首都科学讲堂第658期《人类离再次登月还有多远?》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-08-09

  2020年8月8日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国科学院空间科学先导专项 I 期负责人,中国空间科学学会理事长,国际宇航科学院(IAA)院士,美国电子与电气工程师协会(IEEE)会士吴季,为大家带来主题为《人类离再次登月还有多远?》的精彩讲座。

  

  人类离再次登月还有多远?

  “坐地日行八万里,巡天遥看一千河”。飞离地球、遨游太空是中华民族很久以来的梦想。2007年10月24日,“嫦娥一号”承载着中华民族千年飞天梦开始了宇宙之行,由此拉开了我国探月工程的时代序曲。2019年1月3日,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面,实现人类探测器首次在月球背面软着陆,由此人类进一步揭示了月球的奥秘。宇宙浩瀚,星汉灿烂。人类是如何开启太空梦的?人类登月已50余年,为何没有再迈得更远?我们离再次登上月球还有多远?

  第一讲 人类探索和进入太空的历史回顾

  在人类探索和进入太空的里程中,国际公认的三大航天科学的先驱分别是俄国的齐奥科夫斯基、美国的戈达德和德国的冯•布劳恩。

  1903年,俄国伟大的科学家齐奥尔科夫斯基在论文中提出了著名的“火箭公式”,论证了用火箭发射航天器的可行性,对宇航科学具有非常重要的奠基作用。他提出了多级火箭的设想,阐述了人类克服地球引力所必须获得的速度。(第一宇宙速度,也叫环绕速度,7.9公里/秒,达到此速度就可以绕地球运动。第二宇宙速度,11.2公里/秒,超过这一速度,飞行器将脱离地球的束缚,可飞到其他行星上或绕日运动。第三宇宙速度,16.7公里/秒,达到这一速度,飞行器就可以摆脱太阳引力,飞到太阳系以外的空间中去。)

  利用齐奥尔科夫斯基有关“第一宇宙速度”,以及最高效的燃料是化学燃料的理论,美国科学家戈达德在1926年首次用液体的化学燃料做了一个小的太空火箭。虽然经过几次实验,飞行高度到达了几千米,但这仍是人类第一次探索太空的尝试。

  而真正为现在所有的空间运载火箭做出重要贡献的是一位德国科学家,叫冯•布劳恩。在第二次世界大战期间,他是德国著名的火箭专家,对V-1和V-2火箭的诞生起到了关键性作用,奠定了现代液体火箭发动机的基础。

  有了火箭后,人类就有能力进入太空。1961年4月12日,前苏联载人飞船“东方”号发射成功,宇航员加加林成为在太空遨游的第一人。“东方”号航天飞船绕地球飞行一周后返回地面,这是人类第一次离开地球进入太空。这在当时是前所未有的创举,引起了全世界的轰动,开启了人类探索太空的新纪元,也让科幻作品中的一些想象成了现实。

  从1961年到1972年,美国组织实施了一系列载人登月飞行任务,即阿波罗计划。这一计划历时11年,9次飞抵月球,6次成功登月,耗资255亿美元。在工程高峰时期,参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构,总人数超过30万人。

  1969年7月20日,阿波罗11号跨越38万公里的征程,着陆在月球表面,美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成为首次登上月球的人类。这两位宇航员在月面上行走近两个小时,收集岩石、土壤并设置了实验设备。阿姆斯特朗在登月之后说:“这是我个人的一小步,却是人类一大步!”

  4个月后,阿波罗12号在风暴洋登陆,证明了精准着陆的能力。美国宇航员皮特·康拉德和艾伦·宾带回了34千克的样本,并安置了一个核热源为探测仪器提供电力。

  阿波罗13号因为氧气罐爆炸没能登月,三名宇航员安全返回地球。1971年2月5日,阿波罗14号运用了新的登月舱和装备运输车,在弗拉毛罗火山口附近着陆,目的是搜集月球深处被冲击出来的岩石。

  1971年7月30日,阿波罗15号首次使用了月球车。与前几次任务相比,阿波罗15号航天员在月球上停留时间更久,科学研究的比例更大。

  1972年4月21日,阿波罗16号第五次载人登月,在月面停留了三天,月球车行走了近30公里。两位宇航员查尔斯·杜克和肯·马丁利部署了首个天文望远镜,他们测量到月球岩石仍有残留磁场。

