載人航天的作用

漪澎

自從1961年4月12日，前蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林首次遨游太空以來，至今，已有近800人次進(jìn)入太空。載人航天尤其是空間站的建立，不僅是人類探索太空奧秘、了解宇宙空間的需要，而且是開發(fā)和利用太空資源的根本途徑。人類利用載人航天所進(jìn)行的以下工作，就是有力的證明。

微重力科學(xué)試驗(yàn)

載人航天使人類對太空的認(rèn)識進(jìn)一步加深，利用空間微重力、高真空和高能粒子輻射等太空資源，進(jìn)行微重力條件下的科學(xué)試驗(yàn)，生產(chǎn)地面所不能生產(chǎn)的材料，是人類實(shí)現(xiàn)載人航天以來一直所夢寐以求的。幾十年來宇航員在“太空工廠”里所取得的成果，給人類開發(fā)和利用太空資源帶來了曙光。

空間材料的研究和加工技術(shù)是載人航天發(fā)展的必然產(chǎn)物。多年來，宇航員在太空中進(jìn)行了大量的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在空間獨(dú)特的無重力干擾的情況下，研究材料的特性、加工過程中的物理規(guī)律和加工工藝，并生產(chǎn)出了地面所無法生產(chǎn)的各種材料?？茖W(xué)家們從空間實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這里是發(fā)展半導(dǎo)體金屬材料、新型工藝、復(fù)合材料和玻璃材料的理想場所。

1969年，前蘇聯(lián)“聯(lián)盟”6號飛船首次在太空完成了空間焊接和合金熔化、結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，空間材料加工序幕便由此拉開。

據(jù)資料介紹，到1994年底，美國航天飛機(jī)帶有材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的飛行有34次，共進(jìn)行了60項(xiàng)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。其范圍包括微重力條件下半導(dǎo)體晶體材料生長、材料溶解與凝固、金屬焊接、制造有機(jī)薄片等，實(shí)驗(yàn)材料包括金屬與合金、電子與光電材料、復(fù)合材料、陶瓷、玻璃和聚合物等。

砷化鎵等晶體是一種極有用途的半導(dǎo)體電子材料，這種晶體材料的生成對于潔凈度、均勻度和完整性要求極高，生長工藝十分復(fù)雜。在地面由于重力產(chǎn)生的對流作用，很難生長出優(yōu)質(zhì)的大面積晶體，而空間環(huán)境為晶體的生長提供了十分理想的場所，生長的晶體面積大、質(zhì)量好。前蘇聯(lián)在空間站上和美國在航天飛機(jī)上，都成功地生成了直徑超過20毫米的砷化鎵晶體。

鋁和鋅是兩種密度相差很大的金屬，在地面無法結(jié)合。科學(xué)家在空間進(jìn)行的金屬合金材料的實(shí)驗(yàn)中，曾成功地制取了強(qiáng)度大、質(zhì)量輕的鋁鋅合金。

美國在1992年9月航天飛機(jī)的飛行中，成功地進(jìn)行了金屬樣品蒸發(fā)氣化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，通過易于實(shí)現(xiàn)的懸浮加工方法，可以生產(chǎn)出地面條件下難以獲得的高純度、高均勻度，用于高透射率紅外光傳輸?shù)姆枪柙喜ＡА?/p>

據(jù)報(bào)道，1985年前，前蘇聯(lián)在“和平”號空間站上生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料價(jià)值達(dá)30億～50億盧布，1989年又在“和平”號上生產(chǎn)出了297公斤砷化鎵，價(jià)值上百萬美元。1980～1990年，前蘇聯(lián)在空間站上進(jìn)行了500項(xiàng)材料加工實(shí)驗(yàn)，范圍涉及到聚合物、金屬和合金、光學(xué)材料、超導(dǎo)體、電子晶體、超離子晶體、陶瓷和蛋白質(zhì)晶體等。

生命科學(xué)和生物技術(shù)試驗(yàn)

