方玄昌 | 不可规避的距离

中国在航天方面的技术在世界上究竟处于怎样一个地位?这是很多人都关心的 问题。

对于这一问题,中科院院士欧阳自远将中国比喻为“二锅头”——第二梯队的领头人。他说,在国际探月领域,美国、俄罗斯是第一梯队,中国、欧盟、日本是第二梯队。

事实上,由于印度、日本等国家在这方面的技术更多处于保密状态,人们很难估测其具体各方面技术所居的优劣势——相对来说,代表目前世界航天技术最高水平的美国更“大方”一些,他们的很多太空计划及其进展、未来具体步骤的规划都是对全世界公开的。

火箭力量

把飞行器送入太空,火箭技术当然至关重要。

从上世纪50~60年代最初发射卫星的时候,科学家就发现火箭技术的很大一个难点是制造所用的材料问题。

火箭点火后,发动机燃料在很小的空间内燃烧,产生数百个以上的大气压和数千度的高温,气体以数倍于子弹出膛的速度喷出,整个火箭振动极为厉害。而进入太空之后,又要经受正负100多摄氏度的温度变化。 因此需要极耐高温、耐高压的材料(尤其是火箭喷口的材料)和高性能的燃料,才能让火箭达到第一宇宙速度。

这牵扯到最尖端的几项科研成果——设计要用到数学;燃料要用到化学;材料要牵扯到物理等几个学科;防振动更多牵扯到工程和工艺,等等。由于涉及面太广,所以才说航天力量是一个国家综合实力的体现。

中国在航天材料方面,有一项是做得很不错的:上世纪60年代,中国就生产出了“烧蚀材料“——即涂在航天器外面经受 与大气摩擦产生的高温、以保护航天器主体的材料——没有这种材料,航天器将无法返回地球。

一直到上世纪80年代,世界上还只有美国、俄罗斯和中国有这方面技术。

从推进力量和可靠性等因素比较,中国的火箭技术亦可一书,但与世界前沿相比依然有差距。举例来说,美国送阿波罗上天的土星5型火箭,发射卫星至低轨道(一般为距地面几百公里高度,比如神舟6号,大约为343公里左右)的最大重量是139吨;俄罗斯的能源号这一数据为105吨; 欧空局的阿丽亚娜5号改进型火箭,发射卫星至高轨道(距地面36000公里左右)的最大重量是12吨,估计推进卫星至低轨道的最大重量可以达到数十吨。

相比之下,中国的长征2F型火箭,推进卫星至低轨道的最大重量是8~9吨(神舟6号是8吨左右);中国正在研制中的大 推力火箭,推进卫星至低轨道的最大重量将达到25吨。

能够送人登陆月球的航天器当然要比神舟6号复杂得多。最早载人成功登陆月球的阿波罗11号,由指挥舱、服务舱、登月舱和登月舱外罩四部分组成,飞船总重量达到44.676吨。阿波罗起飞重量很大,另一个原因是它不但荷载能装下三个人的飞船, 还包括返回地球所需要的燃料。

未来再登月,人们已经开始考虑返回的燃料直接从月球获取,但现在大家都还办不到。不管怎样,中国未来要实现载人登月,显然还需要发展更大推力的火箭。

计算和控制技术

航天工程中还有一个重要的因素是计算和控制技术,“嫦娥一号”确定发射具体时间,就牵扯到工程计算问题:发射时间要 充分考虑飞行器入轨时与地球、月球和太阳之间的相对位置,飞行器要进入绕月轨道则需要对其速度大小、方向进行多次精确的调控。

能说明计算与控制技术对航天发射的重要性的一个典型案例是,美国 1997 年发射的、承担探测土星及其卫星任务的卡西尼号。

卡西尼号飞船是迄今为止飞往其他行星的重量最大的飞行器(将近6吨),其发射目的地是太阳系中处于地球轨道外层的土星,途中将受太阳的巨大引力减速。因此, 即使利用全世界推力最大的火箭,也不能把这么重的卡西尼号直接加速到足够飞往土星,甚至不能加速到足够飞到比土星近一倍的木星。

于是科学家设计了一条奇怪的路线:卡西尼号是“朝内”发射的,首先飞往太阳系内层的金星,借助于金星的引力,两次给它加速;然后再次飞往地球,借助于地球的 引力给它加速;然后飞往木星,借助于木星加速,最后才飞往目的地土星。

