航天——想象是唯一的限制

陈宏宇

世界那么大，我想去看看

世界很大，让无数人愿意行万里路去寻找星辰大海。其实就在我们头顶100千米之上就有一个神秘的地方——太空（即地球大气层以外的宇宙空间，又称外层空间）。我们把所有进入、探索、开发和利用太空以及地球以外天体的各种活动的总称，叫作航天。从1954年10月4日苏联发射第一颗人造卫星算起，人类涉足航天的时间并不长，但截至目前已有3 000多次火箭发射，上万颗人造天体在太空翱翔，甚至数百人有幸进入过太空，而且航天的花费是巨大的，风险是极高的，航天有何独特的魅力让人前赴后继、乐此不疲呢？

其实，类似的问题早在1970年就有一位赞比亚修女给美国宇航局写信质疑道：“目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭，怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元？”美国宇航局也给出了那封“无用之用方为大用”的著名回信，富有逻辑也充满人文关怀。要回答和理解这个问题，有必要深入理解航天的独特环境和独特性能。

难以替代的航天特质

高远轨道的全球覆盖近地卫星运行在至少数百公里高的轨道上，高度决定了航天器的全球覆盖特性，使之广泛应用于遥感、通信、导航和科学研究各个领域。

首先，说说给卫星装上相机的航天遥感。欲穷千里目，更上一层楼，百米高度的航拍可以让我们从更广阔的角度感受地物丰茂，而数百公里高度的卫星遥感更让我们多了一双“极目远眺”的眼睛。在远离地面的运行轨道上，卫星能够在很短的时间里扫描大片的陆地，可以同时观察计算农作物生长所需要的多项指标，土壤、旱情、雨雪天气等等，能给农作物的年产量带来显著的提升。

其次，说说通信卫星。居高声自远，1 000千米高度轨道上的通信卫星可以同时覆盖3 400万平方公里的地表面积，而且可以实现海上通信、航空通信，这可是普通的地面基站望尘莫及的。对全球物连网、互联网和窄带通信都是莫大的技术支持。

另外，说说卫星导航，古代为航船指路的灯塔要尽可能高耸，就是为了增加覆盖。如今把高精度的灯塔搬到了天上，20多颗卫星构成的全球导航星座，无论是北斗还是GPS，开辟了人类精确深刻利用时空基准的时代。

航天项目是科技进步的催化剂，它为基础科学研究工作提供了绝佳的平台。全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”就是利用卫星的高远特性实现了跨洲际的远距离量子试验。而暗物质探测卫星“悟空”更是远离地表的尘世纷扰（地表的能谱干扰大），到太空中去寻找神秘的暗物质。

失重环境和空间辐照太空轨道处于失重的环境，在这里很多地面重力主导的物理现象发生了明显变化，比如液态物质在表面张力作用下可以形成标准球体，太空中没有重力的干扰，晶体生长非常均匀，蜡烛火焰在太空舱内也是有趣的球形。此外，太空中缺少大气层和低层磁场的防护，空间充满了高能电子、质子和宇宙射线的辐射，这些神秘的能量可以对生物遗传物质产生作用和改变，通过太空育种加速种子的变异后优选出的各种航天蔬菜可能就在你的餐桌上。

越过大气的清晰观测小时候我们看到天上的星星在一闪一闪“眨眼睛”，这是由于大气中水汽对星光的折射和散射，浪漫的童话对天文学家可是苦恼不堪，直接影响了测量的精度。即便把望远镜搬到又高又冷的地方，比如智利帕拉纳尔山顶上，仍然不够完美，至少受到地球的遮挡只能看到半个天区。为此，现代天文学家们把望远镜发射到了轨道上，比如功勋卓著的哈勃望远镜，在轨运行了30多年，拍摄了大量地面天文台难以获得的清晰宇宙图片，促进了天文学的发展。未来空间天文是天文学、物理学的重要手段和方向。

空间探索的丰富资源从实用主义来说，地球资源和寿命是有限的，月球、火星以及更远的天体上有地球上缺乏的优势资源。例如，科学家发现在距离地球4 000光年位置的巨蟹座星群中，有一颗质量为地球的9倍的行星55 Cancri e，很可能含有丰富的钻石。所以在月壤采集已经成为现实的今天，人类开始瞄准小行星采矿了。而通过大型载人飞船在火星建立长期基地已经不是梦想。

