航天对基础科学的拉动（有点儿长~~但很不错！）

夜空

宋健
每一个人都为过去半个世纪人类航天事业的辉煌成就和目不暇接的科学发现感到振奋。自然科学各学科和技术科学本身都受到它的影响、挑战和冲击，人类的生产和社会活动方式也随之发生了剧烈变化。从1957年苏联发射第一颗人造地球卫星和1961年第一个苏联宇航员进入外太空后的40多年来，航天技术突飞猛进，新成就和新纪录层出不穷。有30多个国家发射了8000多颗卫星，每天有2000多颗卫星在轨道上工作。共有350多人参与过空间飞行，240多位宇航员累计在外太空工作了72人年。通信卫星、导航卫星、气象卫星、资源卫星等已成为人类社会生活须臾不能离开的空间设施。可以说，人类已经把生存和生活领域扩展到地球大气层以外，占领和征服了近地空间。俄国航天理论先驱齐奥尔科夫斯基曾想到过（1903）：“地球是人类的摇篮，但人类不能总在摇篮里生活。”20世纪60年代以苏联宇航员加加林为首，人类开始走出摇篮。下面这些重大事件将永载人类历史，记录了人类走出地外空间的足迹。1957年10月4日苏联发射了第一颗人造地球卫星。1959年9月12日苏联发射的月球2号到达月球表面。1961年4月12日苏联宇航员加加林第一个进入外太空，乘东方号飞船在181km—327km高空绕地球飞行了1小时48分钟。1965年7月15日美国水手4号飞船到达火星，得到部分表面照片。1966年—1967年苏联发射的月球卫星拍摄了人类从未见到过的月球背面照片，制作了1∶500万的背面月貌图，以大批苏联科学家、研究机构、城市以及世界各国科学家的名字命名了所有的可见构造，经国际天文学联合会批准后成为国际标准名称。1966年3月1日—1970年12月15日苏联发射的金星3号、5号、6号和7号分别进入金星大气层和到达金星表面，得到了大气参数和部分表面构造照片，绘制了第一幅金星表面构造图并给予命名。从1961年—1983年苏联共发射了16个金星探测飞船，成为“金星大王”。
　　1969年7月24日美国宇航员阿姆斯特朗、柯林斯乘阿波罗11号飞船登上月球，迈出了人类在地外天体上行走的第一步。到1972年12月19日，共有12名美国宇航员先后登上了月球并安全返回地球，总共在月球上逗留了600个小时，带回月岩样品381kg。1970年4月24日中国发射了第一颗人造地球卫星“东方红1号”，重183kg。1974年2月5日美国发射的水手10号三次飞近水星，在320km高度上拍摄了占1/3水星表面的构造，绘制了第一幅水星表面图。从1971年—2004年，苏联发射的火星2号（1971）和3号—7号（1973），美国发射的水手9号（1971）、两个海盗卫星（1976）、火星轨道器（1998）、火星全球勘探（1997）、探路者（1997）、勇气号和机遇号（2004）等火星卫星和降落到火星表面的探测器，对火星地貌、地质、大气、岩石、构造进行了全面研究，彻底排除了火星上存在高等生物的可能性。火星上没有液态水，大气稀薄（0.01atm），95%%是CO2，氧气很少(0.13%%)，平均温度－55℃，但发现数十亿年前有大量水存在过的迹象。1973年12月和1974年12月美国发射的先驱者10号和11号分别对木星进行了首次近距离观测，测量了引力场、大气结构，拍下了大气和卫星照片。1979年3月和6月旅行者1号和2号又一次飞近木星，传回了木星及其卫星的高清晰度照片和电视摄像，对大气层、磁场和磁场中的等离子体进行了测量。1989年10月美国航空航天局又发射了伽利略号飞船，从1995年12月到2002年年底，绕木星飞行了7年，对木星大气及其卫星进行了详尽考察，释放过小型探测器进入木星大气。

　　1979年9月和1980年10月美国发射的先驱者11号和旅行者2号飞船首次从近处掠过土星，发回大量照片和数据，发现了新的大气结构、红斑和光环。新发现6个卫星。测出了土卫六的半径和质量，发现有大气层，测出了大气成分。1997年10月美欧联合发射了卡西尼飞船，2004年7月1日进入绕土星轨道，预计工作4年。于2005年1月14日被释放的惠更斯探测器在土卫六上降落，在下降的3小时44分钟内发回了474MB数据。1986年1月美国的旅行者1号掠过天王星，新发现了10个卫星和光环细节。1986年哈雷彗星回归时（哈雷，E.Halley1705年发现并预报了它的回归周期为76年），欧洲的吉奥托（Giotto）、日本的“先驱号”（Sakigake）和“水星”(Suisei)飞船以及苏联的织女号（Vega）等五个飞船对它进行了近距观测并拍下了大量照片，测得彗核横面积16km×8km。1990年以后，先驱者10号、11号和旅行者1、2号均离开了太阳系。4个飞船中只有先驱者10号是逆着太阳在银河系中运动方向进入银河系，于2003年1月22日向地球发出最后一次信号后，向金牛座的α星即毕宿五方向飞去。先驱者11号与地球最后一次通信是1995年11月30日，此后电源耗尽，通信天线已无力对准地球方向，默默地在飞往天鹰座方向上消失。1991年10月和1993年8月伽利略飞船在飞往木星的途中分别掠过小行星Gaspra（编号1951号，俄国G.Neujamin于1916年发现，尺寸19km×12km×11km）和爱达（Ida，编号243，1884年由J.Palisa发现，尺寸56km×24km×21km），分别在1600km和2400km远处拍下了它们的清晰照片，获得了关于它们的结构、表面形态和运动参数。

　　1996年2月17日美国航空航天局发射了“近地小行星会合”飞船（NEAR，Near-EarthAsteroidRen鄄dezvous），专门沿253号小行星（Mathilde）轨道与其会合，在1200km处拍下它的照片；然后该飞船又于1998年1月23日与另一个小行星爱罗斯（Eros，35km×13km×13km，编号433，德国天文学家G.Witt于1898年发现）相会并变成它的卫星，最后于2001年2月12日降落到该小行星上。NEAR前后发回了16万幅图片。

