首都科学讲堂｜第778期：征途星辰大海
本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
千百年来，神秘的宇宙吸引着无数人叩问苍穹，寻找登天之路。今时今日，空间站让航天员亲历太空生活十二时辰。《独行月球》的主角独孤月为何能在月球上捡垃圾？科幻片里为何总是热衷于在太空发展农业？当太阳即将毁灭，除了像《流浪地球》中那样“开”着地球跑路，科幻作品还给出了什么新答案？
本期首都科学讲堂邀请中国航天科技国际交流中心研究员、《独行月球》科学顾问周武，为我们讲述宇宙探索中的美与浪漫。
主讲嘉宾：
周武
中国航天科技国际交流中心研究员、《独行月球》科学顾问
叩问苍穹——登天路在何方？
两千五百年前，屈原一篇《天问》发出了中国人探索宇宙奥秘的千年之叹：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何有考之……”为何叫“天问”，而不是“问天”呢？因为当时大家都觉得天不可问。直到牛顿以计算炮弹为例，证明当一个物体速度足够大的时候，它就会变成地球的一颗卫星，而不会掉到地面上。他推算炮弹以7.9公里/秒的速度环绕地球就能做到不落地飞行。这就是第一宇宙速度。
但是想要达到第一宇宙速度，谈何容易？直到19世纪80年代，瑞典工程师拉瓦尔发明了拉瓦尔喷管，使火箭发动机的设计逐渐完善。19世纪末20世纪初，液体火箭技术开始兴起。
说起现代宇航学的奠基人，就不得不提俄国科学家齐奥尔科夫斯基。1903年，他发表了著名论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，论证了喷气工具用于星际航行的可行性，推导出著名的齐奥尔科夫斯基公式，并指出宇宙航行必须运用多级火箭，不但奠定了火箭和液体火箭发动机的理论基础，而且为人们飞出地球指明了正确的方向。
他有一句名言流传甚广：“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里，开始他们将小心翼翼地穿出大气层，然后去征服太阳系。”
在他的理论指导下，科学家们开始进行运载火箭研究，研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭导弹。
由于太空中存在各种高能粒子，想要送航天员上天并不容易。终于，在1961年4月，苏联航天员加加林单独驾驶“东方一号”宇宙飞船完成了绕地球一周的人类第一次宇宙航行。
此后，一项又一项纪录出现：首次太空行走、首次载人登月……人类在太空的脚步越来越深。
我国也在积极投入航天事业：1970年4月24日，东方红一号卫星上天几十天后，“曙光一号”项目上马，钱学森作为技术主帅，全面推进研制工作。在那个特殊年代，技术也不过关，综合国力薄弱，“曙光一号”工程举步维艰，1972年，“曙光一号”研制速度放缓。中央根据实际情况决定，工程暂时停下，先把地球上的事搞好，地球外的事先放一放，要搞急需的应用卫星。但是，航天主帅钱学森在这种情况下进行了一些前瞻性布局，为后来载人航天打下坚实基础。
1992年，中国载人航天计划正式实施，2003年10月15日，中国第一艘载人飞船神舟五号，载着中国第一位航天员杨利伟，由长征二号F运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空。第二天清晨，飞船返回舱安全降落在内蒙古四子王旗，杨利伟自主出舱。中国人的飞天梦圆了！
2008年9月27日，中国航天员翟志刚从神舟七号出舱行走，成为中国太空行走第一人。翟志刚后又在天宫空间站再次执行出舱任务。
目前，全世界现役的载人火箭有三种，分别是俄罗斯的联盟号运载火箭、中国的长征二号F运载火箭和美国的猎鹰九号运载火箭。
在人类的太空探索中，航天飞机曾经扮演过一个非常重要的角色。因为几次事故，航天飞机最终退出了人类历史舞台。
纵观人类历史，登天之路并不平坦，1967年4月24日，科马洛夫成为了人类航天史上第一位在载人飞行中牺牲的航天员。在整个航天事业当中，到目前为止一共有22名航天员为此牺牲，其中17人来自美国，5人来自苏联。他们的牺牲为后来者铺平了道路。
