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李龙臣:艰难登天路,笑看宇宙花
2010-10-26 | 【     】【打印】【关闭

(作者:李龙臣,科普作家)

大家好!

先问大家几个简单的问题,什么叫“天”?什么叫“航天”?什么叫“航天员”?能回答的请举手。

什么叫“天”?古时候人们把地面以上叫做天,地是实实在在的,最多有几个小洞。天是比较空的,所以又叫“天空”,有时天和空分开用,如“天上”、“空中”。实际上天就是空,空就是天。但是科学发展到今天,已赋予“天”和“空”不同的含义。

我国家著名科学家钱学森,在我们1980年创办我国《宇航学报》的时候,给我们写来了一封信,它就是《宇航学报》发刊词。其中指出,宇宙航行应划分为两个阶段。第一阶段,冲出地球大气层,在太阳系范围内活动叫做“航天”。第二阶段,冲出太阳系,在银河系乃至河外星系活动叫“航宇”。有人把整个宇宙航行也称为“航天”。这样,航空、航天就把“天空”瓜分了。地球大气层空间叫“空”,在地球大气层空间中活动,叫“航空”,飞机、直升机、气球、飞艇等统称为航空器。冲出地球大气层,在太阳系范围以内活动,就叫“航天”。卫星、飞船、空间站、航天飞机等,统称为“航天器”。人们将气象预报叫天气预报,我说应该叫空气预报,风霜雨雪,本来就是空气变化。按照现在天和空的划分,天气预报,应该是宇宙空间环境预报。当然,人们已经习惯了天气预报这种叫法。所以,为了区分起见,需要将空间环境预报叫做“太空天气预报”。

什么叫航天员?在太空执行航天飞行任务的人员叫航天员,有些人叫宇宙员,也不错。因为航天是宇宙航行的组成部分,是第一阶段,叫宇航员也是可以的。不过,既然都叫航天,如航天部、航天局、航天器、航天飞机等等,对人叫航天员更顺当一些。

今天我讲的题目太大了,从时间来说,上到几千年,往下则是无限的,空间范围是整个宇宙,从科学范围来说无所不包,所以我只能概括地给大家讲。

有一位航天先驱者说了这样一句话,“很难说有什么办不到的事情,因为昨天的梦想,可以是今天的希望,而且可以成为明天的现实”,这个话是谁说的?这是美国“火箭之父”戈达德说的。这可以说是人类登天历程的写照。

现在我就来讲第一个问题,叫“曲径通幽——人类登天的历程”。今天来说戈达德的这句话,应改一下,叫“前天的梦想,昨天的希望,今天是现实”。

一、从嫦娥奔月到万户飞天,即从幻想到希望的阶段。

嫦娥奔月神话是什么时候出现的?我没有考察,应该说一两千年。自有人类以来,就有登天的梦想,所以才有嫦娥奔月这样的神话产生,反映了人类登天的梦想,这个梦做得很长很长,一直到600年以前。美国火箭史学家赫伯特,1945年写了一本叫《火箭与喷气》的书,其中提到在14世纪末15世纪初,中国有个叫“万户”的人,在一把椅子后边绑了47支火箭,他自己坐在椅子上,手拿两个风筝,让别人把火箭点燃,利用火箭动力飞行。这就是“万户飞天”。14世纪末15世纪初,就是明朝初年,那个时候用火箭作动力飞天不现实,还属于希望阶段,因而不可能成功。

二、模仿鸟类飞行。

在很长时间内,国内外有许多人想模仿鸟类飞行。这是最直观的希望,但实际上不行。经过很多人的试验,还有许多人的牺牲,证明人类凭自己肌肉的力量是不能飞行的,为什么?生理限制,举个例子,比如说人的心脏太小,人的心脏只占人体总重的0.5%,可是鸟就大大的不一样了,如鹫的心脏占体重的8%,蜂鸟的心脏占22%;人的心跳太慢了,我们的心跳平均一分钟70次,可是蜂鸟一分钟跳630次,麻雀的心脏每分钟跳800次,有一种小山雀一分钟跳1200次。如果人要飞,心脏跳动肯定要加快才能承受得了。如果人的心脏跳动每分钟增加到90次,心脏就要大大的增大,胸廓的长度要达到1.8,人有多大?所以人不能凭自己肌肉的力量飞行。这里有科学的思想问题,往往是最直观的、最符合常识的,不一定是最科学的,你们要记住这个科学道理,相对论是违反常识的,量子力学更违反常识,但它们是科学。

