论文部分内容阅读
中国在航天方面的技术在世界上究竟处于怎样一个地位?这是很多人都关心的问题。
对于这一问题，中科院院士欧阳自远将中国比喻为“二锅头”第二梯队的领头人。他说，在国际探月领域。美国、俄罗斯是第一梯队，中国、欧盟、日本是第二梯队。
事实上，由于印度、日本等国家在这方面的技术更多处于保密状态：人们很难估测其具体各方面技术所居的优劣势——相对来说，代表目前世界航天技术最高水平的美国更“大方”一些，他们的很多太空计划及其进展、未来具体步骤的规划都是对全世界公开的。
火箭力量
把飞行器送入太空，火箭技术当然至关重要。
从上世纪50～60年代最初发射卫星的时候，科学家就发现火箭技术的很大一个难点是制造所用的材料问题。
火箭点火后，发动机燃料在很小的空间内燃烧，产生数百个以上的大气压和数千度的高温，气体以数倍于子弹出膛的速度喷出，整个火箭振动极为厉害。而进入太空之后，又要经受正负100多摄氏度的温度变化。因此需要极耐高温、耐高压的材料(尤其是火箭喷口的材料)和高性能的燃料，才能让火箭达到第一宇宙速度。
这牵扯到最尖端的几项科研成果——设计要用到数学；燃料要用到化学；材料要牵扯到物理等几个学科；防振动更多牵扯到工程和工艺，等等。由于涉及面太广，所以才说航天力量是一个国家综合实力的体现。
中国在航天材料方面，有一项是做得很不错的：上世纪60年代，中国就生产出了“烧蚀材料”——即涂在航天器外面经受与大气摩擦产生的高温、以保护航天器主体的材料——没有这种材料，航天器将无法返回地球。
一直到上世纪80年代，世界上还只有美国、俄罗斯和中国有这方面技术。
从推进力量和可靠性等因素比较，中国的火箭技术亦可一书，但与世界前沿相比依然有差距。举例来说，美国送阿波罗上天的土星5型火箭，发射卫星至低轨道(一般为距地面几百公里高度，比如神舟6号，大约为343公里左右)的最大重量是139吨；俄罗斯的能源号这一数据为105吨，欧空局的阿丽亚娜5号改进型火箭，发射卫星至高轨道(距地面36000公里左右)的最大重量是12吨，估计推进卫星至低轨道的最大重量可以达到数十吨。
相比之下，中国的长征2P型火箭，推进卫星至低轨道的最大重量是8～9吨(神舟6号是8吨左右)；中国正在研制中的大推力火箭，推进卫星至低轨道的最大重量将达是25吨。
能够送人登陆月球的航天器当然要比神舟6号复杂得多。最早载人成功登陆月球的阿波罗11号，由指挥舱、服务舱、登月舱和登月舱外罩四部分组成，飞船总重量达到44.676吨。阿波罗起飞重量很大，另一个原因是它不但荷载能装下三个人的飞船，还包括返回地球所需要的燃料。
未来再登月，人们已经开始考虑返回的燃料直接从月球获取，但现在大家都还办不到。不管怎样，中国未来要实现载人登月，显然还需要发展更大推力的火箭。
計算和控制技术
航天工程中还有一个重要的因素是计算和控制技术，“嫦娥一号”确定发射具体时间，就牵扯到工程计算问题：发射时间要充分考虑飞行器入轨时与地球、月球和太阳之间的相对位置，飞行器要进入绕月轨道则需要对其速度大小、方向进行多次精确的调控。
能说明计算与控制技术对航天发射的重要性的一个典型案例是，美国1997年发射的、承担探测土星及其卫星任务的卡西尼号。
卡西尼号飞船是迄今为止飞往其他行星的重量最大的飞行器(将近6吨)，其发射目的地是太阳系中处于地球轨道外层的土星，途中将受太阳的巨大引力减速。因此，即使利用全世界推力最大的火箭，也不能把这么重的卡西尼号直接加速到足够飞往土星，甚至不能加速到足够飞到比土星近一倍的木星。
于是科学家设计了一条奇怪的路线：卡西尼号是“朝内”发射的，首先飞往太阳系内层的金星，借助于金星的引力，两次给它加速；然后再次飞往地球，借助于地球的引力给它加速，然后飞往木星，借助于木星加速，最后才飞往目的地上星。
