载人航天前景

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　载人航天前景

　 摘要：

　航空航天技术是人类在认识自然、 改造自然的过程中, 发展最迅速、 对人类社会生活影响最大的科学技术领域之一。

　航空技术是高度综合的现代科学技术, 是衡量一个国家科学技术水平、 国防力量和综合国力的重要标志， 给人类生活带来巨大的便利。

　在新的世纪里， 世界政治、 经济、 科技和军事等各方面都在发生深刻的变化。

　科学技术发展日新月异， 知识经济悄然兴起， 载人航天活动方兴未艾， 而航天的未来总是最引人注目的， 航天站、 航天基地的建立与航天工业化、 商业化都将是最敏感、 最有前途的方向。

　关键词：

　航天站 航天工业化 航天商业化

　 正文: 从加加林首次乘飞船邀游太空至今， 载人航天事业已经经历了 34 个年头。

　人类终于冲破地心引力的禁锢， 把自己的活动范围扩大到地球之外的空间。

　现在， 载人航天技术已经开始在国民经济、 科学研究和军事的各个领域内得到广泛应用。

　人类的伟大就在于其不懈的探索和勇往直前的精神。

　科学家和学者们早已在积极地酝酿如何更大规模地进行空间开发和继续向更深的宇宙进军， 并勾画出一幅景象壮观的立体蓝图。

　航天站、 航天基地的建立与航天工业化、 商业化

　 人类征服宇宙的目的在于利用天上的独特环境为自己造福而建造各种专门的或综合性的大型航天站， 是达到这一目的的必要手段。

　航天工业化和航天商业化是载人航天活动的一种发展趋势. 未来的工业生产用航天站可以建造在地球轨道上、 月球轨道上、 月球表面上或其他行星上。

　生产加工用的原材料可以从地球上运去， 也可以就地取材， 开发空间能源和其他星体上的矿物资源。

　航天工厂的产品或半成品可以送回地球， 也可在天上直接用于装备或制造其他飞行器和设备。

　天上材料加工， 将是航天工业化的重要内容。

　初步的航天试验结果表明， 航天环境中几乎能有效地改善所有目前已知的重要材料的结构和性能， 而且能制造出地面上根本不可能制造的新材料。

　可以有把握地说， 这一新技术领域的出现将使材料科学进入一个新的发展阶段。

　失重条件下液体中对流消失的特殊现象和无容器悬浮熔炼工艺， 是对材料的结构、 品质和性能产生决定性影响的根本条件。

　天上材料加工尤其适合那些必须经熔化和凝固这一"液-固"状态转变过程才能制造的金属、 合金、 半导体、 化合物、 玻璃和各种晶体。

　目前国外企业家最感兴趣的天上产品是药物、 光学玻璃、 电子、 陶瓷和磁性材料。

　其原因一方面是这些材料在现代工业中所处的重要地位； 另一方面也是由于这些材料的进一步完善和提高遇到了难以克服的巨大障碍， 因此寄希望于航天工艺。

　而一系列的天上材料制备试验， 已获得了令人满意的、 预期的、 甚至是出乎意料的结果。

　目前许多企业在航天材料加工项目上纷纷投资涉足， 充分表明这是一个有利可图的领域。

　日本是一个很讲经济性的国家。

　日本政府认为， 天上生产将给日本提供一个经济发展的新机会。

　日本空间研究咨询委员会估计， 对日商来说， 到 1995 年前后， 空间生产将是一个 5 亿美元的新工业领域， 其规模相当于当今日本的无线电业和电机工业。

　另据资料分析预测， 2000 年前后有市场活力的空间产品可能是药物、 电子元件、 特殊玻璃和玻璃制品、 以及先进的合金。

　现在美国电子元器件的年销售量为 160 亿到 180 亿美元， 年增长率为 10%～15%。

　增长率的一半， 即 5%～7. 5%有可能来自空间。

　材料可能包括硅、 砷化镓和探测材料。

　美国空间政策中也曾对美国空间工业化和空间商业化的活动作出预测， 预计到 2000 年后， 美国空间民用项目的年度总收入可达 650 亿美元， 年度税收可达 130 亿美元。

　其中属于材料(半导体和玻璃) 加工项目的约占总收入的 1／ 4。

　历史经验证明， 一种新技术的应用常常导致一些新材料的出现， 而一种重要的新型材料的诞生， 常常又反过来引起相关技术的重大突破。

　半导体材料的应用引起电子学上的一次革命就是极好例证。

　航天材料加工的重要意义正是在于它可能引起材料科学的重大突破，生产出可导致相关技术根本变革的、 极有价值的新材料。

　因此有人预言：

　航天产品砷化镓有可能引起微电子学上的另一次革命， 而另一航天产品， 高质量的光导纤维， 则将为第三次工业革命， 即为信息革命铺平道路。

　所以说， 空间材料加工有可能对第三次工业革命带来深远影响。

　除了 天上加工生产外， 未来的永久性航天站内的实验舱和各种平台， 还将组成高功能的科学实验室和稳定、 连续的观测系统。

　整个系统可由轮换来站的航天员进行操纵和维修。由于航天员专家的亲自设计和直接参与， 实验和观测将是高水平的。

　对太阳系其他行星的探索将是今后相当一段时间内的重大科学活动。

　以航天站为基地，组装载人的和不载人的航天器。

　发射到其他行星或进行宇宙探测， 将具有很多优点。

　作为中转和维修站； 在航天站上可以完成大型结构的组装、 发射地球静止轨道平台或卫星等许多任务。

　天上太阳能发电站

　 考虑到地球上燃料资源的有限性、 热电站的大气污染问题越来越尖锐和大力发展核动力中(特别是在发生意外事故时) 产生污染环境的危险性， 研究通过轨道上太阳能发电站获取电能的可能性是合理的。