　　2003年10月15日中国宇航员杨利伟完成外太空飞行21小时23分钟，在近地轨道上飞了14圈。从上述纪录可看出，20世纪下半叶对太阳系的航天探测取得了伟大成就。除离太阳最远的冥王星（39.5AU）以外，人类的触角已就近探察了八大行星、若干小行星和彗星，对我们生存其中的太阳系结构、形态和历史都有了确凿的认证，积累了丰富的科学知识，这是人类数千年的文明史上从未有过的飞跃性突破。这些成就的取得，主要是前苏联、今日的俄罗斯和美国科学界与工程界的贡献。欧洲各国和日本已进入航天事业，开始做出重要贡献。发展中国家，如中国、印度、巴西等都在努力创造条件，可望于21世纪开展较大规模的空间探测活动。过去50年的航天活动与自然科学和社会科学的每一学科都有着密切的联动关系。首先，它无可辩驳地证明了近代科学过去所积累的知识绝大部分是正确的。天文、地学、生物学、数学、物理、化学和唯物论哲学的主要科学理论过去是在地球上由观察、实验、抽象和推理得到的，航天事业的实际已证明这些知识在地球以外也是可靠的、正确的和可以信赖的。自从发明了天文望远镜（伽利略，1609）以后，天文学靠从地面对天体的观察数据中找到了天体运行规律（开普勒三定律，1609），牛顿又把这些经验数据提升到物理力学的高度，赋予完美的数学形式（1687）。人造地球卫星和飞船的实际飞行证实了这些理论和定律的准确无误，能指导着飞船接近、跟随太阳系中的任何天体，准确地与它们会合，绕其旋转或在其上降落。物理、化学、地学等学科在地球上通过观察、实验所得到的知识如物质构造、元素分布、岩石种类等，在太阳系别的星球上都得到了印证。航天的实践使人类固有的“眼见为实”式的信念投向了现代科学。地质学是航天探测其他天体的知识基础，航天探测结果对地质学又产生了重大影响。一批新的学科，比如行星物理学、宇宙地质学已经诞生。数十年来地质学家曾努力寻找地球上最古老的岩石，以了解地球形成早期的地壳是什么样子和生命是如何发生的，以填补地球46亿年地质史上早期6—7亿年的空白。对月球、其他行星和小行星的直接观察表明，在地球上找到40亿年前的岩石可能性很小。在太阳系和行星形成初期的数亿年中，火山爆发和小行星、陨石对行星的撞击如此猛烈，以致整个地球表面熔化为液态。只有冷却后才凝结成岩石，出现海洋以后的沉积作用才形成今天的地壳。所以至今只在格陵兰西南部、澳大利亚西部和加拿大北部等远古大陆上找到过38亿年左右的岩石。中国东北是欧亚古大陆，中国地质学家只在辽宁鞍山找到过大约30亿年前的岩石。航天探测结果对宇宙学提出了新的挑战。支持“宇宙加速膨胀”假说的证据先是来自地面天文远望镜对遥远星系的观察，像哈勃（E.P.Hubble，1889—1953）在20世纪20年代最早提出这一假说时那样。后来的证据则主要来自航天探测。度级干涉仪（DASI，DegreeAngularScaleInterferometer）、高空探测（Boomerang），特别是委尔钦森微波各向异性探测器（WMAP，WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe）和哈勃空间望远镜的深空观察直接支持了哈勃假说，并且大大改进了哈勃常数的值，H0=72±8km/（s•Mpc），使宇宙年龄定位在137±0.2亿年。但是又激起了新的问题：与20世纪的信念相反，宇宙是非常平直的；宇宙中存在不知为何物的暗物质（占总质能的23%%）和暗能量（占总质能的73%%），普通物质只占4%%。物理学家们称其为“一团乌云”。这些问题直接冲击着宇宙学和理论物理。20世纪80年代人们的印象是物理学家已掌握了一切真理，以至有人提出“科学已经终结”。现在包括理论物理学家在内都感到震惊而不知所措。守恒定律这次怎么修改？至今尚未见到有令人信服的解释。航天探测对生命科学的触动最大。争论了数百年的老问题———生命起源问题的讨论又进入了新的热潮。400多年前布鲁诺曾因坚持天外有生命存在而被宗教法庭判处死刑（1600）。1950年代英国天文学家霍伊尔（F.Hoyle，1915—2001）提出生命之源不一定是地球，至少不限于地球，这个非传统观念未被科学界多数人所接受，甚至被认为是妄想。20世纪60年代美、英一批科学家发起寻找地外智慧计划（SETI，SearchofEx鄄traterrestrialIntelligence）没有得到各国科学界和科技机构的支持。进入航天时代以后，1963年应用射电天文学方法检测星际有机分子的特征谱线获得成功，到1979年已认证出星际空间的有机分子50多种。位于电离氢原子区的猎户座分子云（OMC—1和OMC—2，在猎户座θ，中文名“伐二”附近）和人马座B2分子云（SgrB2大分子云，总质量3×106个太阳，分子密度108/cm3，是银河系中星际分子最密集的区域，距太阳2.6万光年）是丰富的有机分子源，从它的光线中可看到几乎所有已发现的星际有机分子谱线。那里甲醛（H2CO）、乙醇（CH3CH2OH）、乙醛（CH3COH）、甲基丙炔腈（CH3C3N）和其他聚合芳香烃分子等有机物在星际云中比比皆是。法国科学家1997年对海尔—玻普彗星的观测发现彗发中含有大量甲醇、甲醛和乙二醇。欧盟航天器Giotto（1992）对哈雷彗星、Grigg—Skjellerup彗星的近距观测都发现彗星核中有大量有机分子和水（冰），甚至有氨基酸存在。最近，“星尘”探测飞船（Stardust，NASA，2004年1月2日）对类木彗星81p/wild2（直径2km）彗发中的微粒分析更令人吃惊：微粒（约0.1滋m）核心是岩石粒，外面有厚层有机物包覆（主要是醌，Quinone，不饱和环二酮），最外面是很厚的冰层。这意味着，彗星先在有机物包覆中形成，然后在水（冰）中冻结，最后被抛入太空。故现在人们称彗星为“脏冰球”。在航天空间探测的推动下，一门新的学科———宇宙化学（Astrochemistry）已经诞生，成功地检测到氢原子的精细结构———21cm微波辐射谱线和含碳有机分子的谱线，在星际分子云中发现了130多种有机大分子和氨基酸分子以及其他构成生命的前期物质。宇宙化学还研究这些有机分子和水分子的形成机理，在星际空间中的传播过程，在年轻行星、小行星和彗星周围的聚集原因，在极低温、极低压和低密度状态下的可能化学反应，为了解生命的起源提供新的知识。航天探测对生命科学思想产生了重大的影响。现在支配航天探索的信念是，构成生命的前期有机物质在星际空间中大量存在，凡有液态水的地方，只要稳定存在10—30亿年就可能有生命出现，不管她是源自宇宙某个地方的“泛种”（Panspermia），还是发源于本地。生命的出现是大自然规律决定的，在任何适宜的环境中，只要时间足够长（地球上是5—10亿年），就可能出现生命。所以，找液态水是今后相当长时期内航天深空探测的目标。月球、水星、金星都没有液态水。近几年美国NASA和欧盟ESA的探测表明，火星过去有过大量的水。飞船观察还表明，木卫二（Eu鄄ropa）、土卫六（Titan）上可能有水。今天，人们不仅认同地外生命存在的可能性，而且竞相实施国家级、世界级的大科学工程去探测。航天探测及其涉及的空间科学、宇宙学、生命科学、生态系统等都呼唤数学界的介入。数学对各学科的贡献是有目共睹的。陈省身先生有一首诗写出了数学的大旨：物理几何是一家，共同携手到天涯。黑洞单极穷奥秘，纤维联络织锦霞。进化方程孤立异，对偶曲率瞬息差。畴算竟有天人用，拈花一笑不言中。自然界和越来越庞大的人造系统强烈需要关于复杂性的分析，归纳出普遍的规律或定律。可能还存在至今尚未发现的科学定律，支配着生命的发生和复杂系统的演化等自然现象。至今尚未有关于复杂性的严格定义，也未见有系统复杂性的普适度量。系统仿真分析是当代各学科研究和工程设计工作的得力工具。要仿真就必须有系统数学模型。现有的数学方法和构造不足以描述生命过程的基本特征：生命起源、代谢、复制遗传等。近年来以计算机为基础的网络技术和人工生命研究有较大进展，或许能为复杂系统研究开辟新的道路。人们寄希望于数学家们能参与建立新的数学体系，解决一些最基本的问题。例如，有多少个氨基酸聚合成蛋白后才能有活性？如何构造一个最简单细胞的数学模型？如何度量一个系统（如大分子、细胞、器官、大脑或人造工程系统等）的复杂性？现代科学仅有400年的历史，时间还太短。我们对大自然的知识还很有限，多是相对真理，未知的东西比已知的要多得多。科学创新的机会很多。人类在地球上的历史至少还有40亿年，不尽后代将在前人积累的知识和成就的基础上继续前进。“科学已经终结”的说法是荒谬的。到21世纪初航天飞船已访问过除冥王星以外的太阳系所有行星。美国计划于2013年发射“柯伊伯带—冥王星探测器”（KuiperBeltPlutoExplorer）去就近观测冥王星和以远的空间。太阳系深空探测所取得的成就是伟大的，获得的新知识是人类极为宝贵的科学财富。探索空间的事业还刚刚开始。若干年后，如果在火星、木卫二和土卫六上都找不到生命存在的证据，这是很可能的，人们的注意力必然转向太阳系以外的探测。这种向往已经开始显现。在银河系寻找有类地行星的运动已经开始。到2004年，各国天文台已宣布找到了120多颗有行星的恒星。2004年7月初美国太空探测研究所宣布，仅哈勃空间望远镜就单独发现了100多个太阳系外可能的新行星，使已“发现”的行星总数可能上升到220多个。开拓边疆，扩大视野，探求未知，是人类的不懈追求，是文明进步的原动力和科学创新的持久源泉，对个人、集体或国家都有不可抵抗的诱惑力。20世纪下半叶，人们走遍了地球表面的每一个角落以后，抓住了新出现的火箭技术的潜力，立即开始了对地球附近空间的探测。1961年4月12日苏联宇航员的第一次太空飞行，标志着载人航天时代的开始。过去40多年为航天而牺牲的21位宇航员受到全世界人民的敬仰和悼念，不少人的名字已被铭记在月球、金星、火星上，在人类文明史上留下了芳名。按钱学森先生的建议，在太阳系以内飞行叫“航天”，到太阳系以外的银河系是“宇航”。若干年后，将会有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回，那将是一个新的宇航时代的开始。可以预想，一旦人们更大地开阔了眼界，在太阳系以外会发现比过去更多的未知现象，从而进一步丰富我们的科学知识宝库，审视和改进已经掌握了的科学定律，开发更高超的技术，使人类科学技术事业迈进一个新的时代。对大自然的探幽析微不能没有人的直接参与，机械和仪表在可见的未来还不能完全代替人的智慧。1960—1970年代的载人和无人探月收获的悬殊差别就是佐证。飞出太阳系是人类伟大的理想。要实现这个理想，科学技术界面临四个重大理论和技术问题，要一步一步解决。它们是：（一）精密勘察和制作太阳系附近的星图；（二）设计制造喷气速度接近光速的火箭发动机；（三）长期飞行的生命保障系统；（四）突破光障。各国科学界已开始考虑和投入工作。首先，要精密勘察太阳系附近的恒星和其他天体，探明和制作出距离10l.y.以内的三维宇图。今天我们对太阳系的边缘如柯伊伯带（KuiperBelt，50—500AU）和奥尔特云（Oort’sCloud，103—105AU）中的天体分布情况所知甚少。有人猜测在半人马座比邻星（ProximaCentaurus，已知距太阳最近的恒星，4.2l.y.）更近处还可能有尚未被发现的红矮星（赫罗图中主星序上最冷的恒星）存在，在它们的周围也可能找到类地行星。如果真的存在并能找到更近的恒星，将大大增加实现宇宙航行的可能性，可以建立通向银河系的驿站，步步为营，逐步扩大宇航可达范围。最近已有天文学家着手这一工作。在美国航天局的支持下，一批天文学家开始了精细探测近邻恒星的计划（RE鄄CONS，ResearchConsortiumonNearbyStars）。探测和制作太阳近区的精密三维宇图将主要是天文学家们的任务。实现到太阳系以外的宇航飞行的关键技术问题是设计制造喷气速度接近光速的火箭发动机。现有的火箭推进技术，以化学燃料为能源，最高喷气速度仅为每秒数公里。依齐奥尔科夫斯基公式，火箭速度增量正比于喷气速度和始末质量比的对数。现有火箭技术能达到的飞船飞行速度在20km/s左右。即使充分利用地球的轨道速度（30km/s）和太阳在银河系中相对邻近恒星的运动速度（19.4km/s，朝织女星方向），要飞到半人马座比邻星这颗最近的恒星或离我们8.6l.y.的天狼星（Sirius）要花400年。为使飞船和宇航员能在3—5年内往返，必须加快飞行速度，接近或超过光速（每秒30万公里）。设想若飞船速度0.8c，喷气速度0.6c，最大加速度2g，加速和减速各一年，在3—5年时间内即可往返。要设计喷气速度接近和达到光速的火箭发动机最有希望的是氘核聚变反应堆，排气速度可能达到1.5×104km/s=0.05c以上。用裂变反应堆，喷气速度最高为12km/s，是氘聚变发动机的1/1000。用电离子发动机，喷气速度能比裂变发动机提高10倍，达到150km/s=5×10－4c，但推力很小。人们寄希望于正在进行的国际热核试验堆（ITER，InternationalThermo-nuclearExper鄄imentalReactor）早日成功，只有在那以后才可能进行核聚变火箭发动机的技术设计。第三个重大问题是从事长期宇宙飞行宇航员的生命保障系统。经过40多年的航天实践，对太阳风和宇宙射线的辐射已经找到了防护办法和技术措施。例如，飞船外壁涂或镀以2g/cm2的重元素防护层，夹以锂化氢填充可防止高能粒子（质子、中子、α粒子、亚原子粒子）和X、γ射线穿进舱内。舱体之间隔离密封，像潜艇防水舱那样，能防止小陨石万一击穿飞船对宇航员生命和工作能力造成损害，事后宇航员可着宇航服进行修补。飞船对大型陨石和小行星等天体应有预警探测能力，以便宇航员提前采取回避机动措施。美国航天飞机和苏联的和平号空间站都记录过少数几次碰撞，未造成明显事故。实践证明，在太阳系远地空间中陨石和微粒对飞船的碰撞危险程度远比过去估计的要小，倒是散布于近地空间的大量人造碎片如废弃的卫星，进入了绕地轨道的末级运载火箭残骸等空间垃圾对近地飞行的飞船可能构成较大的威胁。近几年各国航天机构已经联合采取措施，减少和控制空间垃圾的继续增多。长期空间飞行中宇航员的生活必需品的供应问题已研究了30多年，现在仍是各国航天界研究的重点课题。按俄罗斯和平号空间站的实验数据，每位宇航员每天需要氧气0.85kg，食品0.62kg(干重)，饮水1.62kg，生活和其他用水25kg，每人每年需要310kg氧气，230kg食品和9t水，还要清除掉人排出的CO2和其他废物。在近地空间飞行时，如在空间站上，这些物资可由地面用运货飞船补给。在与外界隔离的密封舱中实现氧气和水的再生及循环使用的技术问题已经解决。在类似飞船舱内小生态环境中循环生产水生物（小球藻）—微生物—鱼类模式已取得进展。俄空间生物学家在和平号空间站上的“微生态菜园”中已成功地种植和收获过超矮小麦、豌豆、北京大白菜、球茎甘蓝等光合自养高等植物，取得了好收成。30多年的空间和地面模拟实验表明：空间微重力对高等植物的发育、生长和遗传没有根本性影响；在空间繁衍的后代营养价值不减；在飞船内建立密封的、自我循环的、适合植物生长和传代的微型生境没有不可克服的困难，有可能使“星际农业”的效率比地球上的农业提高数百倍到1000倍。需要的只是有适度的空间和从外界有不间断的能源（光、电）供应。由俄罗斯和美国科学家联合设计的更大规模的“橘子园”实验正在国际空间站上展开。