中国航天人充分汲取前人的经验和教训，后来居上，建立了配套完整的航天体系。我国“嫦娥三号”着陆月球的地点被国际天文学会命名为“广寒宫”。它的左下角有一个环形山，被命名为“万户”。600多年前在明朝飞天的万户真正的名字已不可考，然而月球背面的万户（Wan Hoo）环形山却提醒着我们，在通往星辰大海的这条路上，人类走了多么长。
人造天宫——太空生活十二时辰
回顾人类的航天史，当把人类送入太空还处于概念和想象中时，齐奥尔科夫斯基、冯·布劳恩等先驱们就已经提出了“空间站”的设想。
发射和运行大型空间站，让航天员长期在太空驻留成为日常，这是载人航天技术走向成熟的标志。人类建造的空间站有苏联（俄罗斯）研制的礼炮号、和平号空间站，美国研制的天空实验室，以及目前在轨的国际空间站和我国的天宫空间站。
回顾苏联/俄罗斯载人航天器的发展历史可以发现，它是从载人飞船起步，然后建造空间实验室，最后是空间站。而美国的路线有点不一样，它也是从飞船起步，从水星计划、阿波罗登月计划、航天飞机计划等到天空实验室，再到现在的国际空间站。
整个人类载人航天的历史中不仅有竞争，也有合作。到了上世纪70年代末，“冷战”开始发生变化，首先打破僵局的就是来自太空的友谊。阿波罗飞船和联盟号飞船在太空进行了历史性的对接，为后来两国在“和平号——航天飞机”对接项目，以及持续至今的国际空间站项目上的深入合作奠定了基础。
和平号空间站于1986年2月20日发射，2001年3月23日结束寿命，在轨成功飞行15年。1995年6月29日，美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号顺利地与太空运行的俄罗斯和平号空间站对接成功。
国际空间站由美国、俄罗斯、加拿大、日本、巴西、欧空局共16个国家参与建造，第一个舱段于1998年发射升空，2011年组装完成，将延期运行到2030年。
天宫空间站由核心舱、实验舱I、实验舱II、货运飞船和载人飞船组成。建造完成的中国空间站作为国家级的太空实验室，多个航天员乘组将入驻中国空间站，轮番接力空间站实验任务，成为中国国家空间实验室，乃至全世界科学探索的重要平台。
在空间站生活不是随心所欲的，国际空间站上航天员都有一个6天日程安排表（周六除外），其中包含了一天工作所需的所有细节，包括什么时候该入睡，什么时候该起床，什么时候该运动。一天的工作结束后，机组人员与地面控制中心之间将举行夜间计划会议。结束后，航天员可以自由地闲逛，享用晚餐并与社交媒体互动。理想情况下，机组人员每晚有8.5个小时的睡眠时间。
说到睡眠环境，天宫空间站里每个航天员都拥有自己独一无二的私密空间，墙上可以放置家人的照片与小玩具以消解思乡之愁，每个睡眠区还都配备有一面舷窗，在轨休息时随时可以望向窗外地球蔚蓝的海洋、飘浮的云层与广袤的大陆。
另外，运动很重要，机组人员每天花费2.5个小时进行严格的锻炼，以对抗微重力环境下造成的骨钙流失和肌肉萎缩。
不用担心他们的娱乐生活：在2016年，航天员就可以观看超过500部电影和电视节目。在太空中最与众不同的休闲方式便是望向窗外的地球与深邃的宇宙。国际空间站穹顶舱是最佳观景地，七面大玻璃组成的全景天窗有完美的视野。
相比较来说，还是卫生问题烦恼比较多，因为失重状态下排泄物不能自然下坠，为了防止它们乱飞，航天员在方便时需要将自己固定在马桶圈上，使用类似吸尘器的抽气系统将污物吸走。其中的尿液还要收集起来净化循环使用。
长期的太空生活会让人基因突变、骨质疏松、患上心血管疾病、视力衰退，不管是微重力对人类身体的影响，还是辐射对基因的损伤，都说明了人类不能长期待在太空。未来想在太空自由生活，还需要经历几次比较大的科技革命。
在航天科技发展的过程中，科学技术与科幻小说相向而行，互相产生了重大的影响。世界现代科幻三巨头之一亚瑟·克拉克曾在1968年创作了科幻电影和小说《2001年：太空漫游》，被誉为这个时代最伟大的科幻大师和太空预言家。
重返月球——打造地月经济圈
我很荣幸担任了《独行月球》这部电影的科学顾问。我特别喜欢结尾的这句话：“宇宙那么大，我们终将遇见。”我个人的感受是：未来已来。
自阿波罗17号飞船登月以来，载人月球探测已经停滞了50年。现在全世界已经掀起了新一轮重返月球的竞赛：美国的目标是在月球上建设大本营，俄罗斯是想建设月球基地，欧洲则提出了月球村的概念。
