为什么宇航员落地的时候不会摔死？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
为什么宇航员落地的时候不会摔死？
宇航员 火星 撞击
本文作者:玛丽?罗琦
（贺金/译）“他们只是不停地说，什么‘比整个航天史上所有别人都要快’。就像这是什么好事情一样，他们只是要把我拖进他们的疯狂计划里。是哈，比整个航天史上所有别人都要快，因为你们要用一辆敞篷卡车把我发射进太空！……再说了，物理学家在形容加速度这种东西的时候，是不会用‘快’这个词的。他们这么干只是希望我不会提出反对意见。这简直疯了，因为他们觉得我会喜欢‘比别人都快’这种说法。我是挺喜欢的。相当喜欢。但我不会告诉他们的。”
在将近结尾，马特?达蒙坐在火星车里发了一大段牢骚----因为，要想和来救他的太空船对接，他得把自己的太空船拆得只剩一个壳。壳倒也罢了，最大的问题是拆完之后的极高加速度，接近人体极限----后来发射过程中，他也的确昏迷了。
现实中的宇航员（暂时）倒还不会被丢在火星，可是他们面临的加速度问题一点都不少----特别是，在落地的时候。拍电影的马特?达蒙只需要几个特效，可真的宇航员要怎么保证自己落地之后不变成一摊？
办法当然是老三招：模型，尸体，和活人。
《火星救援》中的战神3号。图片来源：火星救援剧照。
（下文节选自果壳阅读?第六日译丛《太阳系三环到四环搬迁纪要》）
太空舱降落可没那么简单
就太空舱来说，每次着陆基本都可以算是迫降。因为太空舱和飞机或者航天飞机不同，太空舱没有机翼，也没有起落架。猎户座太空舱有推进器可以纠正它的轨迹或者减缓从轨道掉落的速度，但这种推进力远不足以减缓着陆。在太空舱回到地球大气层时，它那宽阔的尾部首先进入浓密的空气，摩擦力会将它的速度减缓到可以放出降落伞而不被撕坏的程度。放出一系列降落伞后，太空舱飘落入海，如果一切顺利的话，这种着陆的感觉就像一场轻微的小车祸----也就2到3个G，撑死了7G。
降落在水上要比降落在土地上更柔和,弊端则是海洋太难以预测。万一巨浪在太空舱降落的过程中拍到它怎么办？所以太空舱的乘客们既需要太空舱能保护他们免受降落的冲击力伤害，也需要免受侧面落下或大头朝下的降落带来的冲击力。
为了确保无论大海有多狂野，猎户座太空舱的乘员都不会受到伤害，冲撞测试人体模型们----还有晚些会参与进来的尸体们----要在交通运输研究中心这里乘上一个模拟的猎户座太空舱座椅。着陆模拟是研究中心、NASA和俄亥俄州立大学损伤生物力学研究室合作建立的。
冲击力有多大？
尸体F坐在活塞轨道旁的一把高高的金属椅子上。研究生康允石站在他身后，正在用一把扳手将一块手表大小的仪器嵌在他一块暴露在外的脊椎上。这些仪器将和粘在他胸前各种骨头上的应变计一起，测量出冲撞产生的冲击力。傍晚的扫描和尸体解剖会让人了解这种冲击力造成的所有伤害。F的侧轴将受到撞击。想象桌上足球里的一个玩偶----那种胸腔侧面被杆子穿起来的小木头足球运动员。这根杆子就是这具尸体的侧轴。就好像这个小木头人开车出去兜风，结果在十字路口被另一辆车从侧面撞上。他的身体和***----如果他有的话----将会沿着这根杆子从左边或右边飞出去。如果是迎头撞上或者追尾的话，他的身体和***应该会沿着横轴飞出去----从前向后，或者从后向前。研究人员接触到的第三种轴是纵轴，也就是沿脊椎方向的轴。假如这个小木头人正在操纵直升飞机，然后直升飞机熄火了，直直落向地面，那么他的心脏会像蹦极一样将他的主动脉拉下去。
躺***的桌上足球玩偶。图片来源:shutterstock/Oleg Malyshev友情提供。
