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太空写字成世界难题,美国曾花百万专门研制,中国1只毛笔就搞定

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神舟十三号航天员已经进驻空间站1个星期,他们将在空间站呆6个月,翟志刚、王亚平、叶光富将成为首批在太空过年的中国航天员,到时候,翟志刚也将泼墨挥毫,为空间站送上第一副对联。


太空写字成世界难题

大家可能不知道,太空写字是世界性难题,因为钢笔、圆珠笔在失重条件下都无法使用,铅笔便成为唯一的选择。但是,铅笔芯有时候会断,书写产生的石墨残渣会在失重的环境中漂浮,飘进航天员的鼻子、眼睛中。而且,石墨是良性导体,一旦飘进电器中就会引起短路的危险。此外,铅笔芯和木头在纯氧的环境中极易燃烧。

所以说,铅笔不适合在太空中使用。经过改进后,美国采用机械铅笔,也就是现在的自动铅笔,而苏联则采用油笔。但是,机械铅笔仍会产生石墨粉,这两种笔迹很容易被擦除,不能够长久保留。


保罗·费舍尔意识到宇航员迫切需要一种能在太空安全、自如书写的笔,于是投资了 100 万美元来制造现在众所周知的太空笔。

太空笔的诞生

1965 年,费舍尔成功研制了一种可以倒置书写、在寒冷或烘烤条件下(-10度~ 237度)甚至可以在在水下或其他液体中书写的笔的专利。但是,如果太热,墨水会变成绿色而不是正常的蓝色。这就是著名的“AG-7“反重力太空笔。


与大多数圆珠笔不同,费舍尔的钢笔不依靠重力来使墨水流动。墨盒改为氮气加压。这种压力将墨水推向笔尖的碳化钨球。墨水也不同于其他钢笔。费舍尔使用的墨水会保持凝胶状固体,直到圆珠笔的移动将其变成液体。加压氮气还可以防止空气与墨水混合,因此它不会蒸发或氧化。

在研发成功之后,费舍尔将制造的原型交给了NASA,美国宇航局约翰逊航天中心,对这些笔进行了广泛的测试。航天局发现在极热和极冷的环境中,以及从纯氧到真空的大气中,这些笔都能工作。而且这笔拥有足够的墨水来绘制一条超过三英里长的实线——远远超过 NASA 的半公里(0.3 英里)墨水要求。NASA的支持加速了太空笔的研发,让其走向了市场。

NASA在1967年的时候采购了费舍尔的太空笔,美国宇航局为阿波罗计划订购了 400 支费舍尔的反重力圆珠笔。一年后,苏联也和费舍尔订购了 100 支钢笔和 1000 个墨盒,用于他们的联盟号太空任务。


自 1960 年代后期以来,美国宇航员和俄罗斯宇航员一直都在使用费舍尔的钢笔。经过科技的不断发展,费舍尔也研制了一系列太空笔。自阿波罗 7 号以来,美国宇航局的每一次载人任务都使用了太空笔。在国际空间站上,甚至有几十支太空笔。

当然,太空笔只是在太空中最适合书写的笔,在《HANDBOOK OF pilot OPERATIONAL EQUIPMENT FOR MANNED SPACE FLIGHT》(载人航天飞行飞行员操作设备手册),NASA还允许宇航员可以在太空中使用毡尖标记笔和金属机械铅笔,但是必须由专门的制笔公司制造,笔的油墨容量、体积、长度、书写长度等都有严格的规定。


说到这里,大家肯定就会有一个疑问,那为什么中国普通的的毛笔可以在太空使用呢?


为什么毛笔可以在空间站使用

空间站处于微重力环境,这个时候,地球上常见的物理现象会发生不可思议的变化。液体和气体由重力导致的自然对流基本消除、液体中浮力消失、由于物质密度不同引起的沉浮和分层现象也消失等现象。

美国宇航员曾经做过实验,如果在空间站拧毛巾,由于没有重力影响,毛巾上的水会吸附在毛巾表面或者流到手中。抖出来的一部分水珠,不会像正常状态下掉落,而是朝着不确定的方向飞。保持的水珠的形态,不会散落成一滩水。


而毛笔的毛就相当于毛巾一样,会把液体吸附在笔尖,毛笔上面吸收了墨水,在笔尖与纸张接触的时候,墨水就从笔尖转移到了纸上。

这就是著名的毛细现象,也就是液体运动非重力引起,而是由液体分子相互作用、液体与接触物表面之间相互作用引起。产生毛细管现象的原因之一是由于附着层中分子的附着力与内聚力的作用,造成浸润或不浸润,因而使毛细管中的液面呈现弯月形。原因之二是由于存在表面张力,从而使弯曲液面产生附加压强。这也是为什么毛笔可以蘸墨写字的原因。


而在空间失重环境中,对流、沉积、浮力、静压力等现象都消失了,但是另外一些物理现象却显现出来。例如,液体的表面张力使液体在不和其他物体接触时,紧紧抱成一团,在空中悬浮;液体和其他物体接触时,液体在物体表面能无限制地自由延展。

所以太空毛细现象加剧了液体的浸润性,气体泡沫能均匀地分布在液体中,不同密度的液体可均匀混合。于是毛笔在失重条件下,也可以一如既往地吸入墨水,并正常书写了。而且因为微重力环境墨水还更容易附着在笔尖上。


当然,一支毛笔能留住的墨水,有一个上限,如果蘸多了,墨水也可能会飘。过年的时候,翟志刚要写一副对联,这可比刘伯明写“理想”两个字困难得多,到时候如果墨水蘸多了,就很麻烦了,所以这就很考验翟志刚的技巧了。

还有一个问题,那就是墨水盒,如果是平常的墨水盒,在打开蘸墨的时候,墨水就会朝着不确定的方向飞。所以墨水盒应该是用特殊的方式处理过的。这个谜团,我们到过年的时候应该就可以揭晓了。

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