航天科普知识问答

变化万千的空间其实并不空

空间真是空的吗？

空间的概念，对每个人来讲都是既熟悉又模糊，似乎很难有一个统一的认识。但是，既然要讲空间应用，就要对空间有一个统一的说法。

《中国现代科学全书》承传汉语字义解释说，“空间”是指“中无所有之处”，泛指“天空”。显然，这个定义在这里需要进行修正。

如果空间是“中无所有”，那么就谈不上利用。现代航天活动已经用事实说明“空间不空”，空间充满着如今人类认识和未认识的，有形的和无形的物质和现象（左图）。这些物质和现象直接影响着地球人类的生存，也是可以为地球人类所利用的资源财富。

围绕地球的大气层是由氮、氧、少量水汽，以及微量惰性气体氩、氖，微量二氧化碳、臭氧和硫、碳、氮的各种化合物质等组成的。大气层外的太空，即使是广阔的宇宙空间，虽然那里是高度真空，但仍然弥散着氢和氢原子，以及各种物质形态的星系、恒星、行星和特殊天体，宇宙空间中还弥漫着宇宙尘埃和看不见的各种宇宙射线，有地球上无法获得的自然现象和极端条件。现代天文学和宇宙学预测，组成宇宙的物质大部分是暗物质和暗能量……这些都说明了空间不空。

（摘自《中国载人航天科普丛书·探秘太空》）

赫歇尔空间望远镜拍摄的M31星系图

在国际空间站上开展暗物质研究的阿尔法磁谱仪

国际空间站航天员拍摄的天空图

宇宙中存在暗物质吗？

科学家说，在整个宇宙中，暗能量占73%，暗物质占23%；发光物质恒星和发光气体等只占0.4%；不可见的普通物质如星系际气体、中微子、超重黑洞等占3.6%。至今还没有人真正探测到暗物质，甚至连探测的方法也还是一个正在研究的问题。但是对星系的大量观测事实和基于引力理论的分析，支持了这一观点。如果这一理论得到直接观测验证，如果暗能量、暗物质能够提取出来为人类利用（现在还没有任何理论支持这一设想），那么世界还存在能源危机之说吗？这近乎于幻想，但对于这类问题的研究，无异于揭开上帝秘密宝盒的盖子。这一问题如果得到解答，将揭示出宇宙的形成与演化、生命的起源与进化，乃至宇宙未来的变迁等众多科学之谜。诺贝尔物理学奖获得者、美籍华裔科学家丁肇中在空间站上进行的反物质探测研究（AMS），被称为当代物理学研究的前沿，中国科学家也参与了其中的工作。中国科学家正在酝酿在我国今后的空间站上开展暗物质、暗能量研究。如果有一天中国科学家能够探测到暗物质，将大大改变人类对世界、对浩瀚宇宙的认识。

（摘自《中国载人航天科普丛书·探秘太空》）

航天飞机靠外挂燃料箱飞向太空

为什么飞机不能像火箭一样在大气层外飞行？

我们都知道，飞机上天要携带燃料（航空煤油），通过燃料燃烧释放的能量来为发动机提供动力。但这个燃烧过程光有燃料是不行的，它还需要消耗大量的氧化剂。飞机不需要带氧化剂，它周围的空气可以给它提供足够的氧化剂——氧气，可这同时也就限制了它的飞行高度，因为大气层中的氧气会随着高度的增加而降低，从而导致飞机发动机的功率相应下降，真空状态下甚至会失去动力。为了解决这个问题，火箭发射时不仅带有燃料，同时还自带氧化剂。因此，火箭发动机正常工作的高度不受大气层的限制，而且随着飞行高度的增加，外界大气压力逐渐减小，它所产生的推力还会相应增加，到达真空状态时推力将达到最大。

（摘自《中国载人航天科普丛书·通天神箭》）

太阳系的八大行星

载人航天的目的是什么?

