中国探火工程背后的西安力量

当我们仰望星空，很难不去猜测浩渺的宇宙中到底存在着什么不为人知的秘密。

在科幻作家阿瑟·克拉克的经典作品《2001，太空漫游》中，21世纪初的地球，近地空间的开发已经社会化和商业化，地球轨道上的太空城有飞向月球的定期航班飞船，还在月球建起了地下城。人类已经有能力组织向太阳系外围行星进行大规模载人航行，拥有由传统化学动力和核动力相结合的宇航推进系统。

然而对于当今世界的航天水平来说，显然与科幻小说的猜测相去甚远。

但正如液体火箭的发明者美国火箭专家戈达德所说“很难说有什么办不到的事，因为昨天的梦想可以变成今天的希望，也可以变成明天的现实。”

2021年上半年，中国航天的喜讯不断传来，继天和核心舱成功发射之后，我国对于火星探测的征程也迈出了重要一步，而科技的进步与科学家们也在不断刷新着我们普通人对于宇宙的认知。

上周六（6月15日），贞观“青科”社群线下分享沙龙在曲江创意谷晓书馆顺利举办。

在本期贞观TALK中，我们邀请到航天科技集团六院11所所长助理孙海雨，西安航空学院飞行器设计专业讲师、抖音及西瓜视频百万粉丝大V梁毅辰（抖音@苟胜老师），以“航天航空”作为关键词，同大家一起探讨发展航天技术的必要性以及人们关于宇宙的浪漫遐想。

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以下为本期讲座实录，有删节。

人类航空航天发展历程

主讲人：梁毅辰（抖音@苟胜老师）

人类航空历程

为什么人类会成为现在人们所说的“万物之灵”？就是因为我们从来不仅限着眼于眼前的这片土地。

“智人”们在人类文明发展的过程中不断通过自己的智慧去征服各种各样的地方，比如草原、山洞、陆地、海洋等等，而天空自然而然也成为了人们想要去探索与征服的地方之一。

1783年，有一对造纸厂老板的儿子——法国的蒙哥尔费兄弟，发现在火苗燃烧的时候，纸片会飞起来，于是他们就思考，这个燃烧所产生的东西是什么呢？这个东西是不是可以让人也飞起来？

后来兄弟二人用麻布和纸制成一个直径达10米的热空气气球，以燃烧湿稻草和碎羊毛产生的热空气充满气球，经过反复试验和改进，终于在1783年6月于昂纳内首次升空闻名于法国。

随后，他们获得了来自路易十六提供的科研基金和场地，同年11月21日，两名法国人F.P.罗齐埃和M.达尔朗德乘坐此种气球，在巴黎上空飘行25分钟，平安降落，这是人类第一次主动升空航行且安全的落回地面。

1903年，莱特兄弟发明了人类历史上第一架有动力的飞机，在北卡罗来纳州的一个沙滩上成功起飞。时至今日，美国两毛五分钱的那款硬币图案就是他们的这架飞行者一号飞机。

在这之后，随着尼尔阿姆斯特朗登月，全球航空技术的发展变得更加迅速，目前已呈爆炸式发展的态势了。

人类航天历程

那么接下来，我们看看人类航天技术的发展。

1903年，苏联科学家齐奥尔科夫斯基提出了一套航天理论，也就是我们所谓的火箭方程式。

在他的这套公式中提出，在火箭发射中，可以通过往后边扔东西的方式让火箭获得不断前进的速度。假如能够达到第一流的速度，或者说它的运转足够高速足够快的话，那我们就可以去尝试载人航天。

把这套设想变成现实的，是一位叫沃纳·冯·布劳恩的德国科学家。他领导设计了A4火箭，也就是后来的V-2导弹，这款导弹是人类第一枚大型弹道导弹，在那个飞机还停留在螺旋桨的时代，V-2导弹只用了6分钟，就从德国飞到了英国伦敦。

什么是弹道导弹？弹道导弹就是飞行轨迹。

关于飞行轨迹，牛顿在几百年前就已经有过这样的设想：假设我站在一座高山上，往前面扔一块石头，那这块石头是不是会掉到山脚下？加入我再使点劲儿，这个石头的行动轨迹会不会走的更远？

假设我再用力一点去抛石头，让它的速度达到7.9公里每秒，也许这条轨迹会把我们的地球包住，也就是说扔出去之后它会砸到我的后脑勺，这样的话那就相当于我没有扔过这个石头，它又回到了我的手里，那是不是会这样一直无限循环下去？

但实际情况是，地球上是有大气的，这块石头会不停的减速，那如何让它能够不减速呢？只要把它扔到更高的位置就可以了。

我们的大气层中有一条卡门线，这条线有100公里高。卡门线以下，大气相对比较稠密，我们的一些飞行器可以依靠大气去飞行，比如飞机或者空间飞行器等等，但是一旦到达100公里以上的高度，大气中的空气就非常稀薄，以至于它所产生的气动力不足，而在卡门线之上，即使忽略空气密度，在任意给定高度也足以维持高度不变的特性。

