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时间：2005年10月30日
地点：北京景山学校

　

艰难登天路，笑看宇宙花
李龙臣，科普作家

大家好！
　　先问大家几个简单的问题，什么叫“天”？什么叫“航天”？什么叫“航天员”？能回答的请举手。
　　什么叫“天”？古时候人们把地面以上叫做天，地是实实在在的，最多有几个小洞。天是比较空的，所以又叫“天空”，有时天和空分开用，如“天上”、“空中”。实际上天就是空，空就是天。但是科学发展到今天，已赋予“天”和“空”不同的含义。
　　我国家著名科学家钱学森，在我们1980年创办我国《宇航学报》的时候，给我们写来了一封信，它就是《宇航学报》发刊词。其中指出，宇宙航行应划分为两个阶段。第一阶段，冲出地球大气层，在太阳系范围内活动叫做“航天”。第二阶段，冲出太阳系，在银河系乃至河外星系活动叫“航宇”。有人把整个宇宙航行也称为“航天”。这样，航空、航天就把“天空”瓜分了。地球大气层空间叫“空”，在地球大气层空间中活动，叫“航空”，飞机、直升机、气球、飞艇等统称为航空器。冲出地球大气层，在太阳系范围以内活动，就叫“航天”。卫星、飞船、空间站、航天飞机等，统称为“航天器”。人们将气象预报叫天气预报，我说应该叫空气预报，风霜雨雪，本来就是空气变化。按照现在天和空的划分，天气预报，应该是宇宙空间环境预报。当然，人们已经习惯了天气预报这种叫法。所以，为了区分起见，需要将空间环境预报叫做“太空天气预报”。
　　什么叫航天员？在太空执行航天飞行任务的人员叫航天员，有些人叫宇宙员，也不错。因为航天是宇宙航行的组成部分，是第一阶段，叫宇航员也是可以的。不过，既然都叫航天，如航天部、航天局、航天器、航天飞机等等，对人叫航天员更顺当一些。
　　今天我讲的题目太大了，从时间来说，上到几千年，往下则是无限的，空间范围是整个宇宙，从科学范围来说无所不包，所以我只能概括地给大家讲。
　　有一位航天先驱者说了这样一句话，“很难说有什么办不到的事情，因为昨天的梦想，可以是今天的希望，而且可以成为明天的现实”，这个话是谁说的？这是美国“火箭之父”戈达德说的。这可以说是人类登天历程的写照。
　　现在我就来讲第一个问题，叫“曲径通幽——人类登天的历程”。今天来说戈达德的这句话，应改一下，叫“前天的梦想，昨天的希望，今天是现实”。
　　一，从嫦娥奔月到万户飞天，即从幻想到希望的阶段。嫦娥奔月神话是什么时候出现的？我没有考察，应该说一两千年。自有人类以来，就有登天的梦想，所以才有嫦娥奔月这样的神话产生，反映了人类登天的梦想，这个梦做得很长很长，一直到600年以前。美国火箭史学家赫伯特，1945年写了一本叫《火箭与喷气》的书，其中提到在14世纪末15世纪初，中国有个叫“万户”的人，在一把椅子后边绑了47支火箭，他自己坐在椅子上，手拿两个风筝，让别人把火箭点燃，利用火箭动力飞行。这就是“万户飞天”。14世纪末15世纪初，就是明朝初年，那个时候用火箭作动力飞天不现实，还属于希望阶段，因而不可能成功。
　　二，模仿鸟类飞行。在很长时间内，国内外有许多人想模仿鸟类飞行。这是最直观的希望，但实际上不行。经过很多人的试验，还有许多人的牺牲，证明人类凭自己肌肉的力量是不能飞行的，为什么？生理限制，举个例子，比如说人的心脏太小，人的心脏只占人体总重的0.5％，可是鸟就大大的不一样了，如鹫的心脏占体重的8％，蜂鸟的心脏占22％；人的心跳太慢了，我们的心跳平均一分钟70次，可是蜂鸟一分钟跳630次，麻雀的心脏每分钟跳800次，有一种小山雀一分钟跳1200次。如果人要飞，心脏跳动肯定要加快才能承受得了。如果人的心脏跳动每分钟增加到90次，心脏就要大大的增大，胸廓的长度要达到1.8米，人有多大？所以人不能凭自己肌肉的力量飞行。这里有科学的思想问题，往往是最直观的、最符合常识的，不一定是最科学的，你们要记住这个科学道理，相对论是违反常识的，量子力学更违反常识，但它们是科学。
