识别。手指上装有触觉传感器、滑觉传感器、接近觉传感器，腕臂上装有力觉传感器，用以增加操作的灵活性和精确程度。体内可携带工作所需的工具、元器件。需要时可乘坐喷气背包飞离空间站去执行各项任务。舱内机器人主要为科学有效载荷服务，因此，应按照实验的要求来选择机器人，可供选择的品种是很多的。它们不仅要执行应急和修理任务，而且要执行像添加反应物、产品收获、中间采样分析、搜集各种样品等一类的任务。

    舱内机器人的存在大大减轻了航天员的劳动强度和紧张情绪，并可在航天员离开现场时作为替补参与工作。有一种被命名为蜘蛛王的小型舱内机器人，通过1组8根凯夫拉绳与机器人的工作环境相连接。这些凯夫拉绳从蜘蛛王身躯的边角延伸到工作空间各个触点上。通过增大或减小特定绳的拉力，机器人便可在整个工作间内移动，其位置精确度和重复率高得令人吃惊。

    不言而喻，空间机器人在太空科技工业生产活动中，无论是提高安全性方面，还是提高生产效率和经济效益方面，都起着难以估量的作用。

    随着航天活动的不断深入，空间机器人必将得到新的发展。在不久的将来，当人类重返月球、飞向火星、飞出太阳系之际，空间机器人将以崭新的面貌大显神威！

    妙手回春的空间医院

    开发太空的目的，一是到空间去获取资源，二是对人类是否能适应太空环境进行试验，三是向现代医学挑战。试验表明，航天员在长期失重条件下不仅能耐受空间真空和高低温环境，而且还能工作。尽管如此，目前仍存在一系列航天医学方面的难题，如在失重环境中，血液大量涌向头部，造成血液循环系统和平衡系统功能性紊乱，航天员在空间出现呕吐昏眩症状的所谓“空间运动病”；长期失重还造成人体骨骼疏松，脱钙与脱磷等无机盐代谢紊乱，使肌肉萎缩等；失重还对人体的免疫力和遗传有影响，而这些生理反常现象，仅凭遥测和航天员的感受来探索是很难深入研究的，必须依靠医生亲临现场做多方面的体验与考察，才能有效地解决这些问题。

    早在1964年，苏联就派叶戈罗夫医生随上升号宇宙飞船到轨道上，在那里停留了24小时，从事医学课题的研究工作。相隔10年之后，又派遣阿季科夫医生乘联盟号宇宙飞船到礼炮—7号空间站上“出诊”。

    20世纪太空科技工业的兴起，将来大型空间站、太阳能发电站、空间工厂等的建设，在太空工作的不是几个航天员，至少几十人乃至几百人。

    因此，在考虑开发太空规划的同时，必不可少地要考虑空间医院的建设，以便解决航天员的医疗问题，以及利用空间有利环境治疗地球上难以治疗的某些疾病。空间医院将是一个综合性的医疗系统，集研究、治疗、休养于一体。

    空间运动病是航天员在失重飞行中碰到的共性问题。近20年的载人航天史上，空间运动病频繁发生，下面一组统计数字足以说明这一点，苏联“上升”号宇宙飞船上的航天员发病率约60%，“礼炮号”空间站上的发病率为40%左右。

    而美国“阿波罗”宇宙飞船上航天员发病率为37%，天空实验室上的为55.5%，航天飞机上的为53%，这充分说明空间运动病仍然是航天医学领域亟待解决的问题。空间运动病同属运动病范畴。运动病是指人乘坐飞机、车或船所引起的面色苍白、出冷汗、上腹部不适、恶心、呕吐等病症。空间运动病的症状反映在胃肠消化系统和中枢神经系统上，亦出现呕吐、厌食、头痛、心脏搏动次数减少、面色苍白、盗汗等严重症状，如同在地面上喝醉酒似的情形，空间运动病出现最早的时间可以在发射后15分钟就开始，最迟也在48小时内便发病，一般病症持续4—7天之后消失。空间运动病严重影响航天员的健康、工作能力和安全，尤其对于短期载人航天危害更大，在发射后短期内出舱活动或救生应急返回，是对航天员安全的一种威胁。对空间运动病治疗，主要方法有限制头部运动和服用抗运动病的药物。由于头部运动加重了空间运动病症状和视动性眼震以及错觉感，所以空间大夫应教会航天员有意识地控制头部运动，必要时用颈圈来限制头部运动。

