不可規(guī)避的距離

方玄昌

中國在航天方面的技術(shù)在世界上究竟處于怎樣一個地位?這是很多人都關(guān)心的問題。

對于這一問題，中科院院士歐陽自遠將中國比喻為“二鍋頭”第二梯隊的領(lǐng)頭人。他說，在國際探月領(lǐng)域。美國、俄羅斯是第一梯隊，中國、歐盟、日本是第二梯隊。

事實上，由于印度、日本等國家在這方面的技術(shù)更多處于保密狀態(tài)：人們很難估測其具體各方面技術(shù)所居的優(yōu)劣勢——相對來說，代表目前世界航天技術(shù)最高水平的美國更“大方”一些，他們的很多太空計劃及其進展、未來具體步驟的規(guī)劃都是對全世界公開的。

火箭力量

把飛行器送入太空，火箭技術(shù)當然至關(guān)重要。

從上世紀50～60年代最初發(fā)射衛(wèi)星的時候，科學家就發(fā)現(xiàn)火箭技術(shù)的很大一個難點是制造所用的材料問題。

火箭點火后，發(fā)動機燃料在很小的空間內(nèi)燃燒，產(chǎn)生數(shù)百個以上的大氣壓和數(shù)千度的高溫，氣體以數(shù)倍于子彈出膛的速度噴出，整個火箭振動極為厲害。而進入太空之后，又要經(jīng)受正負100多攝氏度的溫度變化。因此需要極耐高溫、耐高壓的材料(尤其是火箭噴口的材料)和高性能的燃料，才能讓火箭達到第一宇宙速度。

這牽扯到最尖端的幾項科研成果——設(shè)計要用到數(shù)學；燃料要用到化學；材料要牽扯到物理等幾個學科；防振動更多牽扯到工程和工藝，等等。由于涉及面太廣，所以才說航天力量是一個國家綜合實力的體現(xiàn)。

中國在航天材料方面，有一項是做得很不錯的：上世紀60年代，中國就生產(chǎn)出了“燒蝕材料”——即涂在航天器外面經(jīng)受與大氣摩擦產(chǎn)生的高溫、以保護航天器主體的材料——沒有這種材料，航天器將無法返回地球。

一直到上世紀80年代，世界上還只有美國、俄羅斯和中國有這方面技術(shù)。

從推進力量和可靠性等因素比較，中國的火箭技術(shù)亦可一書，但與世界前沿相比依然有差距。舉例來說，美國送阿波羅上天的土星5型火箭，發(fā)射衛(wèi)星至低軌道(一般為距地面幾百公里高度，比如神舟6號，大約為343公里左右)的最大重量是139噸；俄羅斯的能源號這一數(shù)據(jù)為105噸，歐空局的阿麗亞娜5號改進型火箭，發(fā)射衛(wèi)星至高軌道(距地面36000公里左右)的最大重量是12噸，估計推進衛(wèi)星至低軌道的最大重量可以達到數(shù)十噸。

相比之下，中國的長征2P型火箭，推進衛(wèi)星至低軌道的最大重量是8～9噸(神舟6號是8噸左右)；中國正在研制中的大推力火箭，推進衛(wèi)星至低軌道的最大重量將達是25噸。

能夠送人登陸月球的航天器當然要比神舟6號復(fù)雜得多。最早載人成功登陸月球的阿波羅11號，由指揮艙、服務(wù)艙、登月艙和登月艙外罩四部分組成，飛船總重量達到44.676噸。阿波羅起飛重量很大，另一個原因是它不但荷載能裝下三個人的飛船，還包括返回地球所需要的燃料。

未來再登月，人們已經(jīng)開始考慮返回的燃料直接從月球獲取，但現(xiàn)在大家都還辦不到。不管怎樣，中國未來要實現(xiàn)載人登月，顯然還需要發(fā)展更大推力的火箭。

計算和控制技術(shù)

航天工程中還有一個重要的因素是計算和控制技術(shù)，“嫦娥一號”確定發(fā)射具體時間，就牽扯到工程計算問題：發(fā)射時間要充分考慮飛行器入軌時與地球、月球和太陽之間的相對位置，飛行器要進入繞月軌道則需要對其速度大小、方向進行多次精確的調(diào)控。

能說明計算與控制技術(shù)對航天發(fā)射的重要性的一個典型案例是，美國1997年發(fā)射的、承擔探測土星及其衛(wèi)星任務(wù)的卡西尼號。

卡西尼號飛船是迄今為止飛往其他行星的重量最大的飛行器(將近6噸)，其發(fā)射目的地是太陽系中處于地球軌道外層的土星，途中將受太陽的巨大引力減速。因此，即使利用全世界推力最大的火箭，也不能把這么重的卡西尼號直接加速到足夠飛往土星，甚至不能加速到足夠飛到比土星近一倍的木星。

于是科學家設(shè)計了一條奇怪的路線：卡西尼號是“朝內(nèi)”發(fā)射的，首先飛往太陽系內(nèi)層的金星，借助于金星的引力，兩次給它加速；然后再次飛往地球，借助于地球的引力給它加速，然后飛往木星，借助于木星加速，最后才飛往目的地上星。