　　三，从气球到飞艇，从滑翔机到飞机。222年前，1783年，蒙哥尔费兄弟发明了气球，第一次使人类能够离开地面。又过了69年，有个叫吉法尔的法国人，1852年制造了飞艇。气球和飞艇是没有动力的，不能掌握方向。
　　156年前，也就是1849年有了滑翔机，李林达尔兄弟对滑翔机作出了重要贡献。又过了54年，到1903年，又是两个兄弟，莱特兄弟制造了飞机。飞机的应用很广，大家都很清楚，但是飞机只能在大气层里飞行，要上天,超过地球大气层是不行的。
　　四，现代火箭的曲折问世。122年前，俄国有一位科学家叫齐奥尔科夫斯基，1883年指出，火箭可以作为宇宙航行的动力。又过了20年，到1903年，他又具体提出了火箭公式，指出了火箭怎样才能冲出地球大气层，并指出多极火箭可以达到宇宙速度。
　　要把这个理论变为现实，要由其他人接着努力。又过了18年，到1926年，戈达德首先发射成功液体燃料火箭，飞的不高，十几米，几秒钟。后来欧洲的“火箭之父”奥伯特在欧洲也发射成功了固体火箭和液体火箭。当然这些火箭还不能实际应用。又过了18年以后，到1944年，德国的布劳恩研制了“A-4火箭”，后来希特勒把它作为战争武器，叫“V-2”。这是现代火箭的雏形。现在的火箭组成跟它基本一样。
　　第二次世界大战以后，苏联和美国都在“V-2”的基础上搞导弹和航天运载火箭。有了火箭，航天时代开始了。1957年，苏联首先发射成功第一颗人造地球卫星，这是航天时代开始的标志；1961年，苏联航天员加加林第一个飞上天；8年以后的1969年，美国人阿姆斯特朗和奥尔德林登上月球；1971年，第一个航天站——苏联的“礼炮1”号发射成功；1981年，美国航天飞机开始飞行。
　　欧洲“火箭之父”奥伯特的一句名言说：“一般来说，骆驼能够在它们渴的时候发现新的水源”。我把它浓缩一下就是：“是骆驼就能找到水源”。中国人民在经过100多年的落后、挨打以后，是渴了，需要找到新的水源。解放以后，1958年毛主席说我们也要搞人造卫星。要搞航天活动，必须要有条件，当时中国很落后，火柴还叫“洋火”，飞机更是造不出来，要登天，困难的难度是很大的。
　　现在讲第二个问题，急起直追——中国载人航天历程。
　　一，从生物火箭、生物试验到航天医学工程研究所成立。我们国家生物火箭是1967年7月发射成功的，有了生物火箭就可以做生物试验，生物试验是为载人航天服务的。1965年6月份，将大白鼠、小白鼠送到高空进行试验，1966年7月将两只有名的小狗——雄狗“小豹”、雌狗“珊珊”分别送上高空，并安全返回，回来以后它们还结婚生子。
　　1968年专门成立了航天医学工程研究所。他们的任务，简单说就是研究人到太空去的安全保护和生存问题。两年以后，选了20名预选航天员进行试验，那个时候可能是身体素质比较差，大部分人没有过过载关，只有两个人过了，“林彪事件”以后预选员解散了。
　　到1970年4月24日，我们国家发射成功第一颗人造地球卫星，这是我们国家航天活动的重要标志。第二年我们开始发射“实践号”探测卫星，就是探测太空环境。
　　二，从“714”工程到“863”计划。1971年4月份，我们国家的80多个单位，400多名专家提出了一个载人飞船的方案，叫“曙光号”，两舱结构，跟美国的第二代“水星”飞船差不多。但是那个时候我们国家的科技、工业、经济总体实力还不行，1975年下马了。
