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焦维新｜Jiao Wei xin

各位同学，晚上好！

我之所以做这个讲座，是因为今年是载人航天非常热闹的一年。大家知道在7月，美国执行了30年的航天飞机计划已经宣告结束。在航天飞机停止飞行以后，紧接着就是我们发射天宫实验室，而且不久将要发射神舟八号飞船，所以对我们的载人航天来说，今年是非常重要的一年。

中国的载人航天在世界的载人航天历史中处于什么样的地位？载人航天的用途如何？我们通过这个讲座给大家做一个介绍。

现在我们看到的这些图片（图1）是有代表性的：左上角是人类第一艘载人飞船东方号——加加林就是乘坐这艘飞船遨游太空的，这是我们的神舟六号，这是阿波罗号飞船，这是当今世界上水平最先进的联盟TMA飞船，这是刚刚建成的国际空间站，这是美国的航天飞机，这个是将在2020年左右建成的中国的空间站。所以说，这些图概括了载人航天的过去、现在和未来。

图1

今天想给大家介绍三方面的内容：第一是载人航天的类型与发展趋势；第二是载人航天的应用；第三是中国载人航天的特色。

概括来说，载人航天分三种类型：第一种是载人飞船，第二种是航天飞机，第三种是空间站。这三种类型应该说各有各的特点，各有各的用途。

关于载人飞船，如果我们给它下一个定义的话，可以说是能保障航天员在太空短期生活和工作、并安全返回地面的一次性使用的航天器。它与返回式卫星最大的不同在于它有生命保障系统。按照我们这个定义，它是一次性使用的航天器。从现在来看，飞船基本上都是一次性使用的，也有的国家正在研制可重复使用的飞船，但是现在还没有研制成功。

现在的飞船和早期飞船不一样了，都是三舱结构，前面叫轨道舱，中间叫返回舱，后面的叫服务舱。返回舱是飞船的指挥控制中心，在发射和返回的时候，航天员都是乘坐在返回舱里面。而轨道舱，顾名思义，进入轨道以后航天员就要进入轨道舱，进行各式各样的科学实验，比如空间对地观测等。服务舱提供很多的服务功能，比如说我们的飞船要变轨以及提供生命保障系统、提供氧气、净化舱内空气等等。发射的时候三位一体进入轨道，返回的时候返回舱先后与轨道舱和服务舱分离，最后回到地面的只有返回舱，而服务舱则坠毁在大气层里面。

我们国家的轨道舱有点特殊，跟俄罗斯的不一样，可以留轨利用，可以工作半年以上，还可以继续进行科学实验。

载人飞船一般来讲都比较小，包括俄罗斯的联盟飞船、我们的飞船，大概都在9吨左右。它主要用于什么呢？一个是试验各种载人航天技术，比如说我们的飞船上天了，生命保障系统行不行？要太空行走了，航天服以及气闸舱行不行？神八发射以后，验证我们的太空交会对接技术是否行，所以验证各式各样的太空技术，是载人飞船的一个重要任务。

还有一个重要功能是为空间站接送人员，在空间站建设的过程以及维持空间站的过程中，要定期地把航天员送到太空，然后把在太空中停留一段时间的航天员接回来，天地之间往返的运输工具主要是飞船。也能进行少量的科学实验和对地观测，还有特殊制造的飞船可以登月，将来还要登火星，虽然飞船比较小，但是用途还是比较多的。

我们看看载人飞船发射的情况，根据这些发射的数据我们可以看出哪国的飞船更先进，苏联最早的是东方号，第二代是上升号，联盟号飞船已经发射了109次，美国最著名的是阿波罗飞船，但是为了使阿波罗飞船能够成功登月，在之前要验证一些技术，就包括了水星号、双子星号，它也是为了验证一些技术，比如说太空行走、太空交会对接。在近地空间都没法对接呢，跑月球怎么去对接啊？所以，水星号和双子星号主要是为阿波罗飞船的发展服务的。

我们的神舟飞船发射了七次，但是载人飞行目前只有三次，从这里可以看出原苏联和俄罗斯非常重视飞船的发展。

俄罗斯的飞船比较先进，衡量一个飞船水平的标准是什么呢？第一个是安全性；第二个是对接的可靠性和再次对接的能力，一旦我第一次对接不成功，我调整轨道还有第二次对接；第三个是科学实验的水平和在轨寿命。现在飞船在太空停留最长的时间大概是13天，一般也就停留一周左右，因为给养有限；第四个是航天员感觉的舒适程度，所以苏联最早是东方号，然后是上升号，后来发展到联盟T，联盟T是为了和礼炮号空间站进行交会对接的，联盟TM是为了跟和平号空间站交会对接的，联盟TMA是专门和国际空间站交会对接的。在联盟TMA基础上，今年又开始发射联盟TMAM。

虽然俄罗斯的飞船比较先进，但是由于它在经济上不景气，另外它也不愿意过多地为空间站尽义务，所以一年就发射两次飞船，对不起，你到了空间站以后，你一待就得半年，所以我给联盟TMA飞船一副对联，上联：技术先进一船挑起大梁，下联：囊中羞涩一年只飞两趟，横批：力不从心。这是联盟飞船的情况。

第二种类型是航天飞机。它的定义是有人驾驶，可重复使用，能在太空与地面之间穿梭飞行，执行各种任务的航天器。我们说的航天飞机，其实在整个系统中叫轨道器，它还有外挂燃料箱，两个柱形的固体助推火箭，由三部分组成。只有轨道器才进入太空飞行，它有多大呢？长37米，高17米，自重就有109吨，有效载荷25吨以上，我们看这是一个庞然大物。

联盟TMA飞船有多大呢？它载三名航天员之外，还能载100多公斤的给养，而航天飞机光有效载荷就有25吨，自重109吨，所以加在一起是134吨，这是任何一个飞船没法比的。这个运载能力就是载人登月火箭应具备的运载能力，你要想载人登月就得达到这么一个水平。

