靠谱的航天不靠谱的航天

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  人类航天时代是以1957年10月4日苏联发射了第一颗人造地球卫星为标志的,自那之后,航天事业成为人类智慧在科技领域上的最高成就之一,并且带动了人类社会在政治、经济、军事等领域的巨大变化。
  然而跨入21世纪之后,围绕航天事业,出现了一个令人困惑的巨大悖论:一方面人们宣称航天事业可以改变人类命运、改变世界命运,给世界带来巨大的收益;可是另一方面航天事业的经费却捉襟见肘,俄罗斯放弃了自己的和平号空间站,空间站最终坠入大海;美国航天飞机已经全部停飞,送进博物馆供人参观;各国联合修建了十几年的国际空间站还没到完工的时候,就已经快到了报废的日子。
  如果航天真的对于我们人类有重大的价值,又能够创造出巨大的价值,人们就该大力发展航天事业。可是为什么世界上许多国家却正在削减航天事业的投资呢?
  第一部分:不靠谱的航天
  世界范围内一些航天项目受挫,是因为这些项目本来就“不靠谱”,浪费了大量的资金,带来的收益却很有限,比如以航天飞机、国际空间站为代表的项目。
  南辕北辙的航天飞机
  2011年7月21日,美国东部时间5时57分,“阿特兰蒂斯”号航天飞机在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆,结束其“谢幕之旅”,这一刻也意味着美国30年的航天飞机时代宣告终结。
  美国阿波罗登月计划之后,载人航天陷入了发展缓慢的境地,主要原因就是耗资巨大,运输成本无法降低。于是在20世纪70年代,美国期望通过研制航天飞机,来降低航天飞行的成本。
  航天飞机设计之初,计划每年有3架航天飞机轮流上天,一年可以飞24次,但实际上,由于航天飞机安全性不过关,经常一年总计只飞四五次。1986年挑战者号和2003年哥伦比亚号航天飞机爆炸的惨剧,更是暴露出航天飞机在安全性上远未达到人们的期望。
  原本航天飞机可以担负把卫星送入太空的任务,但自从挑战者号航天飞机失事后,出于安全考虑,航天飞机不再搭载太重的负荷,带有发动机组件的卫星也不允许携带。这样一来,在航天飞机时代的后期,航天飞机基本上就只剩下给国际空间站“送快递”的运货任务了,但这个任务用相对更廉价的一次性火箭就可以完成,建设空间站的任务同样可以全自动完成,没必要冒险让宇航员去太空行走。
  一架航天飞机1个月的维护费用就要花掉2亿美元,更不用说还有发射费用和宇航员及各种工作人员的费用了。如此高昂的运行费用,每年却只执行屈指可数的几次任务,不仅没有省钱,反而更费钱了。这对于正处于金融危机的美国政府来说,真是不能承受的沉重开支,早停掉早解脱。迫不得已,美国政府让剩余的三架航天飞机陆续退役了。
  30年来,航天飞机一步步沦为鸡肋,这只能怪当初的期望太美好了,画的饼很大,但到手的却只有一小块。如果30年能够重新来过,美国政府和美国宇航局恐怕不会选择走航天飞机这条道路吧。
  国际空间站:
  人造天宫用处不太大
  由于载人飞船和航天飞机的机舱空间不大,而且维持宇航员生命的给养携带量也不多,飞行时间很受限制,科学家们希望有一种能在近地轨道上长时间运行,可供多名航天员在其中生活,并承担多种复杂任务的航天器,这样的需求促成了空间站的诞生和发展。
  空间站也称人造天宫,其特点是体积较大,在轨运行时间很长,功能齐全,可利用太空微重力环境开展一系列的科学研究,能完成对地监测、资源勘察、天气预报、天文观测以及释放人造天体等任务。因为空间站不返回地面,站上宇航员的接送和物资补给要由宇宙飞船或航天飞机承担。
  自1971年以来,建成运行并已坠毁的空间站一共有9座,其中苏联/俄罗斯有8座,美国1座。最著名的是苏联/俄罗斯的和平号空间站,前后在太空运行了15年,已于2001年3月离轨烧毁。
