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庞之浩: 航天技术现状与未来

2015年10月11日晚上7点,青蜜旗下一票沙龙邀请中国空间技术研究院研究员、《国际太空》杂志主编庞之浩老师,科普作家、中国科技馆副研究员赵洋博士以及科学作家、科幻作家龚钴尔共同做客北京航空航天大学沙河校区。在青蜜科技创始人雷永青的主持下,各位嘉宾以“科幻 TO 太空”为主题,与北航数百位相关专业学生一起畅谈现实与科幻作品中的航空航天技术并对当下国际太空的热点话题进行探讨。

本文为庞之浩老师演讲实录

航天技术推动了“空间文明”

太空是人类的第四个生存环境。人类活动范围的每一次扩展都是一次伟大的飞跃。远洋航海技术的兴起,使人类进入到一个“全球文明”的时代,促进了世界贸易的发展。航天技术的问世,使人类走出地球,开始了一个“空间文明”的新时代,并解放了人的双脚,使人类再次进化。

太空有取之不尽、用之不竭宝贵资源,存在自然资源和派生出的轨道资源和微重力资源。经过多年发展,人类已研制和发射了多种运载器和航天器。其中运载器是航天器的上天工具,而航天器是开发太空的工具,现分人造地球卫星、空间探测器和载人航天器三类。它们各有特长,已成为当代社会中必不可少的基础设施。

中国已发射的航天器情况

人类总共发射7051个航天器,苏联发射的数量最多,中国成功的约为244颗。太空中工作的约有1000多个,我国有100多个,虽然起步晚,但发展速度却非常快。从1970年至今,我国已先后发射了长征-1~4、6、11火箭,具备了发射低、中、高不同轨道,不同类型航天器的能力。我国也陆续拥有了多种人造地球卫星、载人航天器、空间探测器,截至2015年9月30日,我国约有240个(其中中国台湾8个)航天器升空,取得了显著的效益。

载人航天有风险,研发需谨慎

2003年大年初一,我通宵看春晚,第二天一早十一点电话铃响,还在想谁大年初一这么不解风情,结果是央视打电话邀请我,说是美国哥伦毕业航天飞机失事,要我赶紧去解读一下,什么都不用带,尽量快些,当天先做个简单解读,第二天再详细分析。截至目前,为载人航天技术牺牲的已有22名航天员,美国研制了五架,报废了两架,每次的成本大概在四到五亿美元,一年只发射五次左右,所以成本很高。

长3最大的特点是,第一第二级都是常温火箭发动机,低温的液氢液氧,低温的好处是环保和无毒,印度今年刚搞成,以往都从俄罗斯进口。我国首次发射长3B火箭时,产生了一次重大事故,火箭直接凌空爆炸,当时的董事一晚上头发都白了。那次还进行了实况转播,所有人都惊呆了,影响太大,后来火箭经过改进,成功率相当高。我国现在发射的通讯卫星,包括国外发射的卫星都是这样的。

中国火箭的发展

韩国前几年与俄罗斯合作折腾了半天,近地轨道能力才100公斤,我们是从火箭起步,他们是从中远程导弹起步,现在因为推力太小已经不用了。2号主要发射近地轨道,其中以长2C为主,是我们的王牌火箭,之后发展的大部分火箭都是基于它改进的。我们的金牌火箭,运载能力达到3.8吨。

长3C捆绑两个助推器,介于A和B之间,都属于瘦高挑,太空美男子。为什么都是瘦高挑?因为用火车运过去,受到涵洞的限制不能太粗,只能是三米。也由于这个限制,这几年发射国外卫星的任务比较少。一、美国限制。二、运载量大,但是推力不够。

正在研制大功率,无毒无污染长征五号,近地轨道能力一下从9吨提高到25吨,地球同步转移轨道能力达到14吨。以后我们的长征五号和空间站都可能用这个来发射。直径很大,大概有五米多,海南制造发射基地,天津造,运到海南,解决大火箭的运输问题,还有一个海南轨道位置低,可以更好得借助地球的自转力。西昌拿到海南,运载能力提高百分之七以上。

截止到2015年9月30日,“长征”火箭共进行了212次发射,其中包括5次发射载人飞船和4次发射空间探测器。运载火箭的发展方向是:一是尽力降低成本,提高可靠性和发射成功率。二是向大直径、少级数和大运载能力发展,使用无毒推进剂。三是开展重型运载火箭、重复使用运载器的关键技术攻关。为此,我国按照“无毒、无污染、低成本、高可靠、大推力、适应性强、安全性好”的目标,现正研制长征-5、7新一代运载火箭。长征-5近地轨道运载能力覆盖为1.5~25吨,地球同步转移轨道运载能力覆盖为1.5~14吨。

