航天科普知識問答

變化萬千的空間其實并不空

空間真是空的嗎？

空間的概念，對每個人來講都是既熟悉又模糊，似乎很難有一個統(tǒng)一的認(rèn)識。但是，既然要講空間應(yīng)用，就要對空間有一個統(tǒng)一的說法。

《中國現(xiàn)代科學(xué)全書》承傳漢語字義解釋說，“空間”是指“中無所有之處”，泛指“天空”。顯然，這個定義在這里需要進行修正。

如果空間是“中無所有”，那么就談不上利用。現(xiàn)代航天活動已經(jīng)用事實說明“空間不空”，空間充滿著如今人類認(rèn)識和未認(rèn)識的，有形的和無形的物質(zhì)和現(xiàn)象（左圖）。這些物質(zhì)和現(xiàn)象直接影響著地球人類的生存，也是可以為地球人類所利用的資源財富。

圍繞地球的大氣層是由氮、氧、少量水汽，以及微量惰性氣體氬、氖，微量二氧化碳、臭氧和硫、碳、氮的各種化合物質(zhì)等組成的。大氣層外的太空，即使是廣闊的宇宙空間，雖然那里是高度真空，但仍然彌散著氫和氫原子，以及各種物質(zhì)形態(tài)的星系、恒星、行星和特殊天體，宇宙空間中還彌漫著宇宙塵埃和看不見的各種宇宙射線，有地球上無法獲得的自然現(xiàn)象和極端條件?，F(xiàn)代天文學(xué)和宇宙學(xué)預(yù)測，組成宇宙的物質(zhì)大部分是暗物質(zhì)和暗能量……這些都說明了空間不空。

（摘自《中國載人航天科普叢書·探秘太空》）

赫歇爾空間望遠鏡拍攝的M31星系圖

在國際空間站上開展暗物質(zhì)研究的阿爾法磁譜儀

國際空間站航天員拍攝的天空圖

宇宙中存在暗物質(zhì)嗎？

科學(xué)家說，在整個宇宙中，暗能量占73%，暗物質(zhì)占23%；發(fā)光物質(zhì)恒星和發(fā)光氣體等只占0.4%；不可見的普通物質(zhì)如星系際氣體、中微子、超重黑洞等占3.6%。至今還沒有人真正探測到暗物質(zhì)，甚至連探測的方法也還是一個正在研究的問題。但是對星系的大量觀測事實和基于引力理論的分析，支持了這一觀點。如果這一理論得到直接觀測驗證，如果暗能量、暗物質(zhì)能夠提取出來為人類利用（現(xiàn)在還沒有任何理論支持這一設(shè)想），那么世界還存在能源危機之說嗎？這近乎于幻想，但對于這類問題的研究，無異于揭開上帝秘密寶盒的蓋子。這一問題如果得到解答，將揭示出宇宙的形成與演化、生命的起源與進化，乃至宇宙未來的變遷等眾多科學(xué)之謎。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、美籍華裔科學(xué)家丁肇中在空間站上進行的反物質(zhì)探測研究（AMS），被稱為當(dāng)代物理學(xué)研究的前沿，中國科學(xué)家也參與了其中的工作。中國科學(xué)家正在醞釀在我國今后的空間站上開展暗物質(zhì)、暗能量研究。如果有一天中國科學(xué)家能夠探測到暗物質(zhì)，將大大改變?nèi)祟悓κ澜?、對浩瀚宇宙的認(rèn)識。

（摘自《中國載人航天科普叢書·探秘太空》）

航天飛機靠外掛燃料箱飛向太空

為什么飛機不能像火箭一樣在大氣層外飛行？

我們都知道，飛機上天要攜帶燃料（航空煤油），通過燃料燃燒釋放的能量來為發(fā)動機提供動力。但這個燃燒過程光有燃料是不行的，它還需要消耗大量的氧化劑。飛機不需要帶氧化劑，它周圍的空氣可以給它提供足夠的氧化劑——氧氣，可這同時也就限制了它的飛行高度，因為大氣層中的氧氣會隨著高度的增加而降低，從而導(dǎo)致飛機發(fā)動機的功率相應(yīng)下降，真空狀態(tài)下甚至?xí)恿?。為了解決這個問題，火箭發(fā)射時不僅帶有燃料，同時還自帶氧化劑。因此，火箭發(fā)動機正常工作的高度不受大氣層的限制，而且隨著飛行高度的增加，外界大氣壓力逐漸減小，它所產(chǎn)生的推力還會相應(yīng)增加，到達真空狀態(tài)時推力將達到最大。

（摘自《中國載人航天科普叢書·通天神箭》）

太陽系的八大行星

載人航天的目的是什么?