三、从气球到飞艇,从滑翔机到飞机。

222年前,1783年,蒙哥尔费兄弟发明了气球,第一次使人类能够离开地面。又过了69年,有个叫吉法尔的法国人,1852年制造了飞艇。气球和飞艇是没有动力的,不能掌握方向。

156年前,也就是1849年有了滑翔机,李林达尔兄弟对滑翔机作出了重要贡献。又过了54年,到1903年,又是两个兄弟,莱特兄弟制造了飞机。飞机的应用很广,大家都很清楚,但是飞机只能在大气层里飞行,要上天,超过地球大气层是不行的。

四、现代火箭的曲折问世。

122年前,俄国有一位科学家叫齐奥尔科夫斯基,1883年指出,火箭可以作为宇宙航行的动力。又过了20年,到1903年,他又具体提出了火箭公式,指出了火箭怎样才能冲出地球大气层,并指出多极火箭可以达到宇宙速度。

要把这个理论变为现实,要由其他人接着努力。又过了18年,到1926年,戈达德首先发射成功液体燃料火箭,飞的不高,十几米,几秒钟。后来欧洲的“火箭之父”奥伯特在欧洲也发射成功了固体火箭和液体火箭。当然这些火箭还不能实际应用。又过了18年以后,到1944年,德国的布劳恩研制了“A-4火箭”,后来希特勒把它作为战争武器,叫“V-2”。这是现代火箭的雏形。现在的火箭组成跟它基本一样。

二次世界大战以后,苏联和美国都在“V-2”的基础上搞导弹和航天运载火箭。有了火箭,航天时代开始了。1957年,苏联首先发射成功第一颗人造地球卫星,这是航天时代开始的标志;1961年,苏联航天员加加林第一个飞上天;8年以后的1969年,美国人阿姆斯特朗和奥尔德林登上月球;1971年,第一个航天站——苏联的“礼炮1”号发射成功;1981年,美国航天飞机开始飞行。

欧洲“火箭之父”奥伯特的一句名言说:“一般来说,骆驼能够在它们渴的时候发现新的水源”。我把它浓缩一下就是:“是骆驼就能找到水源”。中国人民在经过100多年的落后、挨打以后,是渴了,需要找到新的水源。解放以后,1958年毛主席说我们也要搞人造卫星。要搞航天活动,必须要有条件,当时中国很落后,火柴还叫“洋火”,飞机更是造不出来,要登天,困难的难度是很大的。

现在讲第二个问题,急起直追——中国载人航天历程。

一、从生物火箭、生物试验到航天医学工程研究所成立。

我们国家生物火箭是19677月发射成功的,有了生物火箭就可以做生物试验,生物试验是为载人航天服务的。19656月份,将大白鼠、小白鼠送到高空进行试验,19667月将两只有名的小狗——雄狗“小豹”、雌狗“珊珊”分别送上高空,并安全返回,回来以后它们还结婚生子。

1968年专门成立了航天医学工程研究所。他们的任务,简单说就是研究人到太空去的安全保护和生存问题。两年以后,选了20名预选航天员进行试验,那个时候可能是身体素质比较差,大部分人没有过过载关,只有两个人过了,“林彪事件”以后预选员解散了。

1970424,我们国家发射成功第一颗人造地球卫星,这是我们国家航天活动的重要标志。第二年我们开始发射“实践号”探测卫星,就是探测太空环境。

二、从“714”工程到“863”计划。

19714月份,我们国家的80多个单位,400多名专家提出了一个载人飞船的方案,叫“曙光号”,两舱结构,跟美国的第二代“水星”飞船差不多。但是那个时候我们国家的科技、工业、经济总体实力还不行,1975年下马了。

1975年,我们开始更扎实的工作,就是回收卫星。因为人上天跟动物不一样,动物回不来大家也不在乎,当然回来更好,人上去是一定要回来的。所以我们从197511月,开始发射返回式人造地球卫星,返回式卫星有它自己的用途,但它的返回是可以为载人航天返回打基础的。没有返回式卫星多次成功返回的经验,我们的飞船的返回能那么顺利吗。