这么漫长、复杂的加速和飞行路线，就决定在发射时的一瞬间。火箭发射的方向和推力都要计算、“执行”得准确无误，而且向金星、地球、木星借力得到加速的时间和位置，都要一次性计算完成——计算略有偏差，或者火箭的推力、角度稍有增减，飞行器都很容易“掉进”太阳、金星、地球或者木星。
最终，卡西尼号在7年飞行过程中定位精准，所进入的土星轨道非常接近原计划轨道。
曾经有人以打高尔夫球来比喻探测器登陆火星的难度——从纽约到伦敦，一杆进洞；显然，卡西尼号的发射精准度比探测器登陆火星是难多了。
能够代表美国近些年在航天控制方面技术水平的是2005年的“深度撞击”计划。撞击的目标是距离地球1.3亿公里之外、大小仅为6公里的坦普尔1号彗星上一个几百米大小的区域，中国“载人航天工程应用系统”副总指挥潘厚任研究员把这比作是“从130公里之外击中一只苍蝇(6毫米大小)的眼睛”。
目前正在飞往冥王星的美国“新地平线”号探测器是飞行更遥远的行星探测器。在这方面，嫦娥一号是迄今中国最：远距离的实际测试——仅38.4万公里。
数据传输手段
探测器到了月球之后还要把获取的信息、数据传回来，因此，通讯测控手段、数据传输技术必须过关。
到现在为止，中国在这方面最远的试验还是探测1号、2号(即TC-1、TC-2)，跟欧空局合作，跟踪距离是10万公里左右。而嫦娥工程的测控手段需要达到38～40万公里。
其实早在1994年，中国就进行过论证，认为到2000年中国可以有能力发射探测器去月球并进行研究探测。那时论证，中国探测器的平台，包括有效载荷、遥感仪器等技术都没有问题。
利用上海天文台25米直径天线(长基线干涉仪)进行改装，可以接收月球这个距离发回的数据。而能够发射神舟飞船的长征火箭加上一个顶级发动机，就可以打上月球。也就是说，从技术上说，中国2000年前发射月球探测器也是可以办到的，但后来由于载人航天工程上马，这一计划就往后推了。
但在数据传输和接收这方面。美国已经走得很远了——1977年发射的“旅行者”1号目前已经飞离地球大约150亿公里，超过冥王星距离地球的两倍，飞到了太阳系边缘。它完全依靠上面的信号，发射机以几瓦的功率向地球定向发射，抵达地球时其信号功率大约只有一枚普通电子表电池功率的200亿分之一。但依靠分布在全球(分别在美国加州、澳大利亚和西班牙)、抛物面直径达到70米的三个大天线，美国科学家依然可以对这么微弱的信号进行接收和分析，从而获取来自外太空的一些数据——“旅行者”发射至今已经有30年，也就是说，这代表着美国30年前的技术。科学家估计，其所带电池还能用10年，这10年中它还能继续为人类服务，为科学家带来有关太阳系边缘的一些信息。
阿波罗带动世界，嫦娥带动本土
那么多国家再次掀起登月热，有一个共同的目的：借助于航天技术的发展，来带动国内其他技术的发展。嫦娥工程也不例外。
阿波罗计划前后投入了30万的人力和400亿美元(四五十年前的数据，换算成现在的美金还要大得多)的资金，表面上看，除了政治和军事意义之外，美国人直接获取的成果是总计12公里长的摄像胶片和382公斤的月球土壤。
但事实上，其收获远远不止于这些。一种估算认为，阿波罗计划在经济上的投入产出比是1:14，原因主要就在于它带动了其他民用技术的发展。
众所周知，阿波罗计划在电子、铁路运输、医疗、天气预报、农业等多方面部起到了带动作用——比如现在全世界都在应用的很多种类的体检设备就来自于阿波罗计划。
另外还有大众了解比较少的一点是：全世界的工业产品可靠性，可以说就是被阿波罗计划给“推”上去的——上世纪60年代，由于要保护宇航员的生命安全，美国进行了一系列的可靠性管理、控制，后来推广到民用，然后进一步带动了全世界的各个领域。事实上，阿波罗计划以前的电视机、收音机的可靠性都很差，是阿波罗计划改变了它们。
美国人当年有政策，就是要把航天、军事技术往民用推广。但由于美国走出的是第一步，阿波罗计划带动了全世界各个领域的技术进步。可以预见，中国的嫦娥工程至少也能带动本国各个领域的技术进步。