由于降落时，宇航员是靠在背上的，所以落入海中的太空舱在正常情况下应该会产生横轴力----从前向后----这是目前为止人体最容易承受的角度。（在躺着的情况下，整个后背都受到支撑和固定，这样与坐着或站立导致的纵轴受力相比，他们可以承受3-4倍的引力----高达45G/0.1秒。）
通常冲击不只会造成一根轴受力，而往往是两到三根轴都在受力。（虽然模拟实验一次只对付一根轴。）如果把海中的巨浪加入太空舱着陆的场景中，你就需要考虑多轴受力的情况。对于NASA必须要计划的冲击很有帮助的一个模式就是----赛车事故。在一场多轴冲撞中保护一个人和在运输中保护一个花瓶的原理是一样的。你不知道联合包裹的人会把它丢在什么东西上，你只能把它里里外外全都固定好。赛车手都是被一根安全腰带、两根肩式安全带和一根防止他们从安全腰带中滑落的胯部固定带紧紧绑在适合他们体型的座位上的。有一套汉斯（HANS，头颈部保护系统）装置防止头部前移，座位侧面还有许多垂直的支撑物，防止头部和脊椎左右摆动。
安全的太空舱座位应该是怎样的？
NASA的一位生存能力专家达斯汀?高默特花了很多时间跟为赛车设计约束系统的人讨论。早些时候，NASA放弃了为猎户座装赛车座位的想法。因为赛车手是直坐在车里，不是后躺的。而直坐对于在太空中呆了一段时间的宇航员来说不是个好主意。平躺不仅更安全（反正你也不用把握方向盘），而且可以保护宇航员不会眩晕。腿部肌肉静脉在站立时通常是收紧的，以防止血液聚积在脚部。在过了几周没有重力的生活后，这种功能就会懒得工作了。而身体的血液量感应器又是在上半身的。没有重力时，更多血液会在上半身聚积；感应器会将这种状况误读为血液过量，就会发出指令切断造血。宇航员在太空中比在地球上要少用10%-15%的血液。而在太空中呆久了再回到有重力的地方，血液量低加上静脉偷懒就会导致宇航员头昏眼花。这叫做直立性低血压，有时候很丢人的，宇航员完成任务后会在记者招待会上晕倒。
而穿着宇航服躺在一把非常安全的椅子上也有问题：“我们将一把赛车椅放倒，上面放上一个人，然后问他：‘你出得来吗？’”高默特回忆说，“这就像把一只乌龟四脚朝天放在地上。”能够迅速逃出太空舱主要是以备不时之需，如太空舱沉入海里，或者着火候。上一次出问题的太空舱是联盟号。在2008年9月带着国际空间站第16和第17考察队的队员返回地球时，出位干扰了通常用来平缓过程并减缓再入和着陆的气动升力。再入过程给队员们带来了整整一分钟的8G体验----正常情况下最高也只有4G----着陆时的撞击更是达到了10G。太空舱远远偏离了预定降落地点，落在了哈萨克大草原上的一块旷野里。撞击造成的火花还引起了一场草地火灾。
联盟号的座位就像赛车座位一样，头部两边都有约束，长度和躯体长度一样。这样它会更安全，除非你要抓紧从里面逃出来。因为担心纳斯卡式的肩部垫枕可能会增加宇航员逃出舱外的时间，所以高默特和他的同事们就做了一些测试，看只装头部垫枕会怎样。他们是用撞击测试人偶做的这些测试，作为折中保留了肩部垫枕，但是按比例缩小了尺寸。
正在做冲撞实验中的假人。图片来源：NASA
帮宇航员再抱怨一句，跟赛车手不一样：宇航员的衣服里有一个吸尘器----有洞，有喷嘴，有耦合，有开关。为了确保宇航服里坚硬的部分不会在着陆过猛时伤到宇航员柔软的部分，F还要穿一套模拟宇航服：一组用布基胶带缠在他脖子上，肩膀上，大腿上的圆环。那些圆环模拟的是宇航服的活动轴承，或者叫关节。今天的一个特别关注点是，考量在侧向着陆时，活动轴承会不会撞到座位的肩部垫枕，从而撞进宇航员的手臂，折断一根骨头。
