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周其
作为2013年最受瞩目的科幻大片之一，同时也是近年来口碑评价极高的太空电影，《地心引力》在内地上映不足一周票房便已突破2亿元，夺得同期票房冠军。
90分钟的影片固然精彩，电脑CG生成的壮丽太空景色也让人陶醉，但对于那些并没有太多航天相关知识的普通观众来说，仅仅看一遍片子似乎并不能够理解影片展现的全部内涵。作为一名航天领域的爱好者和目前相关领域的从业人员，我将试图从技术角度浅析这部太空灾难电影。
首先要说明的是，电影仅仅是电影，片中违反科学常识的硬伤不少，这一点网络上也有很多相关讨论，比如宇航员太空行走时绕飞航天飞机的行为不符合规范，比如女主角不管是穿还是脱宇航服都太容易了（现实中至少要1到2名同伴的帮忙），又比如男主角乔治·克鲁尼松开绳子的那一幕，其实女主角桑德拉·布洛克是能够很轻易地把他拉回来的。凡此种种，不一而足。
不过作为一部重在提供感官刺激，满足观众娱乐诉求的电影，为了故事性和观赏性的需要，做一些艺术加工也是可以理解的。
总的来说，《地心引力》这部影片虽然不像《阿波罗13号》一样是根据真人真事改编，但是片中所发生的事情，却又都能够在现实中找到相对应的故事原型。从这一点上来说，这部片子既能够让那些喜爱航天的爱好者看完后大呼过瘾，也能够变相地让普通观众深入了解一下人类空间探索活动的基本情况。
航天飞机
故事一开始，是主角一行人搭乘航天飞机执行“哈勃太空望远镜”的维修任务。这段剧情基本是依据现实情况改编的。
历史上的“哈勃太空望远镜”发射于1990年，主要功能是在外太空直接进行观测，弥补地面观测的不足。“哈勃”在设计之初便确立了定期用航天飞机进行维修以延长运行寿命的方针。事实上，该望远镜在升空后不久便被发现镜片存在问题，直到1993年才由“奋进号”航天飞机完成修复工作。此后通过多次在轨维修，使得这台望远镜的服役寿命一再延长，直到目前仍然在轨运行。不过随着美国航天飞机的退役，“哈勃”的生命也将渐渐走到尽头，其任务也将被新一代的“詹姆斯·韦伯”太空望远镜所替代。
与之相应的，执行太空维修任务的航天飞机则是美国在登月计划以后实施规模最大的航天技术开发计划之一。该计划的主要目的是研发并生产一种可重复利用的能够往返地面和外层空间的飞行器。与人们初次听到或者看到航天飞机时的第一印象相反，航天飞机与其说是“飞机”不如说更像是一种带“翅膀”的宇宙飞船。
航天飞机从地面发射升空的时候，与一般宇宙飞船差别不大，都是通过火箭动力垂直发射。而那对巨大的机翼，则是在航天飞机返回地球时提供大气阻力，避免速度过快从而导致机体焚毁，起到了“空气刹车”的作用，并能够在着陆时提供升力，与滑翔机相似。
航天飞机能够一次性容纳7名宇航员并提供相对宽敞的空间。由于其庞大的体积，航天飞机中间的机舱部分还可以携带卫星等大质量载荷，并运送至轨道。同时，通过飞机上装载的灵活的机械臂（就是电影中一开始拖着女主角到处旋转的机械臂），航天飞机还可以轻易地捕获在轨运行的卫星并进行维修。
不过随着航天飞机服役年龄的变长，各种问题也接踵而来。复杂的机体设计既带来了高昂的维护成本，也带来了实际运行中的巨大风险。1986年，“挑战者”号升空后不久就发生故障爆炸；2003年，“哥伦比亚”号又在返回地球时发生空中解体事故。两起事故总共有14名宇航员遇难。因此，在2011年以后，航天飞机彻底退役，一个时代也就此终结。
航天服
除了上面介绍的两个大家伙，影片开始最吸引观众眼球的，自然是片中航天员穿的航天服。由乔治·克鲁尼扮演的男主人公一开始缓缓地绕着航天飞机飞行，将太空漫步的浪漫和诗意展现得淋漓尽致。毕竟在天空中翱翔一直是人类的向往，更遑论是在茫茫太空之中呢？
现实中的太空行走可不是那么有趣而浪漫的。恰恰相反，将脆弱的人体暴露在太空这个生命的绝对禁区之中，是一件十分危险的事情。
首先，和我们通常想象的不同，宇航员在太空中执行任务时有着两套不同的宇航服。其中一套是普通的宇航服，或者称为舱内宇航服，主要是在飞船升空或者返回地球时穿着。其基本功能是保压，能够在飞船出现船舱密闭性被破坏的紧急情况下（一般是升空或者返回阶段）保护宇航员的生命。在电影的最后，女主角乘坐中国的“神舟”飞船返航时，飞船因为舱盖破损而失去了密封性，从而导致舱内的气体外泄，气压迅速降低。此时若女主角没有穿着宇航服，那本片的结局就会是一个悲剧了。
