航天，想象是唯一的限制

陳宏宇

世界很大，讓無數人愿意行萬里路去尋找星辰大海。其實，在我們頭頂100千米之上就有一個神秘的地方——太空（即地球大氣層以外的宇宙空間，又稱外層空間）。我們把所有進入、探索、開發、利用太空以及地球以外天體的各種活動，總稱為航天。

世界那么大，我想去看看

從1957年10月4日蘇聯發射第一顆人造衛星算起，人類涉足航天的時間并不長，但截至目前已有3000多次火箭發射，上萬顆人造天體在太空翱翔，甚至數百人有幸進入過太空。航天花費巨大，而且風險極高，那它有何獨特的魅力讓人前赴后繼、樂此不疲呢？

其實，早在1970年，就有一位贊比亞修女給美國國家航空航天局寫信質疑道：“目前地球上還有那么多小孩子吃不上飯，怎么能舍得為遠在火星的項目花費數十億美元？”美國國家航空航天局也給出了那封“無用之用方為大用”的著名回信，富有邏輯，也充滿人文關懷。要回答和理解這個問題，有必要深入理解航天的獨特環境和獨特作用。

高遠軌道的全球覆蓋

近地衛星運行在至少數百千米高的道上，高度決定了航天器的全球覆蓋特性，使之廣泛應用于遙感、通信、導航和科學研究各個領域。

首先，說說給衛星裝上相機的航天遙感。“欲窮千里目，更上一層樓”，百米高度的航拍可以讓我們從更廣闊的角度感受世界，而數百千米高度的衛星遙感更讓我們多了一雙“極目遠眺”的眼睛。在遠離地面的運行軌道上，衛星能夠在很短的時間里掃描大片的陸地，可以同時觀察計算農作物生長所需要的多項指標——土壤、旱情、雨雪天氣等，能給農作物的產量帶來顯著提升。

其次，說說通信衛星。“居高聲自遠”，1000千米高度軌道上的通信衛星可以同時覆蓋3400萬平方千米的地表面積，而且可以實現海上通信、航空通信，這可是普通的地面基站望塵莫及的，對全球物聯網、互聯網和窄帶通信都是莫大的技術支持。

最后，說說衛星導航。古代為航船指路的燈塔要盡可能高聳，就是為了增加覆蓋面，如今人類把高精度的“燈塔”搬到了天上，開辟了人類精確利用時空基準的時代。

航天項目是科技進步的催化劑，它為基礎科學研究工作提供了絕佳的平臺。全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”就是利用衛星的高遠特性，實現了跨越洲際的遠距離量子試驗。而暗物質探測衛星“悟空號”更是遠離地表的塵世紛擾（地表的能譜干擾大），到太空中去尋找神秘的暗物質。

失重環境和空間輻照

太空軌道處于失重的環境，在這里，很多地面重力主導的物理現象發生了明顯變化。比如，液態物質在表面張力作用下可以形成標準球體，晶體生長非常均勻，蠟燭火焰在太空艙內也是有趣的球形。

此外，太空中缺少大氣層和低層磁場的防護，空間充滿了高能電子、質子和宇宙射線的輻射。這些神秘的能量可以對生物遺傳物質產生作用，優選出的各種航天蔬菜可能就在你的餐桌上。

越過大氣的清晰觀測

人們常說天上的星星在一閃一閃“眨眼睛”，這是由于大氣中水汽對星光的折射和散射。天文學家對這種浪漫童話可是苦惱不堪，因為它直接影響了測量的精度。即便把望遠鏡搬到又高又冷的地方，比如智利帕拉納爾山頂上，仍然不夠完美，至少受到地球的遮擋只能看到半個天區。

為此，現代天文學家把望遠鏡發射到了軌道上。比如功勛卓著的哈勃太空望遠鏡，在軌運行了30多年，拍攝了大量地面天文臺難以獲得的清晰宇宙圖片，促進了天文學的發展。

從實用主義來說，地球的資源和壽命是有限的，月球、火星以及更遠的天體上有地球上缺乏的優勢資源。所以，在月壤采集已經成為現實的今天，人類開始瞄準小行星采礦了。而通過大型載人飛船在火星建立長期基地已經不是夢想。