对于这一问题，中科院院士欧阳自远将中国比喻为“二锅头”第二梯队的领头人。他说，在国际探月领域。美国、俄罗斯是第一梯队，中国、欧盟、日本是第二梯队。
事实上，由于印度、日本等国家在这方面的技术更多处于保密状态：人们很难估测其具体各方面技术所居的优劣势——相对来说，代表目前世界航天技术最高水平的美国更“大方”一些，他们的很多太空计划及其进展、未来具体步骤的规划都是对全世界公开的。
火箭力量
把飞行器送入太空，火箭技术当然至关重要。
从上世纪50～60年代最初发射卫星的时候，科学家就发现火箭技术的很大一个难点是制造所用的材料问题。
火箭点火后，发动机燃料在很小的空间内燃烧，产生数百个以上的大气压和数千度的高温，气体以数倍于子弹出膛的速度喷出，整个火箭振动极为厉害。而进入太空之后，又要经受正负100多摄氏度的温度变化。因此需要极耐高温、耐高压的材料(尤其是火箭喷口的材料)和高性能的燃料，才能让火箭达到第一宇宙速度。
这牵扯到最尖端的几项科研成果——设计要用到数学；燃料要用到化学；材料要牵扯到物理等几个学科；防振动更多牵扯到工程和工艺，等等。由于涉及面太广，所以才说航天力量是一个国家综合实力的体现。
中国在航天材料方面，有一项是做得很不错的：上世纪60年代，中国就生产出了“烧蚀材料”——即涂在航天器外面经受与大气摩擦产生的高温、以保护航天器主体的材料——没有这种材料，航天器将无法返回地球。
一直到上世纪80年代，世界上还只有美国、俄罗斯和中国有这方面技术。
从推进力量和可靠性等因素比较，中国的火箭技术亦可一书，但与世界前沿相比依然有差距。举例来说，美国送阿波罗上天的土星5型火箭，发射卫星至低轨道(一般为距地面几百公里高度，比如神舟6号，大约为343公里左右)的最大重量是139吨；俄罗斯的能源号这一数据为105吨，欧空局的阿丽亚娜5号改进型火箭，发射卫星至高轨道(距地面36000公里左右)的最大重量是12吨，估计推进卫星至低轨道的最大重量可以达到数十吨。
相比之下，中国的长征2P型火箭，推进卫星至低轨道的最大重量是8～9吨(神舟6号是8吨左右)；中国正在研制中的大推力火箭，推进卫星至低轨道的最大重量将达是25吨。
能够送人登陆月球的航天器当然要比神舟6号复杂得多。最早载人成功登陆月球的阿波罗11号，由指挥舱、服务舱、登月舱和登月舱外罩四部分组成，飞船总重量达到44.676吨。阿波罗起飞重量很大，另一个原因是它不但荷载能装下三个人的飞船，还包括返回地球所需要的燃料。
未来再登月，人们已经开始考虑返回的燃料直接从月球获取，但现在大家都还办不到。不管怎样，中国未来要实现载人登月，显然还需要发展更大推力的火箭。
計算和控制技术
航天工程中还有一个重要的因素是计算和控制技术，“嫦娥一号”确定发射具体时间，就牵扯到工程计算问题：发射时间要充分考虑飞行器入轨时与地球、月球和太阳之间的相对位置，飞行器要进入绕月轨道则需要对其速度大小、方向进行多次精确的调控。
能说明计算与控制技术对航天发射的重要性的一个典型案例是，美国1997年发射的、承担探测土星及其卫星任务的卡西尼号。
卡西尼号飞船是迄今为止飞往其他行星的重量最大的飞行器(将近6吨)，其发射目的地是太阳系中处于地球轨道外层的土星，途中将受太阳的巨大引力减速。因此，即使利用全世界推力最大的火箭，也不能把这么重的卡西尼号直接加速到足够飞往土星，甚至不能加速到足够飞到比土星近一倍的木星。
于是科学家设计了一条奇怪的路线：卡西尼号是“朝内”发射的，首先飞往太阳系内层的金星，借助于金星的引力，两次给它加速；然后再次飞往地球，借助于地球的引力给它加速，然后飞往木星，借助于木星加速，最后才飞往目的地上星。