作為構(gòu)成生命的基本要素，測定蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及這種結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，對于深入了解生命系統(tǒng)及研制新型醫(yī)藥用品十分重要，同時(shí)，蛋白質(zhì)分離還是生物制品技術(shù)至關(guān)重要的方面。測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)要求使用較大體積的高質(zhì)量的蛋白質(zhì)晶體。在地面進(jìn)行的晶體生長中，因地球重力導(dǎo)致較輕顆粒上浮，因而產(chǎn)生流體流動(dòng)、晶體沉淀在容器底部的情況，無法生成進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需要的高質(zhì)量的晶體。在空間條件下，晶體卻可以實(shí)現(xiàn)無流動(dòng)和沉積現(xiàn)象，蛋白質(zhì)等晶體可以自由生長與分解。

據(jù)有關(guān)資料介紹，到1994年，美國利用航天飛機(jī)在太空中進(jìn)行了170項(xiàng)蛋白質(zhì)晶體生長試驗(yàn)。曾多次以比地面高500倍的速率成功地分離了老鼠蛋白和雞蛋蛋白。美國航天飛機(jī)在1988年9月29日的飛行中，獲得了可用于抗癌藥物的新型干擾素D、可用于研究治療肺氣腫藥物的晶體，不但體積大，而且結(jié)構(gòu)均勻。在1992年6月的飛行中，一次就進(jìn)行了35項(xiàng)蛋白質(zhì)晶體生長試驗(yàn)，如可用于研究抗癌藥物的人體轉(zhuǎn)鐵蛋白質(zhì)等。

幾十年來，宇航員還在太空中進(jìn)行了一系列生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是對生物體物質(zhì)的能量循環(huán)及調(diào)節(jié)的生物圈研究；利用微重力促進(jìn)生命進(jìn)程研究及微重力環(huán)境如何影響地球上生物機(jī)體形成的研究；對暴露在空間高能環(huán)境中的生物體損傷與防護(hù)研究的輻射生物學(xué)研究。

目前載人航天生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要方向是生物體組織培養(yǎng)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有助于加深人們對空間環(huán)境適應(yīng)情況的了解，同時(shí)，可推動(dòng)未來在空間站或外星建立動(dòng)植物養(yǎng)殖場的可行性研究。

有資料稱，到90年代中期，美國利用航天飛機(jī)共14次攜帶生物體進(jìn)行了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中5次攜帶植物生長裝置，研究各種植物樣品種子的發(fā)芽和生長情況。例如，1985年7月的飛行，測定了微重力條件對燕麥、松樹、向日葵種子發(fā)芽的影響。1989年5月的飛行，進(jìn)行了植物根生長、植物染色體與細(xì)胞分裂情況實(shí)驗(yàn)，受精雞蛋孵化及老鼠骨骼再生實(shí)驗(yàn)。1992年1月的飛行，攜帶了7200萬條蛔蟲、3200萬個(gè)老鼠胚胎骨細(xì)胞、180株燕麥、95株麥苗和燕麥種子以及青蛙的卵和精子、倉鼠腎細(xì)胞和人的血細(xì)胞等，進(jìn)行了空間骨骼脫鈣過程測定、活體組織對微重力與空間輻射的反應(yīng)等項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。1992年9月的飛行，攜帶了2條日本鯉魚，用于觀測其平衡系統(tǒng)在微重力條件下對光的反應(yīng)；4只雌性南非爪蛙用于研究在太空中的產(chǎn)卵情況；7600只果蠅用于研究宇宙射線對果蠅幼蟲可能產(chǎn)生的遺傳影響；30個(gè)受精的雞蛋，用于研究在微重力條件下，其生長的不同階段中，鈣、軟組織和骨骼的形成情況。在這次飛行中，4只雌蛙在被注射激素后，排出的卵與雄蛙精子受精，首次在空中孵化出447只蝌蚪。