　　长期在空间失重情况下飞行的宇航员有时出现的丢钙和骨质疏松、循环系统适应性障碍、不受力器官萎缩等困难都可以通过不间断的体育锻炼、改变食谱、药物预防等办法克服。在这方面，空间医药学已积累了不少经验和知识，各国的研究工作仍在加紧进行中。21世纪的宇航事业面临的第四个重大难题是光障问题。爱因斯坦1905年在他关于狭义相对论的论文中提出一个推测：“不可能存在任何大于光速的运动”，可以称为光障。人类可能永远与太阳系外的其他世界和文明隔离这个阴影，使航天界感到气馁和失望。航天技术的发展迫使人们怀着对这位科学巨人的崇敬心情去细察和反思，为什么飞船不能超过光速。讨论这个问题不可避免地要牵涉到狭义相对论的基本假设、主要结论和适用范围，以考察这个推测对未来宇航飞行的影响。爱因斯坦是20世纪伟大的科学家。他在相对论、量子论、分子动理论等领域都做出了重大贡献，深刻地影响了20世纪物理学、天文学、宇宙学等基础科学和技术科学的发展方向。他创立的狭义相对论原理的主要结果在大量科学试验中得到了支持，已被20世纪的科学界所普遍接受。在技术科学中如雷达技术、无线电通信、卫星导航定位、粒子加速器设计制造等领域里也有重要影响。2005年是爱因斯坦发表狭义相对论100周年，全世界科学界都会衷心纪念这位科学巨人对人类科学事业的贡献。航天事业取得的新成就为检验相对论的推论提供了新的可能性。现在各国航天界正在组织进行大规模的空间实验以验证狭义相对论和广义相对论的正确性和适用范围。有的物理学家认为，狭义相对论的理论并不排除存在超光速运动的可能性。从技术科学观点看来，由于光速的有限性，以光或电磁波往返目标双向时间间隔之半乘以光速这个定义不能测量甚至不能发现超光速运动的存在，因为对以光速或超光速离去的粒子或物体不可能有回波出现。以超光速飞来的粒子或物体的回波会颠倒时序，晚发出的电磁波比早些发出的先收到，可能使观察者发生误解。所以，从地面上，在实验室中用光学或电磁效应去观察粒子和物体不可能观察到和发现超光速运动。近40年来航天技术的进步和实践经验为检验狭义相对论的推论创造了新的条件。导弹、卫星或飞船上已装备有高精度的时钟和定向、定位、测速、通信能力而独立自主地飞行。地面或另一个惯性坐标系中的观察者提供的测量数据对飞船的飞行至少在理论上不是决定性的信息。与在实验室中观察粒子运动不同的是，处于类似于粒子地位的飞船上自己测到的信息可以用电报报文方式准确地传回地面或任何一个感兴趣的观察者，像卫星全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）的工作方式那样。这种情况是100年前未曾有过的，所以至今未包含在狭义相对论的框架之内。爱因斯坦关于“不可能存在超光速运动”的推论在航天技术中有可能进行验证。这在本书第六讲中有较详细的论述。

　　未来宇宙航行的需要呼唤实验物理学家寻找传播速度大于光速c的信号源。只要能找到这种新的信号源，以接近光速或超光速做宇宙航行的可能性就会大为增长。物理学中现存的很多关于因果律的争论、各种佯谬都可能迎刃而解。光障问题令技术科学界回想起20世纪上半叶航空工程中出现过和攻克“声障”的经历。声波在大气中是以常速传播的。声速飞机出现之前很多人设想在飞行速度接近声速时声波会在飞机前面叠加，飞机无法穿过。航空技术界经过数十年的研究和实验最终攻克了声障，实现了超声速飞行，种类繁多的超声速飞机如雨后春笋，成为军、民用航空技术的重大突破。关于光障问题是否也会有类似的前景，人们拭目以待。半个世纪对太阳系的探测已经证明，地球是太阳系在50亿年的历史上，出现生命和进化到人类的唯一幸运的行星。在太阳系其他任何地方，包括离我们最近的类地行星火星和金星上，都不存在高级生命形态即以人类为代表的智慧生命。在少数几个有过液态水的地方如火星上可能有过原始生命———微生物等，至今没有找到证据，也可能永远找不到。这个事实是令人震惊的，对理解人类在自然界中的地位具有极为重大的意义，对人类的未来将有深远的影响。试想如果在太阳系以外别的恒星附近出现生命的情况也如此罕见，那么在银河系中离我们数十光年以内的空间中可能根本没有出现生命的条件。在更远的地方即使有生命以至于高级生命，要想发现它们并与其建立某种联系的可能很小。如果真的像美国天文学家和科普作家阿西摩夫（I.Asimov）所估计的那样，银河系中两个具有智慧文明的世界相互之间的平均距离为630光年，那么今后的宇宙航行探测计划将完全是另一种考虑了。50亿年后太阳要残废，要使生命的火种和智慧生命的火炬在宇宙中永不熄灭，人类不因任何宇宙性灾难袭击地球而灭绝；把生命的火种传播到地球以外，让智慧生命的火炬在太阳系外的某些地方点燃，可能成为未来人类宇航事业的最终目标。在这种情况下，航天和宇航科学将成为影响人类长远命运的事业，而不仅仅是解决地球上存在问题的手段。如上所述，航天事业在短短的40年中已经与自然科学各学科———天文学、地学、生物学、数学、物理、化学等建立了密切的联系。各学科都为航天事业提供了基础知识和技术支持。反过来，航天技术的进步和突破又拉动了基础科学的发展，提出了新的命题，激发了新的科学思想，提出了新的需求。我认为今后从事航天和宇航事业的人们能放开眼界，了解与各基础学科的联系，建立合作和联动的协同工作关系，对这一事业的未来发展是十分重要的。包括作者在内的这一代人，直接或间接地参与过中国的航天事业，目击过或密切关注过半世纪以来航天领域中的重大事件，曾为各国取得的重大成就而欢欣鼓舞，为航天活动中的事故和牺牲而悲怆。航天科学技术本身的迅速进步以及与自然科学各学科建立起来的日益紧密的联系和联动关系使每一个人都有深刻的感受和思考。应几所大学领导之邀，笔者写出了这份《航天纵横———航天对基础科学的拉动》笔记，重点不在航天技术本身———那里已有很多优秀的教科书，而在于航天事业的横向联系，为从事航天和宇航事业的人们提供若干参考性历史材料，希望对人们开阔视野、丰富知识、勇于逼近科学前沿和激励创新有所裨益和帮助。本书分为六讲。因为航天技术专业通常未设天文学这门基础课，故第一讲介绍航天天文学要义，已熟悉天文学的读者可跳过。第二讲以地球地质史为背景介绍过去40年来苏联和美国航天探月的伟大成就和重大事件。第三讲综述到21世纪初对太阳系探测取得的成就和积累的主要知识。第四讲介绍天文观测和航天探测的新发现对宇宙学和物理学带来的冲击。第五讲从地球上生命进化史这一唯一样本出发，综述关于寻找地外生命的探测活动现状和对未来的展望。最后，第六讲展望21世纪的宇航———探测太阳系外银河系空间的前景以及必须解决的重大科学和技术问题。为了便于读者阅读，每讲内容都是独立的，无需相互参阅和依赖。在秉烛于这些笔记时，笔者常把个人思考夹述其中。如果能引起关注航天事业的读者对交叉学科的兴趣，激发讨论，诱生新的憧憬，那么作者的目的就达到了。