高默特解释了圆环关节是怎样发生作用的，怎样能让宇航员举起手臂。加压宇航服就是一个身体形状的重型气球----不大像是衣服，更像是一个小型充气房。里面压力加满，如果没有某种关节的话，就完全无法弯曲。当前使用的宇航服在肩膀处有金属环，金属环可以前后扭动，这样宇航员就能把手臂抬起来放下去了，就像老式洋娃娃的手臂一样。
现在的问题是怎么把F放进冲击橇上的座位里。想想怎么把不省人事的醉鬼塞进出租车就知道了。两名学生抬着F的屁股，博尔特用手托着F的后背。活塞已经在F的右边准备就绪；他将受到沿横轴方向的冲击。这是非常致命的，因为弥漫性轴索损伤。头部在没有安全防护的情况下甩来甩去时，大脑会前前后后地撞着头骨内侧。大脑是会挤压变形的。与迎面冲撞相反，在横向冲击中这种挤压会拉扯连接大脑两叶间回路的长神经元延伸，也就是轴突部分。轴突因此肿胀，如果肿胀太过厉害，你就会昏迷而死。
心脏也会发生类似的问题。心脏在充满血液的时候足足有3/4磅重。与迎面冲撞相反，侧面冲撞中心脏有更多空间可以在主动脉上甩来甩去。如果主动脉拉伸过度而心脏又恰好充满沉重的血液时，心脏可能会脱离主动脉。高默特叫它“动脉骤脱”。这种情况在迎面冲撞中就较少发生，因为迎面方向胸脯相对较平；心脏会被夹在自己的位置上。心脏在纵向冲撞中也会脱轨，就像在直升飞机下降时会发生的事情一样，因为心脏在纵向也有足够的空间可以向下拉，直到超出动脉的承受范围。
撞击测试开始
F终于准备好了。我们全部上楼，在控制室里观察这一过程。头顶一组灯光打下来，带着某种戏剧化的氛围。实际上撞击本身算是虎头蛇尾。因为造成撞击的实际上是空气，冲击橇试验出乎意料地安静，这是没有撞击的撞击。而且这种撞击非常快，快到眼睛基本看不出什么来。人们用高速录影机拍下视频，看的时候再用极慢的速度回放。
我们都凑到屏幕前去看。F的手臂在肩膀的支撑物下面，原本放胸腔支撑物的地方向上弯着。他的手臂看上去就像多一个关节似的，以手臂不应该弯的样子弯曲着。“这可不好。”有人说。这个问题总是一再出现。就像高默特说的：“座位间的空隙都让身体***填满了。”（后来发现F的手臂没有折断。）
F:“我还好，我的手没断。”图片来源：NASA
F在伤害最高峰会经受12-15G的力量。高默特解释说，一场事故中受害者受伤的程度不仅取决于它承受了多少G的力量，也取决于车辆需要多长时间才能停下来。如果一辆车撞到墙马上就停下来了，那么司机可能在一瞬间要承受大约100G的力量。如果车的引擎罩是会皱起来的那种----现在的车辆基本都采取了这项安全措施----那么同样100G产生的能量就会释放得更加缓慢，将最高冲击力减少到10G左右，这样存活率就很高了。
车子停止运动所花时间越长越好----只有一种情况例外。要想了解这点，你需要清楚在冲撞中人体内部都会发生些什么。不同种类的组织由于质量不同，加速也有快有慢。骨头加速就比肉快。在横向冲击中，你的头骨会加速超过你的脸颊和鼻尖。你看拳击手头部侧面被打到时的定格画面就能看到了。在迎头撞击中，你的骨架先动。你的骨架会被抛向前，直到安全带或者方向盘挡住它才停下来，然后它又开始向后反弹。大概在你骨架向前运动一秒钟之后，你的心脏和其他***才会出发。这就意味着你的心脏在向前走的过程中会碰到向后运动的胸腔。大家都以不同的频率前前后后地动着，然后撞到胸腔又都在反弹。而且一切都发生在几毫秒的时间里。速度快到弹和反弹这两个词都用得不对。里面的东西应该说是在振动。
