天外有天

 
1999年 第51期 49版


    为了捍卫“日心说”理论，中世纪的天文学家布鲁诺被坚持“地球是宇宙中心”的教廷施以火刑。冰冷荒凉的月球上，有一座名为“万户”的环形山，那是为了纪念中国古代一位名叫万户的人。他为了飞离大地，把自己绑在了一张捆满火箭并带有一只巨型风筝的椅子上，希望能飞向神秘的太空，不幸的是，一声巨响摧毁了他的生命以及他制造的最原始的“运载火箭”。一千多年以后的1971年，前苏联发射“礼炮二号”空间站，三名宇航员在返回时，因座舱漏气全部窒息死亡，1986年1月8日，美国“挑战者”号航天飞机升空73秒后发生爆炸，七名宇航员在全世界数亿电视观众面前悲壮地殉难。为了探索太空，人类付出了生命的代价。 
#1    一、飞离地球
    1903年12月17日，美国人莱特兄弟制造了世界上第一架飞机并试飞成功。虽然这架飞机只是飞离了地面几十秒钟，但这是人类开始飞离地球，驶向太空的开始。
    就在莱特兄弟试验飞机的时候，一位名为康斯坦丁·焦乌科夫斯基的俄国人指出，一枚火箭要克服地球引力，就必须以1.8万英里的时速飞行。1919年，美国马萨诸塞州的罗伯特·戈达德用复杂的计算方法证明，登月火箭是可以制造出来的。他于1926年成功地点燃了人类历史上第一枚液体驱动火箭。1928年，物理学家奥伯特指出：“在一定的条件下会出现一种效率特别高的飞行器，它能轻而易举地飞抵另一个陌生的天体。”
    1931年，奥地利人弗里得里希·施密德尔在舍克尔山点燃了第一枚邮政火箭，成功地把102封信发射到圣拉德贡特。1932年，苏联成立了第一个航天组织，开始研究开发导弹和航天器。第二次世界大战期间，德国加紧研制各种导弹，二战期间，火箭技术得到了飞速发展，德国制造的V－2火箭是当时的佼佼者，用于打击远离欧洲大陆的英国。
    第二次世界大战以后，美国利用从德国缴获的V－2火箭，在本国进行了人类有史以来的第一次以科学试验为目的的火箭空间探测。1957年10月4日，苏联成功地发射“人造卫星1号”。1961年4月12日苏联宇航员加加林首次乘飞船环绕地球成功。与此同时，美国人不甘落后，1958年美国成立了国家航空航天局（NASA），并于当年发射了第一颗卫星“探险者”号。
    谈到遨游在太空的各种航天器，不能不提到“和平”号空间站。1986年2月20日，苏联发射了第三代载人空间站——“和平”号空间站。“和平”号空间站原设计使用寿命为5年，但是到目前为止已经飞行了13年，状态仍然良好。13年来，宇航员在“和平”号空间站上就600多个项目做了大量工作，取得了许多重要的研究成果。共有26组，100多名宇航员和科学家到“和平”号空间站工作过。1994～1995年，宇航员波利亚科夫创造了在太空连续生活438天的飞行纪录。由于俄罗斯经济状况不好，国家财政拮据，无力负担“和平”号继续飞行所需要的费用，“和平”号不得不中断自己的使命。1999年8月27日，在“和平”号空间站上工作的最后一批宇航员离开空间站，返回地面。目前“和平”号空间站处于无人状态，它将于明年2月坠入太平洋。（^514901a^）
    在俄罗斯的空间站技术不断发展的同时，美国另辟蹊径，发展可多次重复使用的航天飞机。1981年4月12日，第一架航天飞机试飞成功。 
#1    二、飞向月球
    1883年，俄国航天时代的先驱者齐奥尔科夫斯基说道：地球是人类的摇篮，但人类不会永远生活在摇篮里。1961年5月，肯尼迪在美国国会宣布，将在60年代末将人送上月球，这项计划以“阿波罗”命名，将耗费250亿美元。
