不可規避的距離

方玄昌

中國在航天方面的技術在世界上究竟處于怎樣一個地位?這是很多人都關心的問題。

對于這一問題，中科院院士歐陽自遠將中國比喻為“二鍋頭”第二梯隊的領頭人。他說，在國際探月領域。美國、俄羅斯是第一梯隊，中國、歐盟、日本是第二梯隊。

事實上，由于印度、日本等國家在這方面的技術更多處于保密狀態：人們很難估測其具體各方面技術所居的優劣勢——相對來說，代表目前世界航天技術最高水平的美國更“大方”一些，他們的很多太空計劃及其進展、未來具體步驟的規劃都是對全世界公開的。

火箭力量

把飛行器送入太空，火箭技術當然至關重要。

從上世紀50～60年代最初發射衛星的時候，科學家就發現火箭技術的很大一個難點是制造所用的材料問題。

火箭點火后，發動機燃料在很小的空間內燃燒，產生數百個以上的大氣壓和數千度的高溫，氣體以數倍于子彈出膛的速度噴出，整個火箭振動極為厲害。而進入太空之后，又要經受正負100多攝氏度的溫度變化。因此需要極耐高溫、耐高壓的材料(尤其是火箭噴口的材料)和高性能的燃料，才能讓火箭達到第一宇宙速度。

這牽扯到最尖端的幾項科研成果——設計要用到數學；燃料要用到化學；材料要牽扯到物理等幾個學科；防振動更多牽扯到工程和工藝，等等。由于涉及面太廣，所以才說航天力量是一個國家綜合實力的體現。

中國在航天材料方面，有一項是做得很不錯的：上世紀60年代，中國就生產出了“燒蝕材料”——即涂在航天器外面經受與大氣摩擦產生的高溫、以保護航天器主體的材料——沒有這種材料，航天器將無法返回地球。

一直到上世紀80年代，世界上還只有美國、俄羅斯和中國有這方面技術。

從推進力量和可靠性等因素比較，中國的火箭技術亦可一書，但與世界前沿相比依然有差距。舉例來說，美國送阿波羅上天的土星5型火箭，發射衛星至低軌道(一般為距地面幾百公里高度，比如神舟6號，大約為343公里左右)的最大重量是139噸；俄羅斯的能源號這一數據為105噸，歐空局的阿麗亞娜5號改進型火箭，發射衛星至高軌道(距地面36000公里左右)的最大重量是12噸，估計推進衛星至低軌道的最大重量可以達到數十噸。

相比之下，中國的長征2P型火箭，推進衛星至低軌道的最大重量是8～9噸(神舟6號是8噸左右)；中國正在研制中的大推力火箭，推進衛星至低軌道的最大重量將達是25噸。

能夠送人登陸月球的航天器當然要比神舟6號復雜得多。最早載人成功登陸月球的阿波羅11號，由指揮艙、服務艙、登月艙和登月艙外罩四部分組成，飛船總重量達到44.676噸。阿波羅起飛重量很大，另一個原因是它不但荷載能裝下三個人的飛船，還包括返回地球所需要的燃料。

未來再登月，人們已經開始考慮返回的燃料直接從月球獲取，但現在大家都還辦不到。不管怎樣，中國未來要實現載人登月，顯然還需要發展更大推力的火箭。

計算和控制技術

航天工程中還有一個重要的因素是計算和控制技術，“嫦娥一號”確定發射具體時間，就牽扯到工程計算問題：發射時間要充分考慮飛行器入軌時與地球、月球和太陽之間的相對位置，飛行器要進入繞月軌道則需要對其速度大小、方向進行多次精確的調控。

能說明計算與控制技術對航天發射的重要性的一個典型案例是，美國1997年發射的、承擔探測土星及其衛星任務的卡西尼號。

卡西尼號飛船是迄今為止飛往其他行星的重量最大的飛行器(將近6噸)，其發射目的地是太陽系中處于地球軌道外層的土星，途中將受太陽的巨大引力減速。因此，即使利用全世界推力最大的火箭，也不能把這么重的卡西尼號直接加速到足夠飛往土星，甚至不能加速到足夠飛到比土星近一倍的木星。

于是科學家設計了一條奇怪的路線：卡西尼號是“朝內”發射的，首先飛往太陽系內層的金星，借助于金星的引力，兩次給它加速；然后再次飛往地球，借助于地球的引力給它加速，然后飛往木星，借助于木星加速，最后才飛往目的地上星。

