解密载人航天器:热门载人航天器问题的答案清单
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为什么要进行载人航天?人类可以开发哪些太空资源?

开展载人航天活动不光是为了欣赏绚丽多彩的太空美景,更重要的是要进一步探索宇宙的奥秘,更好地开发太空的资源,从而为人类造福。

1 第四领域

人类一直在不断努力扩展自身的生存空间,其活动范围经历了从陆地到海洋,从海洋到大气层空间,再从大气层空间到太空的发展过程。人类活动范围的每一次扩展,都是一次伟大的飞跃,增强了人类认识和改造自然的能力,促进了生产力和社会的发展。

历史上,远洋航海技术的兴起,导致了世界贸易的发展、世界市场的开辟和近代科学的一系列成就,开始了一个“全球文明”的时代。当今载人航天技术的兴起,则使人类走出了“地球摇篮”而到达浩瀚无际的太空,开启了“太空文明”的新时代。在这个时代中,地球是人类生存之本和一切物质财富之源的断言已显过时,而宇宙空间以其无穷无尽的宝贵资源吸引着越来越多的人去开发和利用它。人类到太空遨游,到月面考察,这与征服海洋,到达大气层相比,时间更短、空间更广,因此,任何技术一旦与载人航天活动相结合,其功能和效率都能大大提高。

链接:距地面100千米以上的太空是继陆地、海洋和大气层空间之外人类的第四个生存环境,那里有取之不尽、用之不竭的宝贵资源。那里既有太阳能、地外星球矿藏等自然资源,又有因航天器飞行带来的轨道资源和微重力资源等衍生资源。开发它们对人类的发展具有重要意义。

2 能源宝库

仅从太阳系范围来说,在月球、火星和小行星等天体上,有丰富的矿产资源;在类木行星和彗星上,有丰富的氢能资源;在行星空间和行星际空间,有真空资源、辐射资源、大温差资源,那里的太阳能利用效率也比在地球上高得多。

太阳每秒将81万亿千瓦的热能送给地球,相当于现今全世界每秒发电量的数万倍,等于燃烧500万吨优质煤所产生的能量,因此,太阳是一个巨大、洁净的能源宝库。由于不受地球大气层的影响,在地球轨道上的太阳辐射密度是地面上的好几倍,所以在太空开发太阳能资源效率非常高。目前,一些国家已开始把建造空间太阳能电站作为一种新的战略选择。初步设想是:用空间太阳能电站先把太阳的光能高效率地转变成大功率的电能,再把电能通过微波或激光发往地面给用户使用。利用太阳能的另一种设想是建造“人造小月亮”,为城市和野外作业照明,增加高寒地区的无霜期,保证农业丰产、丰收。

太空中的宇宙辐射强度比地面大得多,并且是全谱段的。特别是宇宙高能重粒子,由于受大气阻尼和吸收,很难到达地面。这一资源是非常宝贵的,如众所周知的太空育种,就是利用空间宇宙射线、交变磁场和微重力等特殊的太空环境因素对种子和微生物施加影响,使农作物种子产生在地面环境中得不到的变异,最终筛选出有着优异变异性能的农作物新品种。

太空青椒(右)与普通青椒的比较

3 得天独厚

在200~500千米高的低轨道空间真空度为10-4帕,而在35800千米高的地球静止轨道上则是10-11帕的高真空度。太空中的高真空是地面人为的真空条件无法比拟的,十分有利于高纯度材料加工、蛋白质提取和特效药研制等。在太空环境中,由于高真空具有绝热的特性,所以物体被太阳直射的一面可达到100℃以上的高温,而背阴面则可保持-100℃以下的低温。两者之间形成了大温差,而且非常稳定。这一特殊资源有待今后进一步开发利用。

离地球最近的月球上有丰富的氧、硅、钛、锰和铝等元素,还有地球上稀缺的理想核聚变发电原料——氦-3,因此有望用它来化解地球上的能源危机,可以满足地球1万年以上的能源需求。月球上无大气,黑夜和低温时间长,是理想的科学研究和天文观测基地。

链接:金属型小行星上有丰富的铁、镍、铜等金属元素,有的还富含金、铂等贵金属和珍贵的稀土元素。彗星上有丰富的水冰。这些资源和月球上的资源既可供地球上使用,也能用于建设航天港和太空城。