    1964年，“阿波罗”飞船问世。1969年7月16日，“土星”5号火箭载着“阿波罗”11号飞船，飞离地球，飞向月球。飞船载着3名宇航员于20日凌晨登上月球，宇航员阿姆斯特朗在踏上月球时说：“对我来说，这只是一小步，但对人类来说，这是一大步。” 
    从1969年7月到1972年12月，美国共发射了7艘载人登月飞船，其中“阿波罗”13号因途中出故障未实现登月。其余6次成功的登月计划中共有12人在月球表面着陆，带回386公斤的月球岩石。“阿波罗”13号的受挫使美国国家航空航天局担心再次遭到失败，于是计划中的最后3次登月飞行被取消了。
    90年代，月球探测再度增温。这主要是因为现代航天技术的发展提供了进一步探测月球的可能性，与此同时，月球独特的自然环境和资源始终吸引着人类。月球上没有大气干扰，是进行科学实验和天文观测的理想之地。
    1998年1月6日，美国发射了“月球探测者”探测器。“月球探测者”的主要任务是探测月球上是否存在水，并绘制月球表面的引力图。3月5日，美国宇航局的科学家宣布，“月球探测者”传回的数据表明月球上存在水，估计月球两极存在1100万吨至3.3亿吨的水冰。此后美国航天局披露了一项在月球建立居民点的宏伟计划。这项计划包括在月球南极建立开发中心，所需材料直接取自月球。由于月球土壤中含有丰富的铝和铁以及硅，只要解决技术问题，建筑材料和能源均不成问题。（^514901b^）
    1994年欧洲航天局也曾制定一项月球计划，该计划的最终目标是要在月球上进行基础设施建设，开发和利用月球资源。
    前苏联在登月方面也不甘寂寞，从50年代末到70年代初，苏联共向月球发射了21个探测装置。苏联解体后，俄罗斯面临严重的经济困境，但是仍然在月球探测方面雄心勃勃。俄罗斯也在实施新的月球计划，其最终目的是在月球上开采氦的同位素氦—3。氦—3是一种核燃料，地球上极为贫乏，而在月球上却极为丰富，几十吨的氦—3就能满足全球一年的能源需求。俄罗斯的探测计划分三个阶段实施，前两个阶段主要是绘制月球全图、发射月球车采集月球岩石运回地面进行分析，以确定矿物含量和矿藏所在地。第三阶段则是在2010年后建立月球基地，研究月球采矿工艺。 （^514901c^）
#1    三、飞向火星
    月球是人类星际探索的第一站，下一个目标是神秘的火星。从1962年11月至1973年8月，前苏联总共发射了7个“火星”号探测器，70年代，美国也发射了火星探测器，其中最为著名的是“海盗”号飞船对火星的登陆。1997年7月，美国的“旅行者”号火星车蹒跚着在火星上行驶，科学界为之轰动。迄今为止，人类已经掌握了火星的大量资料，拍摄了数千张火星照片。1998年欧洲航天局决定于2003年向火星发射探测器。这个名为“火星快车”的探测器将把7个科学仪器，包括一个高分辨率摄像机、一系列光谱仪和一个雷达送上火星。这个雷达将深入到火星表面下进行探测，在火星探测史上第一次对火星地表以下进行探测。“火星快车”携带的“猎兔犬Ⅱ”号着陆器将探测火星上是否存在过或今天仍然存在生命的迹象。同时，1998年7月，日本也发射了一颗星际探测器“希望”号火星探测器。这标志着日本成为继美国和俄罗斯后第三个能制造星际探测器的国家。如果一切进展顺利，“希望”号火星探测器将在2003年底或2004年初进入绕火星轨道。（^514901d^）