　这一前景规划已引起各国政府和企业家的浓厚兴趣和广泛重视。

　这种天上太阳能电站将位于静止轨道上。

　它包括收集太阳能并把太阳能转换成电能的设备、 把电能转换成低密度微波辐射并通过强定向天线向地球发射能量的设备、 把能量收集器对准太阳和把发射天线对准地面预定点的定向设备。

　无线电辐射到地面顶定点并被接收后再转变成电能。

　计算表明， 这种天上发电站重 10 万 t。

　太阳电池板的面积有几十甚至上百平方千米， 而发射天线的直径约达 1000m。

　从这些数字可清楚地看到， 要建造这样的发电站； 尚存在着巨大的困难。

　在这里， 向轨道上运送载荷的费用、 在轨道上装配发电站及其半成品的价值等问题， 均具有重大的意义。

　要把一个总接收功率为 1000GW 的发电站设备和部件送上轨道， 需要像现用的航天飞机飞行 50 万次。

　如果预定 25～50 年完成运输，那么在一年之中就要完成 10000～20000 次发射。

　很显然， 要建造轨道太阳能发电站， 必须研制更先进的运输工具和运载系统。

　它们须能在一次飞行中把 200～400t 重的载荷运上轨道， 而且费用是用航天飞机运送的 1／ 10～l／ 20 倍。

　尽管存在困难， 但是在天上建造这种高收益的太阳能航天站， 无论从理论上还是从技术上都是可行的。

　建立在地球同步轨道上的太阳能发电站， 可以昼夜收集阳光。

　它所提供的能量在所有时间的 99%以上都可以被利用， 因而解决了以地面为基地的能量收集系统的夜间储能问题。

　天上太阳能电力是一种清洁、 安全而又取之不尽、 用之不竭的新能源。

　为了 加速建立空间电力系统， 美国将把它列入国家发展项目。

　预计在 2000 年之后可望建成 100 座这样的天上电站， 其发电量将占地球总发电量的 40%。

　很可能， 未来在天上进行太阳能发电， 是人类获取能量、 摆脱能源危机的主要途径。

　太空城堡和宇宙移民

　 除了 能源危机之外， 当今全球还面临着一系列其他重大问题， 例如物种灭绝； 沙漠化和土质退化； 气候异常(如非洲大面积连年干旱、 北极罕见的暴风雪以及厄尔尼诺现象所牵连的全球海洋和气候异常) ； 平流层臭氧减少； 在南极和北极陆续出现臭氧空洞； 工业化以来大量大石化燃料的使用所产生的二氧化碳持续增加， 有可能导致全球气候变暖； 波及西欧、 北美的大面积酸雨对生态危害， 以及对空气、 水源、 土壤、 环境的污染； 大面积的热带林的采伐导致气候和生态的变化； 人口增长过快可能导致的人口爆炸人满为患危机等等。