而且美国还有一个既像商业也像国际合作的计划，就是在月球轨道建设一个空间站，名为“深空之门”，登月的航天员们会从地球搭乘长途飞船先入住空间站，然后从空间站换乘“公交车”（登月飞船）往返月球。
中国也已经开启了航天强国的新征程。在2049年前，我国要全面建成世界航天强国，成为世界航天发展的领跑者之一，服务人类文明永续发展，拓展人类认知疆域。
我国有专家提出要打造地月经济圈。2021年中国航天日的时候，中俄联合发布了国际月球科研站建设的概念图，并向全世界公布，按照“共商、共建、共享”原则，欢迎国际伙伴通过联合论证与建设、航天员联合选拔培训、载荷搭载等多种途径参与项目合作，共同推动人类航天科技发展和经济社会进步。
我国探月四期首发星“嫦娥四号”实现了人类首次月背的探测，在地月L2点搭起了地月中继的“鹊桥”，保证了月面和地球的通讯。后续的嫦娥六号、七号和八号将为南极月球科研站奠定基础。
为什么这么多国家都选择到南极来建月球基地呢？首要因素是月球南极陨石坑中可能存在水冰。其次是采光好。月球绕地球公转1周大约是28天，自转周期与公转周期相同，所以月球上的1个昼夜大约也是28天，月球上绝大部分地方的夜晚都会持续很长时间。所以科学家建议，人类的住所可以建在月球的两极，那里长时间能见到太阳，虽然太阳在地平线上，光会弱一些，但毕竟每天都能看到阳光，大家的心情会好一些。
未来的月宫之家可能会是穹顶状建筑结构，内部是一个封闭循环的环境，没有可打开的窗户，建筑物之间利用隧道相连。空气开始是人造的，之后将人类呼出的二氧化碳供给植物生长，植物再释放氧气，同时让水循环利用，成为一个大型密闭自循环生命生态系统。
大家关心的可能555电影网还有在月球上吃什么，其实月宫种植已经在进行中了。2018年，北航刘红教授主持的“月宫365”实验获得成功，这是时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验。未来，无土栽培技术将发挥巨大的作用，蘑菇、生菜和其他叶菜可能是最初在月球上种植的食物。
电影《独行月球》里，独孤月为何能在月球上捡垃圾？因为月球上人为制造的垃圾真的很多，至少达到了200吨，相当于地球上115个人一年内所制造的垃圾量。
想要在月球上居住，能源供给、月球原位资源利用等都是我们需要突破的难题。但对月球的探索是有必要的，因为月球可以作为深空探测的跳板，让人类前往更远处的星辰大海……
回望地球——跨星际生存
从目前来看，地球是人类的囚笼，也是人类最好的、唯一的归宿。似乎，宇宙在冥冥之中一切早已有最好的安排。
2022年11月15日，全球人口突破80亿，到2058年将突破100亿，50亿年后，太阳将会演变成红巨星，这时的地球很可能会被太阳吞噬掉……到那时，人类就必须要做跨星球的人了。在这个漫长的过程中，我们必须未雨绸缪。
面对太阳即将毁灭的可见未来，该如何选择呢？许多科幻小说都针对这个情况提出了自己的见解。在刘慈欣先生的《流浪地球》里，他的选择是带着地球一起逃亡；亚瑟·克拉克在小说《遥远的地球之歌》中描写，人类选择建造飞船逃跑，到其他星球上建设新的文明。未来一切都有可能。
很多科幻片里都会涉及到太空农业，比如电影《火星救援》的主角滞留在火星上以后，就是靠种植土豆来生存；《火星时代》里植物学家精心照料的小麦因电力不足而绝收。
怎么把外星球改造成适合人类居住的地方？其实有很多技术手段——国际空间站和天宫空间站里都做了一些太空种植的实验。国际空间站上的美国航天员还吃到了他们在太空中种植的第一批辣椒。自2015年以来，航天员在国际空间站上已经种植和食用了10种不同的作物。
太空种植有什么好处呢？改善伙食是一方面，最重要的是还可以调节情绪。因为在漫长的太空飞行中，能看见一抹绿色，那真的是心情大好。
除了探月，我国也启动了深空探测的计划。探测火星的难度不言而喻。需要跨越的路程有4亿公里，与地球的通讯时延也增加到22分钟。探测器从进入火星大气到着陆仅有短短的9分钟，必须全程自主完成着陆任务。再加上火星表面潜在的飓风和沙尘暴，更让火星车的巡视任务充满了不确定性。
“天问一号”在火星上留下中国的印记，下一步我们还要去火星取样返回，而欧洲也有火星取样的计划，谁将力拔头筹？
星空画布已徐徐展开，太空探索永无止境，未来仅限于你的想象……
（本期图片、视频来自第778期首都科学讲堂）
传播科学知识
弘扬科学精神
让科学普及与科技创新两翼齐飞
举报/反馈