載人航天的今天和明天

風(fēng)吟樓 2021-03-08

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載人航天是人從地球往返太空，進(jìn)行探測(cè)、研究、開采生產(chǎn)等活動(dòng)。從宏觀來看，要把地球看做地球村，人類文明怎么從懸浮在太空中的地球村走出去，再建設(shè)一個(gè)又一個(gè)村子，最終發(fā)展成為星際文明，實(shí)現(xiàn)科幻電影里那些想象出來的，在月球、火星、木星、土星等各個(gè)天體之間來回穿梭的場(chǎng)景。

火星春晚

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現(xiàn)在載人航天還只是起步階段，我們?cè)谥饾u了解外面的宇宙，送人去太空只能待在近地軌道，而且半年就要換班。遙望其他星球，上面是很恐怖的環(huán)境，都不如地球上的溫暖舒服，它們要么特別冷，要么太陽一曬特別熱，月球表面能到100多度，還有太陽照射下四五百度的水星，可能做燒烤比較方便，但人上去受不了；木星、土星都是氣態(tài)的表面，沒辦法下腳。這些只是一部分不利條件，此外還有輻射的影響，沒有可以呼吸的空氣，最低等的細(xì)菌、地衣都沒辦法生存。

但是我們想辦法要去，去月球，去火星，這些都是比較近的目標(biāo)，月球去過了，以后長(zhǎng)期住在那兒行不行，火星上人還沒有去過，那20年以后上去行不行？

載人航天就是研究這些問題的，在外太空維持人的生存，路上怎么辦，到月球、火星了怎么辦，怎么返回來，各種解決辦法，火箭技術(shù)、軌道計(jì)算、信號(hào)傳輸、生命維持、物質(zhì)循環(huán)、科學(xué)探索，以及做項(xiàng)目的成本核算、項(xiàng)目管理，有很多科學(xué)家在不斷做研究，才能讓載人航天成為現(xiàn)實(shí)。

火箭技術(shù)，就是把人和物資送出地球的能力，火箭要足夠強(qiáng)大才行。你自己跳一跳試試，就能體會(huì)到，地球的引力太厲害了。飛機(jī)當(dāng)然是可以離開地面的，但飛機(jī)要利用空氣才能做到，燃料燃燒需要空氣，飛機(jī)的機(jī)翼產(chǎn)生升力也需要空氣，而火箭要飛得很高，飛到?jīng)]有空氣的地方去，離開地面超過100千米，不但要帶燃料，還要帶氧氣，壓縮之后，在低溫條件下就是液氧，所以火箭干個(gè)活很累，自帶干糧，要飛出去，得分成好幾級(jí)，甚至還有助推器，第一級(jí)燒完以后就分離，第二級(jí)再燒，第二級(jí)燒完又分離，第三級(jí)再點(diǎn)火?，F(xiàn)在的SpaceX公司有了很好的設(shè)計(jì)，第一級(jí)飛出去還能回收，而且盡可能用民用級(jí)的零件，這樣少浪費(fèi)，又便宜，通過回收，飛好幾次之后，一平均就把每一次的成本降下來了。在SpaceX有了成功先例之后，后面新的火箭設(shè)計(jì)都要考慮到回收的問題，這是一次很大的變革。

在發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)上，如果發(fā)射大型的任務(wù)，好幾百噸的航天器，發(fā)射好多次，那么需要在地球上建設(shè)一排發(fā)射工位。因?yàn)槊看伟l(fā)射完以后，發(fā)射工位要檢修，所以有了足夠的發(fā)射工位，一天內(nèi)或者幾天內(nèi)就可以發(fā)射多枚火箭，在太空中交會(huì)對(duì)接。這些都需要大量的工程師來維護(hù)，所以需要航天這個(gè)行業(yè)不斷發(fā)展，吸引更多的人來從事專業(yè)性的工作。

第二點(diǎn)是軌道計(jì)算，肯定是數(shù)學(xué)特別厲害才能搞清楚，現(xiàn)在有了計(jì)算機(jī)的幫助，有了公式，有了變量，就可以求結(jié)果。除了軌道計(jì)算，火箭、飛船的設(shè)計(jì)，也離不開計(jì)算機(jī)，而且計(jì)算機(jī)越來越智能化，甚至能自學(xué)成才，AI，就是這樣的，能夠打敗最厲害的象棋、圍棋選手，還有各種戰(zhàn)略游戲，都可以戰(zhàn)勝冠軍選手，在以后的城市控制、路線規(guī)劃、自動(dòng)駕駛，甚至以后整個(gè)世界的生產(chǎn)、物流環(huán)節(jié)，有很多基礎(chǔ)的工作都會(huì)由計(jì)算機(jī)完成，我懷疑我們?nèi)祟愡€能干什么？所以你現(xiàn)在就趕快開始想吧。