我们看到的(图2航天飞机）这个高高的黄色的东西叫做外挂燃料箱，里面装的是什么呢？液氢、液氧，长47米，直径8.4米，比我们的教室还要粗得多，推进剂700多吨，外表我们看到的黄色东西的是2.5厘米厚的热防护层。为什么有热防护层呢？液氢的温度是零下200多度，液氧的温度是零下100多度，如果没有个热防护层的话，大气层一给它加热，液氢变成氢气了，那就要爆炸了，所以说要防止热交换。

外挂燃料箱是为航天飞机的主发动机提供燃料的，我们看两个圆柱形的物体是当今推力最大的固体助推火箭，它为航天飞机起飞时提供83%的推力，但是它发射两分多钟以后就与轨道器分离了，然后用降落伞落在大海里，等有船把它回收，固体助推火箭是可以重复使用的。

图2航天飞机

航天飞机的用处就比一般的飞船更多了，它能够向太空释放卫星，它肚子很大，能装大的卫星，弄到300多公里的高度再把它抛出去，然后卫星用自己的动力飞向太空。可以作为一个货运飞船，也可以作为一个载人飞船，它甚至可以当成一个小型空间站，因为有效载荷就是25吨。

还有一个重要的功能是在轨道上捕捉、维修和回收卫星，大家知道著名的哈勃空间望远镜，1990年发射，怎么运行这么长时间还在运行呢？实际上航天飞机把它抓住，在太空更新、维修，已经大修四次了，若没有这四次大修的话，那么哈勃空间望远镜早已经失效了，另外还可以开展一定规模的科学实验和对地观测。

这是探测金星的（图3）麦哲伦飞船、雷达卫星。

图3麦哲伦飞船

这是探测木星的伽利略飞船（图4）。

图4伽利略飞船

这是围绕着太阳运行的飞船，是世界上唯一一个可以绕着太阳极轨飞行的，大家知道绕着太阳飞行就不是卫星了，那就应该是行星了，那是人造行星。

图5尤利塞斯飞船

还有大型的数据中继与通讯卫星，这都是由航天飞机发射的。

图6

维修哈勃空间望远镜，航天员上去小心翼翼地对它进行维修，能够对全球进行三维成像，这是它伸出的长长的杆，然后把天线伸出来，这是它所获得的地球表面的三维成像，图7（哈勃望远镜成像）当时航天飞机进行雷达成像的时候我们媒体说航天飞机把中国看个够，其实不光是把中国看个够，而是把全世界看个够，从北纬80度到南纬60度都是三维立体图像，分辨率很高，所以它一飞过就没有秘密而言，你的坦克在树底下藏着呢，它挡不住电磁波，都看得很清楚，所以你的军事基地都一目了然。

图7哈勃望远镜成像

航天飞机一共造出来五架，但是等到航天飞机退役的时候只剩下三架，因为两架航天飞机一架是在发射时爆炸了，一架是返回时解体了。

航天飞机有两次大的事故，第一次事故是挑战者号航天飞机，它是冬天发射，由于没有按时发射，所以在寒冷的冬天它停留的时间长，一停留时间长，运载火箭的密封圈有点失灵了，大家知道橡胶制品温度一低的话就硬邦邦的，所以它从那个地方泄漏燃料，一发射底下着火、上面也着火，就爆炸了，这次影响比较大，因为有一个小学老师在这上面，她准备上天后给全世界的中小学的孩子上课，那天美国的小孩都精神抖擞地看，看自己的老师上天，结果没过一分钟从上面落下来了，怎么回事，把小孩吓呆，后来才知道航天飞机爆炸了，所以给孩子幼小的心灵留下深深的创伤，以后再发射航天飞机的时候，家长不让孩子看现场直播了。

图8气象雷达回波

这个是返回的时候出事了，这个图像是什么图像呢？是气象雷达的回波（图8—气象雷达回波），气象雷达扫描看哪里有雨，忽然间这是什么东西啊？乱七八糟的，是太空人入侵了吧？这么一个大部队来了，就是航天飞机解体了，变成一些碎片，航天飞机为什么解体呢？其实是一个小的问题，外挂燃料箱不是有2.5厘米厚的热防护材料吗？发射时要脱落，脱落的一个大片砸到航天飞机机翼的前沿，把防热瓦砸出两个缝，航天飞机返回的时候，和大气摩擦，温度是1300多度，而且里面的铝合金只能忍受六七百度的高温，1300多度的高温气体进入以后，使铝合金变形破裂，航天飞机解体，飞机已经到了美国的本土上空了，七名航天员全部丧生。

后来美国就成立了专家委员会调查事故原因，用了两年半的时间写出调查报告，反复看录像，就是因为防热材料落下来，一个大片把它砸出两个缝，后来想了很多办法，来防止碎片脱落，等到航天飞机恢复发射的时候，让航天飞机复航，但还是掉下来一大块，所幸的是这个大块没有砸到航天飞机的翅膀上，它掉到地下了。怎么想办法也不行，就是噼里啪啦往下掉，所以每次发射都弄得NASA的官员提心吊胆。有一次我给中学生做讲座，我说你别看老美技术先进，碎片脱落问题就是解决不了，你们在座的谁脑瓜聪明想出好主意，就给美国航天局局长格里芬写信，如果你这个主意被采纳了之后，他至少得邀请你到美国去看看航天飞机发射！我回来以后这些小孩积极性挺高的，有一个孩子说焦教授我想了一个办法，502胶特别的好用，还有的说粘了胶以后你再转圈绕铁丝，虽然想法比较单纯，看得出这些小孩还是动了脑筋的。直到航天飞机退役也还是没有找出很好的办法，最后航天飞机还得飞啊，国际空间站等着建设呢，不能停！但是飞吧又怕砸坏了，不飞吧等着它呢，后来就想了一个办法，飞还是飞，在航天飞机上带着机械臂，机械臂头上带着摄像机，上去前前后后看，看哪块有裂缝、哪块有问题，如果这个问题真的太大了，和空间站对接的时候航天员太空行走出来修理，所以最后就采用这种办法，这个动画是美国最后一次航天飞机发射的全过程，前面是介绍它的有效载荷。这是开始扫描了，这个机械手还挺灵的，这是飞机的翅膀、前沿、底下看看有没有问题，再看看鼻子、脸，下巴颏，这是一个高级的图形处理分析系统，一边摄像一边进行分析，看哪块有毛病。这是没有办法的办法，只能采取这种方式，等飞到国际空间站下面以后，它在国际空间站下面转了360度，空间站上的航天员再用高清晰度的摄像机拍摄，看看它有没有伤，就是这种办法，然后再和国际空间站进行对接，到了最后碎片脱落的问题也没有解决。