    服用西药会出现某种副作用，同时亦不能完全消除空间运动病的症状。未来的空间医院将开展中西医结合治疗，发挥气功、针灸、中药的优势，进行综合性医疗研究。例如，中国的“长生不老药——杜仲”，就可作为空间保健药供航天员服用，据说它有促进蛋白质代谢、增进合成能力的效果。根据杜仲的药理推测，它能在微重力环境下起到抗肌肉和骨骼老化的作用。

    人们坚信，通过中西医的共同研究与探索，定能找到有效防护和治疗空间运动病的方法。

    空间医院还需要特别注意研究在空间长期生活中会出现哪些特殊病，采取什么措施可以防止它们的发生。据长期载人航天试验资料的统计分析，多发病为人的血管功能改变、骨骼脱钙、疲劳、睡眠紊乱、辐射损伤，还有一种常见病称为“心”病。虽然在短期载人航天史上，还未出现过因乘员的感觉、认识和心理障碍而使飞行归于失败的先例，也未曾听说过不良的心理反应引起航天员的生理机能受到明显损害，但随着空间基地建设，面临转向长期居住空间这一新生事物的出现，人际关系、社会及心理状态等问题就会接踵而来，而且日益复杂，处理这些问题也会越来越困难，处理不好便会严重影响任务的完成。

    太空科技工业基地将是一个“与世隔绝”的小型社会，什么样的人都会碰到。人长期生活在这种环境里，或多或少出现各种异常心理和生理的反应。有害作用使人从厌烦和无精打采，直至发展到不利于身心健康的焦躁不安、睡眠紊乱、疲惫不堪和认知受损，最终导致敌意或抑郁过度使其性格孤僻。曾有一位长期在太空生活过的航天员回忆起当时的情景，他认为在空间共同生活不会是宁静的，我们之间也会有意见分歧，有时甚至会对我的同事极为恼怒，但在失重状态下，站立不稳，就连想打人都很困难，有时即使感到灰心丧气也没办法，只觉得非常疲劳，常常不知道哪件事就会引起争吵。另一位航天员则回忆说：在空间出现控制不住的心理状态，也有周期性变化，有时会情绪紧张和难以入睡，有时却乐意把闲暇或娱乐时间用于工作，来打发时间，因为在工作中能感到时间过得快些，这样可消除因感觉时间过得慢而产生的孤独、寂寞、头痛、背痛及其他身体不适感。人们分析，无所事事会导致心理危机，在失重环境下尤为严重。

    长期在空间生活还会出现一些难以预料的险情。一些人在空间停留时间越长，越想返回地面与家人团聚。一些人因心理因素和个人因素导致事故发生。

    据说有一次，一名航天员本来分工在空间站内，监测另一名出舱的航天员生保系统，因被太空美景所吸引，抑制不住想欣赏一下的强烈欲望，于是违犯操作规程，将头伸出舱口，因未将安全带系牢，身体在失重下来回旋转，并逐渐飘离空间站，幸好被出舱的航天员及时发现，抓住了他的脚，才使他侥幸脱险。

    在空间活动的行为表明，在地球上许多看来是无关紧要的小事，而到达没有地方发泄强烈情感的空间环境里，相应变得十分重要。若对一些小事处理不当，造成人员的心理障碍，轻则影响工作效率，重则出现事故，后果不堪设想。建立空间医院后，航天员出现心理障碍后可到医院找心理医生咨询，心理医生有针对性地帮助他们消除障碍。亦可让航天员轮流到空间医院定期疗养，通过改变日常生活安排、休息、锻炼及检查治疗，增加娱乐活动，使空间生活变得有情趣，打破长期呆在太空令人厌烦、乏味、孤独和沉闷的气氛。与此同时，空间医院还可研究如何去调动人的积极因素，设法使人类通过自身的努力来维护和提高自己对空间环境的适应能力，训练并使他们掌握利用社会心理学知识，处理好人际关系。