19857月份航天部召开了首届太空站研讨会,高级顾问们向中央建议,应该把载人航天立项。

19863月,四位著名的科学家,王大珩、陈芳允、王淦昌、杨嘉墀等提出“863高科技计划,其中载人航天叫“8632

三、从模式论证到方案论证。

中国人搞载人航天,采用什么模式?世界上载人航天模式有两种。苏联首先用一次性火箭发射一次性飞船,实现短期载人航天,接下来搞空间站,实现长期载人航天,还是用火箭发射飞船作往返运输系统;美国第一步跟苏联相同,用火箭发射飞船。第二步,他们想跳跃式发展,用可重复使用的航天飞机作往返运输系统。我们要搞载人航天,搞哪种模式?是搞航天飞机还是先搞飞船?各有理由,先搞航天飞机先进,迎头赶上,先搞航天飞船,稳扎稳打,技术可靠。19864月份,屠善澄等首席航天领域专家组讨论这个问题,到底是先搞航天飞机还是先搞航天飞船?19893月份得出结论,先搞航天飞船。

四、从“921”立项到“神舟”飞船上天。

1990年,航天部的三个院分别提出载人飞船的方案。1991年,中央批准由空间技术研究院抓总。

1991710月提出六个方案。

199111月上报立项论证报告。

19921月中央批准中国的载人航天方案。

19926月完成可行性论证。

1992921中央批准立项。所以叫“921工程。

19991020号,“神舟一号”飞船上天。

科罗廖夫是苏联航天工程灵魂式人物,第一枚导弹、第一枚火箭、第一颗人造地球卫星、第一名航天员上天、第一个探测器等等苏联争得到“第一”,都是他领导取得的。他有一句经验之谈:“搞喷气飞行器是困难的,但却很有意义,并是可以获得成功的,困难终究被克服,不过需要做很大的努力才行。”

现在讲第三个问题,迎头赶上——中国航天人如何解决技术难题。

不畏险阻,敢于挑战。从宏观上来说,我们当时搞载人航天工程,是以落后的

经济和落后的工业技术面对最尖端的航天科技,这个困难是可想而知的。

一、要有火箭。

火箭不是那么简单的事情,火箭发射最容易出问题,因为火箭是由几十万、上百万个零部件组成的,有一个零部件出问题,整个火箭就发射失败。火箭要战胜地球引力,必须有强大的威力,并快速上升,但又必须保证航天员安全,加速过载不能太大;要增加宝贵的火箭运载能力,火箭自身的质量越轻越好,但必须保证火箭绝对可靠。怎样做到火箭的安全可靠,这是很不简单的事情。

在太空轨道上飞行需要飞船,飞船要能防御太空高真空、强辐射、微流星体和太空垃圾,还有低温对航天员的伤害;飞船飞行还会诱导产生失重和极端温度,就是最高最低温度,因为太空没有空气对流,太阳直照飞船的那一面,温度可以高到100多摄氏度,没有太阳照的那一面低到零下100多摄氏度。

返回时危险更多,飞船在轨道上飞,要回来,总要脱离原来的轨道,怎么脱离?飞船要把姿态调整到正好进入返回轨道,这是非常细致和困难的事情,“差之毫厘失之千里”。苏美回收卫星时候,曾发生过这种情况,让它往低里走,它反而向太空高处走,或者不能在原来的着陆点着陆,甚至相差几百、几千公里。进入稠密大气层时有巨大的冲击过载,与空气剧烈摩擦的气动加热,产生上千度的高温。还有过黑障区和落地撞击等等困难。

要解决这些问题,每一项都是非常困难的,但是中国人敢于挑战,虽然经济还不富裕,工业技术还不发达,困难很多,但我们敢干。怎么干?

二、海纳百川,自主创新。

在我们前面有苏联、美国先走了一步,可以充分吸收他们的经验,借鉴他们的做法,什么都可以学,当然是学理论上的,具体的技术谁也不会给我们,得靠我们自己。所谓的借鉴,就是在报纸上看一点宏观上、理论上的东西,具体技术每一项都靠我们自己,但是这一步很重要,我们要海纳百川,吸取前人的经验,但是要自主创新。怎样自主创新?可以讲很多具体的故事。但时间限制,今天不可能细说。归纳起来讲,就是严格按科学思想、科学规律办事。这形成了有中国特色的航天工程研究程序,总起来分三段。

第一段,全面地综合国际国内情况的需要,我国工业技术水平和经济、人才等方面的可能,提出任务方案。如前面说到的我国载人航天的历程就是这样。

第二段,反复分析、仔细研究,提出多个设计方案,然后进行比较分析,确定一个最好的设计方案。

第三段,精心地研制。在研制过程中,从元器件的选择到零部件的制造,反复地、一级级地进行检测试验,务必达到设计的要求和理想的程度。整个飞船、火箭造好了,还要检测试验,运到发射场以后,在技术区还要检测试验,送到发射台以后还要检查测试。

