登月的光荣与梦想

（文 / 李伟 巫昂）

怎么去月球？

“去月球，是一件太复杂的工程，决不是你所能想象到的复杂”，王劼博士对记者说。在清华大学逸夫楼中的动力学与控制实验室中，每逢周一上午10点，实验室的研究人员和一些校外的科研机构赶来的专家学者都会坐在一起，开一个航天科技学术讨论班，讨论班的主题一般会围绕航天器动力学与控制的一些热点和难点问题进行。这是实验室的传统，历经二十余年而从不间断。王劼是实验室的博士后，采访就是讨论班开始前进行的。

目前我国的卫星最远发射到了地球静止轨道，距地心大约3.6万公里。而地球到月球的距离是38.44万公里，远大于这个距离。“从地球发射的探测器的到达月球附近的速度很大，会掠过月球或者直接撞击在月球表面上，而不能被月球的引力捕获直接形成环绕月球的卫星。探测器直接撞击在月球表面上的这种方式被称为硬着陆，撞击前探测器相对于月面的速度一般都大于2.5公里/秒，探测器以这么大的速度撞击在月球表面上会被破坏掉。这样，我们所能获得的关于月球的信息就极其有限，所以这两种探测方式只是在早期的探月活动中采用过。”王劼说，“但如果要让探测器持续不断地完成对月球的观测任务，就必须通过止推发动机在适当的时机和轨道进行工作，衰减探测器相对于月球的速度，使其成为环绕月球运动的卫星，完成科学观测任务。更进一步的探测工作是让着陆器‘软着陆’在月面上，进行月球表面的巡游等任务。阿波罗登月就是采用的这种方法，他的工作方式也是相当复杂，简单地说是这样：阿波罗飞船从地球飞出后，利用反推力制动，类似于刹车装置，衰减速度，然后环绕月球轨道运动，确定登陆点，阿姆斯特朗坐着登陆舱脱离阿波罗号，降落在月球上，登陆舱又一分为二，其一为带轱辘的月球车，阿姆斯特朗坐在上面可以移动，另一半的返回舱又分为两部分，其中一部分载着阿姆斯特朗回到阿波罗飞船上，不要忘记飞船还在月球轨道上飞行呢，要飞上去和飞船对接。多么微小的疏漏，在38万公里外月球都会被放大成一个天文数字。”

徐世杰教授是北京航空航天大学航天飞行器与导弹技术系副主任，他告诉记者，中国探月也是分三步走，第一步是先发射环绕月球的卫星；第二步，进行月球空间探测；第三步，放着陆器，这里面也涉及无人着陆先，载人着陆后。由于月球没有大气，卫星轨道高度可以降低到100公里，以月球的南极-北极-南极的方式运行。

“中国飞向月球的主要困难不是运载能力，我们目前在近地轨道的运载能力是10吨，相当于可以把两辆东风卡车送到200公里的高度，如果到月球运载轨道的话，估计可以有1.5吨左右的量级。”王劼说，“目前主要的困难是遥测技术。”遥测技术简单地说有点像上网，你用鼠标在网上操作，而信息会根据你的意图反馈回来；同样，前往月球的飞船要与地面联系，受地面控制，同时反馈回信息，38.44万公里对中国航天目前还是一个不短的距离。同时月亮27天左右绕地球公转一周，也就是说一天大约转15度左右。我国的国土资源覆盖的时区有限，不能完全覆盖，也就是说，大多数情况下无法观测到探测器。另外，探月的卫星运行到月球的背面时，也地面上也无法收到信号。因此，卫星即使发射成功，如果不能进行有效的测控，卫星就会失控，或者传不回信息，无法正常工作。

“这就是现在经常说的遥测瓶颈，以目前水平，动用全国的观测站和天文台，刚刚可以完成遥测，但还是比较勉强”，徐世杰说，“美国在全球建了3座测控站，在本土的加州、澳大利亚的堪培拉和西班牙的马德里，每隔120度建一座，总有一个站能观测到，此外它还有数座直径为70米、36米和26米的接收天线，已经具有了探测太阳系的能力。”

“我们的工作不仅是研究怎么去月球，还要作一个最优化的方案，怎样燃料最省”，王劼说。同样在清华大学，关于月球车的研究项目已经启动，机器人的项目则在几个机构同时展开，武汉的中国地质大学教授鄢泰宁准备做月球的钻探机，中国天文台对月球土壤与地质状况也开始相关的分析。目前除了航天院所外，哈工大、北航、国防科大、西工大、中科学院的空间中心、地化所等都有涉及月球探测的项目。月球已经成为一个科研的新大陆。

