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2023-01-31
中國航天這十年：空間科學項目大發(fā)展
更新時間：2022-10-11 08:09:34作者：智慧百科
【采訪/觀察者網(wǎng) 李澤西】
北京時間2022年10月9日7時43分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丁運載火箭，成功將先進天基太陽天文臺衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。同日，空間站夢天實驗艙按計劃完成了推進劑加注。此前，據(jù)中國航天科技集團9月宣布，我國已首次實現(xiàn)了液體火箭動力的重復使用。
就中國航天取得的一系列進展，航天專欄撰稿人，英文電子雜志“Go Taikonauts”創(chuàng)辦人之一陳藍近日接受了觀察者網(wǎng)專訪，討論了中國航天進展的意義，趕超國外航天水平的歷程，以及人類如何、為何將逐步移民太空。
以下為專訪實錄：
觀察者網(wǎng)：9 日，我國發(fā)射了我國發(fā)射了先進天基太陽天文臺，又名為“夸父一號”?？煞窠榻B一下，這個衛(wèi)星是干什么的？
陳藍：這是個太陽觀測衛(wèi)星，按照設(shè)計者的介紹，主要觀測“一磁兩暴，一磁指太陽全日面矢量磁層，兩暴一個是耀斑，一個是日冕，它們有時候會突然噴發(fā)。這個對地球周圍的環(huán)境，主要對航天器和空間天氣造成比較大的影響，特別是空間站載人飛行，因此預(yù)測這個很重要。這是國際上首次同時觀察“一磁兩暴”，我覺得這是一個突破。
先進天基太陽天文臺衛(wèi)星效果圖（圖源：央視新聞）
中國的天文衛(wèi)星，或者更為廣泛的空間科學的衛(wèi)星項目，其實是在最近這十年才得到比較大的發(fā)展。1976年就曾提出過“天文一號”的觀測太陽衛(wèi)星項目，但當時經(jīng)濟發(fā)展和國防需求更重要，空間科學沒有提到很高的優(yōu)先級，所以這個項目夭折了。
但是，“天文一號”的科學家為了發(fā)展中國天文衛(wèi)星一直是孜孜不倦的。太陽觀察在上世紀90年代末，也出現(xiàn)了很多的設(shè)想，比如1米口徑的太陽望遠鏡；如果這個望遠鏡當時就能發(fā)射的話，那會非常先進，但可惜也夭折了。還有就是這顆衛(wèi)星的前身：中法兩國曾經(jīng)探討過發(fā)射一顆同時觀察耀斑和日冕的衛(wèi)星，但是沒有進行下去，直到2011年中國正式啟動“空間科學先導專項”計劃。其中第一批的4顆衛(wèi)星都比較順利的發(fā)射了，最近5年開始發(fā)射第二批衛(wèi)星，包括“夸父一號”。我覺得這十年來的發(fā)展是比較順利的。
“夸父一號”具有一定的先進性，但是因起步比較晚，我覺得跟國際先進水平相比還是有一定的差距。特別是國外，歐洲航天局的太陽和太陽圈探測器“SOHO”、美國航天局的太陽動力學天文臺“SDO”等都發(fā)射得很早，它們觀察的時間、空間分辨率都非常高。
其中，歐洲航天局的太陽和太陽圈探測器“SOHO”，它位于拉格朗日1點軌道，這個軌道對太陽的觀察持續(xù)時間更長，受地球的影響更少（觀察者網(wǎng)注：拉格朗日1點位于地球和太陽之間，一邊受更大的太陽的引力，另一邊受更近的地球引力，加上其繞日軌道運行速度，可取得暫時的受力平衡，允許該區(qū)域的衛(wèi)星較長時期相對地球處于同一位置，便于其同時與地球通訊；嫦娥五號軌道器采取類似的軌道；詳見下圖）。
NASA制作的“SOHO”軌跡效果動圖（不按比例，衛(wèi)星應(yīng)離地球更近）
我覺得中國在這方面還有很大的空間去拓展，我們也不能把這顆衛(wèi)星看作是一個非常大的突破，不過這是一個很好的起步，今后我們可能還會有更多的、更先進的衛(wèi)星發(fā)射來縮小差距。
觀察者網(wǎng)：“夸父一號”獲取的信息和科研成果對于普通人有什么意義？比如說，對于我們理解和應(yīng)對太陽風暴具體有什么幫助？
陳藍：直接相關(guān)的就是太陽風暴對衛(wèi)星通訊有一定的影響。當特別大的太陽風暴來臨時，地面有些通訊也會受到一定的影響。