　人类解决上述危机的出路不外乎两条：

　一条是加强治理， 如保护环境、 计划生育； 另一条是去茫茫宇宙寻找和开辟新的生存天地。

　关于在天上建立可供人们长期生活的地外别墅、 基地、 居民区或殖民点的想法， 作为科幻小说的题材， 早就出现了 。

　随着航天事业的迅速发展， 这种想法已从空泛的科学幻想阶段进入具体可行方案的探讨研究阶段。

　科学家们设计的天上城堡的结构和形状方案是多种多样的， 有圆环形的、 多角形的、 哑铃形的、 面包形的、 圆筒形的等等。

　有关文献中讨论得最多的是哑铃形和车轮形方案。

　前者是两个大舱， 中间通过一个过渡管道连在一起. 车轮形的航天结构可以围绕着自己的轴旋转， 每分钟旋转一圈。

　这样所产生的离心力相当于地球上的重力， 从而可抵消失重的不良生理效应。

　一种圆筒形的天上城堡， 长 32km， 直径 6· 4km， 可居面积 1300 平方公里， 可容纳几百万人居住。

　另一种更大型的城堡长 121km， 直径 24km， 居住面积达 18000 平方公里， 可供1000 万人口在其内居住。

　这类城堡内不仅有充足的阳光、 空气、 森林、 湖泊， 而且还有商店、 学校、 医院、 公园、 剧院、 体育馆、 游乐园。

　上述天上城堡是一个密闭式的生态系统， 完全实行自给自足。

　系统内不仅能提供居民所需的食物， 而且还能进行废物处理和通过光合作用产生氧气。

　城堡内农场的温度和阳光照度都可以控制。

　农作物的栽培不需要土壤， 它们生长在聚苯乙烯泡沫板上， 根悬浮在泡沫板的下面， 用营养液来浇灌。

　植物的茎、 叶、 根用来喂山羊和兔子。

　厨房里剩余的废物可用来养鸡， 从而使这里的居民获得必要的羊奶、 兔肉、 鸡蛋等动物蛋白食品。

　合计起来， 农场的产出可保证每人每天 12558J的热量。

　除了农场外， 城市还有生产加工特殊材料的工厂、 专用实验室。

　总之， 这里不仅有完善的生活和工作设施， 又有山水花草等类似地面自然风光和四季、 昼夜循环交替的环境条件。

　除了 人工建立密闭式生态系统外， 随着航天技术的不断发展， 人类还将通过改造太阳系内火星、 金星、 木星、 土星、 月球、 乃至太阳系外银河等星系内星体上的恶劣环境， 使之适合人类生存， 以实现大规模的宇宙移民。

　例如， 科学家们曾设想， 通过核爆炸的方法加快金星的旋转速度， 产生强大磁场， 从而减少太阳辐射并降低表面温度， 然后再采用生物工程方法产生具有强抵抗力的藻类或微生物， 让其在金星上繁殖， 增加氧气， 减少二氧化碳， 形成类似地球空气组成那样的大气环境。

　可以说， 随着航天技术的不断发展， 采用上

　述类似方法及其他方法， 人类为自身开辟新的生存天地的前景是无止境的， 人类在地球上所面临的各种危机也将被有效地战胜。

　航天运输系统的建立

　 目前使用的最先进的载人航天运载工具是航天飞机。

　美国航空航天局已经开始着手研究的第二代航天飞机是单机到达轨道， 使用液氧和液氢作推进剂。

　其货舱长 18 点 3 米， 宽四点七五米， 最大载荷 29. 5t。

　航天飞机的另一设计方案是净重 201t， 起飞质量 1900t，翼展 60m， 飞机全长 61. 2m。

　供选择的第二代航天飞机设计方案有三种：

　①垂直起飞， 水平降落； ②水平起飞， 水平降落， 用火箭滑橇协助发射； ③水平起飞， 水平降落， 能在空中重新加油。

　经反复比较后将选择性能较好又较经济的方案进行研制。

　轨道间拖船可大大延伸航天运输系统的能力。

　它可以在近地轨道和地球同步轨道之间及近地轨道与月球轨道之间飞行。

　因为使用的动力原料不同又可分为两种：

　①化学燃料为动力的小型轨道飞机， 能运送较轻的载荷， 可在轨道上重新添加燃料， 以维持继续飞行； ②核动力轨道飞机， 装有 340kN 推力的核火箭发动机， 能把大型载荷(如整个航天站的舱) 运送到地球同步轨道或月球轨道上。

　有一种轨道间拖船的设计方案， 其长 9m， 起飞质量 23t， 可将 900kg 的有效载荷从低轨道拖往高轨道(高轨道为 36000km) 并自己重新返回到低轨道， 或将

　 1. 5～2. 5t 重的有效载荷送上星际轨道(如送上飞往木星的轨道) 。

　在后一种情况下拖船已不能再重复使用。

　还有一种拖船方案， 由两级组成， 长 19m， 起飞质量 46t。

　有效载荷分别为

　 3. 4t 和 6t。

　在这一方案中将有效载荷送上星际轨道时， 只有第二级能再重复使用。

　"宇宙快艇"或叫"宇宙的士"是一种非常简便的、 专用在轨道间运送航天员的客运工具， 上面装有轨道飞行和机动用的发动机和定向仪。

　为了 使星际间的考察飞行更加经济， 有人提出发展太阳帆船的设想。

　这种深宇宙太阳帆船式探测器可用航天飞机送入近地轨道。

　入轨后它便不再需要任何动力装置， 也不需要燃料， 而是通过作用于船帆(由轻金属框架和镀铝塑料薄膜制成) 上的太阳光压力为动力， 不断加大其速度来实现太阳系星际间的考察飞行。

　为了 实现星际间的载人飞行(如去金星和火星的载人飞行) ， 需解决的重大问题主要是减轻现有飞行器自身的质量， 缩短飞行时间以及提高向太阳系深宇宙挺进的能力。

　这些问题的解决还有赖于未来的核火箭发动机和电火箭发动机的发展。

　航天运输系统的不断发展不仅将为积极频繁的航天活动创造便利条件， 而且将为地球上的远距离、 极高速度的旅行提供可能性。

　现在已经设计出来数种既可进行地球一轨道一地球间的飞行， 又能进行地球上洲际飞行的、 可重复使用的航空航天飞行器。

　因为发展空间立体交通不会出现拥挤和堵塞现象， 所以人们可以在一瞬间到达世界任何一处地方。

　结论：

　纵览航天的发展历程， 我们清晰的看到航天工业化和航天商业化是载人航天活动的一种发展趋势, 它给...