不穿航天服进入太空：身体会发生什么

身体真的会爆炸吗？

电影里，气闸一打开，被困在外面的人就会在几秒内膨胀、冻成冰块或爆裂。实际记录没有那么激烈。1965 年，休斯敦 NASA 载人航天器中心的一名受试者正在真空舱内接受测试，压力服突然漏气。他保持了约 14 秒的意识，最后记得的是舌头上的水开始沸腾。舱内恢复压力后，他康复了。

本展品用人体示意图逐秒呈现这种暴露的最初 120 秒。人形没有面孔，皮肤透明，方便你观察关键部位：肺、气道、舌头、脑、心脏、血管、肠道和皮下组织层。高度滑块让你在较低高度体验同样的两分钟，从客机座舱到珠穆朗玛峰顶，再到体内水分开始沸腾的阿姆斯特朗极限。

本展品依据 NASA、美国空军和 FAA 的报告，从一般角度说明物理和生理过程。这里不是医疗建议，也不能用来判断任何一个人能在什么条件下存活。

按顺序看这两分钟

演示开始时，人呼吸的是普通海平面空气，压力为 101.325 kPa，氧含量为 21 %，国际空间站也维持这样的环境。随后，外界压力几乎瞬间降至所选高度的水平。在近真空中，报告大致描述了以下过程：

1. 0 至 1 s：肺内空气沿敞开的气道冲出。如果屏住呼吸，肺就会受到拉伸。
2. 1 至 5 s：唾液、泪液和其他表面水分开始沸腾。口鼻的皮肤开始冷却。
3. 约 9 至 11 s：有效意识结束，因为到达脑部的血液已将氧气释放到空荡的肺中。
4. 5 至 45 s：皮下组织和静脉内形成水蒸气。身体和四肢膨胀，体积可能达到正常的两倍。
5. 约 60 s 内：静脉压上升至动脉压，血液停止循环。心率急剧下降。
6. 约 90 s：这是 NASA 制定计划时采用的极限。在此之前恢复压力的动物通常能康复。

模型下方的时间轴按你所选的高度标出这些事件，每 15 s 有一个刻度。在海平面，时间轴上什么也不会发生；在客机巡航高度，则只显示氧气不足。

呼气，不要屏住呼吸

在最初一秒里，最危险的做法就是深吸一口气后屏住呼吸。外界压力降到几乎为零时，充满肺部且无法排出的空气仍保持其压力。肺壁很薄，单靠自身无法承受很大的压差。

NASA 的人体对航空航天环境反应汇编（Roth，1968）将跨肺压差的极限定为约 80 mmHg，即 10.7 kPa。实验和人体事故都表明，超过这个数值，肺组织就会撕裂。

10.7 kPa 有多小？它约等于从海平面上升到 928 m 时的气压降幅。水肺潜水员学习同一条规则，原因也相同：上浮时绝不能屏住呼吸。在控制面板中打开屏住呼吸，演示中的肺会拉伸并闪红，读数显示其内外压差。在真空中，这个差值超过 100 kPa，是撕裂阈值的十倍。

气道敞开时，空气会直接排出。演示显示最初一秒内有一股空气从口鼻喷出，肺略微缩小。空气流失本身无害；接下来的问题与氧气有关，而不是肺爆裂。

同一条定律，即玻意耳定律，也解释了体内其他每一处气体的变化。在恒温下，气体体积与压力的乘积不变，因此如果没有约束，来自海平面的气体在珠穆朗玛峰顶会膨胀到 3.2 倍，在阿姆斯特朗极限会膨胀到 16 倍。中耳、鼻窦和肠道都含有一些气体。多数气体会找到出口，或受到周围组织的约束，这可能引起疼痛，但并不决定能否存活。

为什么唾液沸腾，血液却不会立即沸腾

当水的蒸气压，即逃离液体的分子产生的压力，等于压在水面上的压力时，水就会沸腾。在海平面，这发生在 100 °C。降低压力，水就会在更低的温度沸腾，因此在山上煮意大利面需要更久。

在 6.3 kPa（47 mmHg）时，水在体温 37 °C 就会沸腾。这个压力称为阿姆斯特朗极限。在标准大气中，约 19 km，即 63,000 ft 的高度达到这一压力。高于这个高度，体表水分无需额外加热就会沸腾。这正是 1965 年受试者在舌头上感受到的情况。