去月球干什么？

徐世杰告诉记者，很多日本的大公司已经开始研发如何在月球建度假村，他们在地球上建房子做试验。航天界有一个概算，如果发射近地轨道的卫星，每公斤1万美元；再远一些要2万美元，也就是说一个体重70公斤的人，被当作资源卫星或通信卫星送入太空，发射费用就至少要70万美元，回收要花多少钱？去月球玩一圈会花多少钱？“去月球干什么？这是一个很难回答的问题，这几年月球研究热，已经召开了两次月球探测会议，一直都在争论。”王劼说。

2001年1月10日，随着无人驾驶的神舟二号飞船发射成功，中国距离成为第三个将宇航员送上太空的国家又近了一步

“我们不说月球资源，说太空资源，月球只是其中的一部分。人类航天最终是要取得回报的，也就是说我们要开发太空资源。”李大耀给记者总结了六个方面。第一，是相对于地球表面的高远位置，也就是“势能”，所谓站得高看得远，“比如应用卫星，目前开发最多、最充分的就是这一项。”第二，高真空、超洁净资源，也就是大气密度与大气中所含尘埃数的密度极低。徐世杰告诉记者，目前太空制药的某些实验中，纯度要比地球环境高100倍。第三，地球引力场资源，它可以保证航天器的长期驻留。第四，太空微重力资源，也就是说摆脱了重力之后的环境，物体不再有轻重之分，目前应用比较多的是冶金。在地球上有些合金，在重力环境下，就好像水与油一样是要分层的，而在太空可以冶炼出新的合金，制造新材料。第五，太空的太阳能资源，地球只有一半的时间可以接受太阳能，折射、反射、云层、水汽吸收都要损失大量能量。而几乎所有的卫星都是靠太阳能电池作为能源，可以设想是建立太空太阳能发电站。第六，才是月球资源，在这个地球最近的邻居上可以做很多事，“月球很早以前就进入宁静阶段，保留了大量原始信息，可以研究宇宙的起源。月球的引力场很弱，只有地球的1/6，发射航天器的阻力就小了。而且月球上也找到了水，有水就可以电离出氢、氧，燃料也就有了。月球上有100多种矿物，其中5种是地球上没有的。最引人注目的是月球上有氦3元素(氦的同位素)，这在地球上十分罕见，它是核电的主要原料之一。有过一个估计，月球表面深度3米以内的氦3有70多万吨。这意味着什么？上个世纪末，全球一年的用电量相当于100吨氦3的核反应，以此计算月球的氦3够地球7000年的电量。”

空间站与中国航天的五大步

事实上，太空资源对中国而言，也只是利用到了卫星阶段。接下来，无论是研制新材料还是空间试验都指向了另一个标志性的技术——空间站。空间站是利用太空资源的关键平台。

记者在采访中了解到，载人航天之后，中国航天的下一步目标是建立空间实验室，“短期有人看管，长期无人值守，是空间站的前身”。目前空间实验室计划已经通过了预研阶段。实验室之后则是空间站，空间站将是永久性的设施。对于空间站，是自己搞还是参与国际合作，即加入美俄主导的国际空间站，仍旧是个巨大的未知数。

“这里面既有国际政治原因，又有技术和资金因素，毕竟这个400吨的航天器，已经吃掉了1000多亿美元。”徐世杰说，“回头看一下我国的航天之路，基本上是一条自力更生之路。”

李大耀和记者聊起，他1958年开始进入航天领域时哪里懂什么火箭，还是复旦数学系没毕业的学生。“1957年苏联发射了第一颗人造卫星，1958年毛主席说‘我们也要搞人造卫星’，就在这一年中国科学院成立了“581”领导小组，钱学森任组长。为什么叫“581”？中科院将卫星的研究称为1958年的第一号任务。”李大耀说，“1958年正好赶上大跃进，航天领域也受到影响，制定了一个非常高的目标：要在第二年也就是1959年国庆前发射一颗卫星，而且要比苏联的重。苏联卫星的质量是84.6公斤，还设想用‘氟’为燃料，它的毒性高，‘比冲’比氢氧化溶剂也高。但我们知道现在的火箭没有用‘氟’的，基本都是氢氧。直到1959年初，邓小平出面纠正了航天的大跃进思想，才改变技术的研究方向。航天工程中，火箭是一个基础，于是我们在上海发射了T-7M和T-7A探空火箭。”多年以后，李大耀从技术岗位上退下来，专门做航天史研究，他认为这是中国航天的第一阶段。