    由此观之，空间医院的建立，将为人类征服宇宙排除各种干扰立下汗马功劳。

    空间医院不仅负责心理治疗，更重要的是研究如何确保航天员的生命安全，其中包括研究如何采取物理预防措施，如体育运动、电刺激、下身负压、防护服等。还要研究空间用的药物，进行临床治疗与预防。

    这些药物的功效在于：动员机体自身的代偿适应机制，以提高对极端因素的耐受性，预防感染、辐射损伤等；治疗疾病；消除疲劳和精神紧张。

    在失重状态下，机体出现体液向上移位，从而出现一系列血液循环变化以及站立耐力降低的现象。空间药理学的任务，是要寻找有效药物使血液重新分布正常化，消除小循环和大脑血液循环系统的淤血现象，预防心脏活动的紊乱，提高站立耐力等。其中特别重要的是研制预防和治疗心律不齐药、强心剂、影响心肌能量储备药、调节血管张力药等。空间医院建成后，所积累的许多医治太空病的经验与良方，将推广应用到地球上来，使更多的人受益。

    人们乐观地估计，空间医院还将是地球上病人的圣地。在那里，可以有效地利用无重力、无菌、真空这些特定环境治疗某些疾病。例如医治大面积烧伤病人，在空间医院里，病人不需要着床，可飘浮在空中进行悬浮治疗，这样绝不会生出令人烦恼的褥疮，而且在无菌下不会受到感染，有利于伤口的愈合。对于心脏病患者来说，空间医院是疗养的好去处，因为它能促进身体的早日康复，在太空失重条件下，血液重量及黏度均减小，心脏只需花费地面1/4的力气就能推动血液循环。这对患有心律不齐和心肌梗塞的人来说，心脏负担会大大减轻，促进了心肌的自然恢复。在空间医院里，对治疗呼吸系统疾病也很有利，如治疗肺气肿和哮喘病，都具有地面上无可比拟的优点。对于骨折治疗，无重力环境下，上石膏就更加简便了。而腿脚不灵活、腰痛无力的人可以在太空中自由行走。空间医院建成后，航天员可随时到医院就诊，白衣天使亦可到各工地去巡诊，地面上的一些伤病员也可乘坐航天飞机到空间医院去治疗，这些都将成为生活中的现实。

    建设太空家园

    未来太空城

    1969年美国普林斯顿大学教授奥尼尔提出在月球绕地球运行轨道的平衡点建立空间居住点，每个居住点可容纳1000万左右的人口，在居住点上建造人工地心引力和生态环境。后来又有美国斯坦福大学设计的轮胎形太空船和美国普林斯顿大学设计的伞形太空城，这两种太空城都是密闭的空间，可以旋转，有和地球一样的人造重力，又有农业区和适合人类生存的生态环境。

    当然，人类要实现这一设想并非轻而易举的事，科学家正在设计制造之中的太空站，便是太空城的一个雏形。空间站最早由苏联20世纪70年代发射，每个空间站有两间房屋大小。后来苏联又发射新一代空间站“和平号”，“和平号”空间站有6个对接口，可同时和6艘宇宙飞船或航天器对接，如果和若干艘“和平号”对接，就可以发展成未来的太空小镇了。目前已进入太空的空间站共有10座。

    月球移民工程

    这项宏伟的计划将分段进行，首先美国将向月球发射无人驾驶登月飞船，日本也制定了耗资800亿美元的10年登月规划；第二步美国于2005年建立第一批达数十人的月球基地，当登月人数达到上百万人时，就可形成开采、冶炼、加工到运输的生产系统；第三步，将于2015年建立起一个可容纳上千人的永久性月球基地。

    进入21世纪，地球面临着人口高速膨胀、土地和各种资源日益匮乏等种种危机，要解决这种危机的一个重要途径就是向太空移民。月球是离地球最近的天体，与地球的距离仅为384万公里，便于通信联系和控制作业。人类要向无限的空间挑战，就必须首先在月球安家，因而兴建永久性的月球基地成为21世纪的诱人工程。

    月球上的房屋

    在月球上建造房屋有一些得天独厚的条件。月球上有丰富的资源，沙土和岩石是很好的混凝土材料，是建造房屋的理想材料。在月球造房，也不必从地球上带去能源，因为月球上有大量的硅，可用来制造太阳能电池。这样，月球房屋的供热、供电就可以全部使用太阳能。

