墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院和浦东新区南七量子科技交流中心主办的面向公众的科学普及活动。不久前，中国科学院国家空间科学中心研究员吴季在活动中为大家介绍了“空间科学和航天技术新发展”。

　　当我们离开地球进入太空的时候，我们会更多地思考我们自身，我们应该如何保护地球环境和地球资源，使人类得到可持续发展。

　　——吴季

　　离开地球真的很难

　　我们先回顾一下人类进入太空的漫长历史。

　　中国明朝的时候，有一个官员曾经想用火箭飞天，他的名字叫万户。他手举两只风筝，绑了47个自制的火箭在椅子上，然后坐上椅子点火发射，结果飞到半空中掉下来摔死了。万户虽然失败了，但他是第一个想借助火箭推力升空的人，因此被公认为“世界航天第一人”。为了纪念万户，月球上的一个陨石坑被命名为“万户撞击坑”。

　　当人类真正进入科学时代，现代宇宙航行学的奠基人是苏联火箭专家齐奥尔科夫斯基，他被称为“航天之父”。他有一句非常著名的话：“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远被束缚在摇篮里。”

　　齐奥尔科夫斯基的重要贡献是计算出了摆脱地球的引力要达到一个什么样的速度。如果一个物体围着地球转，转得很快就会有一个离心力，当这个离心力和地球的引力相等时，会达到第一宇宙速度，这个飞行器以第一宇宙速度飞行，就不会落回地球了。齐奥尔科夫斯基计算出这个速度一定要达到每秒7.8公里，当然，随着轨道高度的增加，地球引力下降，速度会逐渐降低。

　　他还计算出，如果离开地球进入行星际围着太阳转，需要的第二宇宙速度是每秒11.2公里。而离开太阳系进入宇宙，则需要第三宇宙速度。这三个宇宙速度都是齐奥尔科夫斯基算出来的。

　　更重要的是，他推导出的一个公式表明，随着速度的增加，带来的是火箭重量呈指数级增长。也就是说，人类要想离开地球，就需要大型的运载火箭，因为地球与太阳系内其他固态表面的行星、卫星相比，引力是最大的。

　　所以，人类要想离开地球真的很难。但是也有一个好消息，那就是我们离开地球以后，要落到其他行星上再起飞比较容易，因为其他行星都没有像地球这么大的引力。

　　火箭的制造史

　　第一位应用齐奥尔科夫斯基的理论制造火箭的人，是美国科学家戈达德。

　　他在1926年发射了世界上第一枚液体火箭，飞到了几千米的高度。当然它远远没有达到第一宇宙速度，所以火箭没有进入轨道就掉下来了。他后来被称为“现代火箭之父”。为了纪念他，设立于1959年的美国国家航空航天局太空飞行中心以他的名字命名，月球上的戈达德环形山也是以他的名字命名的。

　　我国著名航天科学家钱学森在美国加州理工学院航空系学习时，参与了美国第一代火箭的研制工作，取得了很大的成就。20世纪50年代，美国实行麦卡锡主义，钱学森被软禁、扣押长达5年。1955年，钱学森历经千辛万苦回到祖国，成为中国航天事业的奠基人。

　　还有一位不得不提的人物是德国火箭专家冯·布劳恩，他第一个研制出了能达到第一宇宙速度的火箭，这个火箭就是大名鼎鼎的V—2火箭。

　　V—2火箭于1942年10月3日首次发射成功。当时已是第二次世界大战的末期，V—2火箭从德国起飞轰炸伦敦，因为制导的火箭达到了第一宇宙速度，所以它可以飞出大气层，英国人还没有看到，炸弹就突然从头顶上落了下来，所以V—2火箭成了一个秘密武器。

　　后来，随着纳粹德国的崩溃，冯·布劳恩带着他的设计小组向美军投降了，并把他的技术带到了美国。

　　事实上，今天全世界火箭的鼻祖就是V—2火箭。V—2火箭的发动机直到20世纪末基本上没有太大的变化。日本的H系列火箭、法国的阿丽亚娜系列火箭，它们的鼻祖都是V—2火箭。

　　冯·布劳恩移居美国后，担任美国国家航空航天局空间研究开发项目的主设计师，后来主持设计了阿波罗4号的运载火箭——土星5号。土星5号运载火箭最高可以达到2800多吨的起飞重量。刚才我说过，要想把更重的东西送到天上去，火箭的重量就会呈指数级增长，所以，大型运载火箭的研制至关重要。而在当时，土星5号就是最大的运载火箭。

　　目前，美国第二代的太空发射系统（SLS）是一种从航天飞机演变而来的超重型运载火箭，其运载能力刚刚超过土星5号。此外，“星舰”火箭是美国太空探索技术公司（SpaceX）研发的大型运载火箭系统，到目前还没有试验成功，前四次试验都失败了。