信號(hào)傳輸，越遠(yuǎn)的話，信號(hào)變得衰弱，所以需要很大的天線來傳輸信號(hào)，近地軌道是第一關(guān)，四五百千米高，還比較簡(jiǎn)單，月球38萬千米，嫦娥任務(wù)，中國(guó)也實(shí)現(xiàn)了，再下一步往遠(yuǎn)處走，中國(guó)也發(fā)射了火星任務(wù)，這個(gè)測(cè)控能力就厲害了，用很大的天線來觀測(cè)、來聯(lián)系。中國(guó)在新疆建設(shè)了深空天線組陣系統(tǒng)，還有在南美洲建設(shè)了觀測(cè)基地。每次發(fā)射，還有遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船，去太平洋不同海域完成火箭的海上測(cè)控任務(wù)。

生命維持。人上天之后，當(dāng)然有吃喝拉撒睡，除了維持生命，還要生活有質(zhì)量，條件需要更好一點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)再降一點(diǎn)。機(jī)器上天的話，出事了就是機(jī)器沒了，人上天就是人命的問題。在航天史上，是發(fā)生過很多事故的，阿波羅1號(hào)在地面訓(xùn)練的時(shí)候出事，當(dāng)時(shí)里面灌的都是純氧氣，結(jié)果發(fā)生了火災(zāi)；在火箭研制、發(fā)射的過程中，有時(shí)候發(fā)生爆炸，很多火箭專家因此就犧牲了，在蘇聯(lián)時(shí)期，由于趕進(jìn)度的原因，風(fēng)險(xiǎn)把控做不好，有一次一堆人圍著火箭的時(shí)候發(fā)生了爆炸，造成損失太大了。

繼續(xù)說生命維持，需要水、空氣、溫度、食物，現(xiàn)在我們還需要有電。手機(jī)能充電，有信號(hào)，有人說了，帶上手機(jī)我在月球上呆100年都行。

在外太空，所有的物資都是送上去的，吃的、穿的、用的，住的空間站，執(zhí)行太空行走時(shí)候穿的航天服等等。在空間站，可以由貨運(yùn)飛船送上去，載人的飛船也能裝一些，不過裝得少，成本高，所以也需要專用的貨運(yùn)飛船，每年4次、5次，跟送快遞一樣方便了。物資儲(chǔ)備、試驗(yàn)器材送上去，然后返回時(shí)，帶回來科研的樣本，研究之后發(fā)表幾篇論文，科學(xué)家就很開心。

在外太空有很多風(fēng)險(xiǎn)，在近地軌道，由于人類的發(fā)射活動(dòng)，太空垃圾已經(jīng)越來越多了，繞地球的速度都在每秒7.9千米以上，相對(duì)速度還可能更高，一旦撞擊會(huì)導(dǎo)致惡劣的事故。

此外，長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境，導(dǎo)致人體機(jī)能受損，視力、腦力、肌肉、骨骼等都會(huì)衰退，在地球上，有地球的吸引力，隨時(shí)感覺到下墜的感覺，你胃里的食物會(huì)往下走，空氣往上走，你可以打嗝，把胃里空氣排出來，可是太空中你飄著，懸浮狀態(tài)，就別想打嗝了，空氣和食物完全混在一起。同樣的道理，太空中懸浮的燃料箱也有這樣的現(xiàn)象，液體和氣體沒辦法很好的分開，這就是需要解決的問題。在太空中，有些致病的微生物也變得更厲害了，對(duì)人、對(duì)儀器設(shè)備的損害加大。

所以載人航天的實(shí)現(xiàn)需要很多科技支持，從材料學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)各方面做科研，很多人密切協(xié)作才能做到。

離開地球靠火箭，而在地球或火星上降落，由于有大氣層的原因，所以在著陸時(shí)候都要做很周全的隔熱防護(hù)，別把艙里的東西烤熟了。著陸的返回艙燒得黑乎乎的，里面卻很安全。神舟號(hào)返回艙有個(gè)凸起，這樣返回的過程中就固定了它進(jìn)入空氣的角度，像小魚的尾巴的作用，而在另一面預(yù)計(jì)要承受高溫，肯定就要做好耐高溫的各種設(shè)計(jì)和防護(hù)。

在近地軌道，去月球等任務(wù)，時(shí)間持續(xù)時(shí)間短，還好控制，但要去火星的話，長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)宇宙輻射、太陽粒子等輻射，對(duì)人體的傷害是很大的。此外在長(zhǎng)時(shí)間一起工作的團(tuán)隊(duì)，還會(huì)遇到心理問題、團(tuán)隊(duì)沖突等，于是為了積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在地球上進(jìn)行過很多長(zhǎng)時(shí)間的模擬，有時(shí)候是與外界空氣隔絕，也驗(yàn)證了生命維持系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，有的是沒有空氣隔絕，就是驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)合作，比如在俄羅斯進(jìn)行的“火星500”實(shí)驗(yàn)，就把6個(gè)人一直關(guān)了520天。

有些模擬訓(xùn)練還要模擬太空的微重力環(huán)境，進(jìn)行實(shí)際操作，可以坐拋物線飛行的飛機(jī)，維持20幾秒的失重狀態(tài)，或者在水下漂浮著訓(xùn)練，還有的需要吊起來訓(xùn)練，體驗(yàn)當(dāng)然都不如真的去太空了。

