评论:云帆直挂高边疆 强者对话外太空

傅鹏程

2010年11月02日14:12  来源:《科学时报》

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  2010年10月1日18时59分57秒,中国的嫦娥二号探月卫星在西昌卫星发射中心被“长征三号丙”运载火箭成功送入太空。这标志着中国的登月之旅技术储备又向前迈进了一步。相比嫦娥一号先发射到地球附近的过渡轨道,再经过数次调整切入奔月轨道, 嫦娥二号卫星将一步到位,由运载火箭直接送入近地点200公里、远地点约38万公里的绕月轨道。嫦娥一号需要近14天时间才能进入工作轨道,这次的嫦娥二号则只需7天以内就可做到。因此,嫦娥二号的技术更先进,其对运载火箭推力要求更大,对入轨精度和控制精度要求更高。

  人类长久以来的一个愿望是挣脱地心引力的束缚,获得天马空般来去蓝天的自由。即使在人类社会进化的蒙昧时期,许多民族也在敬畏神秘的日月星辰的同时,以想象力作为翅膀,让想翱翔天穹。中国古代神话中的“嫦娥奔月”, “白日飞升”,“羽化登仙”等等,就是这样的例子。及至科学开始昌明的近代,更是有不少人将心动化为行动,开始了地球居民征服蓝天的尝试。法国的蒙戈菲尔兄弟1783年发明并乘坐了热气球升空,美国的莱特兄弟1903年实现了人类历史上第一次驾机进行动力飞行,便是其中著名的例子。当人类的航空器突破了地球大气层这一屏障后,太空开始变成大国角力竞争的新边疆。在东西方高度对峙的“冷战”时期,美苏太空争霸战成为“社会主义阵营”和“资本主义阵营”比拼实力及“制度优越性”的热点。1957年10月前苏联成功发射人造卫星。1961年4月,宇航员加加林少校乘坐“东方1号”宇宙飞船绕地球近地轨道飞行,1965年3月,列昂诺夫中校走出宇宙飞船进行太空漫步,前苏联一时风头无两, 美国人威风扫地。为扳回败局,1961年5月,美国公布了“阿波罗”登月计划。该计划历时11年,耗资 255亿美元,参加这个人类社会迄今为止最大的系统工程的美国企业有2万余家、大学200多所和科研机构80多个,总人数超过30万人。作为回报,1969年7月20日,美国阿姆斯特朗等三名宇航员驾驶“阿波罗”11号登月舱,降落在月球表面上的万古荒原,人类首次圆了登月之梦。全球的电视转播让各国人民见证了从地球到月球飞翔之梦的实现。当中国正处于“文化大革命”的癫狂岁月时,巨大的“土星5号”火箭载着“阿波罗”飞船从美国佛罗里达州肯尼迪角发射场一次次点火升空,十几名宇航员先后驾驶宇宙飞船跨过38万公里的征程踏上月球,并向地面带回440公斤的月球土壤样品。在随后的1969年11月至1972年12月之间,美国太空总署又先后送了5批宇航员登月。于是,一场以月球探测为中心的空间科学技术竞赛的天平,开始向美国倾斜。但是,这种以举国之力不计成本进行的太空竞赛是不可持续的,1973年后,美国停止了“阿波罗”登月计划。直到2010年4月15日,美国总统奥巴马才又公布了新太空探索计划,其要点是放弃旨在重返月球的“星座计划”后,将更为遥远的火星作为未来美国载人航天计划的目的地。