“1965年是一个转折，我国经济开始好转，当年6月就确定1970～1971年发射我国第一颗卫星。1970年4月24日，‘东方红一号’升空，用的是我们自己的长征一号火箭。这是一颗政治卫星，原定任务是探测空间环境参数，后来改播《东方红》乐曲，我国航天进入了第二阶段，从试验向应用过渡。‘文革’后70年代中到80年代中，是第三阶段，张爱萍将军提出了80年代的三大任务：远程火箭飞向太平洋；水下发射火箭和东方红二号试验通信卫星，我国的航天技术开始深入应用领域。东方红二号试验通信卫星、风云气象卫星，还有以测绘为目的的返回式遥感卫星，都发射成功。第四阶段则贯穿了80年的后期和90年代，我国的业务卫星发展很快，航天技术真正应用于专业领域，1992年载人航天技术提上日程，1999年1月神州一号发射成功，绕地球飞行14圈。第五阶段，就是新世纪的前十年，克服飞船载人航天技术，实现中国人首次登月。”

航天的回归

“很长时间内，我们是勒紧裤腰带搞航天。”一位不愿透露姓名的航天科学家对记者说，“当时国际环境很恶劣，处在美苏夹缝中，我们可以不修路，可以没有火车，但不能没有‘两弹一星’。为什么航天发展得很快？因为无论美苏还是日本，在很长时间内，航天等于国防，而国防是不讲成本的。”

“70年代后期，邓小平就说过，中国不参加太空竞赛，现在不必上月球，要把力量集中到急用、实用的应用卫星上来。”李大耀回忆说。除去国际政治环境的变迁，这样的转型延续到今天有了更深的含义，即航天如何依托社会经济基础。在我国神舟号诞生之前，曾经有公开的争论，究竟采用什么手段实现中国人的太空梦，当事者回忆说：“一种观点认为，从国外载人航天的实践和中国国情出发，中国应该以‘飞船’起步突破载人航天技术。而另一种观点认为，航天飞机技术比‘飞船’技术更先进，为了缩短与国际水平的差距，我们应该先发展小型航天飞机。最终我们认可了前者，航天飞机的技术要比‘飞船’复杂很多，举一个例子，进入大气层后，由于空气的剧烈摩擦产生了电离层，形成‘黑障’，无线电通讯就无法保证，怎么让航天飞机降落到机场呢？这是一个基本的回收问题，相比之下，‘飞船’的成本就省多了。”

从另一方面看，航天科技已经成为今天世界不可或缺的动力，GPS全球定位系统就发端于美国飞机导弹制导系统，照相机的CCD芯片就源自军事侦察卫星，更普遍例子的还有现在的羽绒服和互联网。虚幻的梦想总会退去光环，我们究竟能飞多高，最终还是取决于像GDP、经济增长率这些地面上的实在数字。

神州飞船与联盟号飞船的类比

目前关于神舟号飞船的设计只公布了它由轨道舱、返回舱和推进舱组成。神州号和前苏联的联盟号很像，我们不妨研究一下联盟号的结构。联盟号飞船有三个舱：轨道舱、返回舱和仪器舱，末一个是由过渡段和仪器段构成的；飞船全长7.48米，最粗的的地方直径2.72米，仪器舱上的太阳能电池展开后宽度是8.37米，总重6.8吨。宇航员大部分时间呆在轨道舱，吃饭睡觉和做实验，轨道舱是不回收的，在分离后像流星一样烧掉。宇航员坐返回舱回归地球，它像一口大钟，进入大气层后的运行就像一颗炮弹，宇航员躺在里面，空间比较狭窄，一般设计三个人只有9立方米。这是什么概念——相当于一个长2米，宽1.5米、高3米的小卫生间。

1.头盔2.飞行帽3.受力系统4.压力调节器5.手套6.罩衣7.可脱式皮鞋8.短袜9.通风管10.内衣11.衬里12.气密层13.受力外层14.联合软管接头15.通信导线气密入口