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夜空

龙之升腾--载人航天计划对中国的意义

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http://www.sina.com.cn 2003年10月15日11:24 新浪科技

　　新浪科技讯 从没有仰望过星空的种族是不会产生宇航的冲动的，从这一点上讲人类是幸运的：由于地球和太阳系处于银河的边缘，四周恒星的密度远比银河中心地带低，因此无论何时地球总有一半的表面处于黑暗之中，这使得人类自诞生之日起就能领略到神秘、浩瀚、浪漫的宇宙空间的无穷魅力，从而产生跃入虚空的梦想，这种萦绕千年的梦想正是20世纪人类航天冒险的强劲动力。


　　载人航天是航天工程中最尖端、最复杂的部分，对一个国家的科技、经济、军事和政治等方面都具有非同寻常的意义，众多世界强国包括部分发展中国家都对载人航天活动抱有浓厚兴趣。中国成功地加入世界载人航天俱乐部是一个标志性事件，它集中反应了中国近年来力量与信心的增长，这种增长将对世界战略格局产生深远影响。

　　漫漫天途

　　最早的载人航天活动开始于东西方阵营的激烈对抗与竞争时期，在漫长的冷战岁月里，美苏两国的载人航天计划带有浓厚的政治宣传和意识形态色彩，双方都不遗余力地想在太空竞赛中获得领先地位，以证明自己在社会制度和国家力量方面的优越性，即使这种竞争耗尽了国家的血脉也在所不惜。这是一场漫长的、代价巨大的赌博。

　　1957年10月4日，苏联科学家们将刚刚试射成功的P-7洲际弹道导弹改装为"卫星"号运载火箭，用它发射了世界上第一颗人造地球卫星，这一成就极大地震撼了西方世界，似乎一夜之间苏联的科技能力已经领先于美国。1961年4月12日，苏联使用"东方"号宇宙飞船和"东方"号运载火箭将宇航员尤里·加加林送入太空，成为第一个进行载人航天活动的国家，在太空竞赛方面再赢美国一局。

　　美国人在震惊之余，意识到正是由于对航天事业的轻视使自己处于下风，并立即着手制定雄心勃勃的太空计划。美国首先进行了"水星"载人飞船计划，进行了几次亚轨道载人飞行，虽说这远远比不上苏联几艘"东方"飞船的近地轨道飞行，但也在一定程度上平息了美国公众对航天计划接连失利的不满。随着1961年5月，热衷于航天竞赛的约翰·肯尼迪总统提出执行"阿波罗"登月工程，美国又发射了几艘带有技术探索性质的"双子星"飞船，为"阿波罗"工程做铺垫，"双子星"的成功意味着美国在科技与财力方面的优势开始显现出来。而同一时期，在完成"东方"飞船发射计划后，苏联的航天技术官员们认为应脚踏实地地发展空间轨道站，以实现宇航员的长时间在轨，但苏联领导层尤其是赫鲁晓夫更看中发射宇宙飞船的政治意义，在他的要求下，苏联航天部门发射了2艘"上升"飞船，其中上升2号的宇航员进行了世界上首次太空行走。接着，苏联也秘密地开始了自己的登月计划，采用的技术方案与美国的阿波罗-土星系统如出一辙，为此研制了一种勘与美国土星5号火箭相媲美的H-1巨型火箭，但这种火箭在4次试射中惨遭失败，使苏联的载人登月计划最后夭折。而美国的阿波罗工程则进展基本顺利，1969年阿波罗11号飞船成功地登陆月球，标志着美国在登月竞赛中大获全胜。

　　进入1970年代，美苏关系开始逐渐缓和，双方也在反思一个问题：那种只追求政治利益的航天活动是否有真正价值。1975年，一艘美国的阿波罗飞船与苏联的联盟飞船在太空轨道进行了对接，这标志着双方对抗性的太空竞赛告一段落。在整个70年代，双方将注意力转移到了具有实际科技经济意义的深空探索和建设空间站上。

　　首先苏联从1971年开始，接连发射了7座"礼炮"系列空间站，开创了宇航员长时间在太空生活工作的先例，是世界载人航天史上的重要里程碑。1986年苏联又发射了新一代空间站"和平"号，这座当时世界上最大最先进的空间站为宇航事业做出了重大贡献，先后接待了数以百计的宇航员进站工作，并创造了人类在太空连续生活时间的纪录，在其近20年的运行过程中一直是苏联/俄罗斯大国尊严的象征。

　　美国在70年代初也发展了自己的"天空试验室"，但由于发射时出现的意外，使"天空试验室"一直带伤运行，在它短暂的生命周期中只接待了3批宇航员，但也取得了不少重要的科技研究成果。

　　为了支持大型空间站的运转，需要不断地发射载人和运货航天器前往空间站，苏联采用的是发射一次性飞船的方法，这种方法耗资巨大。因此美国从1972年开始研制一种使用灵活、费用低廉的天地间往返运载器--航天飞机，作为未来大型空间站的运输工具。1981年4月12日，在加加林首次遨游太空20周年的纪念日，美国发射了"哥伦比亚"号航天飞机，这是人类太空事业的又一项重大成果，因为从理论上讲，即使是没有经过特殊训练的普通人也可以搭乘航天飞机飞上太空，而且航天飞机和载人飞船相比具有更大的灵活性。一时间，世界上出现了航天飞机热，英国、德国、日本、欧空局等都提出了自己的航天飞机计划，1988年苏联发射了"暴风雪"号航天飞机，和美国航天飞机相比，"暴风雪"号具有很多独特的优点。但1986年"挑战者"号的爆炸使人类意识到自己的技术可靠性还没有想象中那么强，载人航天活动一时陷入低谷。

　　1980年代末期，世界局势发生了天翻地覆的变化，苏联由于长年开展军备竞赛和大规模的航天计划而国力透支，加上社会、民族等等尖锐的矛盾，终于轰然倒下。冷战几乎在一夜间结束了。世界战略格局的变化促使各国开始调整自己的航天计划，俄罗斯经济情况恶化，被迫放弃了大部分航天活动，只能勉强维持原有水平。美国则在1990年代初期停止了浩大的"星球大战"计划和"自由"号空间站计划。从1993年开始，美国联合俄罗斯、欧空局和日本等国着手建设"阿尔法"国际空间站，这标志着载人航天工程从冷战时期以政治与军事对抗为目标转变为着眼于国际合作和获取实际科技经济利益的新阶段。

　　它山之石，可以攻玉。回顾40年来美苏两国的载人航天活动，对中国具有很大的借鉴价值，首先载人航天是提升国家形象与地位的重要途径，同时在科技、经济和军事方面都有重大意义；其次，载人航天活动是一项耗费巨大的工程，必须量力而行，那种单纯追求政治宣传的铺张的航天发射只会拖垮国家经济。