　　1975年，我们开始更扎实的工作，就是回收卫星。因为人上天跟动物不一样，动物回不来大家也不在乎，当然回来更好，人上去是一定要回来的。所以我们从1975年11月，开始发射返回式人造地球卫星，返回式卫星有它自己的用途，但它的返回是可以为载人航天返回打基础的。没有返回式卫星多次成功返回的经验，我们的飞船的返回能那么顺利吗。
　　1985年7月份航天部召开了首届太空站研讨会，高级顾问们向中央建议，应该把载人航天立项。
　　1986年3月，四位著名的科学家，王大珩、陈芳允、王淦昌、杨嘉墀等提出“863”高科技计划，其中载人航天叫“863－2”。
　　三，从模式论证到方案论证。中国人搞载人航天，采用什么模式？世界上载人航天模式有两种。苏联首先用一次性火箭发射一次性飞船，实现短期载人航天，接下来搞空间站，实现长期载人航天，还是用火箭发射飞船作往返运输系统；美国第一步跟苏联相同，用火箭发射飞船。第二步，他们想跳跃式发展，用可重复使用的航天飞机作往返运输系统。我们要搞载人航天，搞哪种模式？是搞航天飞机还是先搞飞船？各有理由，先搞航天飞机先进，迎头赶上，先搞航天飞船，稳扎稳打，技术可靠。1986年4月份，屠善澄等首席航天领域专家组讨论这个问题，到底是先搞航天飞机还是先搞航天飞船？1989年3月份得出结论，先搞航天飞船。
　　四，从“921”立项到“神舟”飞船上天。
　　1990年，航天部的三个院分别提出载人飞船的方案。
　　1991年，中央批准由空间技术研究院抓总。
　　1991年7－10月提出六个方案。
　　1991年11月上报立项论证报告。
　　1992年1月中央批准中国的载人航天方案。
　　1992年6月完成可行性论证。
　　1992年9月21日中央批准立项。所以叫“921”工程。
　　1999年10月20号，“神舟一号”飞船上天。
　　科罗廖夫是苏联航天工程灵魂式人物，第一枚导弹、第一枚火箭、第一颗人造地球卫星、第一名航天员上天、第一个探测器等等苏联争得到“第一”，都是他领导取得的。他有一句经验之谈：“搞喷气飞行器是困难的，但却很有意义，并是可以获得成功的，困难终究被克服，不过需要做很大的努力才行。”
　　现在讲第三个问题，迎头赶上——中国航天人如何解决技术难题。
　　一、 不畏险阻，敢于挑战。从宏观上来说，我们当时搞载人航天工程，是以落后的经济和落后的工业技术面对最尖端的航天科技，这个困难是可想而知的。
　　首先要有火箭，火箭不是那么简单的事情，火箭发射最容易出问题，因为火箭是由几十万、上百万个零部件组成的，有一个零部件出问题，整个火箭就发射失败。火箭要战胜地球引力，必须有强大的威力，并快速上升，但又必须保证航天员安全，加速过载不能太大；要增加宝贵的火箭运载能力，火箭自身的质量越轻越好，但必须保证火箭绝对可靠。怎样做到火箭的安全可靠，这是很不简单的事情。
　　在太空轨道上飞行需要飞船，飞船要能防御太空高真空、强辐射、微流星体和太空垃圾，还有低温对航天员的伤害；飞船飞行还会诱导产生失重和极端温度，就是最高最低温度，因为太空没有空气对流，太阳直照飞船的那一面，温度可以高到100多摄氏度，没有太阳照的那一面低到零下100多摄氏度。
　　返回时危险更多，飞船在轨道上飞，要回来，总要脱离原来的轨道，怎么脱离？飞船要把姿态调整到正好进入返回轨道，这是非常细致和困难的事情，“差之毫厘失之千里”。苏美回收卫星时候，曾发生过这种情况，让它往低里走，它反而向太空高处走，或者不能在原来的着陆点着陆，甚至相差几百、几千公里。进入稠密大气层时有巨大的冲击过载，与空气剧烈摩擦的气动加热，产生上千度的高温。还有过黑障区和落地撞击等等困难。
　　要解决这些问题，每一项都是非常困难的，但是中国人敢于挑战，虽然经济还不富裕，工业技术还不发达，困难很多，但我们敢干。怎么干？