舱里舱外的宇航服

宇航员的服装基本上有两种，一是用来预防失重对身体产生不利影响的“防护服”，适合在舱内穿着，其内部压力通常仅有0.3个压力，如果要到舱外活动，需要花费约12个小时，才缓慢减压到正常情况下的1个大气压，或者花4个小时吸纯氧，把体内的氮气排出去。其二是不依赖座舱内大气环境的“全压服”，其中包括专门设计的太空行走服和登月宇航服。因为在空间站中工作的宇航员，一年之中要有50到250次的舱外活动，不能用大量时间作准备活动。而穿上“全压服”，哪怕舱内的大气全漏光了，“全压服”内的压力还是适于生存。从1961年美国人设计的第一代宇航服到第四代的“全硬式”和“半硬式”宇航服，宇航服已经可以量体裁衣，适合每个人的体形，并可以连续使用15年以上。

中国航天44年

中国的航天技术是由导弹起步的，事实上，导弹技术基本就是火箭技术：导弹几乎全部以火箭发动机为动力，火箭与导弹的卫星控制方式通用。最通俗地说，火箭装上弹头就是导弹。火箭/导弹技术是最基础的航天技术，火箭是最基本的航天运输工具，利用它的动力，卫星、宇宙飞船等其他航天器加载在它上面，才能飞离地球遨游太空。1956年国防部第五研究院成立，钱学森任院长，这是我国第一个导弹研究机构，也是我国航天技术的摇篮。1956～1957年苏联援助我国P-1、P-2导弹各两枚，还有导弹基地和发射基地的图纸，依据P2，我们仿制出了自己的近程地对地导弹——东风一号。东风一号成功后，我国开始研制东风二号。

1957年苏联发射了第一颗人造卫星——斯普特尼克一号。1958年中科院“581领导小组”成立，目标直指人造卫星。卫星上天必须要有运载火箭，而我国先做的是运载火箭的前身——“探空火箭”。探空火箭是用来探测高空大气和地球物理参数的工具，高度一般在30～200公里间，没有飞出大气层。1960年T-7M探空火箭研制成功。

运载火箭和弹道导弹是互通的，把弹道导弹的战斗部换成卫星，将控制系统略加变化，就成了运载火箭。在东风二号导弹的基础上，我国研发成功了长征一号运载火箭。长征一号的第一次发射是在1970年4月24日21时35分，搭载的是东方红一号卫星，10分钟后卫星已经在天上唱歌。研发期间正处“文革”时期，但研发人员手持总理办公室的“特别公函”，不管到那里办事都畅通无阻。接着，为了把成吨的卫星发射上天(东方红一号是173公斤)，我国开始研发长征二号，并于1975年11月26日发射成功。长征二号的前身就是1970年首飞成功的中远程导弹。

2001年5月21日北京国际航空技术展上的神舟二号飞船仿真模型

火箭只是运载工具，真正服务于民的是上面搭载的卫星。随着国民经济的好转，1965年我国正式启动卫星制造工程，中国空间技术研究院是中国卫星的摇篮。1970年4月24日，东方红一号发射成功，中国由此进入航天国家。为了保证发射成功，航天部门同时生产了5颗同样的卫星，又从中筛选了两颗，另一颗备份。而这颗备份卫星就是第二年发射成功的科学探测卫星——“实践一号”。实践一号的设计寿命只有半年，但却在天上工作了8年，可见当初筛选之严格。

返回式遥感卫星是我国最早的应用卫星，1975年11月26日，我国成功发射了第一颗返回式卫星，成为第三个掌握卫星回收技术的国家。返回式卫星的工作方式比较“人工”——卫星完成任务后，返回舱从空中落下，需要人去捡回来，取出相机中的胶片，再冲洗出来。那么为什么需要返回式？一个原因是六七十年代的传输技术并不发达，大量图片无法自动传回；另一个原因是，无线电传输技术存在先天的缺陷，即保密性不强，你的卫星传回的信息别的国家也有可能收到。但目前随着传输技术的发展，国际上返回式遥感卫星的应用已经不多了。