历史上倒是发生过一起类似的事故，而这起事故的结局则是悲剧性的。1971年6月30日，苏联的“联盟11号”宇宙飞船搭载着三名刚从“礼炮1号”空间站上完成任务的宇航员返航。当时由于飞船结构设计不合理，舱内空间十分狭小拥挤，宇航员只有脱掉航天服才能坐下。“联盟”号的返回程序也明确规定了，宇航员在返回前必须脱掉宇航服。在飞船返回途中，返回舱的压力阀门被震开，飞船密封性被破坏，舱内空气大量泄出，导致舱内气压急速下降，致使三名航天员因为急性缺氧、体液沸腾而遇难。尽管此前就有不少科学家对此提出过异议，但直到这一悲剧性事件发生，这个问题才得到修正。
另一套服装则是我们在电影中主要看到的，太空行走时穿着的宇航服，称为舱外宇航服。
早期的舱外宇航服是通过一根管子和飞船相连，来给宇航员提供维持生命所必需的支持，这有点类似婴儿通过脐带和母体相连。这么做有很多缺陷，比如宇航员活动空间比较小，管子容易被缠住或者绊住。而且一旦管子破裂，宇航员将遭到灭顶之灾。所以后来又发展出了将所有功能集成到宇航服上，不再需要和飞船相连的宇航服，也就是我们在电影中看到的那种。
舱外宇航服的结构非常复杂，它具有加压、充气、防御宇航射线的作用，它里面有通信系统，还有生命保障系统。从外形上看，舱外宇航服一个显著区别于舱内宇航服的特征是背后那个四四方方的大背包。这个背包里存放了供宇航员呼吸所需的氧气，吸收二氧化碳的化学物质，通过液体循环来维持体温的装置以及通信等设备模块。而一旦宇航员脱下宇航服的时候，还可以看到宇航员贴身穿着一套布满管线的服装，俗称液冷服。这些管线中流经的液体能够使宇航员即使身处温度极端的环境中，体温也可以维持在正常水平。
另外，舱外宇航服在宇航员的胸口部分会有一些仪器设备的控制开关。但由于宇航员在穿着宇航服的状态下无法直接看到胸口部位，因此会在宇航服的手腕内侧放置一面镜子。仔细观看影片的话，会发现这些细节基本都被很好地还原了。
宇航员在太空行走时是十分危险的，其中一个问题就是一旦不小心脱离了飞船就很难再回来。所以一般的太空行走作业都会要求宇航员系上一根安全绳，防止意外飘走。美国曾经开发出一套名叫“载人机动装置（MMU）”的喷气背包，能够使宇航员在不系安全绳的状态下在太空中移动。电影中男主角携带的就是类似的装置。这套装置曾经成功地执行过一次太空任务，不过由于其移动缓慢外加十分笨重，现在已经不再使用了。取而代之的是“舱外活动简便救援装置（SAFER）”，这种设备能够在安全绳意外断裂的情况下，提供一定的推进动力。
另外想补充一点的是，后面女主角用灭火器当推进器是完全不合理的，灭火器的推力远不足以提供空间移动所需的动力。当然，这一段也有可能是导演对电影《机器人瓦力》中那个小机器人的致敬。
影片后续的展开在剧情上没有什么亮点，宇航员们遭遇了太空垃圾的袭击，幸存下来的男女主角开始前往国际空间站寻求生机。不过在开始介绍国际空间站之前，我还是想聊聊本片中一个大家也许不太容易注意到但却非常有问题的部分。那就是故事各个场景所处的空间位置，或者说轨道的高度。
首先是故事开始的部分，维修卫星的轨道大约是离开地面600公里左右的地方。而接下来主角们前往的国际空间站一般运行在360到400公里之间的轨道位置。同时，中国的天宫虽然轨道高度也是360公里左右，但是轨道面显然不是和国际空间站在同一个之上。而剧情中通信卫星因为俄罗斯引发的太空垃圾连锁反应而被摧毁则更是匪夷所思的事情，要知道目前绝大部分通信卫星都运行在离地约36000公里的同步轨道上，400公里左右轨道上的太空垃圾是无论如何也无法击中这些卫星的。只能说，导演为了故事能够更好看，在这里是彻底放弃了科学上的设定了。
下面还是让我们来谈谈国际空间站吧。也许是机缘巧合，本片内地上映日期11月20日正好是国际空间站诞生15周年纪念日。从1998年的“曙光号”功能货舱（由俄罗斯制造，空间站的基础，也是影片中女主角从外太空进入的舱段）发射至今，共有6个主要国际宇航机构、16个国家参与到这个庞然大物的建设中来。目前国际空间站包含13个舱体，总质量接近400吨（中国的天宫一号是一个舱体，质量8.5吨），能够提供最多6名宇航员在空间站上长期生活，把它称为人类航天史上最伟大的技术结晶也不为过。