　　二、海纳百川，自主创新。在我们前面有苏联、美国先走了一步，可以充分吸收他们的经验，借鉴他们的做法，什么都可以学，当然是学理论上的，具体的技术谁也不会给我们，得靠我们自己。所谓的借鉴，就是在报纸上看一点宏观上、理论上的东西，具体技术每一项都靠我们自己，但是这一步很重要，我们要海纳百川，吸取前人的经验，但是要自主创新。怎样自主创新？可以讲很多具体的故事。但时间限制，今天不可能细说。归纳起来讲，就是严格按科学思想、科学规律办事。这形成了有中国特色的航天工程研究程序，总起来分三段。
　　第一段，全面地综合国际国内情况的需要，我国工业技术水平和经济、人才等方面的可能，提出任务方案。如前面说到的我国载人航天的历程就是这样。
　　第二段，反复分析、仔细研究，提出多个设计方案，然后进行比较分析，确定一个最好的设计方案。
　　第三段，精心地研制。在研制过程中，从元器件的选择到零部件的制造，反复地、一级级地进行检测试验，务必达到设计的要求和理想的程度。整个飞船、火箭造好了，还要检测试验，运到发射场以后，在技术区还要检测试验，送到发射台以后还要检查测试。
　　不谋而合，这正是科学发展的“三段法”：综合归纳、逻辑推理、试验验证。任何科学技术的发展，必须要遵循这三段才能够成功，缺少哪一段都不行，尤其是试验验证这一环。
　　研制过程中的反复试验验证的实质是什么？就是不断修正谬误。人类的科学就是在不断修正谬误中发展起来的，从亚里士多德、阿基米德的静力学到伽利略、牛顿的动力学，到爱因斯坦的相对论，一直到量子力学，就是一个不断修正谬误的过程。科学精神有很多种表述方法，但是我说最核心、最本质的科学精神是追求事实，服从事实，不断修正谬误，这是最根本、最彻底的科学精神。自然科学适用，社会科学也适用。航天人追求的不是个人目标，而是真实的事实，即真理，服从的不是哪个权威，而是事实，最后达到修正谬误，达到十全十美，或者比较完美的程度。
　　关于科学思维，我以火箭的可靠性为例稍作说明。怎么保证火箭的可靠性？最直观的方法就是保证元器件和零部件都绝对可靠。但是，大的火箭零部件达到上百万个，10的六次方。如果可靠性要达到90％，再加两个零，就是10的8次方。这就是说，要使火箭飞行可靠，每个零件应该从一亿个里边挑一个。现在市场经济，哪个厂商能够造一亿个零件让航天人挑一个，不可能的事情，即使让挑，成本也会大大提高。如果换一种思维，允许出某种故障。比如有三台发动机的火箭，发动机的可靠性是75％，也就是说，发射时可能有一台要出问题。我们可以搞备份，准备四台发动机，即使一台真的出了故障，备份的一台接替工作，可靠性百分之百。没法搞备份的怎么办？那就做到出了故障也能安全地工作。如果不允许出故障，即使每一个零件都从一亿个里挑出来，它们可靠了，也不一定能保证整枚火箭可靠。因为一亿百万个零件在一起，互相之间的机械性能、电磁性能之间是不是协调，电磁性能和机械性能之间是不是匹配，都会影响到火箭的可靠性。再退一步，如果每个零件都可靠，性能也匹配了，但是搞火箭的人有十万、二十万，人因因素也很重要，20万人在很长时间的工作中，如果哪一个人有一点点小的疏忽，比如落下一个小螺钉，哪个螺丝少拧半圈等等，都会造成失败。
　　三，“以人为本”，团队精神。我们主张和平利用外部层空间，反对太空军事化，航天事业应为人类谋福利。这就是“以人为本”。还有，从“神6”发射、飞行和返回的实况播报中我们看到，处处都是为了航天员的安全，这也是“以人为本”。
