人類長期生存於地球表面，身體器官已經適應了地面生活的需要。隨著飛天夢想的實現，新問題隨之產生：人體能否適應飛天活動帶來的新環境？當年，法國路易十六國王也正是出於這種擔心，斷然否決了蒙哥爾菲兄弟提出的熱氣球載人飛行的要求。
果然，國王擔心的事情後來還是發生了：
1862年，2名英國人在8800米高度喪生，隨後2名法國人也在同樣高度遇難。
1875年4月15日，法國科學家提森迪爾乘坐熱氣球飛到了8600米高空，突然全部昏迷。等到氣球癟了落回地面時，同伴斯皮內利和西維爾已經死亡，提森迪爾則落下了永久性耳聾。
1927年，美國陸軍上尉格雷兩次乘坐氣球試圖衝擊13000米高度均告失敗。第一次他上升到12800米，感到胸悶難受後下降高度到2440米跳傘逃生；第二次他上升到11895米時失去了意識，最終死亡。
……
怎麼回事？
原來高空飛行時，飛行者會遭遇低溫、低壓和低氧。“三低”如同高懸在飛行者頭上的“三把刀”，一旦應對不利，就會致人死亡。
大氣溫度隨海拔高度變化
先說低溫。地球周圍環繞著大氣層，航空飛行目前主要在對流層和平流層。對流層大致從地面到11千米高度，受地面加熱影響，越靠近地面氣溫越高，越遠離地面氣溫越低。高度每上升1千米，大氣溫度降低約攝氏6.5度。如果地面氣溫攝氏15度，那麼到對流層頂端，即11千米高度氣溫可降至攝氏零下55度，比在我國最北端黑龍江漠河觀測到的國內最低氣溫紀錄攝氏零下52.3度還要低。進入平流層之後，從平流層底部到大約40 千米高度，氣溫幾乎不隨高度變化，保持在攝氏零下55度左右，形成同溫層。由此向上到平流層頂端，大約50千米高度，由於紫外線的加熱作用，氣溫隨高度上升而升高，形成逆溫層，平流層頂端可達到攝氏零下3度左右。
人體的正常體溫在攝氏37度左右。一般來說，外界氣溫降低到攝氏20度左右，就會引起人的體溫下降。一旦體溫降低到攝氏36度，人的反應和判斷能力就會減弱；降低到35度就會行走困難；降低到33度就會失去理智；降低到30度就會失去知覺，降低到24度心跳就會停止。因此，高空飛行必須尋找有效方法，保持人體的正常體溫。
再說低壓。大氣壓力是物體表面單位面積上受到的大氣重力，越靠近地球表面，大氣層越厚，其重力就越大，氣壓也就越高；越臨近高空，大氣層越薄，其重力就越小，氣壓也越小。依據經驗數據，高度每上升100米，在大氣層底層，氣壓降低約10毫巴；在5～6千米高度，氣壓降低約7毫巴；到9～10千米高空，氣壓降低約5毫巴。如果以海平面為基準，在5000米高度的大氣壓不足海平面的60%，在10000米高度大約是海平面的30%。
大氣壓力隨海拔高度變化
低壓會帶來兩個方面的問題：一是呼吸困難。人體呼吸必須依靠大氣壓的幫助。吸氣時，胸腔體積擴大，肺裡的空氣壓力變小，外界氣壓大於胸腔內的氣壓，空氣經由胸腔進入肺內。空氣進入肺泡後，空氣中氧氣的壓力要比血液裡氧氣的壓力高，氧便從壓力高的地方向壓力低的地方擴散，人便得到了氧。同樣，在呼氣時，胸腔體積縮小，肺內氣體的壓力大於大氣壓力，廢氣便被排出體外。高空飛行時，情形就不一樣了，甚至可能完全相反。大氣壓力變小了，人體裡的壓力仍然那麼大，肺泡中的氧氣壓力比大氣中的氧氣壓力還要高，結果不但吸入不了氧氣，反而是人體內的氧氣向外擴散，導致高空缺氧。嚴重時還會造成溶解於血液中的空氣遊離，形成氣泡，栓塞血流。因此，飛行高度3700米以上時可以使用高壓氧氣，5000米以上時必須使用高壓氧氣。二是嚴重時還會出現血液沸騰。1971年6月30日，蘇聯“聯盟11號”宇宙飛船返回時，三名宇航員全部死亡。事後查明，原因是飛船洩漏造成失壓，三名宇航員全部死於“血液沸騰”。沸騰是指液體受熱超過其飽和溫度時，在液體內部和表面同時發生的劇烈的汽化現象。液體的沸點隨當地的大氣壓力變化：大氣壓越高，沸點越高，反之就越低。在標準大氣壓下水的沸點為100℃，到10000米高度大氣壓約為標準大氣壓的30%，水的沸點降低到70度。人體血液與此類似，血液中水分佔到了90%左右，在大約19700米高度，大氣壓可降低到6000帕，此時血液的沸點只有攝氏36.2度。也就是說，一旦進入19700米以上高度，如果不採取技術措施，人體就真的要“熱血沸騰”了。
水的沸點隨大氣壓力變化
再說說低氧。環繞地球的大氣層高度越低氣體越稠密，高度越高氣體越稀薄，由於組成大氣的各種氣體的比例基本不變，因此大氣中的氧含量也隨高度上升逐漸降低。以海平面為基準，5000米高度氧含量約為海平面的60%，10000米高度約為海平面的30%。當然，單純的低氧只會造成吸氧困難，還不至於無氧可吸。怕的是同時遭遇低壓與低氧的雙重威脅，那真的就要生命不保了。
大氣含氧量隨海拔高度變化
皮卡德與氣球壓力密封艙
人類總是在遇到問題、解決問題的過程中實現波浪式前進的。熱氣球的發展同樣如此。面對人類升空後遇到的低溫、低壓和低氧問題，1930年瑞士物理學家、發明家和探險家奧古斯特•皮卡德（1884－1962）發明了一種可以取代吊籃的鋁製壓力密封艙，解決了熱氣球高空飛行中的保溫、增壓和補氧問題。不僅如此，奧古斯特還身體力行，1931年5月27日，奧古斯特和他的助手保羅攜帶密封艙乘坐熱氣球，從德國奧格斯堡起飛，上升到了15781米的高度，創造了當時人類飛行的高度記錄，這也是人類首次進入平流層。1932年8月18日，他和助手馬克思在瑞士小鎮迪本多夫起飛，上升到了16201米的高空，再次刷新了熱氣球飛行的高度紀錄。目前，壓力密封艙已經成為熱氣球高空飛行的必備裝備，同時壓力密封艙的發明也為人類不斷創造新的熱氣球飛行的高度紀錄提供了可靠的生命保障。
（中國航空工業發展研究中心 李清）
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本篇供稿：系統工程研究所
運 營：李沅栩
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