动脉内的血液则不同。它没有直接暴露于外界：心脏推动血液，使其压力远高于外界空气，而血管壁及周围组织将压力维持在内部。因此动脉血不会立刻沸腾。实际发生的是较慢的过程，而且出现在压力最低的地方：皮下组织以及靠近心脏的大静脉内。

自己算出沸点

演示使用安托万方程计算沸点，这个方程是对实测蒸气压的拟合：

log10(P / bar) = A − B / (T + C)

这里 T 是以开尔文表示的温度，A、B 和 C 是 NIST Chemistry WebBook 提供的水的常数。模型采用 NIST 的四组数据，覆盖 255.9 至 373 K 的水温。对于体温，T = 310.15 K，304 至 333 K 这一组数据给出 A = 5.20389、B = 1733.926、C = −39.485：

log10(P) = 5.20389 − 1733.926 / (310.15 − 39.485) = 5.20389 − 6.40616 = −1.20227

所以 P = 0.0628 bar = 6.28 kPa，也就是阿姆斯特朗极限。要得到某个压力下的沸点，可将同一方程变形：T = B / (A − log10 P) − C。

各高度的压力来自《U.S. Standard Atmosphere 1976》，它将大气描述为一系列具有规定温度廓线的层。在 11 km 以下，温度每千米下降 6.5 K；从 11 至 20 km，温度保持在 −56.5 °C。将两者结合，就得到读数中显示的沸点：

低于水的三相点压力 0.61 kPa 时，无论温度如何，液态水都无法存在。水会同时沸腾和冻结，读数也会说明这一点。读数中的小图用对数刻度绘出整条曲线，同时标出体温线，并用橙色圆点表示所选压力。

约十秒的氧气

通常肺会给血液补充氧气。在真空中，情况恰好相反。肺内没有氧气，血液流经肺时就会释放氧气，因此几秒后到达脑部的血液，比离开身体其他部位时携带的氧气更少。脑部储存的氧气只够用几秒。

NASA 的《Bioastronautics Data Book》（1973）预计某种程度的意识可持续 9 至 11 秒，并指出突然暴露的人很可能只有不超过 5 至 10 秒的自救时间。减压到低于 2 mmHg 的狗在 9 至 10 秒后倒下。1965 年受试者的 14 秒与此相符，因为他的压力服很可能从未达到高真空。

在较低高度，可用时间更长，FAA 将其公布为「有效意识时间」。这是飞行员仍能合理行动的时间，而不是到完全昏迷为止的时间：

由于演示从骤然降压开始，模型采用快速减压这一列；从阿姆斯特朗极限高度往上，则采用近真空下的 9 至 11 s。各行数据之间用平滑曲线连接。时间轴上的橙色带表示这个范围，而意识清醒一行在橙色带起点变红。

膨胀，而非爆裂

当压力低于阿姆斯特朗极限时，身体组织中的水开始变成水蒸气，这个过程称为体液沸腾。它从最缺乏抑制压力的地方开始：疏松的皮下组织和大静脉中的血液。《Bioastronautics Data Book》记载，除非有压力服约束，身体会明显膨胀，体积可能达到正常的两倍。

身体不会爆裂。皮肤坚韧而有弹性，水蒸气留在皮肤下面。在狗的实验中，压力一旦升至约 50 mmHg 以上，肿胀便大幅消退。该数据手册还记载，合身的紧身弹性衣即使在低至 15 mmHg 的压力下，也能完全防止体液沸腾。即使是普通紧身衣，也会产生少量反压力。

演示中，皮肤沿自身表面向外移动，手臂、腿、手和脚的变化最大，下方组织层的移动则较小，因此两层之间的间隙就是膨胀的表现。打开剖开皮肤可看见这个间隙，打开气泡可用小球显示水蒸气。手单独列为一个部位，是因为一宗真实案例。1960 年，约瑟夫·基廷格乘敞开的气球吊舱升至 102,800 ft。上升途中，他右手的加压手套失效，手随之肿胀、疼痛，无法使用。他仍完成了跳伞，回到较低高度后，手恢复了正常。

血液循环何时停止

大静脉中形成的水蒸气，是较长时间暴露致命的原因。Roth 的汇编描述了气泡在大静脉进入心脏的位置形成，并沿静脉向后扩散，构成「血管蒸气锁」，阻止血液回流心脏。心脏便无血可泵。