　　那么，我们国家有没有重型火箭呢？目前我国最大的火箭是长征5号，但是长征5号的起飞重量还不足以把人送到月球上去。所以，为了在2030年前实现载人登月，我们正在研制重型火箭——长征9号。

　　所以说，人类要征服太空并不容易，而大型火箭是人类征服太空的一个非常重要的工具。

　　飞入太空和成功落月

　　最早进入太空的人是苏联航天员加加林。1961年4月12日，加加林乘坐东方1号宇宙飞船进入太空，成为世界上第一个进入宇宙空间的人。虽然，他只在轨道上停留了一圈，就飞回了地球。

　　人类探索太空最重要的项目是阿波罗计划。阿波罗计划是美国在1961年到1972年间组织实施的一系列载人登月飞行任务。在11年时间里，有9次飞到了月球，6次成功落月。在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人，这是一个非常大的项目。

　　第一个踏上月球的人是美国宇航员阿姆斯特朗。他于1969年7月21日踏上月球那片荒凉而沉寂的土地，成为第一个登上月球并在月球上行走的人。当时他说出了那句此后常被引用的名言：“这是我个人迈出的一小步，但却是人类迈出的一大步。”

　　从1972年最后一次离开，如今已经52年过去了，人类再也没有去过月球。2022年12月，美国国家航空航天局曾低调地进行了一次庆祝，纪念人类最后一次登月50周年。目前，美国也在计划重新登月。他们的阿尔忒弥斯计划的目标是将宇航员平安送往月球再返回，并建立常态化的驻留机制。不过他们的载人登月计划已经推迟了好几次，现在又推迟至2026年。

　　20世纪70年代，苏联实施的另一个计划叫和平号空间站，它是人类首个可长期居住的空间研究中心，经过数年由多个模块在轨道上组装而成，有点像我们国家现在的空间站。但是，它只在太空中存留了10年，因为出现了各种各样的故障，后期不断在修理，最主要修的是厕所。其实，在太空中上厕所真的是一件很不容易的事，现在的国际空间站里厕所维修也是个大问题。

　　目前的国际空间站，自1998年正式建站。它的设计寿命原定至2024年，后来决定继续服役至2030年。美国国家航空航天局已经宣布，计划在2031年摧毁国际空间站，残骸将沉入南太平洋的无人区“尼莫点”。

　　我国从1992年开始实施载人航天计划。2003年，航天员杨利伟成为中国首飞太空第一人。杨利伟在天上飞了14圈，飞了一整天才回来。那时候飞船上也没有厕所，航天员必须穿上尿不湿。

　　后来，我们又自主实现了第一次出舱、第一次交会对接，逐步建立了我国自己的空间站。现在，空间站已经可以完成乘组和乘组之间的在轨交接，所以目前我国的空间站是长期有人值守的。明年或者后年，我们还会发射一个巡天望远镜，这个巡天望远镜是空间站项目的最后一个大型仪器。

　　要想克服地球引力，还有其他的办法吗？大家可能看过科幻电影《流浪地球》，其中提到电磁弹射和太空电梯。

　　电磁弹射可以提供一定的加速度，但是它用于提供加速度的能量没有液体燃料的火箭大，主要是瞬间释放能量不够，所以需要修一个很长的轨道。但是，轨道到了几千米高就修不了了，实际上电磁弹射这个解决方案还不太可行。

　　那么太空电梯是怎么回事？如果你甩一根绳子，绳子外面拴一个球，球的转速越快，这个绳子的上拉力就越大。但是，地球的转速是固定的，一天24小时才转一圈，在这么慢的转速下，这个绳子就得非常长，才能得到一个与地球引力相当的离心力。

　　这个绳子要多长呢？36000公里。在那个高度才能把一个卫星松手不用燃料放出去。要做这么高的一个电梯是非常难的，如果坐高铁的话，大概要四五天才能到达36000公里的高度。所以，这个太空电梯理论上可行，但是在技术上还有很多难度。到底怎么建太空电梯？用什么材料？实际上我们人类目前还没有能力去实现它，克服地球的引力进入太空的确太难了。

　　太空旅游的兴起

　　商业航天其实从20世纪70年代就开始了。

　　1964年8月，政府间全球性商业通信卫星机构——国际通信卫星组织正式宣告成立。起初，它是由政府建立的，后来发现它可以提供越洋卫星通信，完全可以用于民用，所以逐渐独立了出来。

　　到20世纪80年代，英国有一位教授开始做低成本的小卫星，卖给私人或者公司，这对卫星产业带来了第一次冲击。到90年代，低成本的小卫星逐渐标准化，被称为“立方星”。立方星出现后，卫星的价格就更便宜了。如今，每年大约有几百个立方星被发射到太空中。

　　2002年，美国商人埃隆·马斯克成立了SpaceX公司，开始研究如何降低火箭发射成本。他采用的办法是回收火箭发动机，从2018年正式回收以来，最多的一个火箭已经重复使用了21次，因此发射费用大幅降低。目前，运送每公斤重量到近地轨道上的价格，已经从5万美元降到了5000多美元。