国外火箭的发展

当前使用的国外大推力运载火箭有:美国宇宙神-5、德尔他-4、猎鹰-9,欧洲阿里安-5,俄罗斯质子号等。与之相比,在推力、环保等方面我国有差距。

国外两大发展方向,一个是重型运载火箭,近地轨道能力要达到100吨的,美国的土星五号和苏联的暴风雪号,现在要重新搞,特别是美国,一家是政府叫LLS,分两步走,用航天飞机和土星五号的发动机,从70吨到130吨,航天器可以通过在近地轨道对接再去月球。

太空狂人马斯克,要走美国航天局的前面,研制了猎鹰九号,还要研制猎鹰重型和超级猎鹰(近地轨道能力想达到170吨),载人火箭也在抢。他要研制可重复使用的运载器,美国宇航局研制过航天飞机时最成功的水平起降,而且火箭发动起重复使用是很难,现在一般都是一次性的。马斯克采用更复杂的技术,他要垂直发射,垂直起降,至今还没成功。很大的困难,垂直很难控制姿态,要落在平台上,还要减速下落。

美国正在研制新的发动机,可变比重磁等离子发动机,让人类去火星的速度从七八个月缩短到一两个月,但还没研发出来。我担心研发出来人却受不了那么快的速度,人最多承受八十斤,人体无法承受这个速度,所以也需要解决人生理承受的问题。

人造卫星当空舞

一般按照用途法分三大类:1、科技卫星,空间物理探测卫星,天文卫星;2、技术实验卫星;3、移动卫星。美国开始实施“大型空间天文台”计划,陆续发射了“哈勃”空间望远镜、“康普顿”γ射线空间望远镜、“钱德拉”X射线空间望远镜和“斯皮策”红外空间望远镜。它们几乎覆盖了宇宙中的全频段,取得大量成果。近年,美国又发射了“费米”等后继天文卫星。

我们国家现在还没有天文卫星,印度现在又跑到我们前面来了,最近又刚发射了它的第一个天文卫星,但是同学们别着急,我们国家要发射我们第一个天文卫星,叫探测暗物质粒子探测卫星。

和此前的探索手段相比,“暗物质粒子探测”能探测的粒子的最大能量大约是阿尔法磁谱仪2号的10倍;同时,能量分辨率更高,比美国“费米”卫星的准确率提升了10倍,并能观测阿尔法磁谱仪2号所无法观测的光子;此外,还提高了电子与质子相互区别的能力,将对两者的误判下降到几十万分之一。阿尔法磁谱仪2号虽然能够长时间观测,但耗资高,造价大约是20亿美元。我们这颗卫星的造价约为1亿美元,相比之下耗资少,重量轻,被寄予厚望。

返回式卫星是中国最早研制的应用卫星,先后发射了24颗,其中23颗入轨,22颗回收。用这些返回式卫星不仅进行了遥感、微重力实验和新技术试验以及太空育种,还为中国掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。今后还将发射实践-10微重力和空间生命科学实验卫星。

2013年4月26日,我国发射高分-1陆地卫星,该卫星2台高分辨率相机的全色分辨率为2米,彩色分辨率8米,幅宽60千米,4台多光谱宽幅相机的彩色分辨率为16米,幅宽800千米,对全球的重访小于4天,是目前同等分辨率下幅宽最大的,寿命大于5年。

从2007年到2012年底,我国陆续发射了16颗“北斗”导航卫星(也叫北斗-2),建成了由14颗“北斗”组成的区域卫星导航系统,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度50纳秒,120个汉字。

空间的高能射线探测

现在空间的高能射线探测非常有前景,一个是X射线,一个是伽马射线,我们在地面肯定没办法,受大气层的阻隔,但在空间有很多天体发射这两个射线。美国的哈勃已经很牛了,90年上去的,修过了五次,也是价值连城,上去的时候大概有20亿美元,每修一次都挺贵。这块儿有一个小故事,有一次要给哈勃做心脏置换手术,就是要给它换电源,不换它就没法使用了,但是因为这个望远镜是围地球转的,九分钟绕一圈,要在一个小时内解决问题,否则这个望远镜就冻坏了。相当于一个长了翅膀的公共汽车,它能够从纽约看到悉尼的萤火虫,但是派谁去,一个小时要拆那么东西,最后派了一个当过兽医的航天员去,因为他给大象给犀牛做过手术,手脚很麻利,所以顺利完成了任务。所以咱当航天员的,当什么的都有。

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