这么漫长、复杂的加速和飞行路线,就决定在发射时的一瞬间。火箭发射的方向和推力都要计算、“执行”得准确无误,而且向金星、地球、木星借力得到加速的时间和位置,都要一次性计算完成——计算略有偏差,或者火箭的推力、角度稍有增减,飞行器都很容易“掉进”太阳、金星、地球或者木星。

最终,卡西尼号在7年飞行过程中定位精准,所进入的土星轨道非常接近原计划轨道。

曾经有人以打高尔夫球来比喻探测器登陆火星的难度——从纽约到伦敦,一杆进洞;显然,卡西尼号的发射精准度比探测器登陆火星是难多了。

能够代表美国近些年在航天控制方面技术水平的是2005年的“深度撞击”计划。 撞击的目标是距离地球1.3亿公里之外、大小仅为6公里的坦普尔1号彗星上一个几百米大小的区域,中国“载人航天工程应用系统”副总指挥潘厚任研究员把这比作是“从130公里之外击中一只苍蝇(6毫米大小)的眼睛”。

目前正在飞往冥王星的美国“新地平线”号探测器是飞行更遥远的行星探测器。在这方面,嫦娥一号是迄今中国最远距离的实际测试——仅 38.4 万公里。

数据传输手段

探测器到了月球之后还要把获取的信息、数据传回来,因此,通讯测控手段、数据传输技术必须过关。到现在为止,中国在这方面最远的试验还是探测1号、2号即 TC-1、TC-2), 跟欧空局合作,跟踪距离是10万公里左右。而嫦娥工程的测控手段需要达到38~40万公里。

其实早在1994年,中国就进行过论证, 认为到2000年中国可以有能力发射探测器去月球并进行研究探测。那时论证,中国探测器的平台,包括有效载荷、遥感仪器等技术都没有问题。

利用上海天文台25米直径天线(长基线干涉仪)进行改装,可以接收月球这个距离发回的数据。而能够发射神舟飞船的长征火箭加上一个顶级发动机,就可以打上月球。也就是说,从技术上说,中国2000年前发射月球探测器也是可以办到的,但后来由于载人航天工程上马,这一计划就往后推了。

但在数据传输和接收这方面,美国已经走得很远了——1977年发射的“旅行者”1号目前已经飞离地球大约150亿公里,超过冥王星距离地球的两倍,飞到了太阳系边缘。它完全依靠上面的信号,发射机以几瓦的功率向地球定向发射,抵达地球时其信号功率大约只有一枚普通电子表电池功率的200亿分之一。但依靠分布在全球(分别在美国加州、澳大利亚和西班牙)抛物面直径达到70米的三个大天线, 美国科学家依然可以对这么微弱的信号进行接收和分析,从而获取来自外太空的一些数据——“旅行者”发射至今已经有30年,也就是说,这代表着美国30年前的技术。科学家估计,其所带电池还能用10年,这10年中它还能继续为人类服务,为科学家带来有关太阳系边缘的一些信息。

阿波罗带动世界,嫦娥带动本土

那么多国家再次掀起登月热,有一个共同的目的:借助于航天技术的发展,来带动国内其他技术的发展。嫦娥工程也不例外。

阿波罗计划前后投入了30万的人力和400亿美元(四五十年前的数据,换算成现在的美金还要大得多)的资金,表面上看, 除了政治和军事意义之外,美国人直接获取的成果是总计12公里长的摄像胶片和382公斤的月球土壤。

但事实上,其收获远远不止于这些。一种估算认为,阿波罗计划在经济上的投入产出比是 1:14,原因主要就在于它带动了其他民用技术的发展。

众所周知,阿波罗计划在电子、铁路运输、医疗、天气预报、农业等多方面都起 到了带动作用——比如现在全世界都在应 用的很多种类的体检设备就来自于阿波罗计划。

另外还有大众了解比较少的一点是:全世界的工业产品可靠性,可以说就是被阿波罗计划给“推”上去的——上世纪60年代,由于要保护宇航员的生命安全,美国进行了一系列的可靠性管理、控制,后来推广到民用,然后进一步带动了全世界的各个领域。事实上,阿波罗计划以前的电视机、收音机的可靠性都很差,是阿波罗计划改变了它们。

美国人当年有政策,就是要把航天、军事技术往民用推广。但由于美国走出的是第一步,阿波罗计划带动了全世界各个领域 的技术进步。可以预见,中国的嫦娥工程至少也能带动本国各个领域的技术进步。

~~~欢迎转发~~~

!!!转载请联系我们获取授权!!!