開展載人航天活動絕不只是為了欣賞天上的美景，而是要進一步探索宇宙奧秘，更好地開發(fā)太空資源，從而為人類造福。

海闊憑魚躍，天高任鳥飛。人類一直在不斷努力擴展自身的活動空間，其活動范圍經(jīng)歷了從陸地到海洋，從海洋到大氣層空間，再從大氣層空間到太空的逐步發(fā)展過程。人類活動范圍的每一次擴展，都是一次偉大的飛躍，增強了人類認(rèn)識和改造自然的能力，促進了生產(chǎn)力和社會的發(fā)展。

距地面100千米以上的太空是陸地、海洋和大氣層之外的空間，那里有很多地球上所缺乏的資源，包括太陽能、強輻射、高潔凈、高真空、微重力、大溫差、高遠位置，以及月球、行星、小行星上的稀有礦藏等，開發(fā)這些資源對人類的發(fā)展具有重要意義。

太空作業(yè)情景

太陽每秒鐘將81萬億千瓦的熱能送到地球，相當(dāng)于現(xiàn)今全世界每秒發(fā)電量的數(shù)萬倍，因此，太陽是一個極其巨大的潔凈能源寶庫，充分利用太陽能前途無量。由于不受大氣層的影響，地球軌道上的太陽輻射強度是地面的2倍，達1.4千瓦/米2，所以在太空開發(fā)太陽能資源效率非常高。目前，航天器上的太陽能發(fā)電僅供航天器本身使用。隨著地球能源的日趨緊張，一些國家已開始把建造太空發(fā)電站作為一種新的戰(zhàn)略選擇。初步設(shè)想是：太空發(fā)電站先把太陽的光能高效率地轉(zhuǎn)變成電能，然后再通過微波或激光把電能發(fā)往地面。

太空中的宇宙輻射強度比地面大得多，并且是全譜段的。特別是宇宙高能粒子，這一資源是非常寶貴的，比如，大家熟知的太空育種，就是利用空間宇宙射線、交變磁場、微重力等特殊的太空環(huán)境因素對種子和微生物施加影響，使農(nóng)作物種子產(chǎn)生在地面環(huán)境中得不到的變異，最終篩選出有著優(yōu)異變異性能的農(nóng)作物新品種。

在200千米～500千米高的低軌道空間，真空度為10-4帕，而在35800千米高的地球靜止軌道上，真空度則為10-11帕。太空中的真空環(huán)境是地面人為的真空條件無法比擬的，十分有利于高純度材料加工、蛋白質(zhì)提取、藥品研制等。在太空高真空環(huán)境中，物體被太陽直射的一面可以達到100℃以上的高溫，而陰面則可以保持－100℃以下的低溫，兩者之間形成了很大的溫差，而且非常穩(wěn)定。這一特殊資源恰好是某些特殊應(yīng)用夢寐以求的環(huán)境。

在地面（左）和在太空微重力環(huán)境（右）中的蠟燭火焰比較

利用航天器的飛行，還可派生出軌道資源和微重力資源等。自從航天器問世后，科學(xué)家們首先想到的就是利用太空的軌道資源，因為站得高、看得遠。站在珠穆朗瑪峰上，能看到0.07%的地球表面；在離地面200千米高的軌道上，可以看到1.5%的地球表面；在距地面35800千米的地球靜止軌道上，則可以觀察到42%的地球表面。利用高遠位置這一有利條件，可進行遙感、通信、導(dǎo)航等。為此，旨在開發(fā)太空軌道資源的各種航天器競相升空。在太空“制高點”上不僅可觀地，也能望天，在那里進行天文觀測不受大氣層的影響，使全波段天文觀測變得輕而易舉。

微重力（重力加速度小于10-4g）環(huán)境是一種寶貴資源，人類用這種資源已進行了地面上難以實施的科學(xué)實驗（如微生物、細胞、蛋白質(zhì)晶體的生長、培養(yǎng)與分離）、新材料加工和藥物制取等。因為在微重力條件下，氣體和液體的熱對流基本消失，不同密度物質(zhì)的分層和沉積消失，即密度不同的液體可以相容在一起。這對生產(chǎn)極純的化學(xué)物質(zhì)、生物制劑、特效藥品，以及均勻的金屬基質(zhì)復(fù)合材料、玻璃和陶瓷等都很有用。由于重力微弱，在太空冶煉金屬時可以不使用容器，即采用懸浮冶煉，因而冶煉溫度可以不受容器耐熱能力的限制，進行極高熔點金屬的冶煉，避免容器壁的污染和非均勻成核結(jié)晶，改善合金的金相組織，提高金屬的強度。

太空還是一種旅游資源。人在太空可以欣賞美麗的地球和宇宙景色，體驗微重力帶來的奇妙的漂浮感覺。盡管目前每人每次太空旅游的費用高達幾千萬美元，但截至2009年4月，已有6名太空游客上天，其中Word軟件之父西蒙尼還曾“二進宮”?，F(xiàn)在，美國準(zhǔn)備打造太空旅館，現(xiàn)已發(fā)射了2個充氣式試驗艙，而俄羅斯則籌劃太空行走旅游和月球旅游。

離地球最近的月球上有豐富的氧、硅、鐵、鎂、鈣、鋁、鈦、錳等元素，還有地球上稀缺的理想核聚變發(fā)電原料——氦-3，有些科學(xué)家認(rèn)為開發(fā)月球上的氦-3是化解人類能源危機的可能途徑之一。另外，月球上無大氣，具有黑夜和低溫時間長等有利的環(huán)境條件，是理想的科學(xué)研究和天文觀測基地。今后，人類還可以開發(fā)小行星和彗星上的資源。金屬型小行星上有豐富的鐵、鎳等金屬，有的還富含金、鉑等貴金屬和珍貴的稀土元素；彗星上則有豐富的水冰。這些資源既可供地球上使用，也能用于在太空建設(shè)航天港和太空城。

俄羅斯航天員在國際空間站上作業(yè)