航天飞机如果和飞船对比的话，应该说它的功能、性能还是比较多的，比如说载重量大，功能多，可以载25吨，飞船就比较小，包括货运飞船也就三四吨，可重复使用，有机翼，升力大，气动力过载小，你别看那么大个，从太空飞行的时候，从太空飞回来，飞机的跑道上有一条白线，中间的轮就是一直压着白线走，因为它有机翼，所以有升力，重力加速度变化比较小，也就是两三个G，但是如果是飞船的话靠降落伞减速如果落下来，那得五个G左右，所以要求航天员你对重力加速度的变化适应能力更大，因为重力加速度太大使你很难受的。

相对来讲，航天飞机的结构与技术复杂，安全隐患多；飞船的结构与技术比较简单，比较安全。所以，以前很多人就说，为什么我们中国造飞船不造航天飞机？有的人说我们中国什么时候造航天飞机啊？咱们民航客机到现在还没造出来呢，还能造航天飞机？那实在差太远了，包括满地的汽车只有一个奇瑞是咱们国产的发动机，其他的还都是外国的发动机。所以造飞船适合于我们国家的国情，而且目前已满足我们的需要。

航天飞机为什么退役呢？原来设计五架航天飞机，每架航天飞机飞行100次，可重复使用500次，一重复使用的话它就便宜了。实际不是那么回事，每次维修的费用非常高。航天飞机设计上有先天不足，存在安全隐患，有两个方面：第一个是载人和载货不分开的，所以运载火箭发射一旦出现问题的话，航天员没法逃生；再一个就是外挂燃料箱太高了，掉下碎片以后容易砸到航天飞机的翅膀上。维修费用很高，每次飞行得烧掉15亿美元，所以这也了不得，老美也受不了了，另外再加上经济危机，美国现在经济不景气，好在今年国际空间站建成了，见好就收吧！如果再掉下一架飞机，你说美国人怎么交待啊？所以今年7月8日就退役了。

但是，航天飞机发射到太空的有效载荷是所有其他类型航天器的一半多，从太空运回到地球的有效载荷是各种航天器的97%，把804名乘员送入到太空，与和平号空间站对接9次，与国际空间站对接38次，进行了多种类型的科学试验，但是两次航天飞机失事，造成14名航天员丧生，这个代价也是非常悲惨痛的，所以我给航天飞机来一副对联，上联是：功能多运载大太空领域取得辉煌成就，下联是：事故多后果惨每次飞行令人提心吊胆，横批是：褒贬不一。

后航天飞机时代的美国载人航天将有哪些方面的发展呢？有人说美国在后退，取消了重返登月的计划，说美国在后退，中国在进，其实美国根本不是在后退，它是为了更大踏步地前进，奥巴马政府的科学与技术办公室的一个官员就说，美国取消了重返月球的计划，不是后退，只是我们取消了用昨天的技术去做40年前重返月球那样的事情，所以我们要提高新技术，发展高技术，使得今后能够更深入地、更快地、更经济地探索深空。目前已经明确的工作正在研制新的运载火箭，两个月前刚公布名称，叫太空发射系统，这个太空发射系统运载能力是130吨，要比当年运载阿波罗飞船的土星五号的运载火箭的能力还要提高10%—20%。第二是发展了用于探测小行星和火星的飞船，叫做多用途乘员工具，那要比原来重返月球的猎户座飞船还要大、更先进，因为你到月球的话，往返也就是十天左右，到火星不一样，火星一去就八个月，往返的路上就是十六个月，你不能到那里就回来吧？你还得生活一段时间，所以你得带多少给养啊？另外至少是四个乘员，这四个乘员不用说时间长了，就是一年半喝水得喝多少水？吃饭得吃多少东西？还有其他的给养，所以它发展多用的乘员工具。

2025年左右载人探索小行星，2035年左右载人飞往火星，但不是说在火星着陆，第一步是载人环绕火星，积累经验以后，再登陆火星。另外发展新的推进技术，利用新技术到达火星的时间为几周，而不是近一年，发展可重复使用的飞船，比如说空天飞机，发展太空加油站，这是个俗称，实际上为了给其他卫星提供给养，你给养不够了可以加，出了问题还可以再进行回收，另外它还发展地球以外的天体的就地资源利用技术，深空的自动交会对接技术等等。

画蓝线的是什么呢？不是NASA做的，是美国私人公司做的，发展商业飞船，追梦，龙，波音正在研制可重复使用的飞船，还开展近地空间的旅游和月球旅游等等。虽然它暂时取消了重返月球的计划，但是它在专心发展太空基础设施。我们可以设想，再过十年以后，美国的太空基础设施又前进了一大步，远远地把其他各国甩在后面，不管是在近地空间还是在深空，美国仍然保持霸主地位。对它来讲，探测月球算什么啊？半个世纪之前我已经探测月球了，虽然有些国家准备要探测月球，但是我不跟你们玩了，那都是我40年前玩的东西，我现在是要到火星去，所以才取消重返月球的计划。

这是它试验新型的固体助推火箭(图9），比原来航天飞机的固体助推火箭还要大，这是猎户座飞船返回舱（图10），这是波音公司研制的飞船和民用的空间站对接图11，这是追梦飞船图12，是私人公司搞的，它要进行载人小行星探测，洛克希德马丁公司正在推的探索小行星的计划，用两个飞船一起往上飞，一个装货，一个载人，到小行星附近再交会对接。