這么漫長、復(fù)雜的加速和飛行路線，就決定在發(fā)射時的一瞬間?；鸺l(fā)射的方向和推力都要計算、“執(zhí)行”得準確無誤，而且向金星、地球、木星借力得到加速的時間和位置，都要一次性計算完成——計算略有偏差，或者火箭的推力、角度稍有增減，飛行器都很容易“掉進”太陽、金星、地球或者木星。

最終，卡西尼號在7年飛行過程中定位精準，所進入的土星軌道非常接近原計劃軌道。

曾經(jīng)有人以打高爾夫球來比喻探測器登陸火星的難度——從紐約到倫敦，一桿進洞；顯然，卡西尼號的發(fā)射精準度比探測器登陸火星是難多了。

能夠代表美國近些年在航天控制方面技術(shù)水平的是2005年的“深度撞擊”計劃。撞擊的目標是距離地球1.3億公里之外、大小僅為6公里的坦普爾1號彗星上一個幾百米大小的區(qū)域，中國“載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)”副總指揮潘厚任研究員把這比作是“從130公里之外擊中一只蒼蠅(6毫米大小)的眼睛”。

目前正在飛往冥王星的美國“新地平線”號探測器是飛行更遙遠的行星探測器。在這方面，嫦娥一號是迄今中國最：遠距離的實際測試——僅38.4萬公里。

數(shù)據(jù)傳輸手段

探測器到了月球之后還要把獲取的信息、數(shù)據(jù)傳回來，因此，通訊測控手段、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必須過關(guān)。

到現(xiàn)在為止，中國在這方面最遠的試驗還是探測1號、2號(即TC-1、TC-2)，跟歐空局合作，跟蹤距離是10萬公里左右。而嫦娥工程的測控手段需要達到38～40萬公里。

其實早在1994年，中國就進行過論證，認為到2000年中國可以有能力發(fā)射探測器去月球并進行研究探測。那時論證，中國探測器的平臺，包括有效載荷、遙感儀器等技術(shù)都沒有問題。

利用上海天文臺25米直徑天線(長基線干涉儀)進行改裝，可以接收月球這個距離發(fā)回的數(shù)據(jù)。而能夠發(fā)射神舟飛船的長征火箭加上一個頂級發(fā)動機，就可以打上月球。也就是說，從技術(shù)上說，中國2000年前發(fā)射月球探測器也是可以辦到的，但后來由于載人航天工程上馬，這一計劃就往后推了。

但在數(shù)據(jù)傳輸和接收這方面。美國已經(jīng)走得很遠了——1977年發(fā)射的“旅行者”1號目前已經(jīng)飛離地球大約150億公里，超過冥王星距離地球的兩倍，飛到了太陽系邊緣。它完全依靠上面的信號，發(fā)射機以幾瓦的功率向地球定向發(fā)射，抵達地球時其信號功率大約只有一枚普通電子表電池功率的200億分之一。但依靠分布在全球(分別在美國加州、澳大利亞和西班牙)、拋物面直徑達到70米的三個大天線，美國科學家依然可以對這么微弱的信號進行接收和分析，從而獲取來自外太空的一些數(shù)據(jù)——“旅行者”發(fā)射至今已經(jīng)有30年，也就是說，這代表著美國30年前的技術(shù)?？茖W家估計，其所帶電池還能用10年，這10年中它還能繼續(xù)為人類服務(wù)，為科學家?guī)碛嘘P(guān)太陽系邊緣的一些信息。

阿波羅帶動世界，嫦娥帶動本土

那么多國家再次掀起登月熱，有一個共同的目的：借助于航天技術(shù)的發(fā)展，來帶動國內(nèi)其他技術(shù)的發(fā)展。嫦娥工程也不例外。

阿波羅計劃前后投入了30萬的人力和400億美元(四五十年前的數(shù)據(jù)，換算成現(xiàn)在的美金還要大得多)的資金，表面上看，除了政治和軍事意義之外，美國人直接獲取的成果是總計12公里長的攝像膠片和382公斤的月球土壤。

但事實上，其收獲遠遠不止于這些。一種估算認為，阿波羅計劃在經(jīng)濟上的投入產(chǎn)出比是1:14，原因主要就在于它帶動了其他民用技術(shù)的發(fā)展。

眾所周知，阿波羅計劃在電子、鐵路運輸、醫(yī)療、天氣預(yù)報、農(nóng)業(yè)等多方面部起到了帶動作用——比如現(xiàn)在全世界都在應(yīng)用的很多種類的體檢設(shè)備就來自于阿波羅計劃。

另外還有大眾了解比較少的一點是：全世界的工業(yè)產(chǎn)品可靠性，可以說就是被阿波羅計劃給“推”上去的——上世紀60年代，由于要保護宇航員的生命安全，美國進行了一系列的可靠性管理、控制，后來推廣到民用，然后進一步帶動了全世界的各個領(lǐng)域。事實上，阿波羅計劃以前的電視機、收音機的可靠性都很差，是阿波羅計劃改變了它們。

美國人當年有政策，就是要把航天、軍事技術(shù)往民用推廣。但由于美國走出的是第一步，阿波羅計劃帶動了全世界各個領(lǐng)域的技術(shù)進步?？梢灶A(yù)見，中國的嫦娥工程至少也能帶動本國各個領(lǐng)域的技術(shù)進步。