另外，我們還沒有重視的一點，就是太陽風暴來臨的時候，來自太空的輻射強度會增加，對人的健康有一定的影響。當然，這個有一定爭議，但比如民航機在飛行過程當中受的輻射會比地面更多。如果有一個準確的“空間天氣預(yù)報”的話，對我們的出行也有一定的幫助，可以避免在那幾天旅行。
太陽風暴效果圖
更多相關(guān)的是跟日常生活無關(guān)的科學和經(jīng)濟運作，比如說國防通訊。如果有比較準確的“太陽天氣預(yù)報”的話，那么我們可能可以對行動計劃進行一些預(yù)判和事先應(yīng)對。
觀察者網(wǎng)：各國航天所實現(xiàn)的“高大上”的成果，對于我們普通人來說有什么意義，還是商業(yè)和國防意義更大？
陳藍：第一方面，對我們生活有直接影響的，比如導航，現(xiàn)在衛(wèi)星導航是我們每個人生活中必不可少的。
我們雖然平時感受不到衛(wèi)星通訊，但比如越洋電話其實已經(jīng)部分通過衛(wèi)星進行。像星鏈這樣的項目我們也在開展，一旦成功，我們的互聯(lián)網(wǎng)將來也可以通過衛(wèi)星接入，這樣的話在沒有網(wǎng)絡(luò)的偏遠地區(qū)和海上都可以上網(wǎng)。
另一方面，對我們生活有間接影響的，比如天氣預(yù)報，就極大程度依賴衛(wèi)星云圖?，F(xiàn)在的氣象預(yù)報很多是數(shù)值預(yù)報，都是用超級計算機進行計算的，而它的原始數(shù)據(jù)也是通過衛(wèi)星探測獲取的。還有衛(wèi)星遙感照片、地圖等，方方面面都影響到我們。
觀察者網(wǎng)：“夸父一號”發(fā)射對于中國航天的意義到底有多大，后續(xù)還會發(fā)射什么樣的衛(wèi)星？跟國外的水平相比的話，中國航天大概還有多大的差距？
陳藍：我覺得“夸父一號”本身的意義其實應(yīng)該從中科院的空間科學先導專項的角度來看：這一批衛(wèi)星大大提高了中國的空間科學發(fā)展水平。當然還是有差距，但是我覺得我們已經(jīng)跨了一大步了。
接下來，空間科學先導專項還有后續(xù)的衛(wèi)星，包括愛因斯坦探針衛(wèi)星，跟歐洲航天局合作的太陽風－磁層相互作用全景成像衛(wèi)星“SMILE”等。除了中科院空間科學先導專項之外，在天文方面，中國空間站所配套的共軌巡天號空間望遠鏡又將是一個巨大的飛躍，因為它是一個兩米口徑的大型望遠鏡，可以跟哈勃空間望遠鏡相媲美。
中國空間站望遠鏡藝術(shù)構(gòu)想圖（圖源：新華網(wǎng)）
如果巡天號空間望遠鏡能夠順利發(fā)射的話，那我覺得在天文觀察方面，我們跟世界最領(lǐng)先的技術(shù)已經(jīng)很接近了。當然，它跟韋伯空間望遠鏡還有一些差距，但是某些單項也是超過韋伯的。
觀察者網(wǎng)：巡天號空間望遠鏡現(xiàn)在大概進展到哪一步了？
陳藍：應(yīng)該到最后階段了，本來計劃是2024年發(fā)射，現(xiàn)在有望明年就可以發(fā)射。巡天號空間望遠鏡的發(fā)射其實是一個巨大的進步，當然單個航天器，還不能全面代表中國的水準。剛才說的空間科學先導專項里面還有一些衛(wèi)星，包括規(guī)劃中的三期、四期，加在一起才能提高中國空間科學的整體水平。巡天號空間望遠鏡可能是其中最重要的一個項目。
觀察者網(wǎng)：除此之外，中國航天最近也在各方面取得飛速的發(fā)展?？煞翊蟾沤榻B一下，您認為對于發(fā)展中國航天意義最大的一些進展？
陳藍：今天看到夢天艙加注的新聞。中國空間站馬上就要建成了。這是中國航天的一個重要里程碑。它的意義在于，載人飛行技術(shù)是未來人類走出地球建立多星球文明的基礎(chǔ)。作為大國，我們必須建立這個能力，才能保證中國未來在太空的領(lǐng)先地位。
不過，我認為我們這幾年在運載工具方面的進展意義更大。運載工具其實是整個航天發(fā)展的基礎(chǔ)。如果說沒有一個發(fā)射能力很強，價格又很便宜的運載體系的話，那么很多航天項目都無法支持。在這方面，你可以看到中國有很多的項目正在進行，這些項目可能在今后幾年內(nèi)徹底改變中國航天運載工具方面的現(xiàn)狀。
