随着经济与技术的进步 现代航天事业的颠覆式发展

今年是2018年,距人类第一颗人造卫星的发射,已经过去了足足60多年。这60多年里,人类成功进入太空,登陆月球,建立了大型空间站,取得了长足的进步。

而细心的人们会发现,这些事情几乎都发生在前1/5的时间中,在那十几年里,人类的航天发展简直是“大跃进”——第一颗人造卫星发射之后仅仅12年,人类就登上了月球。当时的人们觉得,月球基地已经是可以看得见的事情,登陆火星也是触手可及的。

然而,自1971年底,“阿波罗17”号向月球挥手告别后,人类再也没走出过近地轨道—,这简直是给人们的航天热情兜头浇下一盆冷水,让人觉得,随后的几十年,人类航天发展似乎就是停滞的。

“阿波罗17”号最后一次登陆月球

“停滞的半个世纪”?航天事业的发展是颠覆式的,但这真的是“停滞的半个世纪”吗?答案显然是否定的,不仅如此,这一段时间以来,人类航天事业取得的进展反而更加显著了。

有些人认为载人登月之后,全球航天预算的相对缩减是一种“倒退”,其实不然。虽然我们在激烈的竞赛中尽可以“大干快上”一番,但这终究是以其他方面预算的削减为代价的。从某种意义上来说,这种“战术上的胜利”可能会引发“战略上的失利”,从长远来看,这显然是一种得不偿失的行为。

狂热终归是暂时的,人类航天事业也终究要回归到正常的发展规律上来。

而且就载人登月这一本身概念而言,它其实并没有超过当时的技术范畴——当然利用系统工程,把这些技术整合起来也是一件非常厉害的事情。就像我们可以利用成千上万个电子管组合出一个运算速度还过得去的计算机一样,但一旦面对更高要求的运算的时候,我们只能上晶体管了——实际上阿波罗飞船上的控制计算机,其运算能力还不如今天的一个智能手机。

现代航天事业已经随着经济与技术的发展,与之前大相径庭,甚至可以说是颠覆式的:人造卫星已经开始逐渐摆脱过去的“傻大黑粗”的样子,微小卫星的发展已经初具规模,而应用于运载火箭的一系列新技术,新思维,让载荷的平均发射成本更是显著降低;同样,大型的人造卫星在技术上也显著提升——无论从功能还是使用寿命而言,都是不可同日而语的;特别是以GPS为代表的航天“军转民”技术,早已经渗透进人们生活的方方面面,极大提升了人们的生活水平——甚至连“六根清净”的佛门,也对航天技术带来的成果充满期待(少林寺拜访航天科技新闻)。因此,航天领域的发展委实是非常巨大的。

GPS技术发展提高人们的生活水平

再次登陆月球:没必要!登陆火星:暴露了这些困难与问题

有人会问,既然技术是成熟的,那我们怎么还是在近地轨道,再也登不上月球了呢?

实际上不是“登不上”,而是“没必要”。

道理是很简单的:因为人们已经不再满足于仅仅挖石头,插个旗了——更何况,这种简单的操作,机器人不仅更适合,价钱还更便宜——抛弃了复杂的“人”这一因素,发射吨位可以大大降低,自然成本也大大降低了。

同样去月球巡视,挖石头,载人登月需要起飞质量约3000吨,箭体直径10米的超重型火箭,而派驻机器人上去(嫦娥三号、嫦娥四号),只需要起飞质量450吨,箭体直径3.35米的中型火箭;就算是采样返回(嫦娥五号),火箭的起飞质量也不会超过一千吨,所使用的火箭,其芯级直径也不会超过5米。

但这也并不意味着人类不会再上月球了。

在人类成功登月之后,几乎所有人都以登陆火星为下一个目标——虽然金星更近,但是金星表面极度恶劣的环境实在不适合作为下一个登陆的目标。而登陆火星的难度显然是远远超过登月的难度的——至少不能用载人登月类比。

地球与火星之间的距离实际上大到可怕。月球到地球之间的距离很近,因此去月球大概需要3-5天,往返最多不超过两周;而去火星需要250天左右(最终取决于出发的时候,地火之间的距离,快的200天结束,慢的要300天),那么往返至少需要600天(因为还需要在火星上等返回地球的时间窗口)。由于任务时间的迅速延长,因此在登月时无需解决的问题将暴露出来,使得整个计划变得十分复杂。

