宇宙航天漫谈

时文卫

遨游太空，探索浩瀚的宇宙，是人类千百年来的美好梦想。1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出，如果物体的速度足够快，则可以绕地球飞行。随着科学技术的发展，航天技术逐步使人类走出地球，飞向天空，进入宇宙。

一、火箭技术

航天器要想飞上太空，就必须有足够的能量克服地球的万有引力，即将能量转化成物体的势能。根据机械能守恒定律，航天器在地球表面的动能转化成航天器在轨道飞行所具有的最小动能和所具有的引力势能。如果忽略发射过程中的空气阻力，可得到三个宇宙速度：第一宇宙速度指在地面上发射航天器，能沿着地球的圆形轨道运行的最小发射速度，即7.9km/s，第二宇宙速度是指在地面上发射航天器，能脱离地球引力场所需的最小发射速度，即11.2km/s，第三宇宙速度是指在地球表面发射航天器，不但要脱离地球的引力，还要脱离太阳的引力的最小发射速度，即16.7km/s，以上三个速度从理论上证明了人类飞上太空的可能性，而火箭的发明使理论变成了现实。

19世纪末20世纪初，苏联的齐奥尔科夫斯基在他的经典著作中，最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地心引力进入太空，他建立了火箭运动的基本数学方程，并首先提出使用液体推进火箭的倡议。他预测了现代火箭的真实结构，论述了关于液氢、液氮作为推进剂使用于火箭的可靠性，并设想用新的燃料（原子核分解的能量）来作为火箭的动力。

由于技术复杂，没有工业化批量生产，火箭的制造与发射一直是个极其昂贵的工程，造价动辄上亿乃至数亿美元。为了节省航天发射成本，20世纪美国和苏联在太空竞赛的背景下提出了发展可回收的航天飞机的方案，然而事实证明由于系统过于复杂、再利用成本极其高昂，航天飞机成为一个失败的科研项目。这种背景下，重复回收火箭成为更佳方案。

由于火箭绝大部分成本都在一级（比如猎鹰9号一级带有9个发动机，二级只有1个），以及从可行性方面考虑（二级及以上飞行距离过远过高回收几乎不可能），目前所有的火箭回收都针对一级火箭。

美国民营私人航天公司SpaceX在火箭回收领域走在了世界前列，其制造的蚱蜢（Grasshopper）系列火箭正如其名，基本上采用“跳跃”的方式发射，然后关闭发动机系统让火箭下落，以进行垂直状态下的火箭控制与回收。从2012年9月到2013年10月，SpaceX前后进行了8次试验，从最早的点火三秒高度1.8米，到点火80秒高度超过500米并有了横向机动，SpaceX获得了一系列重要试验数据，为未来成功奠定了重要基础。经过了多次失败，SpaceX决定采用陆地回收的策略并终于在2015年12月22日迎来了首次成功，猎鹰9号火箭在运送Orbcomm公司11颗通讯卫星进入轨道后，地面成功回收了返回的一级火箭，创造了人类太空史上当之无愧的第一。

二、人造卫星

卫星是指绕行星运动的天然天体，人造卫星是指由人类建造，通过运载工具，比如火箭、航天飞机等发射到太空中，能像卫星一样环绕地球或其他行星运行的航天装置。人造地球卫星的计划设想早在1945年就在美国出现。1957年，苏联发射的人卫1号是第一颗被正式送人轨道的人造卫星，数年后，各式各样用于科学研究的人造卫星被发射到环绕金星、火星和月球的轨道上，在近代通讯、地球资源探测，军事侦察和天气预报等方面已成为一种不可或缺的重要工具。

中国北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

北斗卫星导航系统的空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地

球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。目前，我国已发射北斗导航卫星23颗，正在实施北斗三号系统建设。根据系统建设总体规划，计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，建成覆蓋全球的北斗卫星导航系统，为全球用户提供服务。

三、载人航天

载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器在太空中从事各种探测、研究、试验、生产和军事应用的往返飞行活动，是航天技术发展的一个新阶段。其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和更深入地认识整个宇宙，并充分利用太空和载人航天器的特殊环境进行各种研究和试验活动，开发太空极其丰富的资源。

空间站是一种在近地轨道长时间运行、可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。中国计划于2020年左右建成自己的空间站，初期将建造三个舱段，包括一个核心舱和两个实验舱，基本构型为T字形，核心舱居中，实验舱I和实验舱n分别连接于两侧。有多个交会对接口，能实现多飞行器同时对接。中国空间站核心舱已于2016年底完成总装，目前进入整舱测试阶段，预计2018年发射升空。空间站建好后，中国将成为继俄罗斯之后，以一国之力独自完成空间站建设的国家，航天员在空间站驻留可达一年以上。空间站的正常运营，将促进中国空间科学研究进人世界先进行列，为人类文明发展进步作出贡献。endprint