這么漫長、復雜的加速和飛行路線，就決定在發射時的一瞬間。火箭發射的方向和推力都要計算、“執行”得準確無誤，而且向金星、地球、木星借力得到加速的時間和位置，都要一次性計算完成——計算略有偏差，或者火箭的推力、角度稍有增減，飛行器都很容易“掉進”太陽、金星、地球或者木星。

最終，卡西尼號在7年飛行過程中定位精準，所進入的土星軌道非常接近原計劃軌道。

曾經有人以打高爾夫球來比喻探測器登陸火星的難度——從紐約到倫敦，一桿進洞；顯然，卡西尼號的發射精準度比探測器登陸火星是難多了。

能夠代表美國近些年在航天控制方面技術水平的是2005年的“深度撞擊”計劃。撞擊的目標是距離地球1.3億公里之外、大小僅為6公里的坦普爾1號彗星上一個幾百米大小的區域，中國“載人航天工程應用系統”副總指揮潘厚任研究員把這比作是“從130公里之外擊中一只蒼蠅(6毫米大小)的眼睛”。

目前正在飛往冥王星的美國“新地平線”號探測器是飛行更遙遠的行星探測器。在這方面，嫦娥一號是迄今中國最：遠距離的實際測試——僅38.4萬公里。

數據傳輸手段

探測器到了月球之后還要把獲取的信息、數據傳回來，因此，通訊測控手段、數據傳輸技術必須過關。

到現在為止，中國在這方面最遠的試驗還是探測1號、2號(即TC-1、TC-2)，跟歐空局合作，跟蹤距離是10萬公里左右。而嫦娥工程的測控手段需要達到38～40萬公里。

其實早在1994年，中國就進行過論證，認為到2000年中國可以有能力發射探測器去月球并進行研究探測。那時論證，中國探測器的平臺，包括有效載荷、遙感儀器等技術都沒有問題。

利用上海天文臺25米直徑天線(長基線干涉儀)進行改裝，可以接收月球這個距離發回的數據。而能夠發射神舟飛船的長征火箭加上一個頂級發動機，就可以打上月球。也就是說，從技術上說，中國2000年前發射月球探測器也是可以辦到的，但后來由于載人航天工程上馬，這一計劃就往后推了。

但在數據傳輸和接收這方面。美國已經走得很遠了——1977年發射的“旅行者”1號目前已經飛離地球大約150億公里，超過冥王星距離地球的兩倍，飛到了太陽系邊緣。它完全依靠上面的信號，發射機以幾瓦的功率向地球定向發射，抵達地球時其信號功率大約只有一枚普通電子表電池功率的200億分之一。但依靠分布在全球(分別在美國加州、澳大利亞和西班牙)、拋物面直徑達到70米的三個大天線，美國科學家依然可以對這么微弱的信號進行接收和分析，從而獲取來自外太空的一些數據——“旅行者”發射至今已經有30年，也就是說，這代表著美國30年前的技術。科學家估計，其所帶電池還能用10年，這10年中它還能繼續為人類服務，為科學家帶來有關太陽系邊緣的一些信息。

阿波羅帶動世界，嫦娥帶動本土

那么多國家再次掀起登月熱，有一個共同的目的：借助于航天技術的發展，來帶動國內其他技術的發展。嫦娥工程也不例外。

阿波羅計劃前后投入了30萬的人力和400億美元(四五十年前的數據，換算成現在的美金還要大得多)的資金，表面上看，除了政治和軍事意義之外，美國人直接獲取的成果是總計12公里長的攝像膠片和382公斤的月球土壤。

但事實上，其收獲遠遠不止于這些。一種估算認為，阿波羅計劃在經濟上的投入產出比是1:14，原因主要就在于它帶動了其他民用技術的發展。

眾所周知，阿波羅計劃在電子、鐵路運輸、醫療、天氣預報、農業等多方面部起到了帶動作用——比如現在全世界都在應用的很多種類的體檢設備就來自于阿波羅計劃。

另外還有大眾了解比較少的一點是：全世界的工業產品可靠性，可以說就是被阿波羅計劃給“推”上去的——上世紀60年代，由于要保護宇航員的生命安全，美國進行了一系列的可靠性管理、控制，后來推廣到民用，然后進一步帶動了全世界的各個領域。事實上，阿波羅計劃以前的電視機、收音機的可靠性都很差，是阿波羅計劃改變了它們。

美國人當年有政策，就是要把航天、軍事技術往民用推廣。但由于美國走出的是第一步，阿波羅計劃帶動了全世界各個領域的技術進步。可以預見，中國的嫦娥工程至少也能帶動本國各個領域的技術進步。