数据手册给出了时间过程：心率起初可能上升，随后迅速下降，动脉压在 30 至 60 秒内下降，静脉压在约一分钟内达到或超过动脉压。此后几乎不再有有效循环。狗在 2 mmHg 下持续 90 秒后，心率从正常的每分钟 159 次降至 10 次。

模型将心率绘为前 5 s 上升，之后下降，并让循环在 5 至 60 s 之间逐渐减弱。这些曲线是穿过报告时间点的平滑线，并非对某个人的测量。

能存活多久？

没有人故意用人做过这种试验，所以数字来自动物和事故。1964 年，美国空军航空航天医学学校将 126 只狗减压至低于 2 mmHg，持续 5 至 180 秒。尽管有肺损伤迹象，暴露不足 120 秒的狗在恢复压力后全部存活。持续 120 至 180 秒的暴露导致约 15 % 至超过 80 % 的狗死亡。1965 年为 NASA 测试的黑猩猩被置于低于 2 mmHg 的环境中 5 至 150 秒；它们全部在四小时内重新完成受训任务，测试未发现脑损伤。

根据这些研究，NASA 数据手册认为，在 60 至 90 秒内恢复压力可能意味着存活，而且也许能相当快地康复，但并无保证：有些动物在几秒内死亡，少数留下了永久损伤。Roth 的汇编建议，在规划应急程序时采用 90 秒的最长存活时间。演示中的若现在恢复压力一行遵循这些区间。它陈述的是动物实验中观察到的情况，而不是对任何人的预测。

真正完全暴露于真空、且持续到底的一宗案例是联盟 11 号。1971 年 6 月，返回舱分离时，一个压力平衡阀在远高于大气层的位置被震开。舱内空气不到一分钟便泄尽。三名未穿压力服的宇航员失去意识，并在两分钟内死亡。飞船自动着陆，救援人员发现他们仍坐在座椅上。

太空不会让人瞬间冻僵

真空没有空气，因此没有物质通过传导或对流带走热量。唯一的散热途径是辐射，即每个温暖物体都会发出的红外辐射。若皮肤温度为 33 °C，发射率为 0.97，约 1.5 m² 的皮肤朝向空旷太空，斯特藩–玻尔兹曼定律给出：

P = 0.97 × 5.67 × 10⁻⁸ × 1.5 × 306.15⁴ ≈ 725 W

一个 70 kg 的身体每升降一度，对应约 243 kJ 的热量。在 725 W 下，核心温度两分钟内下降约 0.36 °C。以这种方式下降 1 度需要超过五分钟。身处太空阴影中两分钟并不会让人冻僵。

真正变冷的部位是口鼻。水不断从气道蒸发，蒸发带走热量。数据手册指出，这会让口鼻冷却至接近冰点，而身体其余部分冷却得慢得多。口鼻一行显示这种下降。

阳光会改变热量平衡。在地球与太阳的距离处，太阳辐照度为 1,361 W/m²。如果半平方米的身体面向太阳，并吸收 60 % 的辐射，输入的热功率约为 408 W，净散热功率就降至约 316 W。关闭阳光，可看到核心温度下降略快。

压力服改变了什么

航天服主要像一个气球，维持对身体的压力。它不需要达到海平面压力：如果内部是纯氧，低得多的总压也能让肺获得足够氧气。NASA 列出的阿波罗航天服压力为 25.8 kPa，空间站航天服为 29.6 kPa（4.3 psi），俄罗斯海鹰航天服为 39.2 kPa，均使用 100 % 氧气。这远高于阿姆斯特朗极限，所以体内水分不会沸腾。值得注意的是，4.3 psi 也大致等于飞机在 30,000 ft 高度时的外界气压。

较低的服内压力让航天服更容易弯曲，尤其是手套，但也带来另一个问题。从 101 kPa 的空间站空气进入 29.6 kPa 的航天服，会让溶解在体内的氮气形成气泡，造成与潜水员相同的减压病。因此宇航员先呼吸纯氧，排出氮气。空间站的一种程序从第一次吸氧到出舱共需 2 小时 20 分钟。