蘇聯(lián)在“和平”號上也進(jìn)行了大量的生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)表明，微重力環(huán)境既能獲得高純度、高度均勻的生物制劑，又能提高生物技術(shù)加工的產(chǎn)量，所獲得的各種蛋白質(zhì)單晶的性能是地面實(shí)驗(yàn)所無法達(dá)到的。在太空中生物制劑提純功效可增加400～1000倍，提純度是地面的10倍。

生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)一直是載人航天的重要內(nèi)容。美、蘇載人空間飛行之初，就已開始進(jìn)行了一系列的人體生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是為了研究人對空間飛行條件的適應(yīng)情況，包括臨床醫(yī)學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)以及空間醫(yī)學(xué)工程。多年來，蘇聯(lián)在空間站上，進(jìn)行了前庭功能及空間運(yùn)動(dòng)病、運(yùn)動(dòng)功能、骨系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、代謝及控制、血液系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)和研究。通過大量的、長時(shí)間的飛行，取得了豐碩的成果。例如，鑒于現(xiàn)代科技水平，對宇航員進(jìn)行嚴(yán)格的選拔、訓(xùn)練和在飛行期間采取一定防護(hù)措施，人能在太空有效地工作一年以上；受惡劣太空環(huán)境的影響，人體在飛行中會發(fā)生一系列生理變化，但這種變化在返回地面后，經(jīng)過一段時(shí)間適應(yīng)都基本上是可以恢復(fù)的。

人類實(shí)現(xiàn)載人航天以來所進(jìn)行的一系列生物技術(shù)、生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在加深對人類生命自身的研究，合成新的藥物，抵御各種疾病的影響，延續(xù)生命，提高生命質(zhì)量等方面，取得了重要的成果；同時(shí)，又為未來在空間站或外星上建立長期居住基地，提供受控生態(tài)環(huán)境及生命保障體系，作了理論上和技術(shù)上的準(zhǔn)備。

對地球和宇宙天體觀測

在太空觀察地球不僅有“一覽眾山小”之感，而且由于克服了大氣層的干擾，對地面和天體的觀測效果遠(yuǎn)優(yōu)于在地面的觀測，特別是在地面無法進(jìn)行的X射線探測和紫外線探測在空間卻可以很方便地進(jìn)行。更為重要的是載人空間飛行可以充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性。因此，空間的有人觀測較之衛(wèi)星觀測能變被動(dòng)觀測為主動(dòng)觀測，能獲得比衛(wèi)星觀測更好的效果。

據(jù)有關(guān)資料稱，美國曾利用航天飛機(jī)進(jìn)行了10多次大規(guī)模的天文學(xué)觀測，取得了豐碩成果。例如，1992年的飛行，成功地拍攝到空間紫外光圖片，提供了有關(guān)從小麥哲倫星云到銀河系的新星體信息，并發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)輻射紫外光的銀河系星體。

近年來，俄羅斯對天文物理研究的投入越來越大。在“和平”號空間站，宇航員進(jìn)行了太陽研究、太陽系行星研究、X射線天文研究以及空間粒子核的帶電成分和同位素成分的研究。這些研究中的大部分工作還將在未來國際空間站內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行下去，并將為人類探索太陽系，建立月球基地以及載人火星飛行等提供經(jīng)驗(yàn)。

前蘇聯(lián)科學(xué)家提供的情況表明，在空間站上花10分鐘拍攝到的信息，如用飛機(jī)需花幾年時(shí)間。從1977年至1980年底，前蘇聯(lián)使用“禮炮”6號對地球的每個(gè)區(qū)域都進(jìn)行了觀測，拍攝了14000多幅照片，還記錄了地球表面和大氣層10萬多種光譜信息?！岸Y炮”7號則拍攝了20萬幅光譜照片。通過拍攝的照片，對幾天內(nèi)主要農(nóng)作物病蟲害的傳播作了預(yù)報(bào)。“禮炮”號空間站的宇航員，多次觀測到蘇聯(lián)境內(nèi)的森林火災(zāi)，在他們的引導(dǎo)下，救火人員及時(shí)趕到了火災(zāi)現(xiàn)場。