  从20世纪90年代中期开始,美国、俄罗斯、欧盟、日本等国联合,开始建设国际空间站。它由基础构架、12个舱段,多个太阳能电池帆板等组件构成,总质量约450多吨,长108米,宽88米,运行轨道高度为397千米,可容纳7名航天员长期居住和工作,最多时可接待15人同时进行科学考察,设计寿命为15年。它是太空进行微重力试验和科学研究的大型平台。
  但是直到2010年2月,奋进号航天飞机向空间站运去了最后两个主要舱段后,空间站才算主体竣工。美国宇航局估计,自1994年以来,国际空间站已花费了美国纳税人500多亿美元,如果算上所有建设成员国的支出,国际空间站的总价至少得打上1000亿美元的价签。
  数字太大了,容易让人失去评估的感觉。我们不妨比较一下地球表面运转的大型强子对撞机,这个座落在瑞士日内瓦郊区的世界上最大的粒子加速器,总共花费了合作国约90亿美元。运行大型强子对撞机的目标非常明确,即发现新的基本粒子。这是许多科学家梦寐以求的成果,一旦发现新的粒子,将会彻底改变我们对物质的本质和宇宙的理解。这个对撞机也不负众望,一举发现了“上帝粒子”——希格斯粒子,也就是能够产生质量的神秘粒子。
  让我们来看看花费了10倍于对撞机的国际空间站带来了什么科技成果吧。很遗憾,目前空间站并没有什么拿得出手的科学新发现。
  格雷戈里·佩茨科是美国的一位生物化学家,站在他的专业角度上,他发现国际空间站对基础科学的唯一重要贡献,是发现蛋白质分子在太空微重力环境下可以形成更好的晶体。
  通过让蛋白质分子结晶,科研工作者可以确定蛋白质分子的精确三维结构,进而推断出各种蛋白质的功能。所以从最乐观的角度看,利用在太空中结晶程度更好的蛋白质分子,人们能够设计出一些药物,也许有助于治疗某些疾病。不过迄今为止,人们还没能从太空中合成真正有重大价值的蛋白质结构,相反,在空间站上制造的蛋白质晶体存在大量古怪的结构,看不出利用价值。
  佩茨科简单算了一下,如果假设美国建设国际空间站的资金有2%用于蛋白质结晶的基础研究,那也是10亿美元的巨款!有这么大一笔钱,足够让美国宇航局在地球上资助1000名科学家潜心搞科研5年时间。   国际空间站没能取得任何重大的科研成果,这得怪一开始人们就没想清楚,到底该用这个太空中的大家伙做什么样的太空实验。其实许多微重力实验根本没必要到太空中去做,在地球上的模拟环境中可以获得同样的效果,为了做这些实验就在太空中组装个空间站,太铺张浪费了。
  载人航天:奢侈的广告宣传
  把宇航员送入太空,让宇航员离开封闭的驾驶舱,在太空中行走并完成任务,这是多么酷的事情!几乎每个航天大国都执行了多次载人航天任务。然而在航天事业中,载人航天可能真得只是“看上去很美”。
  面对极度低温、低压和充满辐射的太空环境,人的生命相对来说太脆弱了,要实现载人航天任务,可以说从航天旅程开始的第一秒到最后一秒,宇航员都要全副武装,为了在太空中维持他们的生命,付出的代价太大了。
  举个简单的事例,根据测算,人每天呼吸、排汗等新陈代谢活动可产生1千克多的水汽,水汽散布在宇宙飞船几十立方米的狭小空间里,如果不及时进行除湿,就可能会因为湿度太大,使宇航员感到不适,同时也会对空间实验环境造成影响,在舱壁、仪表盘上形成的冷凝水甚至会影响到整个任务的实施。
  所以,飞船上必须安装环境控制和生命保障处理装置,保持飞船内的温度、湿度处于使宇航员舒适的范围。此外,装置还要采集和计算舱内氧气、二氧化碳等气体的含量,通过压力控制,保持适合人体生存的压力状态。这些装置占了飞船质量的很大比例。
  早在20世纪70年代,人们就发现,宇航员长时间处于微重力环境下,会出现骨密度损失、肌肉力量和耐力下降、有氧代谢能力下降等问题。长时间的太空飞行任务也会降低人的视力。在太空中每过一个月,宇航员的骨骼重量就会减少约2%。所以在空间站长期停留时,宇航员们每天至少要花两个小时锻炼,以维持身体不垮掉。
  飞船上很大一部分质量用于维持宇航员的生命和健康,这会大大增加发射费用。然而宇航员在太空中冒着生命危险,换来了什么成果吗?