　　力量·形象·威慑

　　一个国家的力量包括经济力、科技力、军事力和政治力，其中经济力是社会生活的根本基础，科技力是国家发展的发动机，军事力是国家对外交往的强大后盾，而这最后一项政治力或称政治影响力则是国家力量构成中最复杂最微妙的，它包括国家的威望、在国际事务中的发言权、盟友的数量和力量、缔结盟友的能力、文化影响力等等。政治力的强弱首先取决于经济力、科技力、军事力，但同时也与国家的人口、地缘和历史传统有关，拥有强大政治力的国家往往可以不战而屈人之兵。政治力的养成不是一朝一夕的事情，如何最大限度地将国家的实力转化为政治影响力也需要高度的技巧。在当今国际社会中，我们可以看到某些国家由于精心地运筹折冲，获得了超出自身真正实力的政治力，比如法国并没有日本和德国的经济力量，也没有俄罗斯那样强大的军事实力，更没有美国那种全球力量投放的能力，但法国充分利用其联合国常任理事国、欧洲核心大国和历史上的殖民大国的多重身份，在欧洲、非洲、中东等地区事务上拥有很大的发言权。而值得玩味的是，法国也是一个公认的航天大国。

　　对于中国来说，进行航天活动尤其是载人航天活动不失为一种提升国家形象，增强政治影响力，建立强大而可靠的国家威慑力的好方法。

　　首先，载人航天活动具有很强的象征意义。载人航天工程从设计制造运载火箭、宇宙飞船到建立完善的发射场地和测控网络，几乎涉及到所有的国民经济部门，是一个国家工业技术能力的缩影，而工程的进度和花销又能反应出这个国家的管理能力。可以说航天工业的水平高低一定程度上标志着一个国家的现代化程度。因此，中国成功地进行载人航天发射，象征着我们这个曾经贫穷落后的农业国正在向先进的工业国家转变，这对提升中国的形象有很大的好处。

　　其次，和其他显示力量的方法相比，进行载人航天活动在道义上无懈可击，在政治上能争取主动。举行军事演习、核试验、导弹试射、派遣舰队出访、向海外直接派兵都可以显示国家力量与决心，但这些方法都有过于强烈的对抗色彩，若处置不当则容易被指为挑衅和恫吓，在道义上和政治上会处于被动，甚至引起对方的激烈反应使威慑失效。由于载人航天发射具有很大的军用潜力，对潜在对手而言是一种强大的战略威慑，在危机关头可起到敲山震虎的作用。而载人航天的直接目的是科学探索，所以进行这种活动在道义上和政治上都处于有利地位，从这个意义上说，中国可以通过巧妙地安排发射时间，使自己的载人航天行动变成一种向对手传达政治信号、显示决心的外交"武器"。

　　第三，载人航天发射活动对其他国家的领导层、普通民众和本国民众都有很大的心理影响。载人航天发射活动可以说是地球上最壮观最激动人心的科技活动。硕大无朋的运载火箭喷吐着巨焰和翻滚的浓烟，雷鸣般地从发射台上缓缓升起，明亮的火光像利剑一样划破黑暗的夜空，仿佛天神降临人世。在轨道上运行的宇宙飞船外表涂着醒目的五星红旗，黑眼睛黄皮肤的宇航员们微笑着向千里外幽蓝恬静的地球招手……所有这一切场面通过电视转播传遍世界，对外国观众有巨大的感染力，无论是普通民众还是领导人都会由衷地感叹机械文明的强大，并自然而然地对进行载人航天发射的国家产生羡慕和钦佩之情，这种钦敬将对他们的决策行为产生微妙的影响。这就是航天活动的心理影响力。对于本国民众来说，国家成功地将宇航员送入太空将激发他们的民族自豪感和自信心，而且这种航天活动是无比生动的科学普及课程，十分利于培养民众尤其是孩子们热爱科学的精神，这也可以从长远上提高国家的科技力。

　　中国作为一个崛起中的国家，必然将在21世纪的世界上占有一定的地位，到2050年成为中等发达国家的目标能否顺利实现很大程度上取决于能否获得一个长期稳定的周边安全环境。冷战结束后，国际力量对比发生了根本性变化，美国国力相对大大增强，再加上9·11事件的刺激，使国内单边主义抬头，与此对应的是美国在中国周边的一些盟国趁机动作，试图借力打力捞取更多的政治和安全利益，这使得中国的安全环境在近年来呈现这样一种态势：在整体战略和外交空间不断扩大的同时，在某些国际问题上如朝鲜核问题、南海纠纷、日本国内保守势力抬头等等都遇到了严峻挑战甚至威胁。为了应对这种挑战，中国需要加强自己的战略威慑力量，全方位地遏制潜在对手的野心。发展载人航天技术，抢占科技和军事制高点是一种行之有效的方法。

　　探索·发现

　　如果问人们一个问题：当他们看到"载人航天"这几个字时，首先想到的是什么？90%以上的答案会是"科学"。的确，从洪荒时代起人类对知识的渴求、对未知的好奇是一切技术活动包括航天活动的原始动力。那么，在科学研究方面，载人航天有哪些用武之地呢？

　　深空探测。地球表面的大气层虽然保护着人类和全体地球生物不受恶劣的外层空间环境的伤害，但同时它也影响了人们对太空的研究，大气的折射作用会使地球上的天文望远镜影响扭曲，会吸收掉太空来的宇宙射线。要想更好地进行天文学和地球物理学研究，就必须脱离大气层的局限，将观测设备安装到人造卫星和宇宙飞船上，搬到外层空间去。从航天时代伊始，各类航天器就不断做出重大的科学发现。1958年1月，美国发射的第一颗卫星探险者1号首次证明了地球周围存在着辐射带，这是当时地球物理学方面最重大的发现之一。苏联在1950年代末期发射的几艘月球探测器发现了太阳风的存在。与卫星和无人探测器相比，载人航天器具有更大的承载能力和更强的观测能力，更重要的是，科学家可以在载人航天器上直接进行探测活动。1973年5月，美国发射的"天空实验室"空间站虽然只接待了3批宇航员，但由于在太空的特殊环境，依然取得了很多杰出的科学成果--拍摄了成千上万的天体照片，发现了一颗新彗星，还记录到了一次非常完整的太阳耀斑爆发过程

　　登陆异星。在科幻电影中，我们常常看到宇航员在其他星球上着陆并建立起殖民地的场面。地球正变得越来越拥挤，大规模地拓展地球边疆，向其他星球移民可以说是未来的大趋势。不过，就目前状况而言，人类还无法承担大规模移民外星的经济和社会成本。在现有条件下，登陆异星更多的还是为了了解宇宙中星球的地质构成与环境，美国先后6次成功地登上月球，在上面安装了月震仪、激光反射镜等科学仪器，用来观察研究月球的磁场等等，并将这些情况与地球做横向对比，从而更加深入地了解我们脚下的这颗星球。

　　太空抢险。外层空间是一个非常恶劣的环境，空间温度变化大，各种辐射强烈，大大小小的流星横行，所有这些都对航天器的生存和运行构成了很大的威胁，卫星、空间站和探测器频频出现故障就不难理解了。虽然，目前航天器的自动化和智能化程度在不断提高，许多卫星都有了故障自诊断功能，但任何自动化技术都取代不了人的聪明才智和应变能力，因此载人航天的另一项重大用途就是对出现问题的航天器进行空间修理。1973年5月14日，美国的天空实验室在发射时一个防护罩脱落，造成本体和太阳能电池板受损，刚刚发射上天的空间站面临着报废的危险。11天后，3名宇航员乘坐阿波罗飞船追上运行中的空间站，艰难地修好了电池板，还为空间站支起了一张遮阳伞。这可以说是历史上第一次重大的太空抢险行动。在航天史上还有一次太空修理活动具有重要意义，那就是对哈勃太空望远镜的修理。1990年由航天飞机携带发射的哈勃太空望远镜空间科学研究史上的一座里程碑，但当地面上的科学家们开始使用哈勃望远镜时，却尴尬地发现这座耗资10亿美元的望远镜无法准确对焦，成了个昂贵的近视眼。1993年12月，奋进号航天飞机搭载着7名宇航员上天，捕捉到了运行中的哈勃，矫正了光学系统的误差并更换了它的照相机，这使得哈勃的观察能力与清晰度一下子提高了50%，在后来的岁月中发挥了重大作用。

　　载人航天不愧是科学探索的利器。神舟系列载人飞船的发射，将揭开我国空间科学新的一页，飞船所取得的科学成果将对我国在诸多基础研究领域的研究工作产生积极影响。

　　一只下金蛋的鹅

　　就在去年，一条引人注目的消息传遍了全世界，一位美国富商在支付了2000万美元后，搭乘航天飞机登上了"和平"号空间站生活了一周，成为历史上第一位进行太空旅游的乘客。人们在惊叹这位商人的富有之余，也许会问除了让地球上的人掏钱遨游寰宇之外，载人航天工程是否还有其他的经济价值呢？事实上，载人航天工程可以利用外层空间的特殊环境，进行各种经济性生产，直接获得收益。还可以服务于其他国民经济部门，产生间接效益。简而言之，就是一只会下金蛋的鹅。

　　首先，让我们来看一组关于"阿波罗"工程的数据。阿波罗工程从1961年5月开始，到1972年12月结束，曾有2万个企业、200多所大学和研究机构参与其中。阿波罗工程在经济上使美国经济增长率提高了2个百分点，物价指数下降2%，创造了80万个就业机会。美国1958年的国民收入为4062亿美元，到1970年增长到9046亿美元，10年间翻了一倍多，这其中相当程度上是阿波罗计划刺激的结果。此外，阿波罗工程中取得的大量科技成果后来被广泛应用在国民经济的其他领域，而美国宇航局在执行阿波罗计划中取得的管理经验也被后来许多大型工程所借鉴。从上述数据中我们可以看出，载人航天工程是经济发展的强劲动力。