微重力作用下的物理特性

哈勃太空望远镜和天文观测图像

航天的技术牵引和民生转化 航天项目的技术难点在于航天器要自主在轨飞行数年甚至数十年，应对各种环境变化和不同任务，不允许出错，也几乎不可在轨修复，可谓一项高风险、高回报的科研投注。一些特殊的航天任务需要前所未有的高精度和高可靠性，如此严苛的需求，牵引着航天工程师们要不断寻找新材料、新方法，开发出更好的工程系统，用更可靠的制作流程，让仪器的工作寿命更长久。另一方面，这些航天新技术中会有很多被用于日常生活中，除了常见的北斗导航、卫星电话、应急通信，诸如平衡车是利用了卫星反作用飞轮的动量交换原理，地面太阳能电池板最早用于卫星发电，尿不湿本来是给航天员用的，方便面配料包中的脱水蔬菜也是为了给航天员补充营养，在抗击新冠疫情中立下了汗马功劳的非接触式测温仪就源自航天红外线温度计，最初为防止航天员眼睛被强光灼伤而发明的太阳镜如今早已成为“时尚潮人”之必备，还有人人都离不开的手机上的高清摄像头技术源于最早用于太空相机的互补金属氧化物半导体（CMOS）感光元件……

航天发展趋势

如今的航天技术早已不是冷战时期大国炫耀武力的资本，正走下科技神坛，服务寻常百姓。特别是随着国家综合实力和科技水平的提高，以及航天准入门槛的降低和越来越多商业航天公司的蓬勃兴起，航天技术进一步走向实用，在军用、民用、商用和科学研究各个领域都可以看到航天实用化的例子，并将继续深入推动一系列科学技术的进步，包括天文学、地球科学、生命科学以及能源技术、信息技术、新材料和新工艺的研究发展。

如果仅仅从航天器大小尺寸来看航天科技的未来发展趋势，一方面是发展更大的航天器用于复杂的航天任务，比如空间天文或者载人航行，我国正在构建的空间站仅核心舱就达到了22.5吨重，SpaceX目标是登陆火星建立基地的星舰近地轨道的运载能力达到了惊人的100吨；另一方面是发展更精巧的重量在几十公斤到百公斤的微纳卫星，体现了高集成、低成本的特点，向着“标准化、网络化、智能化”的工业化方向发展。

仅从单项技术来看，航空航天一体化飞行器、单级入轨、可重复使用航天器、高可靠低成本微纳卫星、新型动力推进方式等等都是目前各国研究的热点。瞄准未来20年，更多的技术正在预研，包括取代哈勃的更高级天文望远镜、让航天员更方便执行任务的智能宇航服、清理太空垃圾、月球和小行星采矿、探索太阳系最热的金星、进行深空探测的核能航天器、探索系外行星的微纳航天器、探测行星大气的微型传感探针、近距离接近太阳并吸收太阳能的探测器，还有在月球背面陨石坑内建设的月球“天眼”开展低微波噪声干扰的宇宙观测，利用极端超材料的太阳帆加速实现5个月到达木星以及在10个月内到达海王星，利用转基因微生物转化火星二氧化碳为燃料实现人类火星殖民的能源保障……

大型航天器：中国空间站构想图和美国SpaceX星舰计划

太阳系家族

可以说，未来航天，想象力是唯一的限制。

此外，从我国航天运行体制来看，从传统航天体制的封闭和小众，已经逐渐形成了国家队、高校队、公司队互补共存、竞争发展、百花齐放的良性局面，国家航天机构完成国家重大战略任务和顶层管理，航天高等院校发挥人才和学术优势注重航天科技创新引领发展，商业公司瞄准市场推动应用落地、丰富产品供应链、降低成本提高效率。也只有更多人类智慧的投入，才能推动航天技术的快速发展。

航天的魅力和未来

到目前为止，人类航天探索的路程大致分为三个阶段：第一阶段是地球轨道卫星的广泛应用，第二个阶段是建立载人空间站以及登陆月球，第三个阶段是建设月球、火星基地并在太阳系更多行星和卫星开展探索。未来的路更远，更有挑战，因为远方的宇宙在那里。

在世界航天之父齐奥尔科夫斯基的墓志铭上刻着“人类终将离开地球摇篮，穿出大气层征服整个太阳系”的凌云壮志。或许这远方星辰大海的召唤正是航天的魅力所在，促进了人类不断地远行和进步，从祖先走出非洲和大航海地理大发现，到未来的星际飞行。航天作为一种文化载体带给人们地球的整体空间感受，促进着地球村和人类命运共同体的文化认同，乃至星球整体文明的认知与传播。曾有人提出宇宙中的文明分为三个等级：一级文明能够使用所在星球的全部能源，二级文明可以利用母恒星的全部能量输出，三级文明也叫“星系文明”，能够运用整个星系全部恒星的能量，在自己的星系内来去自由和广泛殖民。根据卡尔•萨根的精确计算，人类目前能够产出的地球能量总量只有一级文明的千分之一，再有数百年或许能达到一级文明。路漫漫其修远兮，航天技术运载着人类文明走向未来。