千百年來，神秘的宇宙吸引著無數(shù)人叩問蒼穹，尋找登天之路。今時今日，空間站讓航天員親歷太空生活十二時辰?！丢毿性虑颉返闹鹘仟毠略聻楹文茉谠虑蛏蠐炖?？科幻片里為何總是熱衷于在太空發(fā)展農(nóng)業(yè)？當太陽即將毀滅，除了像《流浪地球》中那樣“開”著地球跑路，科幻作品還給出了什么新答案？

本期首都科學講堂邀請中國航天科技國際交流中心研究員、《獨行月球》科學顧問周武，為我們講述宇宙探索中的美與浪漫。

主講嘉賓：

周武

中國航天科技國際交流中心研究員、《獨行月球》科學顧問

叩問蒼穹——登天路在何方？

兩千五百年前，屈原一篇《天問》發(fā)出了中國人探索宇宙奧秘的千年之嘆：“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何有考之……”為何叫“天問”，而不是“問天”呢？因為當時大家都覺得天不可問。直到牛頓以計算炮彈為例，證明當一個物體速度足夠大的時候，它就會變成地球的一顆衛(wèi)星，而不會掉到地面上。他推算炮彈以7.9公里/秒的速度環(huán)繞地球就能做到不落地飛行。這就是第一宇宙速度。

但是想要達到第一宇宙速度，談何容易？直到19世紀80年代，瑞典工程師拉瓦爾發(fā)明了拉瓦爾噴管，使火箭發(fā)動機的設計逐漸完善。19世紀末20世紀初，液體火箭技術開始興起。

說起現(xiàn)代宇航學的奠基人，就不得不提俄國科學家齊奧爾科夫斯基。1903年，他發(fā)表了著名論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》，論證了噴氣工具用于星際航行的可行性，推導出著名的齊奧爾科夫斯基公式，并指出宇宙航行必須運用多級火箭，不但奠定了火箭和液體火箭發(fā)動機的理論基礎，而且為人們飛出地球指明了正確的方向。

他有一句名言流傳甚廣：“地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠生活在搖籃里，開始他們將小心翼翼地穿出大氣層，然后去征服太陽系?！?/p>

在他的理論指導下，科學家們開始進行運載火箭研究，研制出包括洲際彈道導彈在內(nèi)的各種火箭導彈。

由于太空中存在各種高能粒子，想要送航天員上天并不容易。終于，在1961年4月，蘇聯(lián)航天員加加林單獨駕駛“東方一號”宇宙飛船完成了繞地球一周的人類第一次宇宙航行。

此后，一項又一項紀錄出現(xiàn)：首次太空行走、首次載人登月……人類在太空的腳步越來越深。

我國也在積極投入航天事業(yè)：1970年4月24日，東方紅一號衛(wèi)星上天幾十天后，“曙光一號”項目上馬，錢學森作為技術主帥，全面推進研制工作。在那個特殊年代，技術也不過關，綜合國力薄弱，“曙光一號”工程舉步維艱，1972年，“曙光一號”研制速度放緩。中央根據(jù)實際情況決定，工程暫時停下，先把地球上的事搞好，地球外的事先放一放，要搞急需的應用衛(wèi)星。但是，航天主帥錢學森在這種情況下進行了一些前瞻性布局，為后來載人航天打下堅實基礎。

1992年，中國載人航天計劃正式實施，2003年10月15日，中國第一艘載人飛船神舟五號，載著中國第一位航天員楊利偉，由長征二號F運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。第二天清晨，飛船返回艙安全降落在內(nèi)蒙古四子王旗，楊利偉自主出艙。中國人的飛天夢圓了！

2008年9月27日，中國航天員翟志剛從神舟七號出艙行走，成為中國太空行走第一人。翟志剛后又在天宮空間站再次執(zhí)行出艙任務。

目前，全世界現(xiàn)役的載人火箭有三種，分別是俄羅斯的聯(lián)盟號運載火箭、中國的長征二號F運載火箭和美國的獵鷹九號運載火箭。

在人類的太空探索中，航天飛機曾經(jīng)扮演過一個非常重要的角色。因為幾次事故，航天飛機最終退出了人類歷史舞臺。

縱觀人類歷史，登天之路并不平坦，1967年4月24日，科馬洛夫成為了人類航天史上第一位在載人飛行中犧牲的航天員。在整個航天事業(yè)當中，到目前為止一共有22名航天員為此犧牲，其中17人來自美國，5人來自蘇聯(lián)。他們的犧牲為后來者鋪平了道路。

中國航天人充分汲取前人的經(jīng)驗和教訓，后來居上，建立了配套完整的航天體系。我國“嫦娥三號”著陸月球的地點被國際天文學會命名為“廣寒宮”。它的左下角有一個環(huán)形山，被命名為“萬戶”。600多年前在明朝飛天的萬戶真正的名字已不可考，然而月球背面的萬戶（Wan Hoo）環(huán)形山卻提醒著我們，在通往星辰大海的這條路上，人類走了多么長。