目前來說我們其實還是滯后的。雖然說長征五號、長征七號、海南文昌航天發(fā)射場等已經(jīng)比過去提高了一大步，但是在可重復使用火箭方面，我們還是落后于美國馬斯克旗下的“SpaceX”，而在航天動力方面，我們以前一直依賴比較陳舊的技術(shù)。
長征五號前幾年發(fā)射成功之后，我們在液氧煤油發(fā)動機和液氫液氧發(fā)動機這兩方面都取得了一定進展，但是離大規(guī)模降低成本和重復使用還是有些差距。
目前在發(fā)展的項目當中，有很多是液氧甲烷發(fā)動機，這些發(fā)動機更適合于重復使用，因為它們不會有太多的積炭。這也是國外發(fā)展的一個重點，不過在這方面我們其實比較先進，這里面也有民營企業(yè)的參與，比如藍箭，在今年內(nèi)它的“朱雀2號”就可能發(fā)射。
朱雀2號（圖源：藍箭）
美國還有兩種火箭將采用甲烷發(fā)動機，一個是“SpaceX”的星艦，另一個就是比較小型的“人族”火箭。這三種火箭中，我覺得很有可能是中國的藍箭最先實現(xiàn)軌道發(fā)射。
另外，在更先進的兩級可重復使用的航天器，就是垂直起飛、水平降落的方式當中，中國也是領(lǐng)先的。它的第一級類似于航天飛機，但是不入軌，第二級有個一次性火箭。去年進行過兩次試射，亞軌道的運載器已經(jīng)試驗成功了，成功地實現(xiàn)了液體發(fā)動機的重復使用，即去年飛的那架飛行器今年重復飛，它的發(fā)動機也重復使用。我覺得這也是一個很大的突破，因為以前中國的液體發(fā)動機沒有真正在飛行當中重復使用過。
火箭動力部分重復使用運載器發(fā)射剖面（圖源：航天科技）
觀察者網(wǎng)：這對于中國航天的意義多大，是否將開啟中國航天“低價化”的大門？
陳藍：可以這么說。其實低價化或者說大規(guī)模降低成本的目標一直是航天界幾十年來追求的目標，但等到馬斯克的“SpaceX”獵鷹 9 號才取得突破；之前航天飛機的嘗試其實是失敗的。
中國現(xiàn)在在幾條線上同時并進，發(fā)展可復用的航天器。
第一方面就是跟隨馬斯克的路線，包括航天科技一院和八院的長征8號、長征6號。民營的也有很多在研究甲烷火箭的重復使用，基本上都是垂直起飛，垂直降落。
此外，剛才我說的航天科技的這個兩級可重復使用的系統(tǒng)，是水平著陸的，應(yīng)該說更先進一些。
更為先進的就是吸氣式的水平起降發(fā)射系統(tǒng)，那就是航天科工正在研究的“騰云”系統(tǒng)，按照計劃，2025年亞軌道試飛，2030年入軌試飛；如果能按期實現(xiàn)的話，那中國在這方面就取得了很大的突破。
中國重復使用運載器發(fā)展思路（圖源：科技導報）
不管采用的是哪條技術(shù)路線，只要實現(xiàn)重復使用，都能大幅降低發(fā)射成本，很多以前不可行的項目就會變得可行。比如空間太陽能電站，目前只有中國已經(jīng)真正進入到工程試驗階段，有一些空間能量傳輸?shù)脑囼炓呀?jīng)開始在地面實施，而國外基本還停留在論文和PPT的階段。不過，空間太陽能電站需要的發(fā)射重量遠超目前運載能力。所以，只有實現(xiàn)廉價航天發(fā)射，這樣的項目才有可能真正的落地。
一旦發(fā)射成本大幅降低之后，這將全方面改變?nèi)祟愡M入太空的前景，包括火星移民等，所有的夢想都有可能實現(xiàn)。所以運載工具的進一步發(fā)展，尤其是低價化和可重復使用是非常重要的。
中國最近幾年在深空探測和載人航天方面其實也取得了很大的進展。原先我們可能只能排在第三、第四。而現(xiàn)在，像深空探測，肯定可以排在第二，僅次于美國。在載人航天、空間站方面，我覺得我們跟俄羅斯的能力幾乎平起平坐了，我們有能力建造模塊化的空間站，從某種程度上已經(jīng)超越前蘇聯(lián)的“和平號”了；我個人認為，俄羅斯現(xiàn)在已經(jīng)沒有能力再建這樣的空間站了。
在深空探測方面，我們通過前往火星的“天問一號”，一次性成功測試軌道器、著落器和火星車，且沒有發(fā)生任何問題，我覺得是一個非常了不起的成就，因為每個國家前期探測火星都會碰到各種各樣的問題，只有中國是一次成功的。當然，2011年的時候，我們有一個小型火星探測器，因為搭載俄羅斯的火箭失敗，這個另當別論，不是我們的問題。