图9新型固体助推火箭

图10猎户座飞船返回舱

图11对接

图12追梦飞船

第三种类型是空间站，空间站是空中大厦了，不是一次建成的，要多次建设，它能够长期停留，一般都是十几年以上，在太空逐步建造。大家现在都知道有国际空间站，其实最早搞空间站的是苏联的礼炮号。当年阿波罗登月的时候苏联也想登月，但是大运载火箭不过关，发射四次都失败了，那也不能闲着啊！它就搞空间站，那时候就搞了礼炮1号到礼炮5号第一代空间站，国际形势缓和以后发展第二代空间站，叫礼炮6号、礼炮7号，又发展了第三代空间站叫和平号空间站。美国阿波罗17号飞行以后就不再继续飞行了，因为费用很多，它用土星五号运载火箭的外壳制作那么一个空间实验室，也类似于小的空间站，但是目前运行的是国际空间站，我们中国正在设计建造空间站，已经在网上征求很多网友的意见，现在虽然空间站没建成，好像排名第一的叫苍穹一号。

国际空间号是美国总统里根1983年提出的，后来经过多方的酝酿，一直到1993年才设计定型，1994年到1998年这是准备阶段，1998年到2001年初期装备阶段，第三阶段是2002年到2005年，是最终的装备阶段，但是由于美国航天飞机失事，后来又不能正常飞行，使得国际空间站一直拖到2011年5月份才建成，建成以后可以有六七个人工作，工作寿命在10—15年。它是桁架结构，就是一个大梁，其他舱都挂在大梁上，现在重量已经将近400吨，长109米，宽88米。这个庞然大物用了十几年建设，我们看一下它的建站过程，第一个是苏联建造的舱，第二个是美国建造的舱，第三个也是美国建造的舱，然后它们在太空进行了组装，这是第一块太阳能帆板。这是一个气闸舱，是用于交会对接的，用于太空行走的，这是送去一个大梁，这是第二个大梁，第三个大梁。

有些部件第一次放的并不是最终位置，中间还要把它移动，大家看这个显示的数据，这个动画是2分21秒，国际空间站建了十几年没建成，计算机快，2分21秒就把空间站建好了。主要是由美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西，另外还有欧洲空间局的11个国家，加在一起是16个国家建造的，到现在总算建成了，建成以后的国际空间站就是这样一个构型。国际空间站目前是什么状况呢？我给出一首打油诗：十六国联合建造，长时间停工待料，建成后能用多久，到目前无人知晓。因为空间站设计上贪大求全，建设过程中又过于依赖航天飞机，因此拖的时间太长了，给大家拖得都疲倦了，对它没有那么大的兴趣了，连美国航空航天局对它都已经烦了，哎呀，你快点建成吧！你不建成我们航天飞机也没法退役，别的事也干不了，所以就成了它的负担了，所以刚一开张就惦记它什么时候关门。

图13国际空间站

概括起来，未来国际载人航天发展趋势，第一，是加强载人飞船的功能，使它适合探测月球以及更远的天体；第二，是美国和俄罗斯都有研制可重复使用飞船的计划；第三，航天飞机退出历史舞台后，将不会再现；第四，空间站将是人类进行空间科学研究实验的最好平台。

航天飞机也好、飞船也好、空间站也好，建这个都是花很多钱的，自然也提出了问题，人类花那么多钱搞载人航天，究竟有什么用处呢？下面我们介绍载人航天的应用，这些应用项目依赖于在航天器里面那些微重力环境，什么叫微重力呢？严格来说叫做微重量，指的是物体对支撑物体的压力小于该物体的重力，比如说我们坐电梯，加速下落的时候，我们人体对电梯的压力就小于我们的重量，如果电梯加速度上升的时候，我们人体对于电梯的压力大于我们的重量，如果一个自由下落的物体对支撑物就没有这个压力。要在地面产生微重量，主要有这几种方法：第一个叫落塔，大家看五道口靠南一点有一个白色的圆柱形的塔，那是科学院建的，让它自由下落，由摄像机观看它微重力的状态。

飞机做抛物线飞行，大概能产生15—25秒的微重力的状态，火箭做抛物线飞行也能产生1分钟左右的微重状态，这都是时间很短的，只有围绕地球轨道做圆周运动的航天器，只要在轨飞行，比如说空间站可以飞行十几年，在这十几年时间一直都可以产生微重力状态。

以前，《北京晚报》有一个连载小说《海灯法师》，这个海灯法师的武功了得，他有什么功夫呢？一指禅的功夫，手指头一指地，人就立起来了，当然也有不同意见说他是二指禅的功夫，当然也没有人去仔细考察其真假。但是这位航天员你看他就有一指蝉（图14）的功夫，用一个手指头就能够立起来，我们看微重力情况下奇妙的景象。

图14一指禅

谁说我们不能飞？谁说我们没有翅膀？我们也有翅膀，只是退化了。武侠小说说有的大师能飞檐走壁，那眼见为实，我们看看这位大师的飞檐走壁的功夫。确实有着飞檐走壁的功夫，在国际空间站一待待了半年，待着多寂寞啊？想个办法娱乐娱乐嘛，我们看看这两位航天员自己娱乐娱乐，自己吹起来个球，这是手球、头球，瞧这功夫，马拉多纳也得鼓掌啊！

有人问航天员在太空怎么吃饭啊？有的说太单调了，跟挤牙膏似的往嗓子眼里面挤，其实也不是这样。现在航天员吃的饭菜也都不错，但是在太空微重力的环境下我们看看航天员吃饭遇到什么问题？一名华裔航天员，华人吃饭就用筷子，拿筷子的工夫这个罐头飞了，别浪费了，漏出来一点也夹起来，一不小心就飞了，把它弄到嘴里面还不太容易，看来选航天员嘴还得大一点。太空食品到底怎么样呢？在神舟六号飞船发射的时候，我作为嘉宾在演播室里面，以前也没吃过太空食品，拿了一堆太空食品，我们跟主持人一边吃一边给大家介绍，我们吃的有八宝饭，是密封的，一般情况下航天员吃八宝饭的时候都是加热的，加热以后才能有喷喷香的香味，我们吃的是凉的，细细品尝也有一点香味，但是不是拿出来就喷喷香，最后主持人说焦教授，八宝饭怎么样？我说不错，确实也没闻出什么香来。还有刚才看到的罐头，另外还有一种叫冻干水果，据说是一种特殊工艺做的，吃起来特别酥，一碰就碎，跟果干还不太一样，据说在太空的时候可以把它泡在水里面，又可以恢复成水果的形状。