有的模擬是對(duì)航天員的訓(xùn)練，有的模擬是對(duì)人體反應(yīng)的驗(yàn)證，如果一直躺著，模擬太空的失重躺幾個(gè)月，對(duì)骨骼和肌肉的影響肯定是負(fù)面的。我們?cè)趺慈タ朔@種損害？可以通過訓(xùn)練，或是用一些藥物減緩鈣質(zhì)流失。

物質(zhì)循環(huán)其實(shí)也和生命維持相關(guān)，人的生活產(chǎn)生了一些廢氣、廢物，還有生活垃圾。能回收循環(huán)的，最好就地解決，這樣可以減少一些物資補(bǔ)給，通過氧氣和二氧化碳的轉(zhuǎn)化，廢水中提取出純水來減少消耗。還有在月球、火星上就地取材，用土來造房子，從凍土中提取出水，利用當(dāng)?shù)氐奶柲馨l(fā)電，發(fā)電以后做物質(zhì)循環(huán)、提取水的工作，制造火箭燃料等，漸漸在外太空實(shí)現(xiàn)工業(yè)，這就是新世界的誕生。

總體來說，實(shí)現(xiàn)移民是很長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃，短期來看，航天任務(wù)的主要目的還是搞科研，就是搞清楚月球是怎么回事，火星是怎么回事，因?yàn)橹安涣私猓园l(fā)射很多探測(cè)器過去，拍照片、用儀器分析，甚至從月球采樣回來，從小行星采樣回來，研究月壤，研究火星土壤，怎么加以利用，人過去以后會(huì)不會(huì)安全。月壤是人直接接觸過的，感覺就很細(xì)小、很尖利，月球上沒有空氣沒有風(fēng)，塵土之間沒有互相摩擦的作用，所以月壤的塵土有棱有角，就對(duì)人健康有危害，呼吸到肺里可不行。從火星的研究來看，火星表面含有一些高氯酸鹽等有害物質(zhì)，也不建議人直接接觸，所以在去登陸之前要把這些事情先搞明白，這就是科研的作用。

最近中國(guó)的嫦娥五號(hào)，從月球采樣1731克，也驗(yàn)證了很多航天技術(shù)，從月球表面起飛，環(huán)月球自動(dòng)對(duì)接的技術(shù)，將來載人的任務(wù)，仍然是這樣的技術(shù)。所以一步步穩(wěn)扎穩(wěn)打，不要出紕漏。這就是中國(guó)的航天事業(yè)，用很少的錢，做了很多的事情。科學(xué)家做科研，用的不是自己的錢，用的是國(guó)家項(xiàng)目，或者是企業(yè)資金，所以在花錢之前，都要寫出詳細(xì)的預(yù)算和計(jì)劃，我用多少錢把這個(gè)事情做成，做出什么效果，經(jīng)過審批之后，才能拿到做科研的錢。錢的總數(shù)是一定的，用在這個(gè)項(xiàng)目，就不能用在那個(gè)項(xiàng)目，所以很多人在爭(zhēng)取，就有競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，看誰的預(yù)算寫得好，能把事情說明白。中國(guó)的基礎(chǔ)科研也在不斷加強(qiáng)，就是一些做完了研究，產(chǎn)生不了任何經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這些項(xiàng)目對(duì)人類的發(fā)展是有好處的，這是社會(huì)進(jìn)步以后，必然要做的事情。吃飽穿暖了，怎么去追求人生的意義。

爭(zhēng)取了資金之后，怎么做項(xiàng)目，怎么管理人才，帶10個(gè)人怎么干，帶100個(gè)人、1000個(gè)人怎么干，都需要實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累。人多了，管理起來就很復(fù)雜，提高效率，發(fā)揮每個(gè)人的長(zhǎng)處。有的部門總抓項(xiàng)目，然后下面每個(gè)人負(fù)責(zé)一個(gè)方面，臨時(shí)換人也不會(huì)對(duì)總的進(jìn)度有嚴(yán)重影響。項(xiàng)目里面師傅帶徒弟一樣，你要干得好了，有了經(jīng)驗(yàn)，以后可以承擔(dān)更大的項(xiàng)目，也可以做師傅了。這也是人才培養(yǎng)的辦法。

航天事業(yè)不斷發(fā)展的過程，就像小孩一點(diǎn)點(diǎn)長(zhǎng)大，在不斷變化。其中每個(gè)人都是一個(gè)小細(xì)胞，有年輕的，有年老的，新老更替，分工也不同，但一起合作去完成一項(xiàng)項(xiàng)重大的任務(wù)。每個(gè)人都努力去做一個(gè)有想法的細(xì)胞，學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)，成為掌握最高科技，有影響力的細(xì)胞，我們的航天事業(yè)才會(huì)蓬勃發(fā)展，載人航天也有更光明的未來。

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來自：風(fēng)吟樓 > 《科學(xué)》

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