美國航天飛機(jī)曾數(shù)十次執(zhí)行帶有對地觀測、大氣觀測和環(huán)境監(jiān)測任務(wù)的飛行，這些飛行充分顯示出載人對地觀測的優(yōu)勢。如1981年11月，美國航天飛機(jī)首次在108分鐘里，拍攝了海洋顏色的數(shù)據(jù)和美國東西海岸、日本海、歐洲南部海岸與非洲西海岸的大量圖像，使用的遙感器還穿透了沙漠沙層，探測到撒哈拉沙漠下的古代河床與地貌、墨西哥荒漠中的富礦區(qū)，并獲得了海洋環(huán)境、海浪、海洋深度、海洋風(fēng)及海上船只與鉆井平臺的數(shù)據(jù)。在1994年4月的飛行中，攜帶的雷達(dá)作了較大的改進(jìn)，這種遙感器可穿透云、沙、植被、冰雪，直達(dá)地下3米處，甚至可分清小麥的不同種類和生長情況，并可提供土壤濕度、雪分布、海流與火山活動(dòng)的資料等。

據(jù)有關(guān)資料顯示，前蘇聯(lián)利用空間站進(jìn)行大量遙感所獲得的資料，建立了一個(gè)包括國家礦藏資源、農(nóng)田季節(jié)變化、全球海洋生物資源的數(shù)據(jù)庫。這些資料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

軍事應(yīng)用

載人航天的軍事活動(dòng)主要包括施放軍事載荷，利用空間站或航天飛機(jī)充當(dāng)太空軍事指揮所等。在必要情況下，安裝武器系統(tǒng)的空間站或航天飛機(jī)還可以對敵目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

空間站可以進(jìn)行大規(guī)模、連續(xù)的由人進(jìn)行的地面目標(biāo)識別、定標(biāo)、拍攝等軍事偵察活動(dòng)，被譽(yù)為不落的“太空神眼”。

蘇俄是目前世界上唯一擁有空間站和在空間站內(nèi)進(jìn)行軍事活動(dòng)最多、最活躍的國家。其早期的載人飛船宇航員大部分是軍人，在后來的空間站上，一直也有軍人在站上工作，從事以對地觀測和以“天戰(zhàn)”為主要內(nèi)容的軍事活動(dòng)。

西方軍事觀察家發(fā)現(xiàn)，前蘇聯(lián)發(fā)射的“禮炮”3號和“禮炮”5號的軌道比其他空間站低，宇航員又全都是軍人，因此，被認(rèn)為是典型的軍事空間站。“禮炮”6號和“禮炮”7號空間站在軌工作期間，共運(yùn)回地面1187公斤物資，其中膠卷達(dá)501公斤。據(jù)外電報(bào)道，前蘇聯(lián)利用“禮炮”7號空間站拍攝了中蘇、中蒙、中印等邊境地區(qū)，以及中國全部領(lǐng)土和領(lǐng)海。前蘇聯(lián)宇航員還在“禮炮”7號上使用空間反潛探測系統(tǒng)來探測潛艇的活動(dòng)。

1984年6月，前蘇聯(lián)“禮炮”7號空間站與6顆低軌道偵察衛(wèi)星配合使用，在波斯灣上空多次進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，使其能在6月16日、18日、20日、22日連續(xù)4次飛經(jīng)該地區(qū)；并且在當(dāng)?shù)貢r(shí)間8：30左右朝北飛經(jīng)伊拉克的上空，在當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午4：30左右朝南飛經(jīng)伊朗、伊拉克地區(qū)上空，可以充分利用當(dāng)?shù)氐娜展鈼l件，并將拍攝的波斯灣地區(qū)的錄像傳回本國。

據(jù)報(bào)道，從“和平”號上拍攝的照片十分清晰，其地面分辨率已達(dá)6米。海灣戰(zhàn)爭期間，“和平”號空間站內(nèi)的兩名宇航員拍攝了伊拉克侵占科威特地區(qū)以及多國部隊(duì)兵力部署情況的照片。照片上，機(jī)場、建筑物等清晰可見?？臻g站里的宇航員還監(jiān)視了飛機(jī)的起降情況。在一次有敘利亞宇航員參加的飛行中，“和平”號拍攝了敘利亞的照片，一位敘利亞人竟從大馬士革的照片上認(rèn)出了自家的房屋。