　　以人为本不是突出个人主义，搞航天的就是要搞团队精神。载人航天工程有几十万人参加，大家都各行其是能行吗？整个载人航天包括七大系统，哪一个系统不协调、不配合，能行吗？一定要讲究团队精神。航天员在太空，团队精神更重要，两个航天员能不能共事，这是非常非常重要的，所以选拔航天员的重要条件就是能跟同事很好地共事。将来的宇宙航行更是这样，宇宙飞船几百人、几千人，航程几百年、几千年，如果没有团队精神，你争我夺，很快就会将“从哪里来，到哪里去”这个根本问题丢在脑后了。
　　现在讲第四个问题，丰厚的回报——航天事业有什么用？
　　布劳恩第二次世界大战末期到了美国，1953年他搞了一个“火星计划”，一些国会议员说风凉话，问“这有什么用？”布劳恩回答说：“一个初生的婴儿有什么用？”这个话不是布劳恩本人说的，他是引用别人的话。搞电学实验的英国人法拉第，1831年他请英国当时的首相狄里烈看他的试验，首相很不理解地说，“这有什么用？”法拉第就回答说：“一个初生的婴儿有什么用”。这个话非常确切，现在我们能离开电吗？
　　大家都知道齐奥尔科夫斯基的一句名言：“地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里，开始她将小心翼翼地穿出地球大气层，然后征服整个太阳系。”前半句是优美的文学比拟，但我要强调后半句，“开始将小心翼翼地穿出地球大气层，然后征服整个太阳系”，这很有科学内涵。
　　从这两个人的名言中，我们可以领会到航天活动是有丰厚的回报的。我说三点。
　　一，人类生活的依托。根据这两个人的名言，我打一个比方，现在的航天活动还是在修路、筑路，就好像修青藏铁路；然后是用路，路修起来了，用处大的很。我们现在这条路刚刚修出地球大气层一点点，路还不够宽，还不够长，将来要修的更宽、更长，修出太阳系、银河系。在即使现在的路还不够宽、不够长的情况下，我们的日常生活已经离不开它了，从早到晚，衣食住行、工作、学习、娱乐，甚至生老病死，仔细地回会一下，哪样离得开航天技术？如果没有航天科技，人类的生活质量要倒退30－40年。在坐的多数人没有这个年龄，但可以去问长辈，那个时候我们的生活质量是什么样的？这里仅从我国返回式卫星搭载农作物、花卉、药材种子就可看到，它关系到我们的菜篮子、米袋子、花瓶子、药罐子。地球现在面临人口爆炸、资源枯竭、环境污染等危机，仅靠地球，老百姓有一句话，地球即使全身都是铁，又能打几颗钉？人类的未来要向太空要资源，要向太空发展。大家对外星生命和外星人很感兴趣，我也很感兴趣，现在人类的很多疾病，脑血栓、糖尿病、艾兹病、禽流感等等，怎么克服？怎么治根？病是怎么产生的，病理是什么？如果我们能找到外星生命，研究他们的DNA跟我们的DNA有什么差别，病根一下就找到了，找到病根就很好治了。哪怕是外星上的小草，对我们也大有帮助。如果找到外星生命做比较，搞肥料、防害虫更是不在话下，可以找到很好的农作物，很好的除草剂，很好的肥料，可以使粮食丰产。
　　二，人类心灵的依托。老百姓有句话叫“人心比天高”，人类的发展欲望是无穷的。人类的许多愿望都跟天联系在一起，宗教的天堂观、天人合一观，老百姓的听天由命观，都把心灵寄托在天上。青年人喜欢讲星座，对我来说，星座只不过是银河系里相邻的几颗恒。太小了，宇宙中有一千多亿个像银河系这样的星系。人类有一个特点，不断地开拓，敢于冒险。地球已经不够我们冒险的了，不够我们开拓的了，将来的太阳系也不够我们开拓，不够我们冒险，我们要冲出太阳系。可见，人类把心灵寄托在宇宙航天上。
　　三，科学发展的依托。科学的发展，从我们现在来说似乎已很高了，实际上宇宙中很多的未知事物我们都不清楚，需要我们继续探索。已有的理论，很多还需要验证，比如相对论、量子力学，我们用了，但是有些需要验证。但许多理论在地球上是无法验证的，需要到太空去验证。如速度效应、时空弯曲、宇宙大爆炸、宇宙膨胀、11维时空等等，对不对？地面上没法验证，还有黑洞、引力波、暗物质、暗能量，地外生命力有没有？有，在哪里，这些都需要航天去探索。未知的更是这样，宇宙到底是怎么诞生的？是怎么发展的？地球上的生命是从哪里来的？怎么起源的？在宇宙中有没有人类的知音？人类是怎么起源的？怎么发展的?我们现在说不清楚。总之，我们从哪里来？向哪里去？都要靠航天技术去探索。