  1972年12月10日,最后一次成功的载人登月任务是阿波罗17号。地质学家杰克·施密特和尤金·塞尔南用了3天时间全面探索了利特罗山谷,进行了新的表面实验,又有了新的惊人发现,来自36亿年前的橙色火山灰和来自39亿年前澄海的角砾岩。通过这个发现可以得出这样一个结论:熔岩在月球上至少蔓延了7亿年。

  美国阿波罗计划在冷战背景和政治目标的驱动下,完成了人类首次登月的壮举,但是50年过去了,我们只是在400公里的近地轨道开展空间探索。美国天空实验室(Skylab)是1973年至1979年美国宇航局(NASA)进行的首次空间站计划。俄罗斯的和平号空间站是苏联建造的一个轨道空间站,它是人类首个可长期居住的空间研究中心。自和平号空间站诞生之日起,共在轨道上运行了15载,大大超过了5年的设计寿命。它绕地球飞行8万多圈,行程35亿公里,进行了2.2万次科学实验,完成了23项国际科学考察计划。此外,以美国、俄罗斯为首的国际空间站,长期以来致力于科学研究及太空资源的开发,为人类提供了一个长期在太空轨道上探测地球及天文的机会,预计到2024年退役。届时预计在2022年建成的中国空间站将成为太空唯一在轨运行的空间站。

  总的来看,人类的空间时代得益于空间技术和理论的突破,包括第一宇宙速度、 V2火箭和导弹等。自人类最后一次登月后,近50年来,无论是人类载人航天活动、天空实验室、和平号空间站、国际空间站,还是中国的神舟和天宫实验室等,人类再未突破400km高的近地轨道。

  第二讲 人类登上月球已经50年了,为何未迈得更远?

  我们现在距离第一次人类登上月球已经过去了50年,人类的科技取得了飞速的发展,为什么我们没有再迈得更远?首先,航天技术从一开始就与政治、军事紧密相连。世界最早投入实战使用的V-2火箭是由冯·布劳恩在二战期间主持设计制造的,它是现代火箭的原型。美国“回纹针行动”(Operation Paperclip)中程弹道导弹研发计划就是在V2设计思想的基础上,研制“红石”和“丘比特”中程弹道导弹。航天技术成为政治体制的博弈工具,美苏两大政治阵营冷战期间形成航天对峙。

  1957年10月,苏联成功发射人类首颗人造卫星Sputnik,从此人类进入空间时代。3个月后,1958年1月,美国发射Explorer-1号卫星,首次发现范艾伦辐射带。美国NASA于1958年成立,成立的目标就是不能让苏联发射第一颗人造卫星这样的事情再次发生。1961年肯尼迪总统宣布,要在1970年之前,将美国人送上月球并安全返回。

   对比冷战时期美苏太空争霸的标志性成果可以看到,苏联的势头在逐渐减弱,美国逐渐在冷战后期取得了胜利。苏联发射第一颗人造卫星,第一次载人飞行,第一个把女宇航员送到太空,第一次出舱活动,第一次无人探月,第一次金星探测等。后来美国居上,完成了第一次火星探测,第一次载人登月,第一次木星、土星探测等等。当时,这种由政治和国防驱动的航天工业,在世界各国都出现了不同程度的复制。

  六七十年代,航天科技是中国获得国际话语权的重要支撑,中国成为继美苏之后第三世界领袖。1970年4月24日,我国发射中国首颗人造卫星——东方红一号。之后,我国很多航天计划主要用于国防,保卫自己的国家。至今,一些经济体量较小的国家,包括伊朗、朝鲜等发射卫星的目的也是要获得国际上的话语权。

  实际上,航天科技从诞生开始,其属性就与国防、军工,以及科学探索牢牢地绑在了一起,属于由政府投资的特殊领域。航天科技是国家政治地位和话语权的主要支撑,是国家国防军工工业的主要力量,是国家前沿科学探索能力的主要代表,是国家高科技创新能力的主要窗口。

  由此,航天科技就具有以下几个特点:责任重大要求零失误,因而就难以避免出现大量冗余设计,以及大量重复试验。和阿波罗计划时期相比,美国目前在航天科技领域的人员趋于老龄化,政府订货也形成了非市场机制的价格垄断。目前各个国家的政府航天市场已经陷入成本高的怪圈,即越强调可靠性,研制周期越长,研制周期越长,成本就越高,成本越高就越不能失败,从而再次强调可靠性,进入了一个怪圈。