  他们要么完成了一些有象征意义却没实际意义的太空行走,要么顶多更换一下国际空间站的外部零件,或者照看一下船舱内的实验设备。而这些工作在现有的科技能力下,全部都可以用机器人或机械臂自动完成,根本不必要有个人瞪着双眼在旁边盯着。
  说白了,载人航天更多的收获是面子,花费巨大,所获得的科学成果却甚微。
  正是以上这些不靠谱的航天项目,让一些航天大国的大量经费打了水漂,这些项目停止的停止、削减的削减,也就不奇怪了。
  第二部分:靠谱的航天
  如果说人类几十年的航天事业完全是个错误,那也太悲观了。幸亏有一些靠谱的航天项目,给人类带来了巨大的科研成果和经济收益,让人类有勇气继续太空探索的事业。
  机器人打败了人类
  人类几十年来的航天历程,明显走了许多的弯路甚至错路,从科研成果角度看,航天飞机、国际空间站都是失败的案例。这些案例其实反映了几十年中两种太空探索模式的竞赛,那就是所谓的“人类探索模式”和“机器人探索模式”之争。
  20世纪中期航天时代刚刚开始酝酿,当时的科学家并不看好机器人自主(或者称“自动化”)航天飞行计划。当时科学家认为,空间望远镜只能以传统胶片的形式拍摄图像,所以需要人来进行对焦等操作;他们还认为,通信卫星会出现许多故障,需要人工持续地维护和修理;他们还认为远离地球、飞向火星等星球的航天器是无法与地面保持有效的通信联系的,除非有人在航天器上面操纵各种通信仪器。
  所有这些观念合并在一起,当时的大多数科学家断言,在任何机器人发挥作用的航天领域,都需要宇航员在旁边护理。于是,大力发展载人航天技术,把人送入太空并维持人的生命健康,就似乎很有必要了。
  然而几十年来机器人技术、自动化技术的突飞猛进让科学家连呼意外。在遥感、计算能力、自主操作、小型化、成像、电能利用和产生、数据存储和传输,以及深空通信等领域,科学家和工程师不断取得突破,自主运转的航天器和机器人的性能变得非常可靠。比如说,利用先进的成像系统,火星漫游车的摄像头能够像人的眼睛一样,细致地观察火星表面的“蛛丝马迹”;而即将飞出太阳系的旅行者号宇宙飞船至今仍在向地球传输微弱的信号,地面操作人员能够接收到这些信号,并把信号转换成清晰、明确的信息。
  有人曾经计算,平均来看,向太空发射航天器的成本大概是1千克几万美元。因此航天器越小巧,发射费用也就越低。自动化航天器由于不需要考虑载人的问题,省去了大量用于维持宇航员生命的各种设备,在设计上就可以放开手脚,以科学研究的便利为第一要务,可以朝着小型化的方向发展,从而节省了发射费用。
  算来算去,航天器上最没用的东西,就是那些维持生命运转的各种设备,和那些叫做航天员的动物了。
  太空中最有用的人造物是……
  几十年来,人类从航天中还是获得了许多成果,而这些成果绝大多数都来自于——人造卫星。
  人类的航天时代就是苏联的那颗人造卫星升空开启的,当时的卫星只能发射一点点无线电信号。从那以后,卫星能做的事情越来越多,它们彻底改变了世界的面貌。