航天的技術牽引和民生轉化

航天項目的技術難點在于航天器要自主在軌飛行數年甚至數十年，應對各種環境變化和不同任務，不允許出錯，也幾乎不可在軌修復。一些特殊的航天任務，更是需要前所未有的高精度和高可靠性。如此嚴苛的需求，促使航天工程師不斷尋找新材料、新方法，開發出更好的工程系統，用更可靠的制作流程，讓儀器的工作壽命更長久。

而這些航天新技術，有很多都會被應用于日常生活中。

除了常見的北斗導航、衛星電話、應急通信，你可能并不知道，平衡車是利用了衛星反作用飛輪的動量交換原理，地面太陽能電池板最早用于衛星發電，尿不濕本來是給航天員用的，方便面配料包中的脫水蔬菜也是為了給航天員補充營養，在抗擊新冠肺炎疫情中立下汗馬功勞的非接觸式測溫儀就源自航天紅外線溫度計，最初為防止航天員眼睛被強光灼傷而發明的太陽鏡早已成為“時尚潮人”之必備，手機上的高清攝像頭技術則源于最早用于太空相機的感光元件……

如今的航天技術早已不是冷戰時期大國炫耀武力的資本，它們正走下科技神壇，服務尋常百姓。特別是隨著國家綜合實力和科技水平的提高，以及航天準入門檻的降低和越來越多商業航天公司的蓬勃興起，航天技術進一步走向實用，并將繼續深入推動一系列科學技術的進步。

如果僅僅從航天器大小尺寸來看航天科技的未來發展趨勢，一方面是發展更大的航天器用于復雜的航天任務，我國正在構建的空間站僅核心艙就達到了22.5噸重，美國SpaceX星艦的近地軌道運載能力達到了驚人的100噸;另一方面是發展更精巧的、質量在幾十千克到上百千克的微納衛星，體現了高集成、低成本的特點，向著“標準化、網絡化、智能化”的工業化方向發展。

僅從單項技術來看，航空航天一體化飛行器、單級入軌、可重復使用航天器、高可靠低成本微納衛星、新型動力推進方式等，都是目前各國研究的熱點。

瞄準未來20年，更多的技術正在預研，包括取代哈勃的更高級望遠鏡、讓航天員更方便執行任務的智能宇航服、進行深空探測的核能航天器、探索系外行星的微納航天器、探測行星大氣的微型傳感探針、近距離接近太陽并吸收太陽能的探測器，還有在月球背面隕石坑內建設月球“天眼”開展宇宙觀測，利用極端超材料打造太陽帆實現5個月內到達木星以及10個月內到達海王星，利用轉基因微生物轉化火星二氧化碳為燃料實現殖民火星的能源保障……

可以說，未來航天，想象力是唯一的限制。

航天的魅力和未來

到目前為止，人類航天探索的路程大致分為3個階段：

第一個階段是地球軌道衛星的廣泛應用，第二個階段是建立載人空間站以及登陸月球，第三個階段是建設月球、火星基地并對太陽系更多行星和衛星開展探索。未來的路更遠，更有挑戰，因為遠方的宇宙在那里。

“世界航天之父”齊奧爾科夫斯基的墓志銘中，刻著“人類終將離開地球搖籃，穿出大氣層征服整個太陽系”的凌云壯志。或許這遠方星辰大海的召喚正是航天的魅力所在，促使人類不斷進步。

航天作為一種文化載體，帶給人們關于地球的整體空間感受，促進著地球村和人類命運共同體的文化認同，乃至星球整體文明的認知與傳播。曾有人提出宇宙中的文明分為3個等級：一級文明能夠使用所在星球的全部能源;二級文明可以利用母恒星的全部能量輸出;三級文明能夠運用整個星系全部恒星的能量，在自己的星系內來去自由和廣泛殖民。

根據卡爾·薩根的精確計算，人類目前能夠產出的地球能量總量只有一級文明的1‰，再有數百年或許能達到一級文明。

路漫漫其修遠兮，航天技術運載著人類文明走向未來。