  至于为什么人类50年没有再走出地球空间,这主要是因为50年来,人类没有一个可持续发展的目标来推动它。此外,没有一个基于市场机制的竞争环境,使得航天产品同时得到高质量和低成本两个特性。

  第三讲 关于人类登月的梦想

  中国人对月球有非常深厚的感情,两三千年前,古代就有嫦娥奔月的故事,月宫、玉兔和桂花酒是那样的美好。月球文化也体现在诗词里,一些文人看到月相、天象都会激发出他们很多丰富的想象。

  但这些都是人类关于月球的梦想。阿波罗完成了登月后,我们人类登月的梦想就算实现了吗?也许有人说那只是美国人登月了。那么如果未来中国的宇航员登上月球了,中国人的登月梦想就实现了吗?

  答案似乎也不是。俄罗斯航天之父齐奥尔科夫斯基说过一句名言:地球是人类的摇篮,但是人类不可能永远生活在摇篮中!因此我们人类的梦想应该是:普通人也能够走出地球,进入太空,而不仅仅是国家项目支持的几个宇航员去一次、两次。

  第四讲 人类离再次登月还有多远

  航天活动在近期的发展已经证明,不仅仅是政府需要航天科技,普通的百姓也需要它,比如太空旅游。一旦人类的太空旅游实现了,就会使得不仅仅是几个宇航员,而是大量的普通民众也有了进入了太空的机会,也只有到那时,人类才算真正走出了地球摇篮。

  那么备受关注的商业航天是如何获得如此保密的、具有军民双重用途的航天高技术?一是他们有自己的创新,大量使用廉价、商业元器件;二是他们大量吸收来自体制内的专业技术人员,购买政府专利;三是他们发展自己的创新技术,比如立方星完全就是由商业公司自主研发的新技术;四是发展政府作为用户以外的新市场,形成可持续的发展动力。

  载人太空旅游,包括月球旅游,是新航天中最具发展前景的领域。预计近期会在邻近空间和近地轨道出现突破,形成巨大的市场规模。月球旅游可能是未来能够改变人类的最重要的领域,也会对商业航天市场带来革命性的变革。

  我们离月球旅游还有多远?如果要去月球旅游的话,还有一些技术问题要解决。比如月地高速通信、月面能源提取、月夜能源等。目前,玉兔一号、玉兔二号,以及嫦娥三号、四号着陆器都是在月夜关闭,进入休眠期。月夜长达14天,对太空旅游来说,必须解决月夜能源的问题,这不光是运行成本问题,还因为只有在月夜期间,才能获得最好的回望地球的机会,也就是观看如同在地球上看“满月”一样的看到“满地”。

  在降低运输成本方面,地球载人飞船起飞采用可重复使用火箭,返回采用返回舱式的6人座小飞船,构建地面和地球轨道中转站的运输能力。因为月球上没有大气,月面着陆和起飞舱可以重复使用。而运输系统的燃料,可在月球表面生产。

  在度过漫长月夜问题上,可利用小型核电站、轨道太阳能电站、就地化学能发电等技术解决。此外,要解决38万公里的高速通信的问题,最好的办法是运用激光+微波通信的方式。目前的地月微波通信速率仅有2-20Mbps,远不能满足未来月球旅游的需求。微波可以克服地球大气层阻隔的问题,而激光可以解决长距离高速的问题,把这两个结合起来就可以解决38万公里的高速通信问题。

  此外,最重要的是要在月球上居住,人类需要有一个封闭式的生命和生态保障系统。月面环境严酷,月日阳光下温度可达150摄氏度,月夜温度可达-150摄氏度;月面没有大气,需要有生命支持系统,人才能够生存与活动。

  如今,人类重返月球的所有技术储备都接近或已经就绪,且远超1960年代阿波罗计划时的能力。中国自2015年政府对民资、民企开放航天市场后,商业性质的航天企业已经超过200家。今后,随着发射成本和其他载人航天成本的逐渐降低,预计在未来10年会达到一般中产阶级可以支付的水平。因此我们距离再次重返月球的日子已经不太远了,特别是在未来10-15年,普通人前往月球旅游的梦想,将会成为现实!

Produced By 大汉网络 大汉版通发布系统