1984年4月8日，在时隔20多年后，另一颗东方红系列卫星——东方红二号发射成功。除了名字一样，它和东方红一号完全不同，它是我国第一颗静止轨道试验通信卫星，依据它实现了卫星通信的全国覆盖。在同年建国35周年国庆游行中，航天部把东方红二号的模型带到了天安门广场。到目前为止，我国共发射投入使用了6颗通信卫星。1988年9月7日，我国发射了第一颗气象卫星——风云一号，只可惜由于星上元器件发生故障，只工作了19天。第二颗卫星于1999年5月10日发射，工作情况良好。“风云二号”已于2000年6月26日在西昌发射成功。1999年10月中国与巴西联合研制的资源一号卫星发射成功，2000年9月资源二号卫星也发射成功。2000年10月、12月我国北斗导航试验卫星发射成功，它的研制平台就是东方红三号。2002年5月，海洋一号卫星发射成功，这是我国第一颗海洋卫星。至此，科学试验、返回式遥感、气象、通信、资源导航、海洋六大卫星体系已经基本形成。1999年11月20日，神舟号宇宙飞船发射成功，拉开了我国载人航天的帷幕，在21世纪中国人也要乘坐航天器，挣脱地球引力太空世界。

东风一号

从“东风一号”开始

绘画 E.S-OB

1960年我们研制出我国第一枚近程地对地导弹——东风一号，它的实物还陈列在军事博物馆。东风一号成功后，我国开始研制东风二号。与东风一号相比，高度从17.7米加高到20.9米，而射程却增长了近一倍，达到千公里数量级，算是中近程导弹了。

1958年底，上海机电设计院开始设计探空火箭T-5，1959年第一枚组装成功，但设计得过于完备，以致超出了发射能力。于是转向先搞模型火箭T-7M，所谓模型火箭，就是尺寸小一点，结构上还是比较完整。T-7M有两级，主火箭和助推器，主火箭的最大飞行高度为10公里。此后我们陆续发射了T-7A、和平二号、和平六号和织女一号。

长征二号才是长征系列中真正的的“母箭”，以后·的“长二丙”、“长二丁”、“长二戊”(即长二捆)，以及长征三号、长征四号都是由长征二号演化而来。长征二号捆绑式火箭可以将9.2吨的载荷送入近地轨道(2000公里以下的卫星轨道，国土普查、气象、资源、通信等各用途的卫星都在此间运行)。在商业市场上，我国火箭的运载能力排在第二位，排名第一的是法国阿里安号。

我国除了长征系列火箭外还有风暴系列火箭，“风暴”是上海航天局的作品，风暴一号就是长征二号的上海版。1981年9月20日，实践一号、实践二号甲和实践二号乙被风暴一号送上近地轨道，被称作“一箭三星”，在我国是头一回。如果有空，可以到北京南三环外的大红门去转转，参观一下中国火箭技术研究院的博物馆，展厅里一张巨大的表格记录了我国所有运载火箭的试验情况。其中“风暴系列”在“一箭三星”之后的记录几乎全是失败，目前这一系列已经完全停产。

土星5号是世界上最大的巨型运载火箭，1967年研制成功。火箭全长110米，直径10.1米，起飞重量2950吨，近地轨道的有效载荷达139吨，飞往月球轨道的有效载荷为47吨，从1967年到1973年共发射13次，其中6次将阿波罗号载人飞船送上月球。

东方红一号是一颗政治卫星，原定任务是探测空间环境参数，后来改播《东方红》乐曲。

我国已研制了三种型号的返回式卫星：70年代的第一代返回式对地观测-国土普查卫星、80年代研制成功的第一代地图测绘卫星、90年代研制成功的第二代返回式对地观测-国土普查卫星。到20世纪末我国共发射了17颗返回式卫星，成功回收16颗。

实践系列卫星我国一共发射了4颗，它是我国其他卫星的先行者。实践系列的主要任务就是探测空间环境、试验太阳电池阵和遥测设备等装置。

东方红二号实现了卫星通信的全国覆盖。

在卫星家族中，气象卫星站得应该是最高，目前比较多采用地球静止轨道，也就是3.6万公里以上(前面说过大部分卫星的轨道在2000公里以下，侦察卫星甚至活跃在大气层)，如果拥有三颗均匀分布的地球同步轨道气象卫星，基本地球的每个角落都可以覆盖。我国的风云一号，是太阳同步轨道卫星，每天可以对全球表面巡查两遍，风云二号则是地球静止轨道卫星。

资源卫星的作用主要有地下探矿、普查农作物、地理普查、灾害预报等。