我们神舟六号的航天员就可以吃上热的食品，神舟七号航天员就可以吃到家乡的特色小炒，所以航天员的食品也是不断的进步的。

在太空一待待半年，胡子也长长了，一个个跟马克思似的也不好看，但是微重力情况下你一理发的话头发渣子乱飞，那怎么办？就想到用吸尘器，一边理发一边用吸尘器，我们再看看航天员在太空生活的片断。

这是航天员在锻炼，这是传送第一个重物、第二个重物，第三个重物，这是在睡袋里面，这是“自由泳”，这就是微重力环境下奇妙的景象。在微重力环境下我们可以做很多的科学实验，比如说空间生命科学研究，长期在微重力环境下待，人就会患骨质疏松症，这是正常情况下人的脊椎，这是长期在微重力环境下脊椎发生的变形，所以我们就要研究怎么来避免这些问题。比如说通过什么样的锻炼方式或者服什么药能够减轻这个症状，如果这个问题不解决的话，那么航天员在空间站待半年，到火星那就待一年多，航天员走八个月到火星，从梯子下来结果软骨病瘫到那块了，你说你到火星干吗去了？所以说这个问题必须得解决，有重力的环境下胰岛素的晶体比较小，在微重力的环境下胰岛素的晶体比较大，我们还要研究在微重力下植物如何生长。

微重力燃烧科学，大家知道蜡烛是这样的火焰，但是在微重力的情况下蜡烛的火焰是半球形的蓝色火苗，这样的话我们可以更清楚地看它的燃烧过程，然后来研究如何提高燃烧的效率以及如何预防在太空里面发生火灾，这是有重力情况下合金的结构，这是在微重力情况下合金的结构（图15），所以我们看到结构非常的均匀，它的性能肯定就要好得多。

图15合金结构

微重力下流体物理学的实验，在有重力的环境下一个气泡靠表面张力维持的，你稍微一碰就破了，但是在微重力的情况下这个气泡就可以存活很长时间。你看这是一个大的气泡，航天员拿一个小管伸到里面去，想抽出其中一个小的气泡的气体，他来回伸缩、又搅动，这个气泡也不破碎，这样我们可以在微重力下研究表面张力以及其他流体物理的一些现象。可以进行观天测地，商业应用，这么一个小东西(图16）可以对人进行X射线成像，残疾人可以方便上网(图17），我们看这似乎是普通的鞋(图18），但是它的减震性能非常好，不管是跑还是跳，对大脑不会产生震动，还有太空产品的开发，可以生产纯度极高的砷化镓晶体，这是半导体材料，高纯度的蛋白晶体、医药制品包括干扰素、抗流感制剂、抗生素等等，应该说目前中国在太空制药的开发方面也处于世界领先的地位，还有超导合金。

图16

图17

图18

利用宇航服制造技术和材料制成的防紫外线服装可将99.9%的紫外线防护掉，大家夏天到高原地区旅游，紫外线非常强，出去两个小时脸都晒黑了，打着伞，你又登山、又看景，就很不方便，你要是穿着防紫外线服装就比较方便。利用航天飞机燃油泵技术制造的心脏辅助泵用于病人的心脏治疗，利用航天飞机的软件设计了玩具飞机，动力特性特别好，你轻轻的一抛出去又高又平稳，还有新技术验证，太空育种，应该说我们国家太空育种走在世界的前列。从1987年以来，中国共进行了包括实践八号种子卫星在内的共22次、1200多个品种的航天育种搭载实验，现在已经有70多个品种通过审定、200多个品系在推广。你瞧这个大南瓜这么大，这是花卉，我国太空育种的成果有水果、蔬菜、花卉等等。这里面我特别指出的一点是什么呢？不是说种子一拿到太空回来以后都变好了，西红柿变成和大西瓜似的，不是这样的。根据实验结果表明，有些种子进入太空以后性能还变坏了，有些种子没有什么明显的变化，有的种子性能变好了，所以太空育种是需要科学家进行培育，一代一代地培育，一般培育一个蔬菜品种需要四五年，要培养一个粮食品种可能需要十年左右的时间。当然基因发生变异是什么原因引起的？那是机理，并没有完全搞清楚，但是一种是微重力，你要说辐射吧，其实在300多公里的高度，粒子辐射也并不是特别强，也可能是综合的作用，所以对机理正在进行研究。

军事应用包括军事侦查，有电子侦查、照相侦查，侦查我可以凝视，比如说发现一个军事基地，那我观察到了以后，飞船飞过了，我还可以转动着望远镜，可以看更长的时间。电子侦查，还有拦截摧毁敌方的军事航天器、导弹跟踪，从太空袭击地面目标，释放回收己方军用卫星等等。在冷战时期，苏联的联盟飞船就有好几种军事的版本。

接着介绍我们中国载人航天的五大特色：第一是起点高；第二是跨越式发展；第三是轨道舱留轨利用；第四是天宫一号一举多得；第五是太空探索与应用。

我们载人航天有三步走，第一步走就是把航天员送到太空，然后安全返回，这是神舟六号；第二步走我们要解决四个关键问题，第一个关键问题太空行走，我们神舟七号做了，第二个关键问题太空交会对接，我们刚刚发射天宫一号，11月1号发射神舟八号，我们和它进行太空交会对接，应该说这是整个载人航天最重要的一个技术；第三个关键问题是进一步提高生命保证系统的性能；第四个关键问题就是验证空间站需要的一些技术，为空间站建设打好基础，这是不载人的神一到神舟四号飞船（图19），我们的第一艘载人飞船2003年10月15日发射，而苏联的第一艘载人飞船东方号是1961年4月12日，我们差了42年的时间，所以有人就说42年以后再发射载人飞船到底我们是处于什么样的水平啊？虽然我们时间相差那么多，但是我们的差距并不大，我们的起点高，直接采用三舱一段的模式，相当于联盟TM的水平，因为苏联飞船的东方号、上升号、联盟T、联盟TM，联盟TM又是联盟飞船的第三代，总体算来应该是前苏联第五代的飞船，所以我们迎头赶上，直接奔向了联盟TM。另外，我们使用现代的电子学技术、现代的计算机技术、导航通讯技术，都是当代的先进的水平，所以从时间上我们看到有那么长的差距，但是从水平来讲应该说差距不是很大，如果我们太空交会对接这个技术解决了，那我们也就迈入了世界先进行列，我们的飞船也可以变成是商业用的飞船。