所以，我覺得中國深空探測的水平已經(jīng)很高了，后續(xù)包括木星、海王星、天王星、小行星等探測計劃都在規(guī)劃當中，未來十年中都能看到。如果這些項目全部成功的話，我覺得跟美國平起平坐也不是大話。最后，在國防方面我們進展也非常大，我們能夠達到的能力僅次于美國。
觀察者網(wǎng)：您剛才提到中國航天近年所不斷取得的進展，尤其是低價化，所提供的各種各樣的機會。那么，在這么多機會當中，中國近期專注的目標是什么？放眼更遠的未來，您希望中國航天朝著哪個目標、方向發(fā)展？
陳藍：我個人認為還是應(yīng)該不斷的降低運載工具的發(fā)射成本。因為，從更長的時間段來看的話，人類總是要走出地球的。第一步，就是我們的近地空間，然后可能是月球，再接下去可能火星。如果人類要大規(guī)模的進入太空，就必須建造太空城市，或者在月面上建立這樣的定居點。這需要將大量的物資材料運送到太空，上了規(guī)模成本才能降低。
這就需要一個非常低價的運載工具；將來太空城市建立起來之后，人員的往來和物資的補給也需要運載工具，所以只有把運載工具的成本幾何的降低，才能實現(xiàn)這樣的愿景。我希望能夠盡快加快這個進程，使得我們普通人也能進入太空。
我覺得太空旅游是一個潛力非常大的市場，從商業(yè)的角度來看也是成立的。一旦成本降低，需求就會指數(shù)增長。比如說，你現(xiàn)在進入太空軌道飛行可能要幾千萬美元，一年可能就幾個人有這樣的需求；如果價格下降一百倍，從幾千萬降到幾十萬美元，那全世界的需求可能是幾萬甚至幾十萬人；如果再進一步降到一次幾萬美元的話，那需求將是無可估量的。
所以，成本的降低跟將來的市場發(fā)展和規(guī)模擴展都是有關(guān)聯(lián)。如果能夠進入一個良性循環(huán)，價格的降低推動需求的增長，又進一步促進航天的大規(guī)模應(yīng)用，進一步降低成本，那我覺得航天事業(yè)的發(fā)展、人類進入太空的進程就會大大加快。
怎么樣啟動這個良性循環(huán)？我認為中國是有優(yōu)勢的，政府可以就像推動高鐵、新能源汽車一樣，出臺政策或者直接參與。比如，通過對空間太陽能電站投資，把循環(huán)帶起來，通過中國版的星鏈，發(fā)射幾萬顆衛(wèi)星的項目，把發(fā)射需求帶動起來。良性循環(huán)有可能就此建立起來，運載工具的供應(yīng)商就會有很大的動力投資研發(fā)，通過競爭進一步降低成本。
空間太陽能電站概念圖
觀察者網(wǎng)：您說到人類移居到太空，建立太空城市等，作為最核心的愿景。人類去太空干什么？我們?yōu)槭裁幢厝灰泼裉漳兀?/strong>
陳藍：這個問題有點哲學化了。我覺得有一個回答可能更容易理解，就是馬斯克所說的：建立一個多星球的文明，地球萬一發(fā)生災(zāi)變，那么人類就有一個去處。但就他提倡的一步到火星，我個人覺得還不如一步一步走出去，先在地球軌道建立一個太空城市，從我們的空間站開始，用太空旅游支撐，建立一個更大的空間站，慢慢到月球，再到火星。
當然，“地球發(fā)生災(zāi)變”可能有點遠，但是從近期來看，通過商業(yè)去推動可能更合適，而太空旅游其實就是一個非?，F(xiàn)實的市場。其實，你說一定要抱著什么長期目的，商業(yè)的目的都是很直接的、很短期的，有這樣的短期的需求，可以慢慢形成趨勢，跟“萬一地球發(fā)生災(zāi)變”的遠期需求結(jié)合起來。
一種太空城市的概念圖（圖源：CAA建筑事務(wù)所）
觀察者網(wǎng)：馬斯克的一個競爭對手貝索斯提出了另一個人類去太空的目的，就是太空無限的資源和空間，可以允許人類永遠可持續(xù)的發(fā)展。
陳藍：其實我覺得他跟馬斯克所說的是完全一致的；人類為什么要離開地球，災(zāi)變是一種情況，地球資源不夠用也是一種情況，在這個情況下人類需要更多的棲息地。兩者都是在地球不足以支撐人類的時候，我們就要利用地球之外的資源，這也是人類移往太空動力。
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