高默特解释说，最大的危险在于，如果这些***中的一个或几个振动频率开始跟它的共振频率一致了，就会使振动扩大。人体***的共振频率比较低，都在听不到的长波范围（也就是次声）里，发射中的火箭倒是会发出强有力的次声振动。那么这种声波会把你的***摇散吗？NASA在60年代还真做过这方面的实验，以确保----一位次声专家的原话是----“他们发射到月球的不是一团肉酱。”
博尔特的学生们正在将F推上一个担架，放进一辆白色厢式货车的后部。F要到俄亥俄州立大学医学中心区接受扫描和X光检查。整个过程就像给一个活人看病一样，不过是45分钟的等待和给钱的问题。
其实，还有活人撞击实验
NASA的小组就没这么轻松了。除了测试（及合乘的部分）外，他们几乎不会提到他，而且提到的时候用的代词通常也是它。获准进入这里需要跟NASA的一名公共事务官发上几个月的邮件，并在早上到达时那一阵令人紧张的***中达到高潮。死人让NASA很不舒服。他们在文件和公开资料中都不用尸体这个词，而选用新出的比较委婉的已故人类对象。我猜部分是因为它引发的联想。宇宙飞船里的尸体会让他们想起那些他们不愿回顾的事情：挑战者号、哥伦比亚号、阿波罗1号的起火。还有一部分原因是，他们不习惯。在阿波罗时代，用死人做太空舱冲撞研究令NASA不舒服的程度显然超过了他们用活人做实验的不舒服程度。1965年，NASA跟空军合作进行了一系列与今天的实验非常相似的实验----只不过他们用的是活人志愿者。来自霍罗曼空军基地的79个人戴着头盔和其他宇航服配件坐在冲击橇上一个仿制的阿波罗太空舱座位上，他们经受了288次模拟溅落：大头朝下、右边朝上、背面的、正面的、侧面的、45度角的。最高冲击力一度达到了36G，比实验对象F今天经受的最大冲击12-15G高出一倍还多。
约翰?保罗?斯塔普上校是人类冲击承受力研究项目中的一名志愿者，他在一篇通讯稿中轻描淡写地总结了这个项目：“应该这样说，几个僵硬的脖子、抽筋的后背、淤青的手肘，还有偶尔的几句脏话换来了阿波罗太空舱的安全，让三位宇航员在第一次月球之旅中，只担心未知宇宙中的风险就够了。”
我认识一个人，他曾戴着一个阿波罗头盔，以各种不同的姿势六次坐上霍罗曼的雏菊冲击橇。他叫厄尔?克莱恩，今年66岁了。他最后一次坐冲击橇是在1966年----25G。我问克莱恩他有没有落下什么病根，他回答说他一点问题也没有，但是随着谈话的进行，还是慢慢有东西显现了出来。直到今天，克莱恩的肩膀还疼，那是当年承受侧向冲击造成的。他被解雇时，已经发现有心脏瓣膜撕裂，还有一只眼睛“有一点脱出来了”。但他毫无悔恨，也没有去申请残疾人补助。“我做出了贡献，我很骄傲。我愿意这样想：他们在乘着阿波罗号上天的时候，他们的头盔没碎没什么的，因为我都测试过了。”光荣感之外的激励来自一个慷慨的危险任务津贴。霍罗曼空军基地的一名叫做比尔?布里兹的兽医说他每月有100美元的补助。克莱恩最多时一周坐三次冲击橇，每月可以多赚60-65美元。不过考虑到他当时的基本工资才72美元，这算很大一笔钱了。
第一名从太空舱着陆事故中生还的美国公民经受的冲击力比任务计划人员预计的冲击力多了3G。他的太空舱比预计弧线高出了42英里，降落地点偏出轨道442英里。救援船找到它的时候已经两个半小时过去了，太空舱进了800磅水，有一部分没入了水中。工作人员怀着巨大的不安打开了舱门。我们的太空旅行者还活着！一回到基地，他马上投入了空军军士长艾德?迪特蒙张开已久的怀抱。
这名宇航员是一只3岁的黑猩猩，名叫哈姆，是第一名乘着太空舱进入太空又活着回来的美国公民。他让水星计划的宇航员们耀眼的光芒稍微黯淡了那么一点点。（编辑：Sol_阳阳）