    但是，月球的地理环境与地球大不相同。地球上一昼夜为24小时，温差不大。而月球上一昼夜相当于地球上一个月的时间，白天气温高达100℃以上，夜里可以下降到—170℃。月球上也没有空气，人在月球上会遭到宇宙射线的辐射。

    20世纪80年代中期，美国估计在21世纪即可建成一个可使用的月球基地。

    月球将被改造成适宜人类居住的星球。今天在世的人可能只有一部分能有幸看到这样的真实景象，当他们回想起今天曾经与我们一起幻想的时候，一定会感慨万千，难以自禁。

    未来的火星家园

    火星是地球的近邻，它和地球有许多相似的地方，有四季更替和大气层，也有各种天气变化，不过质量比地球小，温度也比地球低得多。火星上是否存在生命的问题仍然没有确切的定论。美国和俄罗斯等国的科学家已经共同协商开展一项21世纪联合远征火星的人类最壮观的科学探索活动，计划分为三步进行。

    科学家设想未来可以在火星上建立农场，生产可供人类食用的农作物。

    改造火星的生态，以使它适宜地球人类居住，首先必须在火星上建立永久性的基地站，逐步改造生态环境。

    第一步，在20世纪末发射机器人到火星上进行探测取样；第二步，将火星车、可返回地球的航天器、“火星住宅”及实验设备送上火星，进行大面积考察；第三步，将首批宇航员3男3女混合机组送上火星，在火星上工作一年后返回，第二批宇航员在第一批出征了3个月后出征，这项计划最早可在2015—2020年实现。

    火星工程的首要目的是把火星环境地球化，科学家们计划用巨大的蛛网状薄膜聚镜使火星两极的水冰和干冰融化、蒸发，增加大气中的二氧化碳和温室效应，使火星上有雨水降落，科学家们还计划在火星上大量繁殖某些植物，以增加大气中的氧含量。

    当人类把火星改造得和地球一样时，人类移居火星的梦想就可以变成现实。

    人类要登上火星还有许多问题需要解决。离开地球到月球上去，不过几天的时间；而到火星，单程航行就得要300天，往返要600多天。在长时间失重条件下，宇航员如何保持身体健康十分重要。火星飞船携带长时间宇航所需的水、食品、燃料、氧气等，再加上飞船自身的重量，可达1500吨。这样重的飞船，在地面上用火箭发射是难以解决的。

    解决这个问题的办法之一是建立永久性航天站，把在地球上制造好的火星飞船及食品、燃料等由航天飞机逐次运送到航天站，再从这里把它发射出去。另一个办法是把火星飞船建成一个闭合的生态系统，能够进行自然的物质循环，制造氧气、水、食品等，以大大减少火星飞船上宇航员生活给养的负荷。

    纳米科技与纳米材料

    随着纳米科技的发展，人们已经能够直接利用原子、分子制造出包含几十个到几百个原子的“纳米微粒”，并把它们排列成三维的纳米固体，纳米固体具有一般材料所不具备的优良特性，被誉为“21世纪最有前途的新型材料”。

    例如用在固体火箭燃料中的超微铝粉或镍粉，能提高化学反应速度，燃烧值增加约1倍；用特殊材料制成的超微粒子注入人体血管内，随血液流动到体内各个部位，进行有效的治疗和健康检查。还有许多滋补品，如人参、鹿茸、天麻等，如果制成超微粒子，人们不仅服用方便，而且有效成分的利用率也可以大大提高。

    1纳米约等于10—9米，相当一根头发直径1/60000粗细。纳米技术就是在1—100纳米的尺度上研究和应用原子、分子现象及其结构信息的高新技术，最终目标是将原子或分子制造成具有特定功能的纳米产品，纳米科技包括纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械工程学等高科技群体。

    纳米技术最直接的科技成果是新的材料——碳纳米管的诞生，并且被称为碳元素的第四种形态，它的强度是钢材的100倍，5万个碳纳米管并排起来，才相当于一根头发粗。美国普林斯顿NEC研究所研究认为：碳纳米管是最佳纤维的首选材料。

