宇宙航天漫談

時文衛(wèi)

遨游太空，探索浩瀚的宇宙，是人類千百年來的美好夢想。1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出，如果物體的速度足夠快，則可以繞地球飛行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天技術(shù)逐步使人類走出地球，飛向天空，進入宇宙。

一、火箭技術(shù)

航天器要想飛上太空，就必須有足夠的能量克服地球的萬有引力，即將能量轉(zhuǎn)化成物體的勢能。根據(jù)機械能守恒定律，航天器在地球表面的動能轉(zhuǎn)化成航天器在軌道飛行所具有的最小動能和所具有的引力勢能。如果忽略發(fā)射過程中的空氣阻力，可得到三個宇宙速度：第一宇宙速度指在地面上發(fā)射航天器，能沿著地球的圓形軌道運行的最小發(fā)射速度，即7.9km/s，第二宇宙速度是指在地面上發(fā)射航天器，能脫離地球引力場所需的最小發(fā)射速度，即11.2km/s，第三宇宙速度是指在地球表面發(fā)射航天器，不但要脫離地球的引力，還要脫離太陽的引力的最小發(fā)射速度，即16.7km/s，以上三個速度從理論上證明了人類飛上太空的可能性，而火箭的發(fā)明使理論變成了現(xiàn)實。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，蘇聯(lián)的齊奧爾科夫斯基在他的經(jīng)典著作中，最早從理論上證明了用多級火箭可以克服地心引力進入太空，他建立了火箭運動的基本數(shù)學(xué)方程，并首先提出使用液體推進火箭的倡議。他預(yù)測了現(xiàn)代火箭的真實結(jié)構(gòu)，論述了關(guān)于液氫、液氮作為推進劑使用于火箭的可靠性，并設(shè)想用新的燃料（原子核分解的能量）來作為火箭的動力。

由于技術(shù)復(fù)雜，沒有工業(yè)化批量生產(chǎn)，火箭的制造與發(fā)射一直是個極其昂貴的工程，造價動輒上億乃至數(shù)億美元。為了節(jié)省航天發(fā)射成本，20世紀(jì)美國和蘇聯(lián)在太空競賽的背景下提出了發(fā)展可回收的航天飛機的方案，然而事實證明由于系統(tǒng)過于復(fù)雜、再利用成本極其高昂，航天飛機成為一個失敗的科研項目。這種背景下，重復(fù)回收火箭成為更佳方案。

由于火箭絕大部分成本都在一級（比如獵鷹9號一級帶有9個發(fā)動機，二級只有1個），以及從可行性方面考慮（二級及以上飛行距離過遠過高回收幾乎不可能），目前所有的火箭回收都針對一級火箭。

美國民營私人航天公司SpaceX在火箭回收領(lǐng)域走在了世界前列，其制造的蚱蜢（Grasshopper）系列火箭正如其名，基本上采用“跳躍”的方式發(fā)射，然后關(guān)閉發(fā)動機系統(tǒng)讓火箭下落，以進行垂直狀態(tài)下的火箭控制與回收。從2012年9月到2013年10月，SpaceX前后進行了8次試驗，從最早的點火三秒高度1.8米，到點火80秒高度超過500米并有了橫向機動，SpaceX獲得了一系列重要試驗數(shù)據(jù)，為未來成功奠定了重要基礎(chǔ)。經(jīng)過了多次失敗，SpaceX決定采用陸地回收的策略并終于在2015年12月22日迎來了首次成功，獵鷹9號火箭在運送Orbcomm公司11顆通訊衛(wèi)星進入軌道后，地面成功回收了返回的一級火箭，創(chuàng)造了人類太空史上當(dāng)之無愧的第一。

二、人造衛(wèi)星

衛(wèi)星是指繞行星運動的天然天體，人造衛(wèi)星是指由人類建造，通過運載工具，比如火箭、航天飛機等發(fā)射到太空中，能像衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其他行星運行的航天裝置。人造地球衛(wèi)星的計劃設(shè)想早在1945年就在美國出現(xiàn)。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射的人衛(wèi)1號是第一顆被正式送人軌道的人造衛(wèi)星，數(shù)年后，各式各樣用于科學(xué)研究的人造衛(wèi)星被發(fā)射到環(huán)繞金星、火星和月球的軌道上，在近代通訊、地球資源探測，軍事偵察和天氣預(yù)報等方面已成為一種不可或缺的重要工具。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具短報文通信能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地

球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。目前，我國已發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星23顆，正在實施北斗三號系統(tǒng)建設(shè)。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，計劃2018年，面向“一帶一路”沿線及周邊國家提供基本服務(wù)；2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供服務(wù)。

三、載人航天

載人航天是人類駕駛和乘坐載人航天器在太空中從事各種探測、研究、試驗、生產(chǎn)和軍事應(yīng)用的往返飛行活動，是航天技術(shù)發(fā)展的一個新階段。其目的在于突破地球大氣的屏障和克服地球引力，把人類的活動范圍從陸地、海洋和大氣層擴展到太空，更廣泛和更深入地認識整個宇宙，并充分利用太空和載人航天器的特殊環(huán)境進行各種研究和試驗活動，開發(fā)太空極其豐富的資源。

空間站是一種在近地軌道長時間運行、可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器。中國計劃于2020年左右建成自己的空間站，初期將建造三個艙段，包括一個核心艙和兩個實驗艙，基本構(gòu)型為T字形，核心艙居中，實驗艙I和實驗艙n分別連接于兩側(cè)。有多個交會對接口，能實現(xiàn)多飛行器同時對接。中國空間站核心艙已于2016年底完成總裝，目前進入整艙測試階段，預(yù)計2018年發(fā)射升空?？臻g站建好后，中國將成為繼俄羅斯之后，以一國之力獨自完成空間站建設(shè)的國家，航天員在空間站駐留可達一年以上?？臻g站的正常運營，將促進中國空間科學(xué)研究進人世界先進行列，為人類文明發(fā)展進步作出貢獻。endprint