图片来源:Elon Musk instagram

其中,最显著的问题就是,长时间暴露在微重力环境下对于宇航员的生理影响。

看过航天员执行完任务,返回地球出舱的样子就知道,他们都是被人抬出来的——长期暴露在失重环境下会导致航天员的身体出现一系列变化,使之难以适应地球的重力环境。虽然火星表面的重力加速度只有2/5g,但到地球上还是大了不少。因此宇航员如何在两百多天的飞行中,让身体机能下降得不是很厉害,就是一个很值得研究的问题。

同样重要的就是心理作用。太空恶劣的环境使得航天员只能在密闭舱段中生活,而全任务周期将长达一年半,漫长的任务时长,逼仄狭隘的空间,极易引发各种心理问题——而这种问题往往还会与生理因素协同作用,使得问题进一步复杂化。

还有一点就是辐射问题。位于低地球轨道的空间站,其轨道高度不超过450km,这是因为范-艾伦辐射带的客观存在所决定的(其下界约500km)。地球磁场同样也屏蔽了大量的宇宙射线(包括银河射线以及太阳射线),而在载人深空探测的过程中,航天器将会直接暴露于这些较为高能的射线之中。同时由于其任务时间长,因此其剂量将会超过近地空间站航天员所接受的辐照。

不仅如此,长时间的任务对于航天器的可靠性要求变得更加苛刻,同时过于遥远的距离使得补给、测控、通讯等方面的难度变得更加大,需要投入更多的资源去解决。

而针对小概率故障的应急机制也需要建立——这一点已经在“阿波罗13”号得到了充分的体现,虽然最后奇迹般地把所有航天员都捞了回来,但暴露出的问题依旧是需要警醒的。

空间站&异星基地

基于以上方面的原因,空间站的建设就是十分显然的事情。宇航员进行长期在轨驻留,除了要进行空间科学实验之外,本身也是实验对象。这对于航天医学、航天心理学等前沿学科的发展,无疑也是极大的增益。

虽然空间站离地面比较近,但是它的复杂程度也是数一数二的。例如:阿波罗飞船最多就是三个舱段,而空间站是十几个舱段协同作用的庞然大物,其中蕴含的技术背景也是过去的航天事业所无法企及的。

更重要的是,空间站计划作为一项长期工程,对于运营的要求也相当高——还包括了各国的通力合作,这是过去无法想象的。

空间站建设

前面我们提到,载人登火除了需要长时间的飞行以外,也需要经过漫长的等待才能等到窗口期。因此在火星上建立一个基地算是一个附加的任务——相对于建设了几十年的空间站而言,异星基地简直就是一张白纸。

异星基地的建设与空间站大同小异,本质上依旧是人类在太空生存的一个庇护所——但由于星球重力场以及星球间距离的客观存在,其建设难度要大于空间站,运营难度也要大于空间站。

以宇航员就医为例,空间站的宇航员在突发身体疾病之后可以通过地球进行实时现场诊断,最不济也可以直接返回地球;而一旦在火星上遭遇了这种事情,十几分钟的通讯延迟也足够让看病这一问题变得麻烦,更不用说返回地球了。

火星基地构想图

幸好地球有月球这么颗卫星,还可以在上面建立基地,碰到问题还可以跑回来,算是有充分的演习空间,如果跟金星一样没有卫星的话,那就很麻烦了——这意味着我们需要冒很大的风险。同时,由于月球基地是一项声势浩大的工程,因此相应的研究也需要进行大量的投入。

所以我们可以看到,NASA在载人登陆火星的初期报告中,包括了大型空间站与月球基地,虽然中间夹杂着不少“私货”,但是从技术路径上来看,却是十分必要的存在。诚然随着科技的发展,很多内容可以简化,但依旧是十分复杂的。中国的航天战略也大致包括了这些内容,也是颇有异曲同工之妙。

从这种意义上说,我们也能解释为什么登月之后,人类航天事业处于“停滞状态”了——下一个目标实质上已经是一个“质变”的情形,但没有足够的“量变”,是不可能实现的。而一旦质变发生,那又是一个让世界为之惊叹的人类的杰作——月球基地,登陆火星将是这个阶段的目标,但我们需要时间。

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编辑:郑晓莹|新奇科技 整理报道

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