    纳米技术的关键是借助扫描隧道显微镜直接操纵。近年来纳米技术产品不断问世。德国研制出一架只有黄蜂那么大的直升机；日本科学家用微型部件制造出一辆米粒大的汽车；等等。有人估计，到2020年人类的工厂可能比大头针的针尖还小，它可以为人类生产出各种产品来。纳米技术还将引发更深层次的信息革命，纳米计算机采用分子器件制造，运行速度更快、效率更高。

    纳米技术的核心就是装配分子、原子，利用分子和原子建造物体，从而将产生物质处理技术的革命。从观察超微世界，到操纵超微世界，纳米技术并不神秘，纳米技术已经开始走向了人们的生活。

    目前，世界各国都在大力研究开发纳米技术，特别是美国和日本等国。我国也早已把纳米科研项目纳入国家的“八五计划”，可以毫不夸张地说，纳米科技必将雄踞于21世纪，对人类社会产生重大而深远的影响。

    未来的生活用品

    自行控温的空调服

    如果人穿上这种空调服从温暖的南方走向寒冷的北国，一路上这种衣服能随着气温的变化而自动调节温度，让人感觉特别舒适，而且轻便。

    这种可将温度控制在一定范围的轻便服装是由特殊处理的衣料做成，一种是电子式的，另一种是晶体纤维式的。电子式的空调服的衣料内编织有冷却、电热和通风的材料，并有许多微细的传感器，感受与记录人体皮肤温度。在衣服发现偏离了人体感到舒适的温度时，就自动调节温度。

    晶体纤维式空调服是用两种特殊化合物处理过的纤维制成的，这两种化合物叫作塑性晶体化合物，它们会随着外界温度的变化而改变自己的方式，因此用这两种纤维做成的衣料能贮存和释放热量。科学家们已经在多孔纤维里应用了这两种晶体，还用来涂抹在棉花纤维的表层，制成冬暖夏凉的空调服。

    新型电视机

    随着电子科技的发展，科学家又研制出许多造型别致、性能优良的新型电视机，受到人们的青睐。

    日本富士通公司推出了一种可以挂在墙上的壁挂式电视机，这是一种42英寸等离子电视，厚度仅为8.5厘米，可以像一幅画一样挂在墙面上，还可以当作电脑显示器。

    美国最近制造出一种眼镜式电视机，它的外形与普通眼镜的外形相似。平时可以用作眼镜，想看电视时，只要操纵按钮，就可以看到想看的节目。这时它类似于全息照相机镜头，画面具有立体效果和一定景深，与一般看电视距离相当，因此没有必要担心会伤害眼睛。

    新型洗衣机

    我们知道，水中机械进行旋转时，会不断地产生水泡，水泡又不断地破裂，这样会产生一种冲击力，这就是“气蚀原理”。日本人首先利用超声波在洗衣缸中产生大量气泡来代替洗衣粉把衣物洗干净。还有一种衣洗机利用在真空中水沸腾的原理制造，水沸腾产生的气泡会把衣物上的污渍洗掉，并浮在表面上，在离心力的作用下，污渍被抛在壁上，然后进入泄水孔和过滤器。

    德国人发明了一种“球式洗衣机”。洗衣时把衣服放进温水中，然后放网球般大小的洗衣球。这种洗衣球产生相当于次声频率的电流，使污渍分子振动而脱离衣物，5分钟以后，任何织物的衣服都会被漂洗得干干净净。

    未来鞋类

    一个人一生中所走的路程，相当于绕地球10圈，未来的鞋能够进一步满足人们的行走需求，鞋类世界更加丰富多彩。

    音乐鞋

    适合儿童穿，鞋底部装有电路板、电池、音量调节器等，鞋四周装有琴键，孩子们穿上它，行走、跳跃时就会响起悦耳的音乐。

    高速鞋

    这种鞋里有小型发电机，能带动鞋底的胶轮滚动，或带动鞋跟里的压气机，利用气流反作用力把人推向前进。这种鞋可使人行走时速达100公里。

    行水鞋

    这种鞋如木制的橇，脚放在正中央，鞋底部有排水的推进器，穿上这种鞋，在保持身体平衡的前提下，过江过河都如履平地。

    弹簧鞋

    人脚本身就是一种特殊的“弹簧”，为增加这种功效，研制人员在鞋跟加上弹性滞后材料或可充气的气囊，使鞋产生缓冲震动的作用，有助于发挥脚的弹跳，将来会有老年人、旅行者等不同层次的人穿上这种鞋。

