航天究竟是怎样一个行业?

航天究竟是怎样一个行业?

在展开这个讨论之前,先要说明清楚一个很多人都弄不清楚的问题:航空和航天到底有什么区别?

航空依赖的最大动力是空气,发动机把飞机速度提起来后,靠翼面上下的压力差产生升力,克服地球引力飞行。因而航空一般都在空气非常稠密的大气底部,10千米高左右。再高的话空气变得更加稀薄,一方面由于缺乏氧化剂燃油的燃烧效率很成问题,另一方面升力会下降、逼迫飞机飞得更快,效率却更低。且工作全程飞机必须保持发动机工作,发动机一旦“空中停车”往往是机毁人亡。

航天完全不同。它最讨厌的就是空气,一方面它自带氧化剂完全不需要空气,另一方面,好不容易飞离地表后,高空稀薄的大气依然会造成微小摩擦,使得航天器轨道降低并最终焚毁。因而,航天器一般都会在400千米以上高度工作,北斗导航卫星甚至在20000-36000千米,更别提飞到太阳系边缘、轨道高度221亿千米的旅行者一号。而引力则成为航天器最喜欢的动力,它让航天器在几乎不消耗燃料的情况下工作。而对于行星际航天器而言,各个行星引力甚至变成“引力弹弓”,提供的能量远超航天器自身。

太阳系内星体能造就多个“引力弹弓”帮助航天器逃离太阳系(图源见水印)


因而,航空和航天完全不同,它们之间的区别,大概相当于马车和汽车一样,都带个“航”字,或者都带个“马”字,但实际上差远了。


那么,航天到底是个什么样的专业?

如果总结为一句话,那就是:高度集成人类现代几乎所有学科的工程学科。

从航天里几乎可以找到任何一个学科的影子,且每一个学科都至关重要,航天涉及到的知识远远超过了用火箭把卫星送入太空本身。以中国这些年发展迅速的载人航天工程为例,它是一个庞大的系统工程,包括至少7个大的系统,缺一不可。

1.发射场系统。我国根据不同火箭需求共计建造了酒泉,太原,西昌和文昌四个大型发射场,其中酒泉是唯一服务于载人航天的系统,太原主攻对地遥感类太阳同步轨道、极地轨道卫星,西昌主攻中高轨导航气象通信卫星,文昌则借助更低纬度最大限度利用地球自转、能服务众多任务。单就执行载人航天任务的酒泉发射场而言,场内又包括多个分系统,例如技术服务、测试演练、发射平台、后勤保障、通信测量、气象台、航天员区域、交通运输、指挥中心等多个区域。

中国服役过的主力火箭家族典型代表(图源:运载火箭技术研究院)


2.运载火箭系统。长征2F火箭是我国现今唯一的载人航天火箭,它负责将航天员安全无虞送入太空,可靠性必须做到接近100%水平。一枚火箭又包括结构、动力、燃料系统、导航制导与控制、通信遥测、逃逸救生等十余个分系统,需要上上下下多个学科服务。此外,它只是长征2号系列的一个型号而已,还有长征3号、4号、5号、6号、7号、11号等诸多现役系列火箭,还有8号、9号等多个在研火箭。

3.载人飞船系统。这是保护航天员进行航天任务的核心,一艘飞船有13个分系统,包括推进舱、轨道舱和返回舱,其中仅有返回舱会返回地球。返回舱返回地面后,轨道舱继续留轨运行工作。飞船每个构件的功能截然不同,例如返回舱最后返回地球这一过程就需要空气动力学、复杂通信环境、结构强度冲击、导航与控制、材料烧蚀降温、引导/主/副降落伞减速、最终小型固体燃料火箭反冲等一系列复杂技术支持。

4.航天员系统。这是载人航天各环节中最宝贵的部分,也是围绕航天员建立的复杂系统。从选拔伊始,就需要所有跟人体医学、营养学、运动学、心理学等相关学科参与,后续的复杂训练又需要做到“即便任一随机事故发生率仅有万分之一,也要求航天员被训练到靠下意识做出正确反应的程度”,需要的投入可想而知。而为了保障航天员在太空中的长期生存,飞船的氧气、水源、食物、防辐射、气压、湿度、温度等环控生保设计也因此极其复杂。

远望七号航天测控船与海军各类大型舰船对比


5.测控通信系统。自载人火箭升空起,就需要时刻保障天地通信需求。这意味着需要建立陆基、海基、天基的立体通信测控网络。例如,海基方面历史上共有过7艘远望号航天测量船,最大的远望7号已经接近辽宁号航母一半的排水量,还有2艘远望运输船。天基方面,则有四颗天链一号中继卫星,它们也使得中国成为仅次于美国能实现全球无缝天地互联的国家。

