航天，想象是唯一的限制

陳宏宇

世界很大，讓無數(shù)人愿意行萬里路去尋找星辰大海。其實(shí)，在我們頭頂100千米之上就有一個(gè)神秘的地方——太空（即地球大氣層以外的宇宙空間，又稱外層空間）。我們把所有進(jìn)入、探索、開發(fā)、利用太空以及地球以外天體的各種活動(dòng)，總稱為航天。

世界那么大，我想去看看

從1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星算起，人類涉足航天的時(shí)間并不長(zhǎng)，但截至目前已有3000多次火箭發(fā)射，上萬顆人造天體在太空翱翔，甚至數(shù)百人有幸進(jìn)入過太空。航天花費(fèi)巨大，而且風(fēng)險(xiǎn)極高，那它有何獨(dú)特的魅力讓人前赴后繼、樂此不疲呢？

其實(shí)，早在1970年，就有一位贊比亞修女給美國(guó)國(guó)家航空航天局寫信質(zhì)疑道：“目前地球上還有那么多小孩子吃不上飯，怎么能舍得為遠(yuǎn)在火星的項(xiàng)目花費(fèi)數(shù)十億美元？”美國(guó)國(guó)家航空航天局也給出了那封“無用之用方為大用”的著名回信，富有邏輯，也充滿人文關(guān)懷。要回答和理解這個(gè)問題，有必要深入理解航天的獨(dú)特環(huán)境和獨(dú)特作用。

高遠(yuǎn)軌道的全球覆蓋

近地衛(wèi)星運(yùn)行在至少數(shù)百千米高的道上，高度決定了航天器的全球覆蓋特性，使之廣泛應(yīng)用于遙感、通信、導(dǎo)航和科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域。

首先，說說給衛(wèi)星裝上相機(jī)的航天遙感?！坝F千里目，更上一層樓”，百米高度的航拍可以讓我們從更廣闊的角度感受世界，而數(shù)百千米高度的衛(wèi)星遙感更讓我們多了一雙“極目遠(yuǎn)眺”的眼睛。在遠(yuǎn)離地面的運(yùn)行軌道上，衛(wèi)星能夠在很短的時(shí)間里掃描大片的陸地，可以同時(shí)觀察計(jì)算農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的多項(xiàng)指標(biāo)——土壤、旱情、雨雪天氣等，能給農(nóng)作物的產(chǎn)量帶來顯著提升。

其次，說說通信衛(wèi)星。“居高聲自遠(yuǎn)”，1000千米高度軌道上的通信衛(wèi)星可以同時(shí)覆蓋3400萬平方千米的地表面積，而且可以實(shí)現(xiàn)海上通信、航空通信，這可是普通的地面基站望塵莫及的，對(duì)全球物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和窄帶通信都是莫大的技術(shù)支持。

最后，說說衛(wèi)星導(dǎo)航。古代為航船指路的燈塔要盡可能高聳，就是為了增加覆蓋面，如今人類把高精度的“燈塔”搬到了天上，開辟了人類精確利用時(shí)空基準(zhǔn)的時(shí)代。

航天項(xiàng)目是科技進(jìn)步的催化劑，它為基礎(chǔ)科學(xué)研究工作提供了絕佳的平臺(tái)。全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”就是利用衛(wèi)星的高遠(yuǎn)特性，實(shí)現(xiàn)了跨越洲際的遠(yuǎn)距離量子試驗(yàn)。而暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空號(hào)”更是遠(yuǎn)離地表的塵世紛擾（地表的能譜干擾大），到太空中去尋找神秘的暗物質(zhì)。

失重環(huán)境和空間輻照

太空軌道處于失重的環(huán)境，在這里，很多地面重力主導(dǎo)的物理現(xiàn)象發(fā)生了明顯變化。比如，液態(tài)物質(zhì)在表面張力作用下可以形成標(biāo)準(zhǔn)球體，晶體生長(zhǎng)非常均勻，蠟燭火焰在太空艙內(nèi)也是有趣的球形。

此外，太空中缺少大氣層和低層磁場(chǎng)的防護(hù)，空間充滿了高能電子、質(zhì)子和宇宙射線的輻射。這些神秘的能量可以對(duì)生物遺傳物質(zhì)產(chǎn)生作用，優(yōu)選出的各種航天蔬菜可能就在你的餐桌上。

越過大氣的清晰觀測(cè)

人們常說天上的星星在一閃一閃“眨眼睛”，這是由于大氣中水汽對(duì)星光的折射和散射。天文學(xué)家對(duì)這種浪漫童話可是苦惱不堪，因?yàn)樗苯佑绊懥藴y(cè)量的精度。即便把望遠(yuǎn)鏡搬到又高又冷的地方，比如智利帕拉納爾山頂上，仍然不夠完美，至少受到地球的遮擋只能看到半個(gè)天區(qū)。

為此，現(xiàn)代天文學(xué)家把望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到了軌道上。比如功勛卓著的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，在軌運(yùn)行了30多年，拍攝了大量地面天文臺(tái)難以獲得的清晰宇宙圖片，促進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展。

從實(shí)用主義來說，地球的資源和壽命是有限的，月球、火星以及更遠(yuǎn)的天體上有地球上缺乏的優(yōu)勢(shì)資源。所以，在月壤采集已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)的今天，人類開始瞄準(zhǔn)小行星采礦了。而通過大型載人飛船在火星建立長(zhǎng)期基地已經(jīng)不是夢(mèng)想。