　　有了商业航天公司的推动，进入太空的价格大大降低，所以开始出现了太空旅游。2021年，有个公司叫维珍银河，第一次带了几个商业乘客到太空中去旅游。仅仅过了约两周时间，又有一家公司叫蓝色起源，第一次开始商业太空旅游，它采取的方式是像嫦娥六号那样用返回舱落地。

　　2021年，马斯克用他的“龙”飞船带了4位乘客进行了3天的轨道“太空”旅游。但这还不是真正的太空旅游。

　　比较来看，政府航天和商业航天有很大的不同。

　　第一，政府航天成本一般比较高，因为要确保成功，所以非常关注质量和安全。而商业航天可以承担一定的风险。商业航天可以通过保险或其他的方式来抵消一部分风险。第二，政府航天发展项目很慢，通常是长周期的。而商业航天可以加快进度，像马斯克现在几个月就做一次试验。第三，政府航天通常都是政府用户，而商业航天可以有个人用户。第四，政府航天的目标一般达成了就不可持续，比如阿波罗计划，因为它的政治目标已经达到，就再也没有必要去实施。商业航天因为有市场需求，它会不断滚动。商业航天推动的最重要的一件事就是太空旅游。第五，政府航天只有极少数的航天员可以进入太空，而商业航天未来每年可以让成千上万的普通人去太空旅游。

　　商业航天将会带动很多新技术的发展，特别是在太空旅游市场上，比如月球资源的利用、月面的太阳能和核能的开发、月壤的3D打印，所以商业航天是一个朝阳产业。

　　估计10年之内，中国的太空旅游也会实现。目前美国太空旅游的报价是30万美元，未来中国可能会降到几十万元人民币的价格。

　　我们只有一个地球

　　展望一下未来，月球旅游可能会成为现实。月球非常有意思，可以体验1/6的重力，它比地球的重力要轻，但是又不像微重力那么难受。还有火星移民，也是有可能实现的。

　　其实，太空旅游对我们来说有着非常深远的意义。当人类进入太空，从太空中回望地球时，会产生一个总观效应，带来完全不同的感受。

　　苏联宇航员加加林第一次进入太空，当时他无意中从窗户看了一眼地球，他说：“我看到的地球是如此美丽。”我国女航天员刘洋曾经这样说过：“到了太空，人的感情会被强烈地缩放，亲情、友情、家国情会被无限地放大，名利、得失、恩怨会被无限地缩小。”2018年的时候，一位美国宇航员进入太空后这样感慨：“我感觉地球和我密不可分，仿佛地球就是属于我的……那就是我的家园。它不仅是我的家、我的城市或者我熟悉的地方，我觉得我是这个地球的所有者，同时也和地球的每一部分同根同源。”这种第一次进入太空给人带来的感受是非常真切的。

　　当从更远一点的距离回望地球，我们看到整个地球是圆圆的，特别是地球被太阳照亮的时候，它是蓝色的，上面飘浮着白云，非常漂亮。1968年的圣诞节，阿波罗8号的宇航员在围绕月球飞行时突然看到地球，因为觉得地球太漂亮了，所以他赶紧拿起相机照了一张相片。后来这张照片被命名为“Earthrise（地出）”。从几亿年亘古未变的灰色的月球表面，冉冉升起一颗蓝色的地球，那种震撼的力量无与伦比。这张照片影响了很多人，“地出”也成了一个新词。

　　阿波罗11号的宇航员迈克尔·柯林斯说过一句令人印象深刻的话，他说：“如果世界上的各国领导人能够从距离地球10万英里以外的太空看到我们所生活的这个星球，他们的世界观、人生观和政治观将会发生根本性的改变。因为从那个距离看地球，所有那些所谓的无比重要的边界都已经不复存在，各种各样的吵闹和争论也都平息了。地球只是一颗小小的行星，它持续不断地自转、公转，平静地忽略所有分歧。”

　　从远处看地球的话，你会感觉地球就是你的家园，整个人类就是太阳系唯一的智慧生命，我们实际上是一家人，这和“人类命运共同体”是一个概念。

　　到现在为止，几乎所有能够有机会进入太空的基本都是航天员。而航天员的身份比较特殊，一般都是军人、飞行员，很少有普通人。我们希望通过商业航天的发展，能够有更多的普通人，包括艺术家、哲学家、媒体人，可以离开地球，从太空中去看地球，然后带给我们人类一些更加深刻的启示。

　　脱离地球的引力，使人类进入太空，是20世纪人类航天科学和技术的伟大成就。我们现在可以离开地球了，但是无论从时间还是从空间来说，人类在宇宙中都是十分渺小的。当我们离开地球进入太空的时候，我们会更多地思考我们自身，我们应该如何保护地球环境和地球资源，使人类得到可持续发展，这些都是非常重要的。因为，我们只有一个地球，那是我们赖以生存的家园。