图19神一到神四

神舟六号飞船有五大亮点，特别是生命保障技术有了很大的提高，所谓生命保障技术其实解决了我们日常生活用的吃喝拉撒睡，大家说这还叫高技术？在地面上算不了什么，在太空上就是个问题了，就是说我们有一个轨道舱比较大一点，但是体积也不是特别大，人要住在那里面，既是办公室，又是厨房、又是厕所，都是三位一体，时间一长你说空气能好得了吗？

我们现在生活好了，住三居室，那你隔一段时间还要打开窗，透透新鲜空气，这个我敢把舱门打开吗？一开门就没命了，所以要供应氧气、净化空气等等。

刚刚提到神六就吃上热的食品了，但是神六着重于解决航天员上厕所的问题，大家说上厕所也成了高科技了？在太空上上厕所可不是那么简单的问题，如果停留时间短可以，像杨利伟才23小时，尿尿带着尿不湿就行了，大便的话上天之前灌肠，可以解决两天不大便的问题。可是如果一个人五天不大便，这人可受不了，所以就有了太空马桶，这个太空马桶有什么特殊点呢？外表来看没有什么特殊，但这是准确地测量了航天员臀部的几何特征以后，按照他的几何特征设计的。为什么呢？地面有重力，有缝隙一坐压着就紧了，在微重力的情况下要是不严实，液体和固体满天飞这怎么办啊？所以，有小便收集器，有大便收集器，小便收集器把小便收集起来以后，把有害物质去除，剩下的就是水，水再电解，又剩下氢和氧，氢就扔掉了，氧留着航天员继续呼吸用。

大便就要收集起来，压成块，带回地面研究研究。为什么呢？在微重力情况下航天员的消化情况怎么样啊？都要进行研究。

在神六飞船发射的时候，北京人民广播电台编辑给我打电话，说焦教授我们看到电视报道，说航天员睡觉也不分上下，往那一呆就睡觉了，因为微重力环境下，航天员来一个深呼吸就飞起来了，他说深呼吸都能飞起来，如果航天员大便的时候放个屁，你说不是腾空而起吗？这多尴尬啊？这怎么解决。我说这个放心，科学家已经想到了，大便的时候脚固定起来，只要脚一固定你就放心大胆吧！我们这样还是初步的，太空上厕所的问题是一个大问题，国际空间站在2010年新安置一个厕所，那也经常坏，一坏了六个人就得排队，所以生命保障系统我们还要继续完善。神七就解决了太空行走的问题，太空行走有两个关键技术，一个是舱外航天服，一个是气闸舱，我们的舱外航天服是120公斤，造价大概3000万人民币，大家说什么好料子那么贵啊？其实它就是相当于一个小的航天器，为什么呢？外面的气压是地球表面气压的一亿分之一，基本上没有空气。既然没有空气，传导对流辐射三种传递方式，只有热辐射这种方式，太阳一照射100多度，太阳照不到的话可能就是零下100度，人怎么生存？所以要有液体进行循环，散去人体活动所产生的热量，保持航天服内温度的恒定，还有防止微流星体轨道碎片，防止紫外辐射、防止粒子辐射等等，你想想让你在地面穿120公斤的衣服根本都动弹不了了，在太空的微重力环境可以，航天服都是多道密封的。另外，关节也要能够活动，否则人什么都干不了，是不行的。

气闸舱就是两道门，如果是一道门的话，一开门就出去了，一开门空气都泄漏出来了，外面还有一道门，我们先把里面的门关好，外面的气闸舱也充有一个大气压，航天员出舱之前，我把里面的门打开，进到气闸舱里面，然后把里面的门合上，把门合上以后，他在气闸舱里面穿上舱外航天服，然后把气闸舱里的空气完全泄漏掉，泄漏掉以后他再打开外面的舱门，因为里面的舱门已经关上了，所以漏掉的空气只是气闸舱里面的空气，航天员就走出去了，回来是相反的过程。像神舟七号，仔细看，前面有一个球形的物体，就是高压气瓶，航天员把外面的舱门关上以后，高压气瓶往里面充气，充到一定的大气压以后，航天员把舱外航天服脱掉，因为里面有空气了，他就可以自由地生存了，然后充到一个大气压以后，他把里面的舱门打开进到返回舱，就是这么一个过程，所以这是气闸舱，没有这个气闸舱的话太空行走是没法进行的，我们看看我们国家航天员进行太空行走的一个片断。

现在航天员准备要打开舱门，这时终于打开了，我们看纸飞了，说明什么问题呢？里外还是有一个压强差的，这个压强差就把纸片子压出去了，不过从这里也可以看出，我们气闸舱外面的舱门设计确实有需要改进的地方，航天员费那么大的劲才打开这个舱门。这次太空行走时间比较短，他只是出来以后，把事先放在外面暴露的样品，大概是一种润滑油带回去了，在暴露的过程中它的性能发生了什么变化，然后进行研究。

应当说，我们这个舱外航天服还是比较初步的，国外的像美国、俄罗斯的航天服更先进，它本身就带动力系统，比如说喷气装置，往下一喷气就往上走，往左一喷气就往右走，像这名航天员已经离开航天飞机98米远了，所以说美国、苏联的航天服更先进一些。

太空行走到目前为止倒没发现什么太大的、严重的事故，只是一些小的事故，主要的问题是航天服出现故障，这是比较多的，太空行走中途返回主要是航天服出了故障，有一次中央电视台做的节目叫做一次不寻常的太空行走。为什么呢？空间站只有两个航天员，太空行走必须要两个人，可是两个人都出舱以后就唱空城计了，里面没有人了，就没有人来监控这个空间的状态了，没办法，它的陀螺仪坏了，陀螺仪坏了涉及它的姿控系统的问题，没办法，两个航天员都得动，所以当时中央电视台也做了现场直播，当时我也是作为解说嘉宾，走到大概快到两个小时的时候，美国航天员的航天服出了问题，制冷系统出了问题了，所以他大汗淋漓，然后汗又蒸发变成气体，把面罩都蒙着了，没法看了，所以只好中途返回了，幸亏他返回了，要不然我们坐两个小时也挺难受的，别说太空行走，我们坐着两个小时都挺累的。