    未来的建筑

    太阳能住宅

    太阳能住宅是利用太阳辐射的能量来代替部分生活能源，使室内达到一定温度的居住建筑，也叫太阳能采暖房。

    太阳能住宅有主动式与被动式两种形式。主动式太阳能住宅的屋顶上装有接收太阳能的集热器，集热器上方是双层玻璃，下部是集热板。集热板将光能转化为热能，并以红外线方式向空气中辐射，红外线不能穿过玻璃，保证了热量不被浪费。集热板下面是储热器，有管道与墙里的风道相通，通过风机的自动控制，达到控制室内温度的目的。

    被动式太阳能住宅很多，最简单的一种是将房屋朝南的玻璃窗加大，直接照射到室内的储热体上面，来储存热量。

    还有将房屋顶做成一个蓄水浅池，白天阳光把水加热，并以辐射方式通过天花板传递给房间；夜间盖上保温盖，防止向外界散热。如果在夏天只需白天盖上保温盖，夜间打开，就可以达到降温的效果。

    数字化新居

    随着计算机技术的发展，未来的住宅也将用计算机来控制。房主首先把需要的温度、湿度等输入到电脑中，就可以保持室内空气清新、温度适宜。从事各种家务的电器也都由房屋控制器统一管理，房主在任何一个地方，只要通过电话就可以对室内各种家用电器进行遥控指挥了。

    电脑接触式门锁将使未来新居变得非常安全，这种锁只有用主人的指纹才能打开，电脑音响门锁只有听到主人的声音时才会开启。而且每个房间还有行动检测器，一旦有不速之客进来，便会电灯齐明，并发出警报，自动通知警方。如果有火情，电脑会自动切断电源，并及时告知消防队。

    海上城市

    海上城市是指在海上建立永久性居民点，并且具有现代化城市的一切功能。

    海上城市有浅海固定式和深海浮动式两种不同类型。浅海固定式是海滨城市向海洋的延伸，是海滨城市的有机组成部分，住房和城市设施都建在钢筋混凝土桩上。深海浮动式海上城市建在深海的浮动平台上，如海上石油开采用的居住平台就是一个小型的海上浮动城市。海上城市与大陆之间用海底隧道或桥梁连接，高速列车为主要的交通工具。

    美国的世界城市公司开发了一个“凤凰世界城”的建设项目，是一座真正的海上浮游城市，就像一艘能容纳5000人的巨大旅游船。日本的设计人员也要建造一座海上办公室以及海上商场、海上旅馆等。

    智能大厦

    信息技术和电子技术的迅猛发展是智能大厦产生的主要原因，智能大厦采用了高效率的通信设备，使办公效率大大提高，智能大厦本质上讲是办公自动化的产物。

    通信网络是智能大厦的中枢神经，它不仅保证大厦内的语音、数据、图像的传输，而且还与国内外的通信网络互联，与国内外互通信息、查询资料等。智能大厦内的空调、电梯、照明、防盗、防火、电力等设备的运行都受到统一系统的自动管理，具有安全、节能、便捷的特点。

    世界上许多国家目前已建有智能大厦。世界上第一座智能大厦1981年在美国康涅狄格州的哈特福德市落成，共38层；我国的第一座智能大厦于1995年在上海淮海路建成，共28层，用户不需出大厦，就能得到国内外所有信息，如股票、外汇、图书资料、飞机火车票务等信息和服务。

    未来的交通工具

    高速自行车

    高速自行车与传统自行车的结构完全不同。它的外部用轻质的塑料风罩包起来，使自行车具有流线的外形。科学家实验得出，把这种自行车放到流线型的车罩里，可以使车行驶的阻力减少一半，于是速度也会提高一倍。高速自行车的车座也与传统自行车不同，高速自行车的车座安装在与脚蹬等高的平面上，让人像半躺着一样踩脚蹬，这样的话，在脚蹬上不需格外用力，也能把时速提高到40公里。高速自行车可设计成像儿童车一样，具有三或四个轮子，使车辆的稳性更好。