　　载人航天工程在经济方面的主要用途包括：

　　太空生产。太空的一个重要特点就是重力极其微弱，在太空中流体内部因不同密度和不同成分而产生的对流现象完全消失，容器内壁对物体也没有摩擦和限制作用，因此在这种环境中可以观察到许多新的物理现象、化学现象、生物现象等，而且为半导体和蛋白晶体的生长、新型材料的加工制造、电泳生产、新型冶金等都创造了条件。载人宇宙飞船和空间站都可以作为太空车间使用。比如，在空间站里可以制造纯度极高的大块半导体晶体，单晶硅和砷化镓之类的半导体晶体是电子工业的基础，但地面上形成的半导体晶体块都很小，而且由于对流作用，晶体的纯度和均匀度都很差，一般只能有30%左右能用于工业生产，而在太空中生产的晶体则没有这些缺陷。在太空中另一项重要的生产加工领域是特种合金和特种材料的生产，在微重力条件下利用汽相合金加工的方法，会形成新的合金结构与特性，在太空中生产的滚珠轴承的寿命是普通轴承的5到8倍。

　　太空制药。在太空微重力环境下，应用空间分离技术如电泳、等电聚焦、液相细分提炼等等，就可以在空间站里批量生产高纯度药物。美国航天飞机在执行太空试验时发现，太空中制造的药物比地球上制造的同种药物的纯度提高了5倍，而提纯速度提高了400到800倍，这意味着太空中一个月的药物产量顶得上地球上30年的产量。促红细胞生长素是一种可以挽救贫血病人的特效药，在地面上生产的这种药物每剂的价格高达3000美元，用来治疗血栓的尿激酶价格为1000美元，而如果在太空中生产这些药物则价格可以降低到原来的几十分之一，可以拯救无数负担不起高额药费的病人。

　　太空育种。中国多年来发射的返回式卫星和宇宙飞船中经常携带各种农作物的种子，这些种子被带到外层空间后经过宇宙射线的照射，基因结构发生了改变，再被带回地球进行选种后就可获得产量很高的新品种。在太空中遨游过的青椒种子可以种出比苹果还大的果实，而西红柿甚至能长到接近小西瓜的程度。

　　资源探测。世界上的任何物体，无论其是否具有生命，都在发射、吸收和反射着各种频率的电磁波，因此收集分辨地面物体发射的波就可以用来进行资源调查。这里所说的资源是一个很宽泛的概念，包括农业资源、环境状况、渔业资源、地质资源等等。资源调查对一个国家国民经济发展的作用可以说是不言而喻的，根据前苏联科学家的测算，每在国土资源航天探测器方面投资1美元，收益可以超过10美元。俄罗斯的"和平"号空间站在其运行的头10年里发现了10个稀有金属矿和117个油脉，仅这些发现的价值就远远超过了空间站的全部研制和维护费用。

　　中国的经济要保持近年来迅速发展的势头，利用科技拉动经济势在必行，积极发展载人航天技术，使之成为基础科学研究基地，新型材料、新型药物等高附加值产品的生产基地，将对我国的可持续发展具有重要意义。

　　军事力量倍增器

　　航天技术从发展之初就和军事应用有着极为密切的联系，实际上到目前为止世界各国发射的数千个航天器中，70%是军事航天器或军民两用航天器，其中又以美俄两国发射的侦察卫星和军用通信卫星为主。这两个航天超级大国都已经成立了兵种级别的军事航天部队。据统计，美国情报部门获取的各种情报中绝大部分是由美国国防情报局的间谍卫星搜集的，而美军80%的军事通信业务由通信卫星承担，航天器已经成为美军军事网络中最重要的环节。可以说，各军事强国都在努力地占领外太空这一战略制高点。挖掘载人航天器的军事潜力，发展军民两用载人航天器将成为中国军事力量的倍增器。

　　在现代战争中，C3I系统即控制、通信、指挥、情报系统的作用显得尤为突出。而C3I系统中一个重要的环节就是空中预警机。1982年中东贝卡谷地之战中，以色列的E-2C"鹰眼"预警机使用机载远程雷达先期探测到叙利亚空军的米格机群，然后从容地引导指挥己方的F-15、F-16拦截攻击，结果在一天之内击落对方70余架战斗机，而己方无一伤亡。1991年的海湾战争中，美国的E-3"望楼"和E-8"联合星"预警机不停地在伊拉克上空巡弋，指挥美军战斗机自始至终牢牢地掌握着制空权，为战争的胜利立下汗马功劳。这两个例子充分说明了空中预警指挥系统的重要性。但预警机也有它的局限性，首先预警机的航程有限，一般留空时间不超过8个小时，需要几架飞机轮番上阵；其次预警机的雷达作用范围还是受到地球曲率半径的影响；而且预警机大多由运输机改装而成，因此容易受到对方战斗机和防空导弹的攻击，需要严加保护。相比之下，如果将载人航天器作为太空预警指挥所则没有这些缺点。目前宇宙飞船一般可在近地轨道上停留一周，航天飞机可以停留两周，而空间站更可以10年20年地运转下去。而且由于载人航天器飞行速度快，活动空间高，对方除非也使用同等水平的航天器否则几乎无法威胁到我方。在宇宙飞船上安装大功率通信指挥系统、红外与雷达探测系统和高速辅助计算机，再派遣经过航天训练的军事指挥员驻船工作，就可以组建起高效的太空指挥站。若再与数据中继卫星和通信卫星相配合，还可以起到太空通信中转站的作用。

　　在轨道上运行的航天器一天之内可以环绕地球许多次，而且由于国际法允许航天器飞越其他国家领空，因此十分适合执行军事侦察和情报搜集工作。目前世界各国主要使用各种人造卫星来完成此类任务，其中包括使用可见光或红外光的照相侦察卫星、雷达侦察卫星、气象侦察卫星、海洋监视卫星、电子监听卫星等等。这些卫星虽然能完成多种任务，但也有其固有的缺陷，比如由于卫星的体积重量有限，因此搭载的设备和燃料的数量都不可能太多，作业能力自然受到限制。卫星的工作基本上按固定程序进行，使用灵活性比较差，在轨机动能力低，容易遭到敌人破坏。如果使用载人航天器执行侦察任务，则具有很多优点，首先有人驾驶的航天器运载能力很强，可以携带重型侦察设备，几年前美国一架航天飞机曾装载一部大型高精度合成孔径雷达升空，在一周时间内对地球表面进行了详细的扫描，从而获得了历史上精度最高最完整的地表雷达图象，这种图象可用于巡航导弹的制导系统，对增强美军打击能力意义重大。如果不使用航天飞机上的大型货舱，无人卫星是不可能完成这种任务的。其次，有人驾驶的航天器灵活性很高，可以在宇航员的操纵下随机应变，对突然出现的地面目标进行监视，并可直接判断汇总各种情报，时效性远远高于侦察卫星，因此常在突发危机时用来执行紧急侦察。历史上，无论是苏联的"礼炮""和平"空间站还是美国的航天飞机都曾多次执行对热点地区的侦察任务。

　　载人航天器还有一个重要的军事用途，那就是直接作为太空战斗机或太空轰炸机等天基武器系统攻击敌人的卫星和地面目标。如前所述，各类卫星已经成为军事强国C3I系统的核心环节，因此如果能在战争爆发初期，就迅速破坏敌方的卫星网络，则可以在战争中占得先手。1960年代，苏联军方发展了反卫星卫星，即所谓的杀手卫星，可以采用同归于尽的方式摧毁敌人的航天器。1985年，美国曾使用F-15战斗机在万米高空发射反卫星导弹，击毁了一颗废弃的低轨道通信卫星。从1970年代起，苏联一直在秘密研制可以从地面攻击太空飞行器的粒子束武器，美国的星球大战计划中一项关键性武器就是天基化学或核爆炸激光炮。这些武器都可以用来装备宇宙飞船和航天飞机。1984年，美国航天飞机在几百公里高的太空成功地跟踪捕获了一颗失控的国际通信卫星，并在太空中将其修好，这一事件震惊了苏联，因为这表明美国人实际上已经具备了捕捉摧毁敌人卫星的能力。也许在不久的将来，太空中真的会出现科幻电影中的空间大战。从太空中直接袭击敌国本土也是载人航天器的潜在军事能力，以航天飞机为例，它可以在货舱中携带数吨重的核弹头，以3万公里的时速飞行，在1小时内可以到达地球上任何地点，按照目前的防空技术水平是根本无法拦截的。因此，当载人宇宙飞船或航天飞机在设计之初就可以考虑采用模块化设计，平时飞船上搭载用于科研目的的设备模块，到了战争时期则可以迅速换装作战装备模块，摇身变为具有强大战斗力和威慑力的战略武器。