还有一次是俄罗斯的航天员，外面的舱门一打开以后一下子就钻出去了，想尽快看看太空的美景，但是忘了系安全带，幸亏另一名航天员手急眼快把他抓住了，要不然真的变成太空人了。

还有尿污染的问题，就是美国一个航天员在太空行走四五个小时了，憋不住尿了，没办法，又没有指令让他回来，只好尿在裤子里面，工作这么长时间，汗臭味、尿骚味，进舱这味能好得了吗？所以同伴就说我真想把你当做太空垃圾把你扔出去。后来这个问题也得解决啊！之后科学家就发明一种产品叫尿不湿，可能我们在座的同学小时候都使用过。

我们神舟飞船发射的时候，美国人就惊呼，美国为什么停滞不前呢？比如说龟兔赛跑，虽然兔子跑得很靠前，但是停下来睡大觉，终于有一天龟跑上来了，这个时候我就写了一首诗赞我们的神舟飞船：三舱结构起点高，七次遨游九重霄，太空留下新足迹，雄鹰展翅志更高。

第二个关键问题就是太空交会对接，太空交会对接其实涉及两个方面，一个是交会，一个是对接，这两个是相互联系的一个过程，首先得有交会，什么叫交会呢？就是两个在不同位置的航天器，通过多次变轨以后，使两个航天器在同一时间到达同一个空间位置，这时相距很近了，这是对接的前提，如果离得很远就很难谈到对接，所以第一步是要解决空间交会的问题，空间交会是通过多次变轨，使得两个航空器在相同时间到达相同的位置，且相对速度接近于零，空间交会是实现航天器对接的基础和条件，交会也是比较复杂的，不同于我们在地面400米跑，你说前面有一个运动员，后面有一个运动员，你说想追上他，你使劲就追上了，太空不一样，如果一开始大家都在350公里的轨道，一前一后，后面一加速轨道就升高了，你说前面慢一点吧！等等我，高度一下子就低下来了，实际上它是多次变轨的过程，一般来讲前面叫做目标航天器，后面的叫追踪航天器，追踪航天器多次的升高，等到轨道升高到目标航天器的高度，正好到了它的附近，这是典型的空间交会对接的过程（图20），比如说从地球发射，发射到第一级轨道，到了A点，到了A点就走了一个低轨道，低轨道一直保持到B，所以高度是不变的，到了B又加速，一加速以后高度就升高了，然后到了C，C就保持在这个高度了，一直到D，D又加速，升到E，E然后又保持一段时间到F，到了F以后就进入到目标飞行器通信范围，得精心调整二者的相对位置和速度，所以太空对接是在轨道交会的基础上使两个航天器在结构上连成一体的过程，对接要求两个航天器轴线基本在一条直线上，一个高一个低就没法结合在一起，对接是沿着这条直线的挨近，靠着机械装置把它们固成一个整体，一上一下，一左一右都不能，所以轴线在一条直线上，这个误差要求多大呢？我们国家可能大一些，有些国家要求的是厘米的量级，我们国家可能是要求十几厘米的量级。每一个航天器距地面350多公里，要求两者的高度差就在十几厘米的量级，要求轨道测距控制的精度也是非常高的。

图20

轴线一条直线应当是平行的，攻角太大了也不行，攻角太大了对接装置也起不了作用。另外，对接那一刹那要求相对速度接近于0，我们国家大概要求相对速度在每秒十几厘米的量级，就是它俩速度差是每秒十几厘米，可你要知道，每一个速度是每秒7.8公里，7800米，所以这么高的速度，让它俩的误差那么一点多不容易啊！大家看着跑车惊心动魄的，特别是过弯道的时候，后面稍微速度快一点，或者前面速度慢一点，一下子就撞在一起了，假如你要求两个跑车始终保持一米的距离，它很难做到，跑车的速度是多大啊？每秒几十米，这是每秒7000多米，那么大的速度又要求两者的相对速度差那么小，速度的控制得非常准确，所以要求测控系统非常准确，因为这个技术是比较难的，所以即便是一次对接成功，不能说明你这个对接技术已经成熟了，我们以联盟飞船为例，第一次对接联盟四号与联盟五号在1969年1月16日就实现了对接，但当时的对接很简单，对接以后是机械装置连在一起了，中间没有过道，航天员还得到太空行走，出了舱从这个舱门进到那个舱门，但是现在一对接以后，中间就打开一个通道了。

联盟飞船对接27次，失败了4次，联盟T飞船对接了13次，失败了1次，从1960年到2008年间，苏联、俄罗斯空间交会对接出现了故障15次，就是说你有几次对接成功的经验，也不能保证以后不出问题，所以说我们这次还比较慎重，神舟八号和天宫一号对接我们是不载人的。

太空交会对接包括美国、苏联都出现了很多失误，一般的失误就是对接不成功，或者是我再次对接，或者不行我就打道回府，大部分都是对接机构出了问题，或者是自动对接系统出了问题。最严重的一次空间交会对接事故是1997年6月俄罗斯的进步M33货运飞船与和平站空间站自动对接，是远程对接控制系统失灵，飞船撞到空间站的光谱舱上，使得舱上出现了小漏洞，舱内的压强下降，太阳电池受损，光谱舱被迫关闭，后来经过别的飞船跟它对接，航天员上天以后进行修复，才使得光谱舱重新工作。

进步M33货运飞船已经与和平号空间站对接了，是用另一种对接装置对接成功的，它为了验证这种远程自动对接装置，验证一种新的技术，对接以后进行分离，分离以后再次对接，这次对接就不行了，因为对接控制系统失灵，一下子撞上了，你看把太阳帆板撞成这样(图21）。