开展载人航天活动绝不只是为了欣赏天上的美景，而是要进一步探索宇宙奥秘，更好地开发太空资源，从而为人类造福。

海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。人类一直在不断努力扩展自身的活动空间，其活动范围经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层空间，再从大气层空间到太空的逐步发展过程。人类活动范围的每一次扩展，都是一次伟大的飞跃，增强了人类认识和改造自然的能力，促进了生产力和社会的发展。

距地面100千米以上的太空是陆地、海洋和大气层之外的空间，那里有很多地球上所缺乏的资源，包括太阳能、强辐射、高洁净、高真空、微重力、大温差、高远位置，以及月球、行星、小行星上的稀有矿藏等，开发这些资源对人类的发展具有重要意义。

太空作业情景

太阳每秒钟将81万亿千瓦的热能送到地球，相当于现今全世界每秒发电量的数万倍，因此，太阳是一个极其巨大的洁净能源宝库，充分利用太阳能前途无量。由于不受大气层的影响，地球轨道上的太阳辐射强度是地面的2倍，达1.4千瓦/米2，所以在太空开发太阳能资源效率非常高。目前，航天器上的太阳能发电仅供航天器本身使用。随着地球能源的日趋紧张，一些国家已开始把建造太空发电站作为一种新的战略选择。初步设想是：太空发电站先把太阳的光能高效率地转变成电能，然后再通过微波或激光把电能发往地面。

太空中的宇宙辐射强度比地面大得多，并且是全谱段的。特别是宇宙高能粒子，这一资源是非常宝贵的，比如，大家熟知的太空育种，就是利用空间宇宙射线、交变磁场、微重力等特殊的太空环境因素对种子和微生物施加影响，使农作物种子产生在地面环境中得不到的变异，最终筛选出有着优异变异性能的农作物新品种。

在200千米～500千米高的低轨道空间，真空度为10-4帕，而在35800千米高的地球静止轨道上，真空度则为10-11帕。太空中的真空环境是地面人为的真空条件无法比拟的，十分有利于高纯度材料加工、蛋白质提取、药品研制等。在太空高真空环境中，物体被太阳直射的一面可以达到100℃以上的高温，而阴面则可以保持－100℃以下的低温，两者之间形成了很大的温差，而且非常稳定。这一特殊资源恰好是某些特殊应用梦寐以求的环境。

在地面（左）和在太空微重力环境（右）中的蜡烛火焰比较

利用航天器的飞行，还可派生出轨道资源和微重力资源等。自从航天器问世后，科学家们首先想到的就是利用太空的轨道资源，因为站得高、看得远。站在珠穆朗玛峰上，能看到0.07%的地球表面；在离地面200千米高的轨道上，可以看到1.5%的地球表面；在距地面35800千米的地球静止轨道上，则可以观察到42%的地球表面。利用高远位置这一有利条件，可进行遥感、通信、导航等。为此，旨在开发太空轨道资源的各种航天器竞相升空。在太空“制高点”上不仅可观地，也能望天，在那里进行天文观测不受大气层的影响，使全波段天文观测变得轻而易举。

微重力（重力加速度小于10-4g）环境是一种宝贵资源，人类用这种资源已进行了地面上难以实施的科学实验（如微生物、细胞、蛋白质晶体的生长、培养与分离）、新材料加工和药物制取等。因为在微重力条件下，气体和液体的热对流基本消失，不同密度物质的分层和沉积消失，即密度不同的液体可以相容在一起。这对生产极纯的化学物质、生物制剂、特效药品，以及均匀的金属基质复合材料、玻璃和陶瓷等都很有用。由于重力微弱，在太空冶炼金属时可以不使用容器，即采用悬浮冶炼，因而冶炼温度可以不受容器耐热能力的限制，进行极高熔点金属的冶炼，避免容器壁的污染和非均匀成核结晶，改善合金的金相组织，提高金属的强度。

太空还是一种旅游资源。人在太空可以欣赏美丽的地球和宇宙景色，体验微重力带来的奇妙的漂浮感觉。尽管目前每人每次太空旅游的费用高达几千万美元，但截至2009年4月，已有6名太空游客上天，其中Word软件之父西蒙尼还曾“二进宫”。现在，美国准备打造太空旅馆，现已发射了2个充气式试验舱，而俄罗斯则筹划太空行走旅游和月球旅游。

离地球最近的月球上有丰富的氧、硅、铁、镁、钙、铝、钛、锰等元素，还有地球上稀缺的理想核聚变发电原料——氦-3，有些科学家认为开发月球上的氦-3是化解人类能源危机的可能途径之一。另外，月球上无大气，具有黑夜和低温时间长等有利的环境条件，是理想的科学研究和天文观测基地。今后，人类还可以开发小行星和彗星上的资源。金属型小行星上有丰富的铁、镍等金属，有的还富含金、铂等贵金属和珍贵的稀土元素；彗星上则有丰富的水冰。这些资源既可供地球上使用，也能用于在太空建设航天港和太空城。

俄罗斯航天员在国际空间站上作业