    除了探索太阳系的秘密，人类同时也把目光投向了广阔的宇宙，并希望找到与人类相似的智慧生物，并带去人类和平的问候。1973～1974年和1977～1978年，美国宇航局分别发射了两对名叫先驱者10号11号和旅行者1号2号的宇宙探测器。这两对探测器上还分别携带了地球人类送给外星人的镀金铝制“名片”和一张特制的镀金铜质唱片。唱片的一面上录制了90分钟的“地球之音”，包括用60种语言向外星人的问候语、美国总统和联合国秘书长给外星人的贺词、35种自然界音响和27首古今名曲（其中包括中国的古典名曲《高山流水》）；另一面上录制了116张反映地球文明的照片。这两对人类“特使”将要飞出太阳系的引力范围，未来10亿年它们将在茫茫宇宙中漂泊，寻找人类的知音。虽然，在迄今为止从所发射的探测器反馈回来的信息中，并没有发现外层空间存在生命的信息，不过，人类并未停止探索。 
#1    四、下世纪的太空探索
    1.卫星技术 
    21世纪的人造地球卫星将向越来越大和越来越小两个方向发展，即一方面研制综合型高功率大型卫星平台，最终演变成一种新型航天器——空间平台；另一方面研制小卫星（500千克～1000千克，造价2000万～5000万美元）、超小卫星（100千克～500千克，造价400万～2000万美元）、微型卫星（10千克～100千克，造价100万～400万美元），甚至“纳米”卫星（小于10千克，造价不到100万美元）。（^514901e^）
    空间平台与人造地球卫星的不同之处是可在轨维修和更换仪器，加注燃料和补给品，寿命长、设备新、用途广。换句话讲，它是一种介于人造卫星和空间站之间的大型综合系统。
    由于现代小型卫星具有研制周期短、体积小、性能好、可靠性高、发射灵活和不易被摧毁等一系列优点，因而成为研制热点，尤其是由小卫星组成的星座，其功能使不少大型卫星也甘拜下风。因此，21世纪初小型卫星将更加“走红”，到那时须采用大量高新技术、全新设计概念和先进的管理方式。例如，小型卫星平台要结构组合化、电子集成化、机电一体化、软件灵活化、功能模块化和用途多样化等。要使微型卫星、纳米卫星在21世纪初投入使用，还需攻克集成公用模块技术（IUM）和微电子机电集成系统（MEMS）等难关。
    各种卫星在21世纪将加快更新换代的速度和进一步扩大应用范围。例如，静止轨道通信卫星都将是大功率、长寿命和高频段的，其卫星平台为模块化、集成化和系列化，并广泛采用超大型天线、多点波束、功率按需分配和星上处理等新技术，以实现卫星宽带、高速率通信，为发展未来太空信息高速公路奠定基础。
    遥感卫星则向三个方向发展：研制大型综合系统，各种遥感器同时利用，对地球的环境资源、海洋和气象等全面观测；研制分布式小型遥感卫星星座，同时获得时空分辨率极高的地球图像；研制小型高分辨率商业遥感卫星，满足各种用户需要。
    导航卫星在国计民生和军事上的应用也将更加普及，并不断采用新技术来提高定位精度和扩展卫星功能（例如兼有通信功能）。
    天文卫星等其它卫星也将取得长足的发展。特别要指出的是在21世纪卫星应用的商业化和军事化趋势会进一步加强。比如，军事航天的任务将由目前的空间支援（发射和部署航天器）、力量增强（侦察、通信、导航等）转为空间控制（保护己方航天系统，破坏敌方航天系统）和力量运用（从空中攻击地球），使空间从支援地球上陆、海、空作战的辅助战场变成由地球上陆、海、空部队支援的主战场。 
    2.载人航天技术