  伊凡(化名)原来是莫斯科大学教授,著名的太空微生物学家。在前苏联时期,他作为国家精英跻身上流社会,在莫斯科有房子,有汽车,有用人,还在黑海海滨的索契有度假别墅。在大学这个象牙塔里,他大半辈子勤勤恳恳地从事太空生物方面的研究,他的团队有来自世界各地的学生和他一起工作。风云变幻,河山失色。1991年前苏联一夜之间垮了台,在俄罗斯政治经济界重新洗牌的过程中,作学术研究的知识分子们成为时代的牺牲品。伊凡一下子从无忧变得一文不名。大学几个月不发工资,旧卢布还贬值几千倍。无人理睬的伊凡不是能够投机倒把挣钱的主,只能干坐在家中挨饿。人挪活,树挪死,日子过不下去了,伊凡只好想办法离开俄国。

  在伊凡原来的学生中,有一个印度人。他一看前苏联要完时,急忙撤到了美国。混了几年,时来运转地当上了美国教授。当伊凡向他求助时,这个昔日印度学生(现在是印度老板了)看自己原来的老板可怜,动了恻隐之心,把伊凡招来实验室当自己的博士后。伊凡的太太,曾经的著名的莫斯科微生物研究所研究员,就在同一个实验室洗试管。后来印度老板没有经费了,只能打发伊凡夫妇走路。那年他们夫妻都50多岁了。 这位俄国顶尖的微生物教授,不得不先后在美国三个大学再做好几年博士后。伊凡老婆则洗了无数的试管。这么牛的人,沦落到如此悲惨的境地,再次让人看到国家一旦不幸崩解,社会精英一定首当其冲,斯文扫地。

  绝望中,伊凡夫妇想回国了。当他们正在订机票打包时,好消息来了。美国太空总署(NASA)突然通知伊凡他的求职申请被批准了,他成为NASA的一个科学家。因为NASA在美国找不到比他更好的太空微生物学家,尽管他的英语几乎没有人听得懂。他于是进了位于美国休斯顿的约翰逊航天发射中心,也就是奥巴马总统发布美国新太空探索计划的地方,开始了他的第二春。从此他又可以搞他的专业了。

  有一个阴谋论在世界盛行了40多年,那就是“美国登月造假论“,不少人著书立说,振振有词地揭露美国宇航员在1969年根本没有上过月球。按他们的推论,一切有关登月的影像都是在美国沙漠地区拍摄的。世界上无数的人相信阴谋论。但伊凡的日常工作就是用美国当年从月球表面带回来的土壤(月壤)培养一类总称为藻类的低等水生绿色类植物体。约翰逊航天发射中心保存的月壤并不多,伊凡每次使用,都要领导签字,领出来后,像撒胡椒面一样加在培养液中,进行藻类培养。当伊凡听到我转述的“造假论”时,已经升任主任科学家,全面负责太空微生物研究项目的他扬起手中握着的装着月壤的瓶子笑了笑。

  为什么美国太空总署把培养藻类和登月(或登陆火星)相联系呢?这就需要回顾一下地球生命的进化过程。

  远古浩淼,宇宙苍茫。迄今为止,有生命存在的星球只有地球一家。太阳系中,和地球相邻的行星是金星和火星。地球曾经和这两个相邻的行星一样,大气层被95%以上的二氧化碳所笼罩,地表一片死寂。今天,地球生命系统脱颖而出,生机勃勃,金星和火星依然荒芜。原因是约在38亿年前,偶然地,藻类在地球上出现了。这种微小光合生物群通过光合作用把自身叶绿体接受到的太阳光能转化为化学能,再吸收大气中的CO2放出氧气维持自身的生命过程。这样,分布在地球表面,作为生命先驱的藻类通过自身的繁殖和代谢过程,逐渐减少大气中CO2的含量,逐渐增加氧气的浓度,彻底改变了大气层气体的组分,为需氧生物在地球的生成铺平了进化之路。现在,地球的大气层CO2含量降低到0.04%左右,氧气含量增加到约21%,这也为当今世界的生物多样性奠定了坚实的基础。各种各样的动植物,包括人类,可以在藻类为我们开创的地球生态圈中生存。因为藻类能够降低大气中CO2的含量,它又是“温室效应”和全球暖化的天然克星。历史上地球曾经不止一次进入“冰川时期”,整个地球曾经变为“冰球”,就是因为藻类吸收了大气中大量的CO2而把地球表面温度过度拉低引起的。现在,藻类几乎在世界上任何有水的地方都能生长,作为地球上最古老的生物,它们的适应能力非常强,可忍受高温、冰冻、缺氧、干涸及高盐度、强辐射等恶劣生长条件。所以从热带到极地,由海洋到雪峰,以及在许多其他恶劣极限条件下,例如85摄氏度温泉,零下62 摄氏度雪泉,27%高盐度湖沼,干燥的岩石等地方,均能发现它们的踪影。目前藻类仍然在地球生态圈中发挥着决定性的作用:它们是海洋生物系统的基石,吸收着全球50%的二氧化碳并为世界贡献50%的氧气。