不谋而合,这正是科学发展的“三段法”:综合归纳、逻辑推理、试验验证。任何科学技术的发展,必须要遵循这三段才能够成功,缺少哪一段都不行,尤其是试验验证这一环。

研制过程中的反复试验验证的实质是什么?就是不断修正谬误。人类的科学就是在不断修正谬误中发展起来的,从亚里士多德、阿基米德的静力学到伽利略、牛顿的动力学,到爱因斯坦的相对论,一直到量子力学,就是一个不断修正谬误的过程。科学精神有很多种表述方法,但是我说最核心、最本质的科学精神是追求事实,服从事实,不断修正谬误,这是最根本、最彻底的科学精神。自然科学适用,社会科学也适用。航天人追求的不是个人目标,而是真实的事实,即真理,服从的不是哪个权威,而是事实,最后达到修正谬误,达到十全十美,或者比较完美的程度。

关于科学思维,我以火箭的可靠性为例稍作说明。怎么保证火箭的可靠性?最直观的方法就是保证元器件和零部件都绝对可靠。但是,大的火箭零部件达到上百万个,10的六次方。如果可靠性要达到90%,再加两个零,就是108次方。这就是说,要使火箭飞行可靠,每个零件应该从一亿个里边挑一个。现在市场经济,哪个厂商能够造一亿个零件让航天人挑一个,不可能的事情,即使让挑,成本也会大大提高。如果换一种思维,允许出某种故障。比如有三台发动机的火箭,发动机的可靠性是75%,也就是说,发射时可能有一台要出问题。我们可以搞备份,准备四台发动机,即使一台真的出了故障,备份的一台接替工作,可靠性百分之百。没法搞备份的怎么办?那就做到出了故障也能安全地工作。如果不允许出故障,即使每一个零件都从一亿个里挑出来,它们可靠了,也不一定能保证整枚火箭可靠。因为一亿百万个零件在一起,互相之间的机械性能、电磁性能之间是不是协调,电磁性能和机械性能之间是不是匹配,都会影响到火箭的可靠性。再退一步,如果每个零件都可靠,性能也匹配了,但是搞火箭的人有十万、二十万,人因因素也很重要,20万人在很长时间的工作中,如果哪一个人有一点点小的疏忽,比如落下一个小螺钉,哪个螺丝少拧半圈等等,都会造成失败。

三、“以人为本”,团队精神。

我们主张和平利用外部层空间,反对太空军事化,航天事业应为人类谋福利。这就是“以人为本”。还有,从“神6”发射、飞行和返回的实况播报中我们看到,处处都是为了航天员的安全,这也是“以人为本”。

以人为本不是突出个人主义,搞航天的就是要搞团队精神。载人航天工程有几十万人参加,大家都各行其是能行吗?整个载人航天包括七大系统,哪一个系统不协调、不配合,能行吗?一定要讲究团队精神。航天员在太空,团队精神更重要,两个航天员能不能共事,这是非常非常重要的,所以选拔航天员的重要条件就是能跟同事很好地共事。将来的宇宙航行更是这样,宇宙飞船几百人、几千人,航程几百年、几千年,如果没有团队精神,你争我夺,很快就会将“从哪里来,到哪里去”这个根本问题丢在脑后了。

现在讲第四个问题,丰厚的回报——航天事业有什么用?

布劳恩第二次世界大战末期到了美国,1953年他搞了一个“火星计划”,一些国会议员说风凉话,问“这有什么用?”布劳恩回答说:“一个初生的婴儿有什么用?”这个话不是布劳恩本人说的,他是引用别人的话。搞电学实验的英国人法拉第,1831年他请英国当时的首相狄里烈看他的试验,首相很不理解地说,“这有什么用?”法拉第就回答说:“一个初生的婴儿有什么用”。这个话非常确切,现在我们能离开电吗?

