MSTA-大家系列科技讲座
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戚发轫 从东方红一号到载人航天

来源:中国科普网 作者: 2018年06月08日
[导读]   他的人生就是新中国航天事业的缩影。 他说:国家的需要就是我们的志愿,为国防建设、为强国做奉献是我们一辈子的目标。

2018年6月19日上午
    北京航空航天大学如心报告厅

视频回顾:MSTA大家系列科技讲座:中国工程院院士 戚发轫

戚发轫:
    各位领导,各位同学,老师、同志们,上午好!很荣幸能够参加MSTA讲座的第一讲,而且是在我的母校——北京航空航天大学。在座的好多同学都是宇航学院的学生,我在这里讲科普就有点班门弄斧了。我今天讲的题目是“从东方红一号到载人航天”。因为大家都关注航天、热爱航天,但到底天是什么?为什么要上天?上天干什么?我先把这个事情讲一讲。
    戚发轫:
    我是1957年分配到国防部第五研究院工作的。中国航天事业最早是从导弹起步,从导弹到运载火箭、到卫星、再到飞船,研究了61年,我应该算是老航天人了吧。
    怎么认识天?我还是用几个政治家和科学家的话来说明吧。一百多年前,俄国科学家齐奥尔科夫斯基就说:“地球是人类的摇篮,但是人类不会永远躺在摇篮里,他在不断地扩大自己的生存空间。首先小心翼翼地穿过大气层,最终征服整个太阳系。”这是一个科学家在一百多年前说的,这就是我们说的航天人最终的目标,就是要征服太阳系,我们现在正在完成这个任务。
    戚发轫:
    习主席在中国航天创建60周年的时候说过:“探索浩瀚的宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。”习主席的话给我国的航天事业指出了发展方向。
    中国航天事业的奠基人钱学森,在2003年说过一句话,“航天技术是20世纪发展最快、取得成就最大的学科之一。它是一个国家当前科学技术最新成就和传统工业密切结合的结果,是一个国家科学技术水平和综合国力的重要标志。”
    我们的前国家主席胡锦涛,在神州6号发射成功的时候说:“无垠的太空是全人类的财富,探索太空是全人类的追求。”这句话把中国人发展航天事业的权利义务说得很清楚。
    美国的前总统小布什在2004年直白地说:“在新世纪谁能够有效地利用太空资源,谁就能够获得额外的财富和安全。”
    政治家和科学家对天的认识都很清楚。但是天究竟在什么地方。天,按照我们前人的定义,就是大气层之外的整个太阳系。我们中国人把它叫天。当然在社会上也有了很多其他叫法,比如太空、宇宙、空间。但是准确地讲,我们中国人把太阳系叫做天,为什么?这是钱学森提出来的——很有中国特色。所以在咱们中国搭乘飞船的人叫航天员,不叫宇航员,他们穿的服装叫航天服,不叫宇航服;我们的上级机关叫中国航天科技集团公司。
    戚发轫:
    天是太阳系,是人类生活的第四环境、是一个国家主权的第四个疆域。人类由于科学技术的限制,我们的祖先只生活在陆地上,国家主权也只在陆地上,所以有陆军;科学技术发展了,人类生活延续到海洋,国家的主权也延伸到海洋,所以有了领海、航海技术、海军;一百多年前人类进入大气层,国家主权就延伸到大气层,所以有领空、有航空技术、航天技术、有天军。我们中国的天军是战略支援部队的重要组成部分。
    习主席说过,我们要进一步了解海洋、认识海洋,经略海洋。过去我们对海洋重视得不够,所以今天在南海有这么大的矛盾。假如我们今天对天还缺乏认识、不予重视的话,可能将来月球就变成钓鱼岛了。所以我们一定要认识到天对我们的重要性。
    应该说我们国家的历届领导对航天都是很重视的。从1956年创建了我国(国防部)第五研究院到现在已经62年了。这62年我国从一个发展中国家、一个连汽车都不能制造的国家,发展成为一个航天大国。航天大国的标准就是具备了三种能力:进入太空的能力、利用太空的能力和捍卫太空的能力。下面我就从这三个方面说一下。
    戚发轫:
    62年前,中国开始有了航天事业。48年前,即1970年4月24日东方红一号卫星成功发射,标志着我国具备了进入太空的能力。不久前中央把每年的这一天确定为航天日,充分说明了中央对航天事业的重视。为什么要确定航天日?习主席讲了,要铭记历史、传承精神,激发全国人民尤其是青少年崇尚科学、探索未知、敢于创新的精神,为中华民族的伟大复兴凝聚力量。
    今天在座的各位同学就是我们未来航天事业的建设者,我想我们今天主办的这个MSTA讲座,实际上就是落实习主席的指示。
    飞机借助航空发动机的推进力和机翼下方大气流动速度不同产生的向上抬升力在大气中翱翔,火箭则借住火箭燃料的强大推进力飞出大气层。燃烧需要消耗氧气,航空发动机尚有大气层中的氧气助燃,火箭飞出大气层后却处于真空状态,这就必须要运用能将燃料和氧化剂混合的火箭发动机了。另一方面,在大气层中飞翔和飞出大气层是两个概念,飞出大气层需要更快的速度,那需要火箭发动机加速到什么程度呢?
    戚发轫:
    航天器的速度有三个槛,我们将之称为第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。把一个物体加速到第一宇宙速度,就克服地球的引力,像一个天体一样绕着地球在飞行,这叫进入太空。没有这个能力,航天就没有基础,不能上天,所以运载火箭是我们航天发展的基础。
    1970年4月24号,长征一号火箭把东方红一号卫星送上了天,成为世界第5个有能力把卫星送上天的国家。第一个是前苏联,1957年4月4号。第二个是美国,苏联上天了,美国很紧张,急急忙忙在58年发射了一颗卫星,前苏联是83公斤,美国是8公斤,不管怎样也算是第二。第三个就是法国,发射了38公斤的,本来中国应该第四,但是那是我国正处在文化大革命时期,知识分子变成了臭老九,得不到尊重。日本是2月份发射的,9公斤多,我们是4月份发射的,173公斤。这就是进入太空的能力,我们中国比前4个国家的卫星重量加起来的都重。现在,长征5号已经可以把25吨重的东西克服地球的引力送入轨道。
    长征5号第一次发射成功了,第二次发射失败了,我们正准备第三次发射。就是说在没有长征5号的时候,我们进入太空的能力比世界的先进水平还差了一大截,神舟飞船与空间实验室都不能超过10吨。在中国尚没有长征5号的时候,美国、俄罗斯、日本、欧洲的运载火箭运载能力都有20吨,我们只有10吨,这就是差距。现在到了25吨,但是我们成功了不等于成熟,成熟不等于可靠,要真正作为一个产品还要继续努力。对于不久就要发射的长征5号第三次发射我们有信心。
    戚发轫:
    首先大家会问,太空有什么资源值得你花这么大力气去干?小布什讲了,谁能够有效的利用太空资源,谁就能获得额外的财富和安全。大家都知道地球的资源是越来越枯竭了。现在的石油、天然气按科学家的估计50年以后就用光了,煤炭100年以后也会用光。那时候人类怎么活下去?怎么活得更好?科学家说上天、入地、下海;我们可以到8000、10000深海,找资源,有石油、天然气、有可燃冰;报纸报道了我国已经可以深入地下到七千米,在亚洲水平最高,但是世界水平我估计比这个还要深。
    戚发轫:
    我今天就说说三类太空资源。
    一类资源就是轨道资源。因为你是个天体,就要按照天体力学这个规律来运行,不能像在陆地、海洋或者大气层内,你修条路、制造飞机就可以走,上天必须按照天体力学的规律来运行,运行轨道的轨道面必须通过地心,才能运行。轨道对于任何国家来讲都是非常珍贵的资源。现在有三种轨道比较典型,有一种轨道叫地球同步轨道,在该轨道上卫星的轨道周期等于地球的自转周期,同时运行方向一致,这样这颗卫星与地面的相对位置保持不变。当轨道面和地球的赤道面重合时我们称它为地球静止轨道,因为在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地上空,相对地球表面静止,轨道高度约为3.6万千米。在该轨道上卫星覆盖范围很广,只要在赤道上空均匀分布三颗卫星就可以实现全球通信。当你将一颗装载有各种有效先进传感器的卫星送入这个轨道,便可以得到三分之一地表的各种清晰数据,这是多么重要的战略资源,是必须争夺的轨道。
    戚发轫:
    第二种轨道叫太阳同步轨道。在这个轨道发射一颗卫星,每天上午9点半可以到我们北京航空航天大学如心会议厅走一趟,你想想这个轨道有没有用?