  有没有可能把藻类运上月球或者是火星以复制地球的成功?美国太空总署的科学家们认为理论上这是可能的。为使宇航员可以在月球和火星获得适合居的小环境,可以先将藻类送上去进行繁殖,这就是伊凡在约翰逊航天发射中心使用月壤进行藻类培养实验的终极目的。已经不满足于送宇航员上月球只是去插国旗,踩脚印和取岩石的NASA,下一个宏伟计划是在月球和/或火星建立永久基地。太空总署当时的总体设想是开始重返计划后,每年执行两次载人任务,并把建筑设备和补给品送上月球,最终于2030年之前建成一个功能齐全的宇航员居留基地。该月球基地将配备探测车和机器人,并有生活区及可移动的“房车”,能够保证4名宇航员在月球上连续驻扎长达180天的时间。

  为了进行藻类“殖民”月球的可行性研究,美国太空总署召集全国各地相关的科学家和研究人员进行了多次研讨。其中有关结论认为,藻类引起地球大气层气体组分的演变用了上亿年的时间。人类不可能等待那么漫长的时间再来考虑进军月球及火星。已经达成共识并且已经以月球为对象进行了兵棋推演的方案大致如下:1.大型货运飞船将货物设备运上月球;2.在合适地点以挖掘机开挖地下掩体;3.在封闭式的地下掩体中装设光合生化反应器培养藻类;4.使用集束式光导纤维将地面碟形太阳能收集器收集的阳光直接引入反应器内作为藻类能源的来源,另外再通入二氧化碳,进行藻培养;5.藻类生产的氧气供宇航员使用,以及注入封闭掩体形成有氧小气候;6.藻类生产的生物燃料供月球探测车动力驱动,以及作为宇宙飞船返回地球航程之用;7.藻类提供的蛋白质,多不饱和脂肪酸及氨基酸等食品,可以为太空人提供营养来源。月球基地建设的最大问题是必须找到水源,供藻类调制培养液之用。虽然报道说月球南极已经找到水源,但是在那个位置建设永久性基地不是一个理想的地点。参加研讨会的一位教授基于自己的研究经验,提出月岩中存在离子态的氧,用特定的细菌可以转化成水,从而可以解决水的来源问题。另外一个重大问题是月球上白天超高温(高于150oC),晚上超低温(低于-140oC),只有将基地建在地下才能有相对恒定的室内温度。

  与此同时,美国太空总署也已经研讨了火星旅行及居留的方案。由于火星距离地球更加遥远,因此它上面的基地的自给自足能力应该比为月球设计的居留地更充足,其功能必须比月球基地更为强大。特别地,在火星地面上进行生物能源的生产至关重要。只有那样,才能保证太空人在火星上有足够的能源工作和生活,也才能保证宇宙飞船有足够的返程燃料。迄今为止,已经有美国的“勇气”号和“机遇”号,日本的“希望”号以及欧盟的“猎兔犬号”等火星探测器飞往火星,但它们无一具有返程能力,也就不能把火星样本带回地球。