　　这里举几个例子。如暗能量的问题，以前搞不清楚，现在航天器发射上去以后我们基本上开始理解什么叫暗能量，是哪里来的。宇宙的年龄到底有多大？我开始学宇宙学的时候，有的专家说宇宙年龄80亿岁，有的说200亿岁，有的说150亿岁。现在太空望远镜通过宇宙的加速膨胀，比较准确的搞清楚宇宙的年龄是137亿年，宇宙已经137亿岁了。还有太阳的寿命，太阳的寿命到底有多少？以前有说90亿岁，100亿岁，现在比较深入的探测已经搞清楚了，太阳的寿命可以增加10亿岁，可以达到110亿岁。现在太阳已50亿岁了，她还可以像现在一样存在60亿年。相对论说，地球围绕太阳转，地球的自转，会使时空扭曲，对不对？通过最近的探测，地球围绕太阳运转，确实把时空扭曲了，以前能知道吗？
　　如果要给我今天讲的取个题目，那就叫“艰难登天路，笑看宇宙花”。不过，对青年人来说，应该是“艰难登天路，笑摘宇宙花”。
　　谢谢大家！

现场问答
　问：请教李教授，设计中国航天史有一个模式，美式和苏式的，中国现在因此是偏向苏式的，先发展飞船，现在中国已经成功发射了“神五”和“神六”，中国下一步有没有在太空建设太空站的设想？如果没有，下一步的研究方向是什么？
　李龙臣：我说说模式问题。在飞船火箭里可以看到苏联的飞船，美国的火箭，苏联的火箭的影子，只能是影子。载人航天现在走了两步，第一步就是短期的载人航天，美国和苏联是一致的，就是用一次性使用的火箭，发射一次性使用的飞船，这是第一步。第二步是长期的载人航天，十几天一直到几年。这一步苏联和美国的完全不一样，苏联还是用一次性使用火箭发射一次性使用飞船，与空间站对接，美国用可重复使用的航天飞机与空间站对接，这实际上看来苏联的模式比较稳当，美国是跳跃式的发展，现在看来困难比较多。国际空间站，美国的航天飞机两次失事以后，虽然从概念上比较先进，实质上没有大的目的。我们国家现在搞的有苏联的影子，也有美国的影子，但是比较偏重于苏联的模式。下一步怎么做？可以搞空间实验室，飞船的空间实验室对接，实际上是试验性的空间站，再下一步当然要搞空间站，可是我们自己搞，也可能和国际合作搞，基本上走这个路子，飞船和空间站，往返运行时空，一次性使用火箭。第三步怎么走还没有搞。
　问：以后“神舟”系列的试验会不会带有核反应堆，使飞船飞的更远，距离更长，这样安全吗？
　李龙臣：核动力当然可以，但是现在核动力的安全性不是特别保险，最主要的，全世界有一个大的原则遵守，一般不把核作为动力，苏联曾经有一颗卫星是核动力的，最后掉下来，掉到加拿大，还得赔偿好多，尤其是在地球周围，围着地球转的航天器，一般不主张用核动力，当然也有，比如“神舟”二号，里边都有核动力。“以人为本”，不给地球人造成很多危害。
　问：中国比较善于运用轨道舱的，“神六”轨道舱在脱离之后大约半年左右，半年之后轨道舱是不是也会成为太空垃圾？我们能否应用激光技术使得太空垃圾收集起来？
　李龙臣：轨道舱完成任务以后就是太空垃圾，要解体，大的掉入大气层里烧毁了，小的可能留下一点点，都会解体。我们国家有一项规定，尽量减少太空垃圾，很自觉的遵守《国际公约》，但是不可避免。收集是很大的问题，太空垃圾怎么收集，做过很多研究，激光收集不知道是什么原理。太空碎片是一个大的东西分散了，大块分成小块，轨道是不变的，在上个世纪已经意识到了这个问题，一个卫星碎了以后，总的轨道重心还是不变的，让激光把它移开难度比较大。