人造天宮——太空生活十二時辰

回顧人類的航天史，當把人類送入太空還處于概念和想象中時，齊奧爾科夫斯基、馮·布勞恩等先驅(qū)們就已經(jīng)提出了“空間站”的設想。

發(fā)射和運行大型空間站，讓航天員長期在太空駐留成為日常，這是載人航天技術走向成熟的標志。人類建造的空間站有蘇聯(lián)（俄羅斯）研制的禮炮號、和平號空間站，美國研制的天空實驗室，以及目前在軌的國際空間站和我國的天宮空間站。

回顧蘇聯(lián)/俄羅斯載人航天器的發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)，它是從載人飛船起步，然后建造空間實驗室，最后是空間站。而美國的路線有點不一樣，它也是從飛船起步，從水星計劃、阿波羅登月計劃、航天飛機計劃等到天空實驗室，再到現(xiàn)在的國際空間站。

整個人類載人航天的歷史中不僅有競爭，也有合作。到了上世紀70年代末，“冷戰(zhàn)”開始發(fā)生變化，首先打破僵局的就是來自太空的友誼。阿波羅飛船和聯(lián)盟號飛船在太空進行了歷史性的對接，為后來兩國在“和平號——航天飛機”對接項目，以及持續(xù)至今的國際空間站項目上的深入合作奠定了基礎。

和平號空間站于1986年2月20日發(fā)射，2001年3月23日結束壽命，在軌成功飛行15年。1995年6月29日，美國航天飛機“亞特蘭蒂斯”號順利地與太空運行的俄羅斯和平號空間站對接成功。

國際空間站由美國、俄羅斯、加拿大、日本、巴西、歐空局共16個國家參與建造，第一個艙段于1998年發(fā)射升空，2011年組裝完成，將延期運行到2030年。

天宮空間站由核心艙、實驗艙I、實驗艙II、貨運飛船和載人飛船組成。建造完成的中國空間站作為國家級的太空實驗室，多個航天員乘組將入駐中國空間站，輪番接力空間站實驗任務，成為中國國家空間實驗室，乃至全世界科學探索的重要平臺。

在空間站生活不是隨心所欲的，國際空間站上航天員都有一個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細節(jié)，包括什么時候該入睡，什么時候該起床，什么時候該運動。一天的工作結束后，機組人員與地面控制中心之間將舉行夜間計劃會議。結束后，航天員可以自由地閑逛，享用晚餐并與社交媒體互動。理想情況下，機組人員每晚有8.5個小時的睡眠時間。

說到睡眠環(huán)境，天宮空間站里每個航天員都擁有自己獨一無二的私密空間，墻上可以放置家人的照片與小玩具以消解思鄉(xiāng)之愁，每個睡眠區(qū)還都配備有一面舷窗，在軌休息時隨時可以望向窗外地球蔚藍的海洋、飄浮的云層與廣袤的大陸。

另外，運動很重要，機組人員每天花費2.5個小時進行嚴格的鍛煉，以對抗微重力環(huán)境下造成的骨鈣流失和肌肉萎縮。

不用擔心他們的娛樂生活：在2016年，航天員就可以觀看超過500部電影和電視節(jié)目。在太空中最與眾不同的休閑方式便是望向窗外的地球與深邃的宇宙。國際空間站穹頂艙是最佳觀景地，七面大玻璃組成的全景天窗有完美的視野。

相比較來說，還是衛(wèi)生問題煩惱比較多，因為失重狀態(tài)下排泄物不能自然下墜，為了防止它們亂飛，航天員在方便時需要將自己固定在馬桶圈上，使用類似吸塵器的抽氣系統(tǒng)將污物吸走。其中的尿液還要收集起來凈化循環(huán)使用。

長期的太空生活會讓人基因突變、骨質(zhì)疏松、患上心血管疾病、視力衰退，不管是微重力對人類身體的影響，還是輻射對基因的損傷，都說明了人類不能長期待在太空。未來想在太空自由生活，還需要經(jīng)歷幾次比較大的科技革命。

在航天科技發(fā)展的過程中，科學技術與科幻小說相向而行，互相產(chǎn)生了重大的影響。世界現(xiàn)代科幻三巨頭之一亞瑟·克拉克曾在1968年創(chuàng)作了科幻電影和小說《2001年：太空漫游》，被譽為這個時代最偉大的科幻大師和太空預言家。

重返月球——打造地月經(jīng)濟圈

我很榮幸擔任了《獨行月球》這部電影的科學顧問。我特別喜歡結尾的這句話：“宇宙那么大，我們終將遇見?！蔽覀€人的感受是：未來已來。

自阿波羅17號飛船登月以來，載人月球探測已經(jīng)停滯了50年?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)掀起了新一輪重返月球的競賽：美國的目標是在月球上建設大本營，俄羅斯是想建設月球基地，歐洲則提出了月球村的概念。

而且美國還有一個既像商業(yè)也像國際合作的計劃，就是在月球軌道建設一個空間站，名為“深空之門”，登月的航天員們會從地球搭乘長途飛船先入住空間站，然后從空間站換乘“公交車”（登月飛船）往返月球。

