陳宏宇
中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院微納衛(wèi)星研究所所長，上?？萍即髮W(xué)特聘教授
世界那么大，我想去看看
世界很大，讓無數(shù)人愿意行萬里路去尋找星辰大海。其實就在我們頭頂100千米之上就有一個神秘的地方——太空（即地球大氣層以外的宇宙空間，又稱外層空間）。我們把所有進入、探索、開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的各種活動的總稱，叫作航天。從1954年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星算起，人類涉足航天的時間并不長，但截至目前已有3 000多次火箭發(fā)射，上萬顆人造天體在太空翱翔，甚至數(shù)百人有幸進入過太空，而且航天的花費是巨大的，風(fēng)險是極高的，航天有何獨特的魅力讓人前赴后繼、樂此不疲呢？
其實，類似的問題早在1970年就有一位贊比亞修女給美國宇航局寫信質(zhì)疑道：“目前地球上還有這么多小孩子吃不上飯，怎么能舍得為遠在火星的項目花費數(shù)十億美元？”美國宇航局也給出了那封“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。要回答和理解這個問題，有必要深入理解航天的獨特環(huán)境和獨特性能。
難以替代的航天特質(zhì)
高遠軌道的全球覆蓋 近地衛(wèi)星運行在至少數(shù)百公里高的軌道上，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)研究各個領(lǐng)域。
首先，說說給衛(wèi)星裝上相機的航天遙感。欲窮千里目，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地物豐茂，而數(shù)百公里高度的衛(wèi)星遙感更讓我們多了一雙“極目遠眺”的眼睛。在遠離地面的運行軌道上，衛(wèi)星能夠在很短的時間里掃描大片的陸地，可以同時觀察計算農(nóng)作物生長所需要的多項指標，土壤、旱情、雨雪天氣等等，能給農(nóng)作物的年產(chǎn)量帶來顯著的提升。
其次，說說通信衛(wèi)星。居高聲自遠，1 000千米高度軌道上的通信衛(wèi)星可以同時覆蓋3 400萬平方公里的地表面積，而且可以實現(xiàn)海上通信、航空通信，這可是普通的地面基站望塵莫及的。對全球物連網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和窄帶通信都是莫大的技術(shù)支持。
另外，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。如今把高精度的燈塔搬到了天上，20多顆衛(wèi)星構(gòu)成的全球?qū)Ш叫亲?，無論是北斗還是GPS，開辟了人類精確深刻利用時空基準的時代。
航天項目是科技進步的催化劑，它為基礎(chǔ)科學(xué)研究工作提供了絕佳的平臺。全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”就是利用衛(wèi)星的高遠特性實現(xiàn)了跨洲際的遠距離量子試驗。而暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”更是遠離地表的塵世紛擾（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準球體，太空中沒有重力的干擾，晶體生長非常均勻，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的防護，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生物遺傳物質(zhì)產(chǎn)生作用和改變，通過太空育種加速種子的變異后優(yōu)選出的各種航天蔬菜可能就在你的餐桌上。
微重力作用下的物理特性
越過大氣的清晰觀測 小時候我們看到天上的星星在一閃一閃“眨眼睛”，這是由于大氣中水汽對星光的折射和散射，浪漫的童話對天文學(xué)家可是苦惱不堪，直接影響了測量的精度。即便把望遠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天區(qū)。為此，現(xiàn)代天文學(xué)家們把望遠鏡發(fā)射到了軌道上，比如功勛卓著的哈勃望遠鏡，在軌運行了30多年，拍攝了大量地面天文臺難以獲得的清晰宇宙圖片，促進了天文學(xué)的發(fā)展。未來空間天文是天文學(xué)、物理學(xué)的重要手段和方向。
空間探索的豐富資源 從實用主義來說，地球資源和壽命是有限的，月球、火星以及更遠的天體上有地球上缺乏的優(yōu)勢資源。例如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在距離地球4 000光年位置的巨蟹座星群中，有一顆質(zhì)量為地球的9倍的行星55 Cancri e，很可能含有豐富的鉆石。所以在月壤采集已經(jīng)成為現(xiàn)實的今天，人類開始瞄準小行星采礦了。而通過大型載人飛船在火星建立長期基地已經(jīng)不是夢想。
哈勃太空望遠鏡和天文觀測圖像