    另外一种轨道叫极地轨道,我们发射一颗卫星,地球是自转的,一定时间把整个地球都观测一遍,我们当年的嫦娥一号、嫦娥二号,就到月球上把包括南极北极的全月球资料传回来了,所以轨道资源很财富。
    第二类资源是环境资源。人、生命、物质、材料在地球上都有重量,但是航天器已经克服地球引力进入太空了,想象一下,没有重量的时候,人、生命、材料、物质将以什么规律在生活?人要探索浩瀚的宇宙,人要研究它,便要利用这个环境。在没有航天技术的时代,人类科学家通过高塔来进行微重力实验。有了航天技术,我们的飞船、我们的空间实验室、将来的空间站,一年365天都失重了,在这个环境里可以做相关的课题研究。我想在座的各位将来都可以研究材料、医药、生物。
    戚发轫:
    另外还有一个辐射资源。太空中辐射很强烈,我们在地表上因为有大气层的层层保护,对辐射的感受并不明显,但轨道上并没有大气层保护。辐射对生物、材料等有利有弊,我们正在研究各种生命体和物质暴露在太空辐射中将会产生什么影响。我们把生物、水果、庄稼的种子暴露在微重和辐照的环境下一定时间,它的基因就发生变化了,可以产生产量大、味道好的新品种。现在我们中国已经具备这种能力。
    更重要的是太阳能。在地面上的夜晚、阴雨天气获得不到太阳能,而且穿过100公里大气层的厚度太阳能衰减得很厉害。但太阳能在轨道上取之不尽、用之不竭,没有大气层衰减。现在所有的航天器都有两个大翅膀以用太阳能发电,而且从技术上要做到无论航天器发生任何姿态变化,都保持着帆板正对太阳。现在我们的科学家在设想:能不能在轨道上建立一个太阳能发电站,把太阳能送到我们地球表面上来。现在还有一个问题没得到很好的解决,这么大的能量怎么从轨道上送到地面上来,还没找到好的科学办法,大家可以研究。
     戚发轫:
    再一个资源就是物质资源,我们地球现在各种资源都是奇缺的。但是太阳系有8大行星,每个行星都有它的卫星、小卫星,还有彗星,这些成千上万的行星上有无地球上稀缺的资源?或者能否找到一个类似地球环境的行星让人类能够生活。人类生存需要水、氧气,我们探索浩瀚的宇宙,就是要解决这个问题。离地球最近的地外天体就是月球,人类首先对它进行了探测,从月球上也拿了一些研究材料回来以供科学家研究,尤其是我们中国的一个天文学家,他经过研究认为月球上有一种地球上稀缺的材料,它是一种人类可控的核聚变发电的原料——氦-3,他估计月球上的储量是地球的几百万倍。假如说把月球的氦-3用以发电,可以供给人类使用上万年。
    月球上现在肯定没有空气,但是有无水争论也很大。假如说有水,人就能生活,有水的话就可以变成氧气。火星上有没有?现在也在争论。另外探讨人类能生活的环境,万一有一天地球上的人生存不下去了,就移居到那去。太空有这些资源,所以小布什讲得很直白,谁能够有效利用,谁就有财富,有安全。
    要利用这个资源要靠航天器。航天器有三个领域,第一个领域就是各种各样的卫星,我们现在在座的各位都在享受航天技术,享受各种卫星带给你的好处。假如今天所有的卫星都不工作了,我们的生活就会回到50年前的状态。在各个轨道上的卫星是各种各样的,都怎么分类?我按照将卫星分成三类,一类就是信息传输,也就是通信卫星,当前的大数据信息量非常庞大,但过去大家接触最多的就是电视、广播、通讯。