中國也已經(jīng)開啟了航天強國的新征程。在2049年前，我國要全面建成世界航天強國，成為世界航天發(fā)展的領跑者之一，服務人類文明永續(xù)發(fā)展，拓展人類認知疆域。

我國有專家提出要打造地月經(jīng)濟圈。2021年中國航天日的時候，中俄聯(lián)合發(fā)布了國際月球科研站建設的概念圖，并向全世界公布，按照“共商、共建、共享”原則，歡迎國際伙伴通過聯(lián)合論證與建設、航天員聯(lián)合選拔培訓、載荷搭載等多種途徑參與項目合作，共同推動人類航天科技發(fā)展和經(jīng)濟社會進步。

我國探月四期首發(fā)星“嫦娥四號”實現(xiàn)了人類首次月背的探測，在地月L2點搭起了地月中繼的“鵲橋”，保證了月面和地球的通訊。后續(xù)的嫦娥六號、七號和八號將為南極月球科研站奠定基礎。

為什么這么多國家都選擇到南極來建月球基地呢？首要因素是月球南極隕石坑中可能存在水冰。其次是采光好。月球繞地球公轉1周大約是28天，自轉周期與公轉周期相同，所以月球上的1個晝夜大約也是28天，月球上絕大部分地方的夜晚都會持續(xù)很長時間。所以科學家建議，人類的住所可以建在月球的兩極，那里長時間能見到太陽，雖然太陽在地平線上，光會弱一些，但畢竟每天都能看到陽光，大家的心情會好一些。

未來的月宮之家可能會是穹頂狀建筑結構，內(nèi)部是一個封閉循環(huán)的環(huán)境，沒有可打開的窗戶，建筑物之間利用隧道相連?？諝忾_始是人造的，之后將人類呼出的二氧化碳供給植物生長，植物再釋放氧氣，同時讓水循環(huán)利用，成為一個大型密閉自循環(huán)生命生態(tài)系統(tǒng)。

大家關心的可能還有在月球上吃什么，其實月宮種植已經(jīng)在進行中了。2018年，北航劉紅教授主持的“月宮365”實驗獲得成功，這是時間最長、閉合度最高的生物再生生命保障系統(tǒng)實驗。未來，無土栽培技術將發(fā)揮巨大的作用，蘑菇、生菜和其他葉菜可能是最初在月球上種植的食物。

電影《獨行月球》里，獨孤月為何能在月球上撿垃圾？因為月球上人為制造的垃圾真的很多，至少達到了200噸，相當于地球上115個人一年內(nèi)所制造的垃圾量。

想要在月球上居住，能源供給、月球原位資源利用等都是我們需要突破的難題。但對月球的探索是有必要的，因為月球可以作為深空探測的跳板，讓人類前往更遠處的星辰大海……

回望地球——跨星際生存

從目前來看，地球是人類的囚籠，也是人類最好的、唯一的歸宿。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80億，到2058年將突破100億，50億年后，太陽將會演變成紅巨星，這時的地球很可能會被太陽吞噬掉……到那時，人類就必須要做跨星球的人了。在這個漫長的過程中，我們必須未雨綢繆。

面對太陽即將毀滅的可見未來，該如何選擇呢？許多科幻小說都針對這個情況提出了自己的見解。在劉慈欣先生的《流浪地球》里，他的選擇是帶著地球一起逃亡；亞瑟·克拉克在小說《遙遠的地球之歌》中描寫，人類選擇建造飛船逃跑，到其他星球上建設新的文明。未來一切都有可能。

很多科幻片里都會涉及到太空農(nóng)業(yè)，比如電影《火星救援》的主角滯留在火星上以后，就是靠種植土豆來生存；《火星時代》里植物學家精心照料的小麥因電力不足而絕收。

怎么把外星球改造成適合人類居住的地方？其實有很多技術手段——國際空間站和天宮空間站里都做了一些太空種植的實驗。國際空間站上的美國航天員還吃到了他們在太空中種植的第一批辣椒。自2015年以來，航天員在國際空間站上已經(jīng)種植和食用了10種不同的作物。

太空種植有什么好處呢？改善伙食是一方面，最重要的是還可以調(diào)節(jié)情緒。因為在漫長的太空飛行中，能看見一抹綠色，那真的是心情大好。

除了探月，我國也啟動了深空探測的計劃。探測火星的難度不言而喻。需要跨越的路程有4億公里，與地球的通訊時延也增加到22分鐘。探測器從進入火星大氣到著陸僅有短短的9分鐘，必須全程自主完成著陸任務。再加上火星表面潛在的颶風和沙塵暴，更讓火星車的巡視任務充滿了不確定性。

“天問一號”在火星上留下中國的印記，下一步我們還要去火星取樣返回，而歐洲也有火星取樣的計劃，誰將力拔頭籌？

星空畫布已徐徐展開，太空探索永無止境，未來僅限于你的想象……

（本期圖片、視頻來自第778期首都科學講堂）

傳播科學知識

弘揚科學精神

讓科學普及與科技創(chuàng)新兩翼齊飛