这么漫长、复杂的加速和飞行路线，就决定在发射时的一瞬间。火箭发射的方向和推力都要计算、“执行”得准确无误，而且向金星、地球、木星借力得到加速的时间和位置，都要一次性计算完成——计算略有偏差，或者火箭的推力、角度稍有增减，飞行器都很容易“掉进”太阳、金星、地球或者木星。
最终，卡西尼号在7年飞行过程中定位精准，所进入的土星轨道非常接近原计划轨道。
曾经有人以打高尔夫球来比喻探测器登陆火星的难度——从纽约到伦敦，一杆进洞；显然，卡西尼号的发射精准度比探测器登陆火星是难多了。
能够代表美国近些年在航天控制方面技术水平的是2005年的“深度撞击”计划。撞击的目标是距离地球1.3亿公里之外、大小仅为6公里的坦普尔1号彗星上一个几百米大小的区域，中国“载人航天工程应用系统”副总指挥潘厚任研究员把这比作是“从130公里之外击中一只苍蝇(6毫米大小)的眼睛”。
目前正在飞往冥王星的美国“新地平线”号探测器是飞行更遥远的行星探测器。在这方面，嫦娥一号是迄今中国最：远距离的实际测试——仅38.4万公里。
数据传输手段
探测器到了月球之后还要把获取的信息、数据传回来，因此，通讯测控手段、数据传输技术必须过关。
到现在为止，中国在这方面最远的试验还是探测1号、2号(即TC-1、TC-2)，跟欧空局合作，跟踪距离是10万公里左右。而嫦娥工程的测控手段需要达到38～40万公里。
其实早在1994年，中国就进行过论证，认为到2000年中国可以有能力发射探测器去月球并进行研究探测。那时论证，中国探测器的平台，包括有效载荷、遥感仪器等技术都没有问题。
利用上海天文台25米直径天线(长基线干涉仪)进行改装，可以接收月球这个距离发回的数据。而能够发射神舟飞船的长征火箭加上一个顶级发动机，就可以打上月球。也就是说，从技术上说，中国2000年前发射月球探测器也是可以办到的，但后来由于载人航天工程上马，这一计划就往后推了。
但在数据传输和接收这方面。美国已经走得很远了——1977年发射的“旅行者”1号目前已经飞离地球大约150亿公里，超过冥王星距离地球的两倍，飞到了太阳系边缘。它完全依靠上面的信号，发射机以几瓦的功率向地球定向发射，抵达地球时其信号功率大约只有一枚普通电子表电池功率的200亿分之一。但依靠分布在全球(分别在美国加州、澳大利亚和西班牙)、抛物面直径达到70米的三个大天线，美国科学家依然可以对这么微弱的信号进行接收和分析，从而获取来自外太空的一些数据——“旅行者”发射至今已经有30年，也就是说，这代表着美国30年前的技术。科学家估计，其所带电池还能用10年，这10年中它还能继续为人类服务，为科学家带来有关太阳系边缘的一些信息。
阿波罗带动世界，嫦娥带动本土
那么多国家再次掀起登月热，有一个共同的目的：借助于航天技术的发展，来带动国内其他技术的发展。嫦娥工程也不例外。
阿波罗计划前后投入了30万的人力和400亿美元(四五十年前的数据，换算成现在的美金还要大得多)的资金，表面上看，除了政治和军事意义之外，美国人直接获取的成果是总计12公里长的摄像胶片和382公斤的月球土壤。
但事实上，其收获远远不止于这些。一种估算认为，阿波罗计划在经济上的投入产出比是1:14，原因主要就在于它带动了其他民用技术的发展。
众所周知，阿波罗计划在电子、铁路运输、医疗、天气预报、农业等多方面部起到了带动作用——比如现在全世界都在应用的很多种类的体检设备就来自于阿波罗计划。
另外还有大众了解比较少的一点是：全世界的工业产品可靠性，可以说就是被阿波罗计划给“推”上去的——上世纪60年代，由于要保护宇航员的生命安全，美国进行了一系列的可靠性管理、控制，后来推广到民用，然后进一步带动了全世界的各个领域。事实上，阿波罗计划以前的电视机、收音机的可靠性都很差，是阿波罗计划改变了它们。
美国人当年有政策，就是要把航天、军事技术往民用推广。但由于美国走出的是第一步，阿波罗计划带动了全世界各个领域的技术进步。可以预见，中国的嫦娥工程至少也能带动本国各个领域的技术进步。