  登月和登陆火星各有优缺点。首先,月球绕地球旋转,距离仅为38万公里。火星与地球都绕太阳旋转,二者距离最近时约为5576万公里,远的时候则是这个距离的百倍以上。登月的成本因而比登陆火星大大节省。并且,美国宇航员已经带回大量月球样本,人类对月球比较了解了,在上面建立基地没有什么风险。但是,直飞火星也有它吸引人的地方。和地球类似,火星具有四季特征。专家论证认为,火星曾经温暖湿润,适宜于生物生长,但现在除南北极存在干冰外,大部分地区成了干燥的“戈壁滩”。不过火星地下存在水的可能性相当大。而且,火星大气层气体主要是二氧化碳,这为藻类生长提供了取之不尽的碳源。相比之下,月球上的大气极为稀薄,约为地球上的一万亿分之一,这等于说,月球表面实际上没有空气,也就无法提供藻类培养需要的二氧化碳。太空总署内部因而分成“月球派”和“火星派”,当然,即使主张先重返月球的人也是把它作为最终登陆火星的先期行动。从长远而言,火星是茫茫星空中有望成为“第二地球”的不二之选。克服困难,直接登陆火星,可以缩短人类殖民太空的进程。

  美国新近制定的“太空探索蓝图”是雄心勃勃的“火星派”的胜利。它计划使美国到2025年能对太阳系进行深入探索,到2030年左右具有运送宇航员平安往返火星轨道的能力。受金融风暴的打击,奥巴马总统早些时候宣布放弃重返月球计划。时隔不久,也是在美国经济开始复苏的关键时刻,美国最新宣布的新太空计划无疑具有“拉动内需”的效用,为美国国内提供大量就业机会。但是它所包含的深远战略意义更不容忽视。从上个世纪末到现在,世界经历了深刻的政治经济变革,新的国际地缘政治版图已经基本成型。曾经一度“门前冷落车马稀”的外太空,近来又变得热闹起来了,尤其是中国、印度等新兴经济体纷纷将目光投向太空,并为此进行技术储备。更多国家为了取得“登月俱乐部”的入场券而摩拳擦掌。在此时刻,美国的火星登陆计划向世界昭示不论经济实力还是科技实力,只有美国可以在太阳系走得更远,美国的太空霸主地位无可撼动。二次世界大战时,美国在太平洋战场上舍弃逐岛争夺,应用“蛙跳”战术一举摧毁了日本法西斯的海空军实力。现在,美国的太空“蛙跳”舍月球趋火星,可以远远甩开竞争者,确保其龙头老大的地位,并拉大美国和其他国家的差距,使世界上没有哪个国家可以望其项背。美国希望保持这种优势,并且长期引领世界潮流。这大概是美国“太空冷战”战略部署的一个重要原因吧。

  根据中国的实际技术进步及科技储备,中国只有走先月球再火星的稳健太空探索之路。和40年前就已经登过月球的美国不同,中国的航天科技还没有得到过真正的外太空考验,没必要也不可能把目标设定为直航火星。载人探月是一项大系统工程,除了需要有强大的国力支撑之外,还要具有完成航天任务所必需的规模庞大、技术复杂、质量可靠性要求极高、耗资巨大、研制周期长的硬件和软件系统,以及居此之上的航天系统控管工程。这些都是中国逐步解决的技术瓶颈。不过,中国综合国力处于稳定上升状态,登陆月球将给中国带来不可估量的经济和社会效益,以及大大增强中国的国家核心竞争力。

  此外,有一点可以肯定的是,未来人类的新边疆在太空,没有太空航天能力的国家,没有太空武器的军队,无法有效捍卫自己的国家利益,也将面临敌国的来自太空的垂直打击的威胁。

  还有,应当牢记奥林匹克精神:“更快,更高,更强”。当我们讨论登月时,不要忘了,建立月球基地比短暂登月重要,有了月球基地后,月球之外是火星!

(责任编辑:马丽)
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