　　中共十六大提出紧跟世界军事潮流，启动新军事变革，实现军队战斗力的跨越式发展。那么如何紧跟世界潮流呢？如果按部就班地发展常规武器，将先进军事国家十年甚至二十年前做过的事再做一遍的话，那我们就将永远处于跟随者和落后者的地位。要实现战斗力的跨越式发展，就必须拥有超常规的新概念武器与新概念部队，将其作为我国维护统一、抵抗外国势力干涉的"杀手锏"。组建我国的军事航天部队是大幅度增强我军战斗力的一条捷径。由于我国航天工业起步早、起点高、投入大，因此与世界先进水平相差不多，在某些领域还处于领先地位，利用这种资源研制强大的航天武器并不困难。我军的潜在对手对卫星等航天器的依赖性很强，而卫星也恰恰是其作战网络中最薄弱的环节，如果在未来一旦反侵略战争爆发，我军可使用新型载人航天武器在开战之初就摧毁敌人的天基C3I网络，可以起到"点穴战"的功效。

　　龙之升腾

　　中国在新世纪刚刚开始的时候积极投身于凸显国家综合实力的载人航天工程，具有很强的象征意义，当五星红旗在太空轨道上出现时，人们看到是一个具有古老传统同时又朝气蓬勃的国家在东方崛起，回首我们那些刻骨铭心的苦难和屈辱，也许并不能仅靠一次震撼世界的航天发射来洗刷，但至少神舟的升空代表了一种希望，一种华夏神州走向现代化走向再次辉煌的希望。它是全体中国人在新世纪发出的自信自豪的宣言。

　　让我们为神舟飞船成功地飞往太空喝彩！

　　让我们为那些在大漠戈壁中默默奉献一生的航天人喝彩！

　　让我们为龙之升腾喝彩！

　　(朱兵/文)

夜空

航天科技对基础科学的拉动

       航天时代开始以来的短短40年中，卫星、飞船、太空望远镜等给天文和宇宙观测提供了前所未有的强大工具，获得了大量以前靠地面观察所不可能得到的信息、数据和新发现。

　　按学科分类，研究星系和整个宇宙即总星系的大尺度结构和演化的学科今天称为宇宙学，包括观测和研究宇宙物质分布、物理特性、化学构成、星系和星系团的层次结构等，寻求和建立宇宙生成、演化和运动的数学或物理模型，以求描述、分析和预测宇宙过去和未来的变化。 　
    　航天时代以来，航天科学技术在实践中发现和提出的一些新科学问题。这些新命题直接关系到未来航天宇航事业的发展方向和前途，也会对基础科学的研究，对人类认识大自然规律产生重要的影响。  
　　宇宙创生标准模型———大爆炸假说
　西方古人，甚至至今还有人相信，宇宙空间、大千世界之起源是神的创造，称为特创论。 　
  　现代科学技术出现以后，人们普遍否定特创论说法的可信性，转向从对大自然的观察和科学实验中去了解宇宙万物的起源。到了20世纪中叶，科学家们纷纷根据科学观测和实验事实设想了多种宇宙起源的模型，最后只有一种模型———“大爆炸理论”与至今各门自然科学和航天技术所积累的科学知识相吻合得较好，和几乎所有的观察结果一致，故逐步被天文学、物理学和宇宙学界所广泛接受。到了21世纪初，“大爆炸”理论已被称为“宇宙标准模型”。科学界在接受这一模型的同时从未忘记，这只是一种无法完全证明的假说，是至今与科学观测吻合得较好的“工作模型”。它仍然存在重大缺点，并不令人完全满意。这个所谓“标准模型”并不排除，甚至还呼求着新的假说和更完善的模型的出现。 　　   在我们科学宝库中的所有知识，包括那些已经被证实了的定律定理，都具有相对性，都有它的适用范围。在以后的科学实验中将被补充完善、修改和改造，有的甚至会由新的理论代替。这就是科学、技术发展的真实途径，也是促其进步的唯一方法。 　
  　  20世纪70年代至今很多物理学家仍在不懈奋斗，从理论和实验中改进大爆炸模型，这些问题的最终解决可能还需要有数代科学家们的努力。未来航天和宇航探测事业的进一步发展肯定会为这些问题的解决做出有决定意义的贡献。 　  　狭义相对论和光障 　
    　爱因斯坦于1905年发表了两篇关于狭义相对论的文章《论动体的电动力学》和《物体的惯性同它所含的能量有关吗》。爱因斯坦用一个假设———光在真空中传播速度是常数，与光源和观察者的运动速度无关———来代替传播介质的作用。爱因斯坦认为光的传播不需要任何介质。
　　爱因斯坦在上述论文中推断说：“超过光速的运动没有存在的可能性。”这意味任何粒子和物体的运动速度都不可能超过光速，即使是非物质的超光速运动也不可能存在。这就是爱因斯坦在狭义相对论中所树立的光障。按照爱因斯坦的推论，宇宙万物，包括航天器和未来的宇宙飞船的飞行速度都不可逾越真空光速c这个极限。
　　很多怀疑“超光速粒子不可能存在”的物理学家们仍在寻求各种方法试图从理论上证明超光速粒子的存在。 　
   　有航天工作者提出，狭义相对论的技术基础是用光波到目标往返双向时间间隔测距。如果真存在超光速运动离我而去，那么观察者永远收不到回波。所以用光或电磁波去测量超光速运动从技术上是不可行的。这可能是狭义相对论公式发散的根本原因。 　
   　到了21世纪初这类新的试验和讨论仍在继续。美国航天局于2003年开始执行一项称为“超越爱因斯坦”的航天探测计划。在未来20年中发射2个空间天文台，3个小型探测器和2个洞察飞行器，系统地检验相对论的结论和预言。设计和制造这些飞船的科学家们认为爱因斯坦的某些推论可能不是最终真理。无论如何这些实验和讨论都是对爱因斯坦关于“不可能存在超光速运动”推论的再检验。 　
    　广义相对论和平坦宇宙 　　
      《运动体的电动力学》一文发表10年后，爱因斯坦于1915年又发表了一篇著名论文《广义相对论———引力场论》，将仅适用于惯性坐标系（等速直线运动）的狭义相对论推广到任意参考系。爱因斯坦建立了一个新的关于物质分布影响时空几何的引力场方程，确立了运动体的质能和动量密度分布和时空中几何结构之间的关系。
　　关于黑洞的观测和理论研究肯定了广义相对论的观念，引力场使时空弯曲，时空曲率推动物体运动。宇宙中布满了恒星和星系，都能对时空弯曲做出贡献。这对从事航天事业的人们和未来的宇航界是一个重大的问题。如果空间是很弯曲的，充满了黑洞一类看不见的天体，到处是暗礁和陷阱，这会对未来的宇航造成困难，甚至构成威胁。通过实验检验广义相对论的结论和推论正确与否，就成了航天和宇航事业的急需。
　　为了探测宇宙时空大尺度结构，美国航空航天局于1989年12月18日发射了宇宙背景辐射探测卫星（COBE），在31.5GHz、53GHz和90GHz三个频段上用差分辐射计测量了空间全方向的微波宇宙辐射温度。 　
    　为更准确地探测宇宙时空结构，美国航空航天局在“快些，好些，便宜些”的方针指导下于1995年采纳了天文学家威尔钦逊的建议，发射一个卫星专门测量宇宙微波背景辐射的功率谱分布和极化分布的不均匀性。 　
    　由于有20世纪90年代的航天观测和地面天文观测结果的支持，目前大多数天文学家和宇宙学家都倾向于认为宇宙是平坦的，至少在大尺度上是如此。这是美国航空航天局宣布宇宙背景探测卫星COBE的探测成功是1992年的航天重大成就的主要原因。 　
    　无论如何，近年所有的观测都支持“我们的宇宙基本是平坦的”这一结论，这对未来的宇航工作者是大喜讯。从广义相对论问世以来，人们总以为宇宙的结构本身受恒星和星系的引力场影响就是弯弯曲曲，甚至高度弯曲和崎岖不平的。从地面上观测的三维星图不一定能反映通向这些星球的实际道路，中间可能布满了可怕的引力旋涡、比月球引力场中的引力瘤大得多的引力峡谷，或者像黑洞周围的引力陷阱，使飞船不能通过或陷入致命的困境。宇宙基本平坦这个结论增加了人们未来从事宇航事业的信心，提高了靠地面和航天观测作出太阳系附近银河系星图的可靠性，为未来制定宇航飞行计划奠定了信念基础。
　　对物理学的挑战———暗物质和暗能量 　　
         20世纪以来，很多天文学家和宇宙学家继续研究宇宙学问题，都是从广义相对论引力场方程出发的。近年来的航天观测有力表明宇宙空间的物理分布在大尺度内是均匀的和各向同性的，即符合宇宙学原理的要义。科学界通常认为，近代物理学已几乎穷尽宇宙中的一切真理，能解释宇宙中发生的一切自然现象。有人甚至说科学已近终结。 　
    　暗物质和暗能量问题的提出，不仅对宇宙学也是对近代物理学提出的重大挑战。到目前为止，物理学掌握的所有基本定律都不能解释暗能量的性质和来源，更不要说它的作用规律如何。 　
    　量子力学为暗能量的可能存在提供了一种解释。真空并不真空，在真空中会不时跳出和消失物质粒子和反粒子，称为虚粒子。真空中有能量存在。真空中的能量（暗能量）和物质（暗物质）具有与普遍物质和辐射量子相反的特性，产生斥力。这就是爱因斯坦曾设想过后来他又否定了的宇宙常数的现代含义。如果暗能量的密度在宇宙中占优势，整个宇宙中的普通物质会克服万有引力而产生向外的加速度，使整个宇宙加速膨胀。 　　
        关于宇宙加速膨胀现象的观测还在进行之中，最后的或者是更精确的测量结果可能在欧洲的“超新星加速运动测量卫星”（SNAP）发射和运行后才能得到。那时将会有1000个以上的Ia型超新星的亮度和红移数据，使天文学家和宇宙学家们能以更高的置信度来确定宇宙膨胀速度的变化，从而最后肯定暗物质和暗能量的存在。至于暗物质和暗能量是否真的存在?它们的本质为何?那要由实验和理论物理学家们来做出回答。无论如何，航天界仍将负有重要使命，为天文观测和宇宙研究建造和发射更好、更可靠的观测平台和工具，向深空探测和太阳系以外的宇宙航行前进。