本文节选自果壳阅读?第六日译丛《太阳系三环到四环搬迁纪要》
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引用文章内容：能够迅速逃出太空舱主要是以备不时之需，如太空舱沉入海里，或者着火候着火“后”
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引用文章内容：能够迅速逃出太空舱主要是以备不时之需，如太空舱沉入海里，或者着火候着火“后”
引用文章内容：45G/0.1秒是指在0.1秒内承受45G的加速度吗？
天下第一砸？来自
引用文章内容：这名宇航员是一只3岁的黑猩猩，名叫哈姆，是第一名乘着太空舱进入太空又活着回来的美国公民。他让水星计划的宇航员们耀眼的光芒稍微黯淡了那么一点点。（编辑：Sol_阳阳）挑个错：猩猩是不能被称作“美国公民”的，虽然有些人这么称呼，但是不正确。也许可以改称为“美国英雄”？
因为直接烧死了吗？来自
竟然用活人试验，而且报酬那么低。还给人家落下后遗症。。。。。。
雏菊冲击橇。。。想到了我的微博头像
建筑工程技术专业，软件爱好者
什么时候一只大猩猩也可以入美国籍了。。。。不知道有没有人要嫁给“他”拿绿卡，，。
看了题目后，第一反应是：因为宇航员跟返回舱内壁处于相对静止状态。。。。。。。。民科看多了还真会有后遗症。。。
这翻译我也是醉了
生命科学专业，天函地方小组长
最后的广告图片画质感人
光看题目我想起了JC当年的失重神贴，不知还有几人记得。
"因为他们穿着沉重的靴子!"
引用 的话：应该是“一滩”的确是“一摊”
有机化学博士，法学学士
引用文章内容：着火候好像漏了“的时”两个字？
引用文章内容：尸体F我怎么变成尸体了
又要买买买了每次看到这种贴就想买书怎么破
引用 的话：光看题目我想起了JC当年的失重神贴，不知还有几人记得。因为在降落地面瞬间宇航员跳起来了？
居然没人提坎星三巨头？
引用 的话：看了题目后，第一反应是：因为宇航员跟返回舱内壁处于相对静止状态。。。。。。。。民科看多了还真会有后遗症。。。q512i你好。我的第一反应是因为空气阻力生热被烧掉了。PS：从三环到四环，一股浓浓的帝都味儿，那月球算什么？中关村之类的？小行星带是城中村么？冥王星被废是九环规划了那么久因为城市臃肿物流跟不上最终被废弃了吗？
引用 的话：q512i你好。我的第一反应是因为空气阻力生热被烧掉了。PS：从三环到四环，一股浓浓的帝都味儿，那月球算什么？中关村之类的？小行星带是城中村么？冥王星被废是九环规划了那么久因为城市臃肿物流跟不上最终被...哟，又看到熟人了！你好你好。。
引用 的话：什么？射上去还需要返回？ --------来自坎巴拉太空中心什么，致远星沦陷了？
引用 的话：是指在0.1秒内承受45G的加速度吗？是指保持45G的加速度达0.1秒
但我知道神舟的宇航员刚着落的时候都弄得头破血流。之所以那么久才出舱，也是要是因为这个。
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【坎巴拉太空计划】将宇航员送往7000千米的高空（要...
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【坎巴拉太空计划】将宇航员送往7000千米的高空（要问他们怎么回来？我不造）
我来说点啥
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