航天的技術(shù)牽引和民生轉(zhuǎn)化

航天項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)在于航天器要自主在軌飛行數(shù)年甚至數(shù)十年，應(yīng)對(duì)各種環(huán)境變化和不同任務(wù)，不允許出錯(cuò)，也幾乎不可在軌修復(fù)。一些特殊的航天任務(wù)，更是需要前所未有的高精度和高可靠性。如此嚴(yán)苛的需求，促使航天工程師不斷尋找新材料、新方法，開發(fā)出更好的工程系統(tǒng)，用更可靠的制作流程，讓儀器的工作壽命更長(zhǎng)久。

而這些航天新技術(shù)，有很多都會(huì)被應(yīng)用于日常生活中。

除了常見的北斗導(dǎo)航、衛(wèi)星電話、應(yīng)急通信，你可能并不知道，平衡車是利用了衛(wèi)星反作用飛輪的動(dòng)量交換原理，地面太陽(yáng)能電池板最早用于衛(wèi)星發(fā)電，尿不濕本來是給航天員用的，方便面配料包中的脫水蔬菜也是為了給航天員補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，在抗擊新冠肺炎疫情中立下汗馬功勞的非接觸式測(cè)溫儀就源自航天紅外線溫度計(jì)，最初為防止航天員眼睛被強(qiáng)光灼傷而發(fā)明的太陽(yáng)鏡早已成為“時(shí)尚潮人”之必備，手機(jī)上的高清攝像頭技術(shù)則源于最早用于太空相機(jī)的感光元件……

如今的航天技術(shù)早已不是冷戰(zhàn)時(shí)期大國(guó)炫耀武力的資本，它們正走下科技神壇，服務(wù)尋常百姓。特別是隨著國(guó)家綜合實(shí)力和科技水平的提高，以及航天準(zhǔn)入門檻的降低和越來越多商業(yè)航天公司的蓬勃興起，航天技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱?，并將繼續(xù)深入推動(dòng)一系列科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

如果僅僅從航天器大小尺寸來看航天科技的未來發(fā)展趨勢(shì)，一方面是發(fā)展更大的航天器用于復(fù)雜的航天任務(wù)，我國(guó)正在構(gòu)建的空間站僅核心艙就達(dá)到了22.5噸重，美國(guó)SpaceX星艦的近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到了驚人的100噸;另一方面是發(fā)展更精巧的、質(zhì)量在幾十千克到上百千克的微納衛(wèi)星，體現(xiàn)了高集成、低成本的特點(diǎn)，向著“標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”的工業(yè)化方向發(fā)展。

僅從單項(xiàng)技術(shù)來看，航空航天一體化飛行器、單級(jí)入軌、可重復(fù)使用航天器、高可靠低成本微納衛(wèi)星、新型動(dòng)力推進(jìn)方式等，都是目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

瞄準(zhǔn)未來20年，更多的技術(shù)正在預(yù)研，包括取代哈勃的更高級(jí)望遠(yuǎn)鏡、讓航天員更方便執(zhí)行任務(wù)的智能宇航服、進(jìn)行深空探測(cè)的核能航天器、探索系外行星的微納航天器、探測(cè)行星大氣的微型傳感探針、近距離接近太陽(yáng)并吸收太陽(yáng)能的探測(cè)器，還有在月球背面隕石坑內(nèi)建設(shè)月球“天眼”開展宇宙觀測(cè)，利用極端超材料打造太陽(yáng)帆實(shí)現(xiàn)5個(gè)月內(nèi)到達(dá)木星以及10個(gè)月內(nèi)到達(dá)海王星，利用轉(zhuǎn)基因微生物轉(zhuǎn)化火星二氧化碳為燃料實(shí)現(xiàn)殖民火星的能源保障……

可以說，未來航天，想象力是唯一的限制。

航天的魅力和未來

到目前為止，人類航天探索的路程大致分為3個(gè)階段：

第一個(gè)階段是地球軌道衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用，第二個(gè)階段是建立載人空間站以及登陸月球，第三個(gè)階段是建設(shè)月球、火星基地并對(duì)太陽(yáng)系更多行星和衛(wèi)星開展探索。未來的路更遠(yuǎn)，更有挑戰(zhàn)，因?yàn)檫h(yuǎn)方的宇宙在那里。

“世界航天之父”齊奧爾科夫斯基的墓志銘中，刻著“人類終將離開地球搖籃，穿出大氣層征服整個(gè)太陽(yáng)系”的凌云壯志?；蛟S這遠(yuǎn)方星辰大海的召喚正是航天的魅力所在，促使人類不斷進(jìn)步。

航天作為一種文化載體，帶給人們關(guān)于地球的整體空間感受，促進(jìn)著地球村和人類命運(yùn)共同體的文化認(rèn)同，乃至星球整體文明的認(rèn)知與傳播。曾有人提出宇宙中的文明分為3個(gè)等級(jí)：一級(jí)文明能夠使用所在星球的全部能源;二級(jí)文明可以利用母恒星的全部能量輸出;三級(jí)文明能夠運(yùn)用整個(gè)星系全部恒星的能量，在自己的星系內(nèi)來去自由和廣泛殖民。

根據(jù)卡爾·薩根的精確計(jì)算，人類目前能夠產(chǎn)出的地球能量總量只有一級(jí)文明的1‰，再有數(shù)百年或許能達(dá)到一級(jí)文明。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，航天技術(shù)運(yùn)載著人類文明走向未來。