    未来的载人航天分四步走：第一步就是在2005年建成“阿尔法”国际空间站，使6名航天员能在上面长期工作。此后第二代国际空间站“贝塔”计划将启动，它建成后将作为更长期的宇宙飞行中转站。第二步是建立空间基地。它是在空间站的基础上发展和扩大，除具有空间站的全部功能外，空间基地还能对其它航天器进行加注、维修、更换仪器等在轨服务。为此，它配有轨道机动器、轨道转移器等，其中维修服务站是重要设施之一，站上有移动服务系统、各种维修工具，可用来装配大型空间结构，充分发挥人的作用。在空间基地上还可建空间工厂，生产特殊材料和药品等，使载人航天进入真正的应用阶段。第三步是建立月球基地。月球上蕴藏着丰富的资源，尤其是有地球上没有的核燃料氦—3，据估计，月球上氦—3的蕴藏量达100万吨，其总能量相当于地球上有史以来开发的所有矿物燃料的10倍。第四步就是最为壮观的载人火星飞行，它可称得上是登峰造极了。因为火星是与地球最近的一个行星，研究它对认识地球本身和整个太阳系都有重要意义，尤其是对揭开生命的起源和演化很有帮助。21世纪还有可能建立火星城市，向火星移民。
    现在，已有一些国家正在为载人火星飞行的计划做准备。其关键技术是需研制出载人火星飞船生命保障系统的再生循环技术。还要搞清在飞往火星的漫长旅途中（一年半）长期失重对人体的生理影响，长期寂寞和孤独对航天员心理的影响。
    由于月球引力只有地球的1/6，又没有大气，用月球当未来星际航天的基地和天文的观测站十分理想。从月面起飞，比地面容易得多，而且可从月球的许多氧化物中提取氧作为火箭助燃剂。在月球上可轻而易举地做到真正的全波段观测，其分辨率可比地球上提高1000倍。
    在月球上建造太阳能发电站能充分利用太阳能，发电效率极高，从而解决地球和空间站的能源不足。日本已提出把月球发电作为21世纪的新产业，并设想用微波技术把电送回地球。
    建立月球基地后，人们还能开发和利用月面资源，制造航天器。
    理想中的月球基地需要有宽敞的密闭环境，保持其内部与地面上一样的温度、压力和空气成分。在密闭环境内，人类和动物、植物共同生活在一起，氧气、水和食物互相循环转换，不需外界补给。在地球人口过多时，可向月球移民。（^514901f^）
    现在，美国、日本、欧洲空间局、俄罗斯等都制定了有关的长远计划。 
    3.研究计划
    新世纪的空间天文探测主要有四个方面：一是研究太阳与地球关系，弄清太阳为什么变化和怎样变化的，地球与其它行星是怎样响应的，对人类有何影响；二是探索太阳系，确定太阳系是如何形成的，生命的起源是什么，行星在整个历史中经历了哪些变化；三是了解宇宙的结构和演变，探索宇宙中物质和能量的循环；四是分析宇宙的起源，弄清星系，恒星和行星系统是怎样形成的。
    所有的天文卫星和无人宇宙探测将围绕这四个方面来研制，另外，多卫星同时探测的规模会越来越大，从而扩展探测能力。比如，为了弄清太阳的变化及其对人类的影响，将发射16颗太阳观测卫星，其中6颗监测太阳变化，5颗监测地球空间对太阳变化的响应，另5颗探测太阳风和4个行星的大气状态。多星同时观测，可了解地球空间环境的时空变化，因此这些天文卫星有高轨道的（满足时间分辨率要求），也有低轨道（满足空间分辨率要求）。
    新方法将使原来不能观测的项目得以实现，原来可以探测的参数精度得到提高。
    为了迎接21世纪，美国于1998年10月24日成功发射了“深空1号”探测器，从而拉开了其“新千年”计划的序幕。今后还将发射深空2号、3号等空间探测器。“新千年”计划的目的是研制一批小型、低成本、自主工作的航天器，以满足21世纪初在外太空建立真正的无人探测研究基地的需要。
    深空1号在头两年的飞行中，将对用于未来飞行的12项新技术进行试验，其中最重要的一项就是试验离子推进系统，目的是为21世纪进行深空探测做准备。它是第一个依靠自主导航系统飞行的探测器。
    总之，21世纪航天技术的发展前景是极其美好的。有人称，在新世纪，国家对航天能力的依赖就像19世纪和20世纪对电和石油的依赖一样重要，为此，许多国家都在纷纷行动。