图21

1997年的时候对接过程中都有电视画面，这是一个航天员讲述他亲身经历的过程，他看着一个黑点就奔空间站来了，这就是进步号货运飞船，他说这个飞船飞得太快了。制动火箭点火也没见它停下来，已经没有足够的时间来进行制动了，就直接撞到空间站上了。货运飞船没载人，空间站里面还有三个航天员呢，特别是还有一个美国的航天员，一撞上以后不大一会就觉得有动静，说明漏气了，把他们吓坏了。这是太阳能帆板，后来发现漏洞不太大，就赶紧把这个舱整个关掉了，所以说这次事故还是比较大的。

对接的关键技术是精密的导航定位技术、还有精密的对接机械，自动与手动对接技术，还涉及航天员的操作技术，所以除了这些准确的测控技术之外，对接机械也起到一个很大的作用，我看了一些事故，好多都是对接机械失灵或者性能不好出现了问题，有一次对接机械有一块残余的电线耷拉在上面了，两个扣不紧，因为一旦对接以后，两个固定在一起，一点都不漏气，如果连在一起了漏气，那航天员也不行了。我们看这个动画，轴线并没有完全在一条直线上，但是基本上触到了中心，液压系统在一定范围内可以调整，大体上在这个范围，撞上以后有一个自动的液压调整系统，然后密封，而且对接装置就是把两者固定在一起，变成一体了，同时一旦想分离的时候，我又能分得开，两个连在一起了，固定在一起了，想挣脱也脱不开那也不行，所以对接机械也是非常重要的。

不载人飞船大概是11月1号发射，我们明年发射神九、神十，神舟八号和天宫一号对接大概连在一起有12天，这可以验证整体的组合体的技术，因为一个大概是长十米，两个加在一起变成二十米，而且一个是八九吨，两个加在一起重量也大，体积也大，如何控制这个组合复合体的姿态是我们要验证的一个问题。

如果对接十二天以后就要让它分离，分离以后也可能再次变轨，让它再次对接，那时候我们有可能搞两次对接，如果第一次对接比较顺利的话，如果搞两次对接的话，那我们又可以两次来验证我们的导航定位的技术，如果两次对接都很成功，有可能神九带着航天员去，因为现在神九带不带航天员没有确定，神舟十号是肯定要带航天员去了，一切看神八这次交会对接是否顺利。

天宫一号在太空停留两年以后，我们还接着发射天宫二号、天宫三号，我们载人航天第三步就是建立空间站，空间站是三舱结构，有核心舱，两个实验舱，每一个都在20—22吨，核心舱长18.1米，直径4.2米，试验舱是14.4米，同时还有一个货运飞船和一个载人飞船的对接，所以整体结构应当在80多吨左右，寿命8—10年，2018年左右发射核心舱，2020年和2022年分别发射两个试验舱。

我们国家发展空间站的指导思想是面向空间科学前沿，面向国家迫切需求，不盲目模仿，突出前沿性、创新性，虽然其他国家的空间站搞了这么多年了，但是我们有我们自己的特色。现在虽然空间站还没有建设，但是我们国家的科学家已经对这个问题进行了深入的研究，看空间站可以做哪些学科的科学实验，包括空间生命科学、生物技术、空间材料科学、微重力基础物理，空间天文等等，包括我们北京大学的许多院系的老师也都参与这样的一种工作，在先进技术研究院的统一指导下，我们各学科都提出我们自己的建议，然后上报国家有关部门把它整理，择优选择，下发一个指南，现在指南已经下来了，按照这个指南你可以申请，另外指南上没有的，你说我还有一些新的想法，你也可以申请，你申请完了以后又有专家评审，虽然空间站还有十年左右的时间，但是我们这方面的论证非常细致，所以可以想象，等到我们的空间站建成以后，我们的科学实验真正具有创新性，定会在空间科学实验方面取得一些有创新的成果。

另外，我们还考虑到空间应用技术，现在已经开始着手研究设施，设计各式各样的科学实验平台，同时在我们空间站上还要验证新技术，比如说空间信息的获取新技术，空间信息新技术，包括量子通讯，激光通讯、太赫兹通讯，在量子通讯方面应当说我们北大信息科学学院郭弘教授领导的小组在我们国家处于领先地位和国际先进水平的同步，最近我们听说也申请到一个大的项目，全国的量子通讯研究就是咱们北京大学负责，太赫兹就是频率特别高了，已经接近于光的频率了。频率越高所携带的信息就越大，地球大气对它有衰减，那我们在空间站验证一些技术，还有空间激光应用技术，微小卫星应用技术等等，你看空间科学实验、空间应用、验证新技术，将来我们可以想象我们这个空间站定会取得一大批先进水平的成果，我们看看我们的空间站如何建设的。

先把它抓住，前面是核心舱，这是实验舱，另一个实验舱发射了以后，我们先是用机械手抓住，让它在这个位置上进行对接，就是三个舱结合在一起了，所以这是三个舱又有货运飞船、又有载人飞船构成一个整体。

载人航天三步走是2020到2022年完成，探月也有一个三步走，就是绕、落、回，大概2017年完成，两个三步走走完以后，中国的载人航天往哪走？我认为一个合乎逻辑的发展就是载人登月。在前不久，天宫一号发射的时候，我们载人航天办公室的发言人也提到了，目前中国政府还没有制定载人登月的计划，但是组织一些专家进行论证，我个人认为我们开展载人登月还是非常必要的，除了可以进一步提高我们国家大国的地位，增强民族自豪感之外，还可以提升我们国家的战略能力。在新的形势下、新的技术条件下，我们以新的视点来看待月球起源和演变的问题，通过我们航天员在月球表面的科考，可以获得关于月球起源演变以及当今状态最关键的数据和样品，使我们国家的月球科学研究达到世界先进水平，还涉及月球资源利用等等。

经过载人航天的三步走，我们也为载人登月准备很好的技术基础，为了我们国家的经济发展，我们也在经济方面会创造一个很好的条件。我想，在不远的将来，我们一定会看到中国的航天员飞上月球，向全世界人民挥动五星红旗这样一个感人的场面，我的报告就到这里，谢谢大家！ TXAX3wIfM3VP6aADWvwl9kfi0feeP8HjBLo7+2nBzB9HLVSkviWaCsv5Gld/Q2Ot