4 派生而来

利用航天器的飞行,还可派生出轨道资源和微重力资源等。航天器问世后,科学家们首先想到的就是利用太空的轨道资源,因为站得高、看得远。站在珠穆朗玛峰上,能看到0.07%的地球表面;在距地面200千米高的轨道上,可以看到14%的地球表面;在距地面35786千米高的地球静止轨道上,则能观察到42%的地球表面。利用高远位置这一有利条件,可进行空间遥感、通信和导航等。在太空“制高点”上不仅可以观地,也能望天,在那里进行天文观测不受大气层影响,使全波段天文观测变得轻而易举。

载人航天器舱内,微重力环境使水珠借助附着力停留在植物的叶片上

航天器内的微重力环境是一种宝贵资源,人类用这种资源已进行了地面上难以实施的科学实验、新材料加工和药物制取等。因为在微重力条件下,气体和熔体的热对流消失,不同密度物质的分层和沉积消失,即密度不同的液体可以相容在一起。这对生产极纯的化学物质、生物制剂、特效药品,以及均匀的金属基质复合材料、玻璃和陶瓷等都很有用。由于无浮力,液滴更容易悬浮,冶炼金属时可以不使用容器,即采用悬浮冶炼,从而使冶炼温度可以不受容器耐温能力的限制,进行极高熔点金属的冶炼,避免容器壁的污染和非均匀成核结晶,从而改善合金的金相组织,提高金属的强度。

链接:微重力环境是指物体在引力环境中自由落体运动时,物体只受到引力的作用而处于失重状态,物体及物体内部均处于微重力环境中。航天器环绕地球进行圆周运动而产生微重力环境,是由于运动的惯性使其自由落体运动的轨迹成为环绕地球的圆周。

5 国力体现

载人航天是航天技术向更高阶段的发展,因为人在太空能完成复杂的开发工作,如进行多种科研、生产和军事活动;开展各种在轨服务,包括维修、升级航天器,更换部件和加注燃料。

从当今的技术水平和可以预见的未来来看,现在人类的资源枯竭、环境恶化、人口激增等几大问题,可以通过扩大人类生存空间来解决。有人已经提出:开发月球,引进资源;飞往火星,建造另一个“地球”。

在当代,发展载人航天也有很多重要作用,它可以体现一个国家的综合国力和提升其国际威望。因为发展载人航天需要依靠先进的技术水平、发达的工业基础和雄厚的经济实力。由于载人航天是人类最具挑战性的领域,技术复杂、投资巨大,所以至今世界上只有俄罗斯、美国和中国能独立进行载人航天活动。截至2022年,中国已先后把16名航天员送入太空,大大提高了中国的国际威望和国际地位,振奋了民族精神,增强了全民族的凝聚力。

6 带动科技

发展载人航天能带动科学技术的全面、快速发展。因为载人航天技术集中体现一个国家的现代科技在多个领域的发展水平,同时又给各个领域提出新的发展需求,从而促进科技发展。

人在载人航天器特殊条件下进行的许多学科研究能取得不少在地球上很难甚至根本无法获得的成果。我国空间站上有2个实验舱,科学家可在上面运用当代最先进的实验手段进行化学、生物学、物理学及其他学科的研究。

载人航天技术持续的开拓性和高度的综合性,决定了它的发展方向新颖,思路开阔,涉及学科、专业广泛,从而使它有高层次、多途径和全方位的渗透性,对各种技术领域的前沿研究都产生着深刻的影响,其“裂变反应”比比皆是。

发展载人航天还可促进太空资源的开发,为人类造福。航天事业发展的前期着重于高远位置资源的利用,各种人造卫星均利用高远位置资源有效地为人类社会服务,而在微重力等其他太空资源的利用上考虑得不多,因为其应用比较复杂,需要人的参与和先进的科学实验设备。载人航天主要是利用微重力资源及其他资源进行科学和技术实验,改善地面生产工艺,提供在地面重力环境中难以生产或不可能生产的产品,为人类创造新的财富。

载人航天的意义是巨大的,它无法用金钱衡量。21世纪的载人航天活动,将为人类历史的发展做出新的、更大的贡献。

在地面生长的胰岛素结晶不够大(左),或者纯净度及顺序不能满足研究人员的要求。在太空生长的胰岛素结晶品质高(右),研究人员从中可以获得胰岛素的生命形态,这对糖尿病患者获得更好的治疗具有重要意义

中国航天员在“天宫”空间站内工作