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所以当卫星飞行到500公里到这个高度的时候，它就可以绕着地球不断转圈了，这就是为什么卫星不会掉下来的原因，因为它的速度足够快，这条飞行轨迹相当于一个抛物线，而这个抛物线可以把地球整个包住。

有了这个原理之后，太空竞赛就开始了。

继苏联和美国成功发射地球人造卫星之后，我国也开启了“两弹一星”计划，如果我们能把卫星发射到地球的轨道上，那也就意味着我们能够把导弹扔到足够远的地方，所以说我国的“两弹一星”是国防项目，意义重大。

在解决了把卫星送上天的问题，接下来就该解决如何把人类送上天了。在这之前，人类用哺乳动物做了一些实验，比如我们所熟知的苏联的“尼克”流浪狗、美国的那几只小猴子等等。

在经历了哺乳动物成功进入太空之后，苏联航天第一人加加林乘坐东方号飞船绕地球轨道飞行一周，美国宇航员艾伦·谢泼德也进入了亚轨道飞行。

什么叫亚轨道？就是说他只是飞上去，再自由落地落下来，但他的飞行高度已经超过了我们刚才讲到的卡门线，也相当于进行了一次航天飞行。

中国航天——上得去、抓得住、看得见、听得到

在1969年阿波罗登月之后，1970年，中国航天终于开始起步，我们成功发射了第一颗人造地球卫星——东方红一号，实现了中国航天“上得去”目标。

同时，在当时弹道导弹技术已经相对比较成熟了，可以通过卫星建立与地面的联系，但卫星是绕地球转动的，它只有一段时间会在我们国家境内，所以至少在我国境内的时候，我们就需要抓住它，跟踪它，跟它建立通讯，进行观测。

当时为了发射东方红一号卫星，除过国内，我们也在海外建立了一些观测站，比如圣地亚哥，澳大利亚，巴基斯坦等都有我们的卫星观测站。

同时，我们还有远望号测控船飘在大洋上，对卫星进行捕获和测控。

在解决了抓得住这个问题，我们还要实现“看得见”。

但卫星其实并没有多大，正常来说就是一个球的大小。这样的一个“球”在轨道上走的时候，如果亮度不够，是看不到的，所以我们需要一个更大的类似“反光球”去照亮它，一直跟着卫星跑。

所以如果大家在夜晚能够肉眼可见某个物体在动的话，那么这个东西多数是人造航天器，比如说空间站等等。

同时，为了实现“听得到”，我们的东方红卫星需要通过卫星短波信号接收地面信号，当接收到曲子的信号之后，再转发到我们普通收音机上，所以当时我们拧开收音机就可以听到东方红这首歌。

现在再回头来看，我们中国航天当时的四大目的早已达成，但对于每一位航天人来说，这四项是走的十分艰辛的。

中国载人航天

再往后，我国就进入了相对比较稳妥，同时步子又很大的一个阶段——载人航天。

80年代，我们提出了863计划，但真正的载人航天立项是叫921工程，在这之后，宇航员杨利伟于2003年成功登入太空，成为我们中国的航天第一人，2005年，神舟六号成功发射，2008年，神舟七号宇航员出舱。

当时我印象非常深刻的是，当时我在上大二，我们全院学生坐在一个大教室里看宇航员出舱行走，每个人都激动地热泪盈眶。

因为出舱行走意味着我们将来是可以发展出空间站的，假如我们空间站出现了什么问题的话，必须要有出舱行走的这项技术，才有可能去修复和维护的。所以项技术也是我们未来的空间站、载人登月等的一个先决条件。

再后来，我们的交会对接技术也更加趋于成熟，比如神舟十一号宇航员可以在目标飞行器空间站生活3年，而我们在拥有了可以让宇航员独自在空间站生活这项技术之后，从2021年开始，也着手建设了中国自己的空间站。

同时，我们的祝融号火星车也成为了世界上第二个成功把火星车送到火星并且与其成功持续保持联络的国家，接下来，我们的登月计划也十分值得期待。

目前，火箭发动机一直都是非常重要的一个技术难点，包括很多朋友可能都会想知道，美国60年代的时候就有土星五号了，中国会不会有比土星五号更大的火箭？未来如果中国登月计划开启的话，要用什么样的火箭？

除了探火探月之外，我们是否还会去探测别的星球？接下来就有请孙老师为大家进行分享。

为什么要发展航天技术？

主讲人：孙海雨

（航天科技集团六院11所科技处处长、

11所学术技术带头人）

中国的太空探索

太空是我们发展的一个重要方向。

我们国家实际上探月起步比较晚，始于上世纪九十年代，但六战六捷，而且未延期、未超预算，成就有目共睹，表明了中国特色社会主义制度和体系的优势。当然我们起步比较晚，也具有后发优势，美国、苏联的探月经验和教训可以供我们借鉴和参考。我国探月工程的成功让我们对月球的认知有了质的飞跃，也让中国成为了世界航天舞台上不可或缺的角色。