    戚发轫:
    早先我国没有通信卫星的时候,中央电视台的节目靠微波送到全国960万平方公里的土地上,靠一个一个站把中央电视的信号增强再发送,传输不仅困难信号也受到干扰。当年电视覆盖率只有百分之三十几,电视机销量也很低。1984年4月8号,我们发射了一个东方红二号通信卫星,把卫星送到赤道上空的地球同步轨道,相当于把中央电视台的天线送到3.6万千米的高空,发射的信号覆盖地球三分之一。有了通信卫星,我们的覆盖率就百分之百了,电视机就供不应求了,现在变成一个大的产业了。中央电视台几十秒的广告标价达几十万、上百万,为什么呢?因为通信卫星覆盖全球。这就是卫星带来的好处。
    1972年尼克松访华,美国人希望他们总统在中国的日常活动都能够在美国实时播送,但是中国当时并没有通信卫星和地面设施。为此,1975年我们开始着手解决这个问题,用了九年研制出东方红二号通信卫星。到现在,中国的通信卫星不仅覆盖神州大陆,还出口到尼日利亚、白俄罗斯、巴基斯坦、老挝等地。
    但是一颗卫星只能覆盖地球的三分之一,杨利伟上天的时候,走到地球的背面不能跟家里人通话,我们的侦查卫星到了地球的背面,有了信息以后也不能传回来,存起来等到中国的上空再传送下来。现在我们在地球的静止轨道上,每120度放一颗卫星,这样的话在整个地球上,中国的卫星,中国的航天员任何时候到任何地方都能和家人通话。
    戚发轫:
    第二个就是获取信息的遥感卫星。在轨道上放了一颗卫星,假如说有比较好的遥感器,地球上任何事情一清二楚。我们经历了可见光、红外、雷达、微波等等几种探测阶段,效果都不是很好。现在得益于遥感卫星的发展,高分辨率遥感卫星已经发射7、8个了。应该说现在我们对内对外的空间都是开放的,我们可以通过高分辨率卫星图像拿到想要的信息。所以依靠遥感卫星这个空间获取的手段,依靠气象卫星、海洋卫星,可以预测自然灾害、探测资源。当然中国做得最好的、服务最好的是气象卫星,我们的气象卫星能进入静止轨道和极地轨道,世界上只有4、5个国家有这种能力。最近又发射了风云2号第4颗星,要为一带一路服务。
    第三个就是信息发布,这便要提到导航定位卫星。导航定位卫星不是一颗卫星,是一个网、几十颗卫星,我们中国对这个事情也有个认识发展的过程。中国尚未改革开放的时候,我们对要建立这么大的系统是有争论的,但越来越认识到了,中国处在当前的国情下,必须要有自主可控的导航系统。早期我们只有区域性的北斗一号,现在北斗二号卫星系统已经覆盖亚太地区。到2020年的时候,还将要有36颗星在各种轨道上布满全球,保证我们中国的任何活动目标都知道自己在什么方向、什么位置,也让家里人知道你在什么地方。
    中国的精确打击武器便要靠导航,导弹、巡航导弹要能打得准确,能靠外国人吗?GPS是可以把民用的信号覆盖全球,但高精度的军用导航系统是保密的,真正到那一天人家是可能关闭的。美国拥有GPS,欧洲建成了伽利略系统,俄罗斯有格洛纳斯,中国能没有么?中国目前发射了两百多颗卫星,在世界上从卫星的数量上我国排行第二,但是美国有500多个,这之间还是有很大差距的。
    戚发轫:
    航天器三个领域中第二个领域便是载人航天技术。人类几百年前就想上天,但是囿于科学技术的限制,直到20世纪才有了可能。因为无法上去一看究竟,产生了很多神话,比如中国的嫦娥奔月、吴刚伐桂。四百多年前有一个敢于冒险上天的中国人,名叫万户,他将40余个火箭固定在太师椅上尝试上天。这一行为赢得了很多外国人的尊重,月球上有一个环形山便是以万户的名字命名的。中国的登月计划在1975年被撤销,直到1992年才复建。
    1992年为什么批准了中国载人航天工程?在86年3月,有一封名为“关于跟踪世界战略性高技术发展的建议”的建议书被摆在小平同志的桌上。这份建议书由“中国光学之父”王大珩执笔,物理学家王淦昌、无线电电子学家陈芳允、航天技术及自动控制专家杨嘉墀联名签署。建议书里这四位科学家认为我国也要采取相应的对策以应对美国的“战略防御倡议”,这就是后来的“863计划”,其中有一项载人航天项目。经过多名航天领域专家三年的反复分析、论证,一致认为中国航天项目要从载人飞船起步,不能沿用美国的航天飞机。航天飞机已经被美国承认是一个错误项目,其安全性能差,返回维修费用高昂,这对于当时中国的国情是无法承受的。假若选定航天飞机上天的方法,也许现在仍停留在试飞实验阶段,无法实现上天目标。归根到底,无论航天飞机还是飞船,适合我们国情的才是最好的。
    戚发轫:
    1992年起步的中国载人航天工程项目并不仅仅是让航天员上一次天,中国还要建立空间站。这要经历三个阶段:载人航天阶段、空间实验室阶段和空间站阶段。到目标为止我将杨利伟送上太空是完成了第一阶段,第一阶段杨宏是副总设计师,第二阶段他是“天宫一号”的总设计师,解决了交会对接问题。现在他是空间站的总设计师。
    航天器第三个领域就是深空探测技术,首先是探索月球。探月工程分三步走:“绕”、“落”、“回”。第一步,嫦娥一号绕月飞行传回月面信息,嫦娥二号近距离绕月飞行确定了嫦娥三号着陆点;第二步是嫦娥三号登月,让玉兔月球探测车踏上月球。玉兔在月球表面巡视了一段,获得并传回了很多数据,虽然现在停止工作了,但也完成了我们预期任务。绕月和登月结束便是第三步的取样返回,我国预计2020年前发射月球采样返回器在月面特定区域软着陆并采样,将月球样品带回地球进行精查。探月工程第三步必须要由成熟的长征五号来完成,现在长征五号火箭正在准备第三次发射。
    戚发轫:
    1970年4月24日第一个卫星上天、2003年11月15日送杨利伟进入太空、2007年4月24日嫦娥一号到达月球,这三件事标志着我国利用太空的能力。
    最后就是捍卫太空的能力。2007年2月份,中国用一颗导弹把中国失效的气象卫星给击碎,产生了巨大的影响,向世界声明中国坚决捍卫主权不受侵犯、有能力回击侵犯太空权益的行为。但也引起美国的炒作、攻击——把一颗卫星打碎变成了太空垃圾。这方面确实产生了很大的太空环境问题,后来美国也尝试击落一颗卫星,但是他们吸取了我们的教训,将卫星轨道降得十分低最后进入大气层燃烧掉,并没有产生太空垃圾。从这以后我们每年都做一次类似的实验,积累了相当丰富的经验。目前,我们利用太空、卫星、载人飞船、深空探测等方面的成绩都有很大的提升。

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