航天的技術(shù)牽引和民生轉(zhuǎn)化 航天項目的技術(shù)難點在于航天器要自主在軌飛行數(shù)年甚至數(shù)十年，應(yīng)對各種環(huán)境變化和不同任務(wù)，不允許出錯，也幾乎不可在軌修復(fù)，可謂一項高風(fēng)險、高回報的科研投注。一些特殊的航天任務(wù)需要前所未有的高精度和高可靠性，如此嚴苛的需求，牽引著航天工程師們要不斷尋找新材料、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久。另一方面，這些航天新技術(shù)中會有很多被用于日常生活中，除了常見的北斗導(dǎo)航、衛(wèi)星電話、應(yīng)急通信，諸如平衡車是利用了衛(wèi)星反作用飛輪的動量交換原理，地面太陽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充營養(yǎng)，在抗擊新冠疫情中立下了汗馬功勞的非接觸式測溫儀就源自航天紅外線溫度計，最初為防止航天員眼睛被強光灼傷而發(fā)明的太陽鏡如今早已成為“時尚潮人”之必備，還有人人都離不開的手機上的高清攝像頭技術(shù)源于最早用于太空相機的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）感光元件……
航天發(fā)展趨勢
如今的航天技術(shù)早已不是冷戰(zhàn)時期大國炫耀武力的資本，正走下科技神壇，服務(wù)尋常百姓。特別是隨著國家綜合實力和科技水平的提高，以及航天準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)進一步走向?qū)嵱茫谲娪?、民用、商用和科學(xué)研究各個領(lǐng)域都可以看到航天實用化的例子，并將繼續(xù)深入推動一系列科學(xué)技術(shù)的進步，包括天文學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)以及能源技術(shù)、信息技術(shù)、新材料和新工藝的研究發(fā)展。
大型航天器：中國空間站構(gòu)想圖和美國SpaceX星艦計劃
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，一方面是發(fā)展更大的航天器用于復(fù)雜的航天任務(wù)，比如空間天文或者載人航行，我國正在構(gòu)建的空間站僅核心艙就達到了22.5噸重，SpaceX目標是登陸火星建立基地的星艦近地軌道的運載能力達到了驚人的100噸；另一方面是發(fā)展更精巧的重量在幾十公斤到百公斤的微納衛(wèi)星，體現(xiàn)了高集成、低成本的特點，向著“標準化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”的工業(yè)化方向發(fā)展。
僅從單項技術(shù)來看，航空航天一體化飛行器、單級入軌、可重復(fù)使用航天器、高可靠低成本微納衛(wèi)星、新型動力推進方式等等都是目前各國研究的熱點。瞄準未來20年，更多的技術(shù)正在預(yù)研，包括取代哈勃的更高級天文望遠鏡、讓航天員更方便執(zhí)行任務(wù)的智能宇航服、清理太空垃圾、月球和小行星采礦、探索太陽系最熱的金星、進行深空探測的核能航天器、探索系外行星的微納航天器、探測行星大氣的微型傳感探針、近距離接近太陽并吸收太陽能的探測器，還有在月球背面隕石坑內(nèi)建設(shè)的月球“天眼”開展低微波噪聲干擾的宇宙觀測，利用極端超材料的太陽帆加速實現(xiàn)5個月到達木星以及在10個月內(nèi)到達海王星，利用轉(zhuǎn)基因微生物轉(zhuǎn)化火星二氧化碳為燃料實現(xiàn)人類火星殖民的能源保障……
太陽系家族
可以說，未來航天，想象力是唯一的限制。
此外，從我國航天運行體制來看，從傳統(tǒng)航天體制的封閉和小眾，已經(jīng)逐漸形成了國家隊、高校隊、公司隊互補共存、競爭發(fā)展、百花齊放的良性局面，國家航天機構(gòu)完成國家重大戰(zhàn)略任務(wù)和頂層管理，航天高等院校發(fā)揮人才和學(xué)術(shù)優(yōu)勢注重航天科技創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展，商業(yè)公司瞄準市場推動應(yīng)用落地、豐富產(chǎn)品供應(yīng)鏈、降低成本提高效率。也只有更多人類智慧的投入，才能推動航天技術(shù)的快速發(fā)展。
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三個階段：第一階段是地球軌道衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用，第二個階段是建立載人空間站以及登陸月球，第三個階段是建設(shè)月球、火星基地并在太陽系更多行星和衛(wèi)星開展探索。未來的路更遠，更有挑戰(zhàn)，因為遠方的宇宙在那里。
在世界航天之父齊奧爾科夫斯基的墓志銘上刻著“人類終將離開地球搖籃，穿出大氣層征服整個太陽系”的凌云壯志?；蛟S這遠方星辰大海的召喚正是航天的魅力所在，促進了人類不斷地遠行和進步，從祖先走出非洲和大航海地理大發(fā)現(xiàn)，到未來的星際飛行。航天作為一種文化載體帶給人們地球的整體空間感受，促進著地球村和人類命運共同體的文化認同，乃至星球整體文明的認知與傳播。曾有人提出宇宙中的文明分為三個等級：一級文明能夠使用所在星球的全部能源，二級文明可以利用母恒星的全部能量輸出，三級文明也叫“星系文明”，能夠運用整個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 · 薩根的精確計算，人類目前能夠產(chǎn)出的地球能量總量只有一級文明的千分之一，再有數(shù)百年或許能達到一級文明。路漫漫其修遠兮，航天技術(shù)運載著人類文明走向未來。