[ 本帖最后由 夜空 于 2007-11-5 23:19 编辑 ]

夜空

地球———航天的起点
　　航天事业是从地球上开始的。这不仅指卫星、飞船在地面制造，从地面发射，更意味着我们的科学知识、技术和经验都是在地球的范围内得到的。进入空间时代以后，对月球、行星的探测是以长期积累的关于地球的知识为基础的。50年前地球是唯一的样本，我们只能从这里开始，即使对地球的知识还很不全面。进入航天时代以后，宇宙飞船已多次访问过水星、金星、火星、木星和土星，有12人踏上过月球，得到了人类有史以来从未获得过的知识，看到了过去从地面上无法见到的景象，取得了众多的令人震撼的新发现。这些新知识反过来又丰富和加深了我们对地球本身的认识。人们开始把地球、月球和其他行星放在一起进行比较研究，地球不再是唯一样本了。于是出现了一批新学科，如行星地质学、行星物理学和星际地质学等。对月球和其他行星的探测结果证明了过去人类所积累的关于地球的科学知识绝大部分是正确的。航天飞行的成功证明了过去从地面上的天文观测以及天体力学和天体物理学的研究中得出的基本结论都准确无误。所以现代科学400年来积累的科学知识是空间技术和各种科学事业、工程建设进一步发展和前进的基础。

　　从事航天事业的人们应该首先了解地球。地球科学是专门研究固体地球及其内部构造和周围流体的状态和运动的科学，已有300年的历史。第一部关于地球的巨著———《地球科学》是法国科学家布丰于1749年发表的。1700—1800年的100年被称为地学的英雄时代，出现了一大批地质学家，对地球的演化、地壳的形成、地层的沉积、古生物、矿物和岩石等进行了深刻的观察和理性分析，使地质学成为地球科学的核心。19世纪欧洲地质学家建立了第一个地质年代表。20世纪初中国才有了第一批地质学家。章鸿钊、丁文江、翁文灏和李四光等对开创中国地质学和地质事业做出了基础性贡献。新中国成立以后一大批地质学家全面地发展了中国地质学，建立了强大的地质学事业，为中国工业化建设开辟了道路。中国地质科学的能力和水平已大为接近世界先进水平。

　　经过300多年的积累，地球科学已成为现代自然科学中一门非常重要的基础科学。它为了解地球、太阳系和宇宙空间提供了宝贵的知识体系，也对人类社会的进步产生了巨大的影响。研究和探测太阳系各行星、银河系中的类地行星、地外生命等都离不开地球科学的理论知识和实践观察。40多年来的航天事业组织了大规模空间对地观测，获得了在地面上不可能得到的数据，丰富了地球科学的知识宝库，推动了它的发展。要解决现代社会面临的资源、环境、人口等重大问题也须臾不能没有地质学的指导。地质学的研究方法从一开始就牢牢植根于对客观世界的周密观察和严密的科学实验，经过实践—抽象—再实践的科学程序建立了完整的科学理论，为生物学、生态学、人类学、宇宙学和唯物论哲学都提供了坚实的知识基础。

　　地球的历史

　　到目前为止，地球上发现最早的岩石年龄只有37.6亿年，是在格陵兰的西南部找到的。在南非古老的片麻石中找到过一块经过再沉积的花岗岩卵石，放射性年龄为40亿年。在澳大利亚纳里山区（MountNarryer）发现过42亿年前的锆石小颗粒；中国在鞍山发现过30亿年的岩石。看来，今后在地球上找到老于40亿年的岩石可能性很小。因为那个时代的地表面还处于熔融状态，早期凝固的岩石已不复存在，况且30亿年前大陆面积很小。在30—25亿年前这一期间大陆碰撞拼接形成较大的陆块，称为克拉通和地盾。

　　由于太阳和月球引力导致地球上的潮汐摩擦损耗能量，地球自转速度逐步变慢，目前变慢速度为0.0017秒/100年。根据对古化石年轮的观察推测，在25亿年前的太古宙，地球自转速度比今天快一倍多。那时每年800—900天，每月26天。

　　关于太阳系和地球的起源，观测证据和科学理论都还很不完善。现在科学界的假说是，约50亿年前由星际物质云在万有引力作用下逐渐收缩而形成众多星子，它们相互吸引和碰撞，逐步增大，约1亿年以后剩下四个内行星（水星、金星、地球和火星）和四个大行星（木星、土星、天王、海王）。在火星和木星间剩下了一大批（星子）构成小行星带。在海王星以外，离太阳很远的地方（大于50亿km，40AU），仍残留下一批小天体，包括冥王星在内，称为柯伊伯带。再远处，离太阳10万AU左右还有一个彗星带，含有数亿个彗星，可称之为彗星窝，常有一些彗星偶尔飞到太阳附近一露峥嵘，都是太阳系形成之初留下的残余。地球就是在这样的环境中诞生和发展起来的。

　　进入航天时代以来，利用卫星和人造飞船去观察、探测和研究其他行星、彗星、小行星的兴趣越来越浓。到21世纪初，对所有行星都进行过靠近观察、摄像和遥测。这些探测结果对人类了解太阳系，通过星际地质比较分析对研究地球本身具有重大意义。地球上的很多科学问题，地球形成的初期情况、大气圈和水圈的来源和演化、生命的起源等都有待航天探测获得新的知识才可能彻底解决。

　　就目前已经得到的信息和知识，地球是太阳系中最幸运的行星，离太阳不近不远，温度不高不低，保持了大量液态水的持久存在，成为生命可持续发展的摇篮。在46亿年的地球历史中，任何意外事件都可能发生，或者已经发生过，例如与小行星直撞。到2002年底，天文观测已发现32个直径在200—250km的小行星。估计直径大于100km的小行星总数在35000个以上，未来有些可能受到扰动而与地球轨道相交。在随太阳绕银心做2.5亿年的周期运动时，受到其他恒星的摄动，吸收星际物质使质量变大或减小，都有可能导致地球脱离现在的轨道而使生态条件恶化。再离太阳近一点，地球会变成类似金星那样，地表温度升高，大洋全部蒸发，浓密大气的温度升高到100℃以上；离太阳稍远一点，在火星以远的轨道上地面会变冷，成为冰球，高等动植物不能生存，也就没有了人类生存的条件。然而，这一切都没有发生，真是万幸！现在全世界关于爱护、保护地球的理由是充分的：在没有足够的知识和能力以前，千万不要轻率破坏和改变这个唯一有生命的星球。一切无知、任性和失误都可能毁掉太阳系中这艘唯一能承载生命和人类的孤舟。

　　探月的新发现

　　月球上从来没有过大气层。除两极地区以外，绝大部分月面上没有水，就连岩石中的结晶水都没有。即使在遥远的过去有过水和水蒸气，由于月球引力不足以留住而很快逸散于太空。覆盖月海的是来自月球内部冒出的岩浆凝成的玄武岩。月面上遍布的圆形点是彻底干燥了的大小陨石坑。裸露的月面数十亿年来受到宇宙射线和太阳风高能粒子的照射，即使有过任何生命也都早已被杀死。没有发现任何历史上有过生命的迹象，也不可能存在过能支持生命的环境。

　　18世纪以来，很多人猜想，太阳系以外的某些恒星附近可能出现过、现在仍存在着生命，也可能有科学技术发展程度比我们高的地外智慧生命———外星人。好奇心和趋于扩张的野心可能驱使他们探索宇宙，甚至他们早已来过太阳系。为了安全，它们隐蔽着自己，可能就藏在月球背面，建立了基地，形成了社会，让地球上的人类永远看不到他们。在人类没有看到月背面之前，人们只觉得这是个可笑的故事，而无法否定它。现在，在细察月背之后，制作出版了精确的月图，证明了那里除了荒凉的陨坑和丘陵以外，没有任何能支持生命的条件和设施，也没有外星人住过的遗迹。

　　经过20世纪下半叶的探测活动，科学界对月球的历史有了新的认识，获得了大量的新知识，澄清了一些人类从远古时代留传数千年的猜测。月球是太阳系中地球以外的被人类科学研究和实地考察过的唯一星球。在这里得到的新知识反过来又推动着与地学相关的各学科的进步与发展。航天事业为地学研究开拓了新的视野，建立了新的舞台，提供了新的方法和工具。从这个意义上看，航天技术开拓了空间科学的新时代，为丰富人类知识宝库已经发挥了关键的不可替代的作用。

夜空

这里摘选了网上的几段，就这么长了 ，不过我都看完了，确实不错 ，推荐阅读，书皮也贴上来，这书也值得买来看看。

kingmo22

我要沙发，面包和矿泉水

Solomonli

不是有点长 是确实很长～～