大家都知道齐奥尔科夫斯基的一句名言:“地球是人类的摇篮,但是人类不会永远生活在摇篮里,开始她将小心翼翼地穿出地球大气层,然后征服整个太阳系。”前半句是优美的文学比拟,但我要强调后半句,“开始将小心翼翼地穿出地球大气层,然后征服整个太阳系”,这很有科学内涵。

从这两个人的名言中,我们可以领会到航天活动是有丰厚的回报的。我说三点。

一、人类生活的依托。根据这两个人的名言,我打一个比方,现在的航天活动还是在修路、筑路,就好像修青藏铁路;然后是用路,路修起来了,用处大的很。我们现在这条路刚刚修出地球大气层一点点,路还不够宽,还不够长,将来要修的更宽、更长,修出太阳系、银河系。在即使现在的路还不够宽、不够长的情况下,我们的日常生活已经离不开它了,从早到晚,衣食住行、工作、学习、娱乐,甚至生老病死,仔细地回会一下,哪样离得开航天技术?如果没有航天科技,人类的生活质量要倒退3040年。在坐的多数人没有这个年龄,但可以去问长辈,那个时候我们的生活质量是什么样的?这里仅从我国返回式卫星搭载农作物、花卉、药材种子就可看到,它关系到我们的菜篮子、米袋子、花瓶子、药罐子。地球现在面临人口爆炸、资源枯竭、环境污染等危机,仅靠地球,老百姓有一句话,地球即使全身都是铁,又能打几颗钉?人类的未来要向太空要资源,要向太空发展。大家对外星生命和外星人很感兴趣,我也很感兴趣,现在人类的很多疾病,脑血栓、糖尿病、艾兹病、禽流感等等,怎么克服?怎么治根?病是怎么产生的,病理是什么?如果我们能找到外星生命,研究他们的DNA跟我们的DNA有什么差别,病根一下就找到了,找到病根就很好治了。哪怕是外星上的小草,对我们也大有帮助。如果找到外星生命做比较,搞肥料、防害虫更是不在话下,可以找到很好的农作物,很好的除草剂,很好的肥料,可以使粮食丰产。

二、人类心灵的依托。老百姓有句话叫“人心比天高”,人类的发展欲望是无穷的。人类的许多愿望都跟天联系在一起,宗教的天堂观、天人合一观,老百姓的听天由命观,都把心灵寄托在天上。青年人喜欢讲星座,对我来说,星座只不过是银河系里相邻的几颗恒。太小了,宇宙中有一千多亿个像银河系这样的星系。人类有一个特点,不断地开拓,敢于冒险。地球已经不够我们冒险的了,不够我们开拓的了,将来的太阳系也不够我们开拓,不够我们冒险,我们要冲出太阳系。可见,人类把心灵寄托在宇宙航天上。

三、科学发展的依托。科学的发展,从我们现在来说似乎已很高了,实际上宇宙中很多的未知事物我们都不清楚,需要我们继续探索。已有的理论,很多还需要验证,比如相对论、量子力学,我们用了,但是有些需要验证。但许多理论在地球上是无法验证的,需要到太空去验证。如速度效应、时空弯曲、宇宙大爆炸、宇宙膨胀、11维时空等等,对不对?地面上没法验证,还有黑洞、引力波、暗物质、暗能量,地外生命力有没有?有,在哪里,这些都需要航天去探索。未知的更是这样,宇宙到底是怎么诞生的?是怎么发展的?地球上的生命是从哪里来的?怎么起源的?在宇宙中有没有人类的知音?人类是怎么起源的?怎么发展的?我们现在说不清楚。总之,我们从哪里来?向哪里去?都要靠航天技术去探索。

这里举几个例子。如暗能量的问题,以前搞不清楚,现在航天器发射上去以后我们基本上开始理解什么叫暗能量,是哪里来的。宇宙的年龄到底有多大?我开始学宇宙学的时候,有的专家说宇宙年龄80亿岁,有的说200亿岁,有的说150亿岁。现在太空望远镜通过宇宙的加速膨胀,比较准确的搞清楚宇宙的年龄是137亿年,宇宙已经137亿岁了。还有太阳的寿命,太阳的寿命到底有多少?以前有说90亿岁,100亿岁,现在比较深入的探测已经搞清楚了,太阳的寿命可以增加10亿岁,可以达到110亿岁。现在太阳已50亿岁了,她还可以像现在一样存在60亿年。相对论说,地球围绕太阳转,地球的自转,会使时空扭曲,对不对?通过最近的探测,地球围绕太阳运转,确实把时空扭曲了,以前能知道吗?

如果要给我今天讲的取个题目,那就叫“艰难登天路,笑看宇宙花”。不过,对青年人来说,应该是“艰难登天路,笑摘宇宙花”。

谢谢大家!

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