  如今,多个卫星配合使用,具有多点传送能力,极大地扩展了全球广播电视业,从有线电视新闻网和MTV到数字信号,卫星能够提供各种各样的节目服务;卫星网络让石油和天然气的开采和销售活动延伸到全世界的每个角落,从尼日利亚油田的钻井到纽约和东京加油站里的信用卡支付,都可以用到卫星;金融网络与银行、股票交易所、保险公司的记录保存和数据中心遍布全球,它们也要依靠卫星网络保持24小时不间断的通信联系,世界金融已经一刻都离不开卫星;卫星提供的全球定位系统不仅可以帮助开车者找到正确的道路,还帮助修路者更高效地建造高速路,航空公司更有效地计划航线,以及货运公司跟踪货物的运输……
  1972年,美国发射了第一颗遥感卫星,开启了航天遥感的序幕。利用卫星遥感技术,科学家可以全面、迅速地掌握地球的气象、地质、资源、海洋等各方面的信息,这些信息对于经济发展和社会管理起到了至关重要的作用。卫星遥感技术当然也可以用于其他星球的探索活动中。比如我国利用探月卫星,得到了标准的1:250万比例尺的全月影像图。利用嫦娥系列卫星,我国可以对月球表面的特定地区进行精确的探测,比如对月球的土壤层的厚度和里面某些资源的含量进行估计。   相对于载人航天等耗资巨大的项目,利用卫星开展的科研项目要便宜得多。比如,我国嫦娥一号绕月项目的全部经费只有14亿人民币,只相当于在北京市修建2千米地铁的投资。
  宇航员在太空中操纵仪器进行的那些观测,卫星都可以携带着仪器自动完成。而卫星能干的一些活儿,宇航员却干不了。那么在现阶段,我们真的需要载人航天吗?
  探索太空与救助穷人
  在几十年的航天时代中,一直有人质疑航天的花费太高昂,为什么不把那笔钱用于改善民生,资助穷人的生活和教育呢?
  对此问题,1970年美国宇航局的斯图灵格博士曾经写过一篇文章,核心观点是,航天计划比如探索火星不能直接解决地球上的粮食危机、贫困等问题,但是却会给人类带来各种有价值的新技术;而且要想切实提高人们的生活水平,还需要大量的科学基础研究,需要更加深入地研究物理学、化学、生物学、生理学等知识,还需要研发新的药物,来应对威胁人类生存面临的各种问题。航天计划有望帮助物理学、天文学、生物学和医学等领域取得进展,激励人们探索自然规律,最终会解决世界上存在的各种问题。
  还有学者指出,今天应用广泛的集成电路、无线网络、数码相机等技术,都来自于过去航天研究的副产品。
  其实,这些学者并没有真正回答问题,简单地说“未来可能会有好处”是不负责任的。因为用于航天的那些巨款不投放到航天上,也不会消失,完全可以在其他领域发挥资本的威力,甚至于在其他科研领域有更重大的发现,比如投资在大型强子对撞机上;或者直接投资于救助穷人也挺好,不必冠冕堂皇地说先投资到航天上去,然后再给穷人带来好处。
  问题的关键在于,我们要区分“靠谱的航天”和“不靠谱的航天”,甄别出哪些航天项目浪费了资金却收获甚微,应该停掉;哪些航天项目会给我们带来科学理论和社会经济上的丰厚收益,值得大力投资。
  美国和苏联/俄罗斯几十年的航天发展中,的确走过了许多弯路,这些弯路可以算是科学探索过程中的试错过程,是其他国家发展航天事业的前车之鉴。航天事业是综合国力的象征,而中国航天正处于迅速的发展时期,正在追赶美国、俄罗斯的航天水平。对于我国这样一个发展中国家来说,更需要对各种航天项目进行甄别,才能少走前人的错路和弯路,用有限的资金获得更多的科研成果,给人们带来更多的收益,同时用更高效的航天事业来彰显我国的综合国力。
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