但即使是如此庞大宏伟，集结了众多国家的力量，汇聚了无数人的心血而造就的一个外太空的奇迹，在面对恶劣的空间环境时，结果可能依然是不堪一击的。在电影里，面对呼啸而至的太空垃圾，国际空间站就如同纸糊般被撕裂开来。那么，这到底是电影为了喜剧效果营造的假象还是太空垃圾真有这么大威力呢？
国际空间站通常所处的轨道高度，大概是360公里左右。处在这个轨道上的物体，其运行速度在7公里/秒以上。以这个速度运行，绕地球一周也只要91分钟左右（电影中太空垃圾袭来的时间间隔正好也是1个半小时即90分钟左右），比普通子弹的速度要快10倍左右。学过基本物理知识的应该了解，一个物体的能量取决于两个部分：它的质量和速度。所以即使质量再小的物体，以这么高的速度运行，其杀伤力依然是十分惊人的。
事实上，姑且不论片子中那些能够被肉眼所看到的太空垃圾，即使是肉眼无法捕捉的沙粒般大小的物体，依然可以击穿几厘米厚的钢板。所以，空间站在轨运行期间，基本上是处在一个杀机四伏的环境中。而由于人类近年来频繁的航天活动，在外空间产生了大量的人工造成的太空垃圾，对于航天活动特别是近地轨道的载人航天活动造成了巨大威胁。
现实中还没有产生像影片里那样的巨大灾难。一方面我们也许足够幸运，另一方面科学家们也采取了一些卓有成效的措施来防御太空垃圾的威胁。
如同影片中给我们展示的那样，一般国际空间站上会停泊两艘俄罗斯的“联盟-TMA”宇宙飞船作为逃生船。一旦地面上监测到了足以威胁空间站宇航员生命安全的紧急事态，便会要求宇航员到飞船上避难，必要情况下离开空间站返回地球。每一个到空间站执行长期任务的宇航员都会有一项训练内容是驾驶飞船进行逃生的练习。近12年，空间站上的宇航员有3次在紧急情况下躲进了飞船中避难，所幸最终都没有发生灾难。
同时，一旦确定了太空垃圾的具体轨道高度，空间站本身也可以通过紧急变轨抬升轨道高度来躲开扑面而来的威胁。美、俄等国家都成立了空间监视网络系统，监测近地轨道的太空垃圾运行情况，并在必要时给太空中的宇航员提出警告。国际空间站虽然本身没有动力系统，不过可以通过接驳的航天飞机或者货运飞船提供动力改变轨道。2009年，国际空间站就曾有一次紧急提升轨道以躲开一个可能存在威胁的太空碎片。
地面预警系统也只能监测大的碎片，对于细微的太空垃圾则无能为力。前面也提到了，在空间站的结构设计上，单块厚钢板防护作用十分有限。而增加钢板厚度会显著增大空间站的质量，对于需要火箭发射上去的空间站舱段来说也是不现实的。通过多次实验，工程师们发现间隔一定距离的两块铝板能够有效地防护细小微粒。因此，现在运行的空间站各个舱段外面都有两层铝制壳体，其中内层壳体外还包覆了一层凯夫拉纤维（就是用来制作防弹衣的材料）。这种结构设计既保证了轻便又能够提供很好的防护。
要杜绝太空垃圾的威胁，除了做好保护措施，还需要在产生垃圾的根源上想办法。对于可控卫星，通常将其转移到安全轨道，或通过人为引导使其坠入大气焚毁；对于因控制系统故障或燃料不足而失控的近地卫星，可利用导弹将其击碎，使碎片进入大气层后被高温销毁。所以影片中俄罗斯用导弹击毁卫星的做法正常情况下是为了消灭太空垃圾，并没有问题。当然影片为了故事效果安排了许多戏剧性的偶然进去，而在现实中，进行这种打卫星的行动之前，会妥善计算轨道位置，不会影响到其他航天器。
影片的最后，女主角历经艰险来到了天宫空间站上（这里的天宫，从造型和结构上看，更像是中国预计在2020年建成的长期在轨空间站），并搭乘神舟飞船返回。随着因为大气摩擦而燃烧的碎片划过天空，影片也来到了高潮。当然，还是要提一下，在现实中飞船入轨需要严格计算轨道高度和入轨的角度，像这样随随便便就返回，而且飞船还能翻几个筋斗的，只能是电影里才有的情节了。
尽管有技术硬伤，但这仍是一部非常值得观看的电影，不管你是喜欢电影特效和宏大场面，还是曾经心怀航天梦想。另外，如果你身边恰好有一位充满好奇和渴望的儿童，请观影的时候务必带上他，也许这会成为影响他一辈子的电影。
（作者系中国空间技术研究院工程师）
本文来源：东方早报
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王晓易_NE0011