6.着陆场系统。载人航天必须实现航天员安全无虞从太空返回,但这个过程受诸多因素影响往往无法做到精确定点降落,因而这个着陆场系统不仅包括主、副两个着陆场,还需要有陆上、海上应急救援和航天医保等。航天员返回期间,往往需要投入大量人力物力进行搜寻。

7.飞船应用系统。发展载人航天最重要的目的还是实现科研价值,载人飞船拥有长期微重力的绝佳太空环境,能支持一系列空间实验。例如对地遥感观测,天文观测,材料研究,物理实验,生命科学实验,航天医学等。这些科研成果会进一步推动各个相关行业的大发展,是人类推动航天事业发展的根本原因。

2003年10月15日,杨利伟孤身一人进入太空,中国成为苏联、美国后第三个载人航天俱乐部玩家(来源:载人航天工程办公室)


按照官方公开的信息,单为载人航天工程一项,中国就有3000多家单位数以万计的工作人员,参与了这个工程中各项目的研制、建设和试验。更恐怖在于,航天事业虽然包括多个分系统多个学科支持,但它却是一个复杂到甚至不能用“木桶短板理论”形容的专业:因为如果有任何一个环节成为短板,往往是整个系统的彻底失败,甚至毫秒之间就会发生恐怖的灾难。

这也是为什么,人类航天发展60余年,仅有美国、苏联/俄罗斯和中国掌握了独立的载人航天技术。

北斗卫星导航系统空间部分(图源:北斗办公室)


此外,中国还有庞大不亚于载人航天工程的对地高分辨率系统,北斗卫星导航系统,嫦娥探月工程等重大航天工程,它们每个都会有新的分系统和科学应用背景。而航天事业发展更早、实力更强的美国,还有过阿波罗登月、航天飞机、国际空间站等人类重大航天科技项目,它们的规模和投资之大、涉及到的科研院所和人员之多,是远远超过普通人想象的。

因而,航天就是这么一个不可思议的大集成,它的应用范围极其广泛,几乎会用到各个学科。同样的道理,当航天发展到一定程度时,它也会反馈到所有用的学科,尤其是航天的成功往往意味着相关技术工程化应用的成熟,会促进一系列相关制造业的发展。

阿波罗登月的意义远超登上月球这一壮举本身(图源:NASA)


以阿波罗登月为例,它在苏美冷战的巅峰时刻给很多美国新技术公司提供了一个完美的实验平台,尤其是电子芯片、集成电路、计算机这类能极大减少航天器重量、提升飞船性能的产品。60年代时,世界集成电路、芯片和计算机行业在硅谷刚刚处于起步阶段,单单阿波罗计划及相关研究就消耗了美国近一半的产品,直接促进了大量美国公司在后来的领先地位。例如,IBM依靠为整个阿波罗计划提供控制和计算设备而获得了飞速增长,摩托罗拉为阿波罗计划提供了通讯设备,罗克韦尔、波音、洛马等制造了大量飞船结构。与此同时,阿波罗登月期间也是美国理工科大学快速发展时期。大量的人才储备,也成为提高行业发展速度的必备条件。这也是为什么阿波罗登月尽管花掉了很多钱,换算成今日美元超过2000亿,但很多人依然觉得它很值。随着时间的推移,当初花掉的2000亿美元换回来的今天收益可谓远远超过这个数字了。

对于人类有跨时代意义的航海时代和航空时代,只不过把人类的行动能力提升到了全球水平,但光线只消0.13秒就能环绕地球一周,而航天已经把人类的视野推到了远在无尽宇宙深处的465亿光年外。

这意味着很多年后,后人一定会总结20/21世纪是整个人类历史上最重要的时刻,因而它意味着人类跨入前所未有的航天时代。与此同时,我们身处历史之中或许有“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的感觉,但历史终将告诉我们:能抓住航天时代机遇的国家,才是未来人类历史的最大赢家。



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(本文是航天系列科普24讲第2篇,全部文章将在一年内更新完毕,敬请期待!)

第一篇:

太空精酿:航天到底能做什么?zhuanlan.zhihu.com图标


航天飞机:太空探索史上的明珠www.zhihu.com图标

发布于 2019-11-26

文章被以下专栏收录

    人类从未有进入太空后如此渺小,以所有地球生命之名,人类的航天探索是这个星球智慧的最高点所在;踏上月球,人类迈出一大步。下一站火星,人类将从此成为一种跨行星生存的物种!