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热气球的高空极限

时间:2021-01-15 16:45:37

人类长期生存于地球表面,身体器官已经适应了地面生活的需要。随着飞天梦想的实现,新问题随之产生:人体能否适应飞天活动带来的新环境?当年,法国路易十六国王也正是出于这种担心,断然否决了蒙哥尔菲兄弟提出的热气球载人飞行的要求。

热气球的高空极限

果然,国王担心的事情后来还是发生了:

1862年,2名英国人在8800米高度丧生,随后2名法国人也在同样高度遇难。

1875年4月15日,法国科学家提森迪尔乘坐热气球飞到了8600米高空,突然全部昏迷。等到气球瘪了落回地面时,同伴斯皮内利和西维尔已经死亡,提森迪尔则落下了永久性耳聋。

1927年,美国陆军上尉格雷两次乘坐气球试图冲击13000米高度均告失败。第一次他上升到12800米,感到胸闷难受后下降高度到2440米跳伞逃生;第二次他上升到11895米时失去了意识,最终死亡。

原来高空飞行时,飞行者会遭遇低温、低压和低氧。“三低”如同高悬在飞行者头上的“三把刀”,一旦应对不利,就会致人死亡。

先说低温。地球周围环绕着大气层,航空飞行目前主要在对流层和平流层。对流层大致从地面到11千米高度,受地面加热影响,越靠近地面气温越高,越远离地面气温越低。高度每上升1千米,大气温度降低约摄氏6.5度。如果地面气温摄氏15度,那么到对流层顶端,即11千米高度气温可降至摄氏零下55度,比在我国最北端黑龙江漠河观测到的国内最低气温纪录摄氏零下52.3度还要低。进入平流层之后,从平流层底部到大约40 千米高度,气温几乎不随高度变化,保持在摄氏零下55度左右,形成同温层。由此向上到平流层顶端,大约50千米高度,由于紫外线的加热作用,气温随高度上升而升高,形成逆温层,平流层顶端可达到摄氏零下3度左右。

人体的正常体温在摄氏37度左右。一般来说,外界气温降低到摄氏20度左右,就会引起人的体温下降。一旦体温降低到摄氏36度,人的反应和判断能力就会减弱;降低到35度就会行走困难;降低到33度就会失去理智;降低到30度就会失去知觉,降低到24度心跳就会停止。因此,高空飞行必须寻找有效方法,保持人体的正常体温。

再说低压。大气压力是物体表面单位面积上受到的大气重力,越靠近地球表面,大气层越厚,其重力就越大,气压也就越高;越临近高空,大气层越薄,其重力就越小,气压也越小。依据经验数据,高度每上升100米,在大气层底层,气压降低约10毫巴;在5~6千米高度,气压降低约7毫巴;到9~10千米高空,气压降低约5毫巴。如果以海平面为基准,在5000米高度的大气压不足海平面的60%,在10000米高度大约是海平面的30%。

低压会带来两个方面的问题:一是呼吸困难。人体呼吸必须依靠大气压的帮助。吸气时,胸腔体积扩大,肺里的空气压力变小,外界气压大于胸腔内的气压,空气经由胸腔进入肺内。空气进入肺泡后,空气中氧气的压力要比血液里氧气的压力高,氧便从压力高的地方向压力低的地方扩散,人便得到了氧。同样,在呼气时,胸腔体积缩小,肺内气体的压力大于大气压力,废气便被排出体外。高空飞行时,情形就不一样了,甚至可能完全相反。大气压力变小了,人体里的压力仍然那么大,肺泡中的氧气压力比大气中的氧气压力还要高,结果不但吸入不了氧气,反而是人体内的氧气向外扩散,导致高空缺氧。严重时还会造成溶解于血液中的空气游离,形成气泡,栓塞血流。因此,飞行高度3700米以上时可以使用高压氧气,5000米以上时必须使用高压氧气。二是严重时还会出现血液沸腾。1971年6月30日,苏联“联盟11号”宇宙飞船返回时,三名宇航员全部死亡。事后查明,原因是飞船泄漏造成失压,三名宇航员全部死于“血液沸腾”。沸腾是指液体受热超过其饱和温度时,在液体内部和表面同时发生的剧烈的汽化现象。液体的沸点随当地的大气压力变化:大气压越高,沸点越高,反之就越低。在标准大气压下水的沸点为100℃,到10000米高度大气压约为标准大气压的30%,水的沸点降低到70度。人体血液与此类似,血液中水分占到了90%左右,在大约19700米高度,大气压可降低到6000帕,此时血液的沸点只有摄氏36.2度。也就是说,一旦进入19700米以上高度,如果不采取技术措施,人体就真的要“热血沸腾”了。

再说说低氧。环绕地球的大气层高度越低气体越稠密,高度越高气体越稀薄,由于组成大气的各种气体的比例基本不变,因此大气中的氧含量也随高度上升逐渐降低。以海平面为基准,5000米高度氧含量约为海平面的60%,10000米高度约为海平面的30%。当然,单纯的低氧只会造成吸氧困难,还不至于无氧可吸。怕的是同时遭遇低压与低氧的双重威胁,那真的就要生命不保了。

人类总是在遇到问题、解决问题的过程中实现波浪式前进的。热气球的发展同样如此。面对人类升空后遇到的低温、低压和低氧问题,1930年瑞士物理学家、发明家和探险家奥古斯特•皮卡德(1884-1962)发明了一种可以取代吊篮的铝制压力密封舱,解决了热气球高空飞行中的保温、增压和补氧问题。不仅如此,奥古斯特还身体力行,1931年5月27日,奥古斯特和他的助手保罗携带密封舱乘坐热气球,从德国奥格斯堡起飞,上升到了15781米的高度,创造了当时人类飞行的高度记录,这也是人类首次进入平流层。1932年8月18日,他和助手马克思在瑞士小镇迪本多夫起飞,上升到了16201米的高空,再次刷新了热气球飞行的高度纪录。目前,压力密封舱已经成为热气球高空飞行的必备装备,同时压力密封舱的发明也为人类不断创造新的热气球飞行的高度纪录提供了可靠的生命保障。

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