利用航天飛機(jī)進(jìn)行地面拍攝，是美國航天飛機(jī)的重要任務(wù)。如1982年6月的飛行中，航天飛機(jī)專門飛越前蘇聯(lián)和蒙古國土，拍攝了大量的蘇空軍飛行實(shí)驗(yàn)中心、導(dǎo)彈基地和蘇駐蒙古喬巴山基地的高分辨率照片。1993年4月，應(yīng)聯(lián)合國要求，美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)的宇航員專門對柬埔寨國土作了拍攝，并繪制成該國地圖，供聯(lián)合國維和部隊(duì)使用。

利用載人航天器對敵方目標(biāo)進(jìn)行攻擊，是太空軍事試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。據(jù)稱，前蘇聯(lián)將“和平”號空間站確定為戰(zhàn)略防御計(jì)劃的試驗(yàn)基地。宇航員參與了反彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)，觀測了反彈道導(dǎo)彈飛行器攔截再入飛行目標(biāo)的情況?？臻g站上的宇航員還利用飛船運(yùn)來的設(shè)備，從事了天基激光器對目標(biāo)捕獲和跟蹤能力的試驗(yàn)。

美國的航天飛機(jī)則進(jìn)行了大量的與“星球大戰(zhàn)”有關(guān)的試驗(yàn)，如對導(dǎo)彈羽煙的跟蹤和雷達(dá)的跟蹤、觀測試驗(yàn)，以及戰(zhàn)爭條件下利用航天飛機(jī)進(jìn)行戰(zhàn)場指揮、通信、救援等試驗(yàn)。

上述情況說明，人在太空軍事活動(dòng)中的作用，是迄今為止任何最先進(jìn)行的智能機(jī)器所無法比擬的?？臻g站與衛(wèi)星相比，具有補(bǔ)給能力，宇航員還可以隨時(shí)維護(hù)和對故障進(jìn)行檢查維修，可以較長時(shí)間使用，克服了衛(wèi)星因局部的失靈而喪失全部功效的弊端。載人航天是未來軍事偵察的重要組成部分，其軍事潛力是其它方法所無法替代的。

工程與技術(shù)試驗(yàn)

未實(shí)現(xiàn)載人航天以前，航天新技術(shù)、新材料等只能在地面進(jìn)行，載人航天實(shí)現(xiàn)后，就可以在太空中進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)了。利用載人航天器進(jìn)行工程與技術(shù)實(shí)驗(yàn)，具有方便準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因此，無論是美國的航天飛機(jī)還是蘇俄的空間站，都把進(jìn)行工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)重要任務(wù)。多年來，為進(jìn)行大規(guī)模的空間活動(dòng)、空間維修、空間操作，進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)和硬件操作實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)其方法和技術(shù)的可行性。同時(shí)，進(jìn)行了新型航天器研制中的新技術(shù)、新材料、新工藝的試驗(yàn)。載人航天為航天事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展充當(dāng)了開路先鋒。

載人航天技術(shù)極其復(fù)雜，需要強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)作后盾，盡管如此，載人航天的巨大作用仍吸引了眾多航天國家。目前，世界上雖然只有美國和俄羅斯突破了載人航天技術(shù)，但是歐洲和日本也在奮起直追。中國作為一個(gè)發(fā)展中國家，長期以來，一直致力于外層空間資源的開發(fā)和利用，并在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了載人航天的研究，突破了許多關(guān)鍵技術(shù)。1999年11月20日～21日，我國成功進(jìn)行了“神舟”號飛船的無人空間飛行試驗(yàn)，飛船準(zhǔn)確返回預(yù)定地區(qū)?？梢韵嘈?，實(shí)現(xiàn)中華民族載人太空飛行的日子已不再遙遠(yuǎn)?！?/p>