打开压力服，整条时间轴便保持平静：没有膨胀，没有沸腾，肺和氧气供应都正常。

比太空更低的地方

不必到太空，也可能遇到其中一些影响。高度滑块和时间轴上方的快捷选项，让你在其他地方体验同样的两分钟。

• 客机座舱：美国规定，增压座舱在正常飞行时的气压高度不得超过 8,000 ft。这相当于约 75 kPa，时间轴上不会发生任何事件。
• 珠穆朗玛峰：标准大气中的压力约为 31 kPa。水的沸点约为 70 °C，体内没有水分沸腾，有效意识时间长达许多分钟，所以两分钟内时间轴上没有事件。登山者仍会在数小时乃至数天中受到缺氧影响。
• 巡航客机：在 35,000 ft，座舱骤然失压后的有效意识时间为 15 至 30 s。这正是氧气面罩会落下的原因。美国规定，机组人员在超过 12,500 ft 的高度停留超过 30 分钟时必须供氧，超过 15,000 ft 时则须向每位乘员供氧。
• 阿姆斯特朗极限：约 19 km。高于这一高度，即使短时间暴露也需要压力服。

1999 年一架注册号为 N47BA 的 Learjet 35 事故清楚表明，忽视这一点代价很大。飞机获准爬升至 39,000 ft 后失去无线电联系。NTSB 查明，机组因座舱失压且未获得补充氧气而丧失行动能力。飞机持续飞行，直到燃油耗尽，最终坠毁于南达科他州。

可以尝试的案例

演示下方列有 33 个案例。按下在模型中显示，每张卡片会把模型设为对应的压力和时间；标有秒数的卡片还有同一套 0 至 150 s 刻度的条形图，便于比较。案例分为五类：

• 事故：1965 年真空舱测试、基廷格的手、联盟 11 号、1999 年的 Learjet。
• 实验：狗和黑猩猩研究、80 mmHg 的肺压差极限、弹性衣、90 s 内恢复压力。
• 规定：FAA 有效意识时间、供氧和座舱规定、航天服压力及预吸氧。
• 高度：珠穆朗玛峰、阿姆斯特朗极限、创纪录的气球跳伞、火星表面及未经大气过滤的阳光。
• 电影：比较接近事实及不符合事实的场景，每个都与实际记录对照。

火星表面是个有用的参照。其平均压力为 6.36 mbar，即 0.64 kPa，约等于地球 35 km 高度附近的气压。对没有防护的身体而言，这接近真空，因此火星航天服必须是完整的压力服。

模型省略了什么

• 人形是示意图，不是一个真实的人。外形由光滑的胶囊形构成，器官也是位于大致正确位置的简单形状。
• 动脉用红色表示，随着氧气减少转为紫色，静脉始终为蓝色。真实的缺氧血液是暗红色。
• 氧气、心率、循环、膨胀和口部温度曲线，是穿过报告时间点绘制的平滑线。演示中将其标为模型值。
• 情景假设压力从海平面骤降。缓慢泄漏会提供更多时间，而事先呼吸纯氧的人也会多出几秒，就像那些预先排氮的狗一样。
• 真人存在个体差异。FAA 指出，有效意识时间随肺容量、血红蛋白及身体耗氧量的不同而大幅变化。
• 高度是 1976 年标准大气中的几何高度。某地实际气压还会随天气、季节和纬度变化。
• 热量数字仅考虑辐射。皮肤和气道蒸发会使表面冷却更快。

简史

在航天需要压力服之前，高空飞行就已催生了它。约瑟夫·基廷格于 1960 年乘敞开吊舱升至 102,800 ft，部分目的就是测试压力服；他未受加压保护的手，成为缺少这种防护会怎样的最著名实例。

1960 年代初，随着航天器和大型真空舱的建造，NASA 载人航天器中心资助动物研究，以查明压力服失效的后果。Bancroft 和 Dunn 在 1963 和 1964 年对 126 只狗进行减压；Holloman 空军基地的 Koestler 团队测试黑猩猩，并于 1965 年 11 月报告结果。这些结果被收入《Bioastronautics Data Book》和 Roth 的汇编，确立了至今仍被引用的数字：约 10 秒有效意识时间，以及用于规划救援的约 90 秒。

此后，人体案例大多是结局良好的事故，例如 1965 年真空舱测试。1971 年联盟 11 号至今仍是唯一有人在太空本身死亡的事件。