    美国一位宇航科学家曾与人合作设计出一种“维克多”的高速自行车，可乘坐两人，最高时速达150公里，轮胎内填充着弹性良好的发泡材料，缓冲的车座向上倾斜，外形光滑呈流线型，人们骑着这种自行车，不用消耗能源，而且舒适、安全，像乘小轿车一样疾驶如飞。

    太阳能汽车

    太阳能汽车是靠太阳能电池驱动的汽车。太阳光照在汽车顶上的太阳能电池上，被太阳能电池转化成电能。转化成的电能直接驱动汽车行驶，如电能有剩余，可以在汽车行驶过程中自动流向车上的蓄电池。这样能更有效利用资源，延长太阳能汽车的行驶能力。太阳能汽车最高时速达200公里，可连续行驶约400公里。

    由于太阳能汽车不用燃烧汽油，没有任何废气污染，所以它是非常有发展前途的汽车。很多国家目前都有自己研制的太阳能汽车。中国的第一辆太阳能汽车是1998年在武汉研制成功的“太阳”号，这辆太阳能汽车在不使用任何燃料的情况下，时速可达20公里，连续行驶100余公里。

    电磁炮子弹列车

    与磁悬浮列车不同，电磁炮子弹列车不需要装备有电磁线圈的特殊路轨。它在机头内装有一组由车上的气体涡轮引擎提供能量的电磁驱动线圈，埋藏在传统路轨间或沿路轨旁边建成的一种反作用极板，配合着线圈驱动列车行驶。因为在传统的铁路上就可以重建，所以这种列车比磁悬浮列车的成本要低。美国桑迪亚国家实验室已经研制了电磁炮子弹列车，它能以时速321公里的速度在现有的路轨上行驶。

    氢燃料汽车

    由于氢燃料汽车可以减少能源消耗，没有污染，它必将成为汽车家族中的新星。世界各大国家都在致力于研究氢燃料汽车。

    1948年，日本川崎重工业公司制成了最大的储氢容器，是用金属氢化制作的。日本工业研究所利用这种储氢容器第二年便制成氢燃料汽车，并成功行驶了200公里。1990年日本武藏工业大学制造了一辆时速为150公里的氢燃料汽车，连续可行驶300公里。

    美国将把洛杉矶作为氢燃料应用的示范区，近年内将有10万辆汽车改用氢燃料。

    1997年，已有4辆氢燃料公共汽车在挪威首都奥斯陆运行，他们还酝酿着世界上第一个以氢作燃料的城市公共汽车生产项目。

    单人飞行器

    单人飞行器没有翅膀，只有圆形的身子，却能以很快的速度持续飞行，有人把这种单人飞行平台称为“火箭人”。单人飞行器上装有一台微型的涡轮风扇发动机，只有60多厘米长，能够产生稳定的推力，就像一种导弹涡轮发动机一样。

    人在飞行器内可以像开汽车一样来操纵，它右边是油门杆，左边是驾驶杆，可以轻松地调整飞行器飞行的高度、速度以及方向。在单人飞行器上方的分隔间里，有一具急救伞，在发生危急情况的时候，它就会弹出打开。

    由于单人飞行器外形简单，结构轻巧，它可以在20米以上的空中飞舞，在树木之间穿行，或靠近其他普通直升机不能靠近的地方。目前研制的单人飞行器主要用在侦察、单兵突击等军事项目上，将来还用在营救、观光等民用方面。

    空天飞机

    空天飞机可以像普通飞机一样水平起飞，以时速16万公里的速度在大气层内飞行，它可以通过加速进入地球轨道，成为航天飞机。它返航着陆时，又和普通飞机一样，因此人们称它为“空天飞机”。

    空天飞机里安装了三种发动机：空气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机。飞机起飞时用空气涡轮发动机；时速超过2400公里时就要用冲压发动机；像航天飞机一样进入太空时，用火箭发动机。空天飞机的制造材料要求很高，在飞行时，机身最高温度可达2760℃，航天飞机上的防热瓦块式外衣也难以适应，于是科学家们研制了一种新型的复合材料来代替，在特殊部位采用特殊的冷却装置，以避免高温伤害。

    空天飞机运输费用是航天飞机的10%，而且不需要规模庞大的航天发射场。

    人们可以乘坐空天飞机进行太空旅行，或进行洲际旅行。

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