火星探测方面，人类一共向火星发射了四十七个探测器，成功了26次，失败了21次，在这26次的成功经验中，美国以24次遥遥领先，俄罗斯成功了1次，但探测器落地就失效了，因此中国也成为了世界上第二个让火星车成功着陆并且保持正常探测及联络的国家。

其实对于探测火星来说，最难的地方在于“黑色七分钟”，就是当探测器在火星的着陆过程中，有大概七分钟是完全没有信号的，原因是摩擦高温使空气电离屏蔽了电子信号，导致我们没有办法控制飞船和下达指令信号，所以只能靠我们之前预设的一些程序去控制。

所以当时天问一号虽然发射之后被火星轨道捕获并绕火成功了，但我们探火工程的同志们面临着巨大的心理压力，大家就在想会不会在着陆的时候出问题？当然正如大家所见，我们最终的结果是十分成功的。

目前来讲，咱们中国航天发展所制定的目标还是非常实际的，从探月到探火，在之后也许会有探测别的地外天体的计划等等，中国都是根据实际情况一步一步脚踏实地的去做规划。

其实世界上的各个国家都在往航天方向努力，但许多国家并没有这个能力，因为这些国家没有大火箭，只能搭载别人的运载器，而没有大火箭的话，就到不了那么远的地方，控制再好也是没有办法的。所以我国在大型火箭及火箭发动机的研制上也是不遗余力的。

我国液体动力及火箭发动机

接下来我想给大家介绍一下火箭发动机，这是我的老本行。

火箭发动机的特点就是所有燃料都是自己带的，它不需要空气，不同于飞行发动机。

所以火箭发动机的燃烧效率是很高的，靠排出高温高速燃气来获得推力，固体或液体推进剂（由氧化剂和燃料组成）在燃烧室中高压（最高可达两百多个大气压）燃烧产生燃气。

学理科的朋友应该都知道，火箭发动机就是利用冲量原理，里边儿高压高温燃烧，将推进剂贮箱或运载工具内的反应物（推进剂）变成高速射流，超音速喷出，然后形成反作用力把它推出去。发动机压力越高，它的燃烧越充分。

对比来说，汽车发动机的燃烧效率最高可达40%，飞机发动机燃烧效率最高可达60%，但火箭发动机燃烧效率基本上都可达到90%以上。

我国有几款比较典型的发动机：长征二号、三号、四号系列运载火箭的基础级发动机，被誉为金牌发动机，每年承担的运载火箭发射量大概在三四十发。

新一代运载火箭的发动机，我们用的是液氧煤油发动机和氢氧化剂低温发动机。目前这些发动机非常可靠，如果大家有时间有兴趣的话，可以去我们南山那个抱龙峪参观，基本上每周都有实验。

还有上面级发动机。在没有上面级之前，卫星变轨只能靠卫星自带的推进系统，这会严重缩短卫星寿命。有了上面级，就可以直接将卫星送到预定轨道。我们可以把火箭比喻成一辆公交车，上面级就是传送带，以前都是我们自己走回家，现在可以有传送带直接把我们送到家。

现在我们也在研制更多的一些新型发动机，这些发动机在未来会带给我们更多的惊喜，也会更加推进我国航天脚步的进程，大家可以保持关注与期待。

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对于中国航天的希冀

对于我们航天工作者来说，我认为中国航天肯定会走得更高、更远。

首先我们具有探索浩瀚宇宙的梦想，同时发展航天事业建设航天强国是我们的不懈追求。其次是因为国家需要，因为我国航天技术是依托于导弹技术的，核力量对于维护国家主权安全、维护国家独立自主尊严的作用是不可估量的，包括我们投入了这么多人力物力去建设空间站，以及我们的载人航天，探月探火等工程，这也是国家凝聚力的体现。最后，十九大报告中也提出要建设科技强国、质量强国、航天强国、网络强国，所以国家在十九大报告中已经把我们后边的工作都规划好了。

对于我们航天人来说，是对中国航天充满信心的。

谢谢大家，我的分享就到这里。

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Q:

大家好，我是一个零零后的初中生，非常喜欢航空航天这方面的时事热点，也对核动力这方面比较感兴趣，咱们现在这个航空航天技术能不能有一些小范围的试验性，能不能应用一些类似可控核聚变这一类的新技术来代替传统能源？就像固体和液体燃料对火箭的推进有没有一些更高效的帮助？

A:

这个问题很好，实际上你已经跟我们科学家或者跟我们工程师想到一块去了，我们正在进行这方面的研究。

核有两种，叫核热和核电。核热就是用核反应堆的能量来加热推进剂，形成高温高压的推进喷出去。核电就是用核来发电，电形成电磁场，然后加速喷出。但是目前所有的电能，包括化学能后端都能实现，最难的是前端。在核反应堆小型化关键技术没有攻克之前，是不会轻易上天的。但是我们后端可以验证，比如说我有电了，我们能不能产生那么大的推力？

整理 | 顾小珺