从幻想到现实

在古典名著《西游记》里，唐僧师徒四人西天取经成功后，各自受封成仙成佛。20世纪80年代，著名科幻作家童恩正续写了科幻小说《西游新记》，开篇写道：一天早晨，唐僧在法会时见佛祖愁眉苦脸，呵欠连天，精神萎靡，便上前询问。佛祖说，近来西牛贺洲的人类制造和发射了很多物件，形状不一，直上西天。这些东西有的发出光亮，有的几乎撞坏了灵山的门楼。佛祖日夜不得安宁，因此睡眠不足。于是，唐僧主动提出，派他的徒弟孙悟空、猪八戒和沙僧三人前往西牛贺洲去探个究竟，学习人类的新科技，由此引发出一连串笑话。

天高几重

人类的航天器搅得佛祖不得安宁，这当然只是故事。不过近一个世纪以来，科学技术的突飞猛进给人类插上了翅膀，人类已经实现了遨游太空的梦想。从1957年10月4日第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”（俄语原意是“跟随地球的旅行者”）升天，到现在人类已经开始筹备重返月球、登陆火星，随着人类探索太空的脚步越走越远，地球似乎变得越来越小，而宇宙变得越来越可及。

我们平时见到“航天”与“航空”两个词，往往认为它们意思差不多，会混淆使用。其实，这两个词区别很大。南京航空航天大学的英文译名为“Nanjing University of Aeronautics and Astronautics”，其中“Aeronautics”指航空，而“Astronautics”指航天。如果航天和航空是同一个意思，那就没有必要在校名里重复使用了。

航空和航天的最简单区分是看飞行器的飞行高度。距离地面约100千米的天空里有一条“卡门线”，它是人为设定的大气层和太空的分界线，飞行器的飞行高度达到100千米之上才称为航天。与航天飞行器相比，航空飞行器的飞行高度都在100千米以下，不到卡门线。划定卡门线的人是大名鼎鼎的航天工程学家冯·卡门（Theodore von Karman），他是我国航天事业的奠基人钱学森在美国时的老师。

1931年，瑞士发明家、探险家皮卡尔（Auguste Piccard）制作了一个热气球，由他和助手基普费尔（Paul Kipfer）共同搭乘，在德国奥古斯堡起飞，飞到了15 781米高的平流层，这是当时人类到达的最高高度，也是人类第一次进入平流层。但是，这一高度仍然没有达到航天的高度。

在电影《功夫》里，周星驰饰演的主角被大反派火云邪神施展蛤蟆功狠狠向上顶起，飞入云霄，站在了鹰的背上。鸟类最高的飞行纪录是11 278米，离卡门线还远得很。探空气球能够比鸟类飞得更高，可以到达30—40千米的高空，但这高度还不到卡门线一半，依然不能称为航天。

飞向苍穹

20世纪中期，大推力的火箭发明之后，人类终于实现梦想，可以飞向大气层以外的太空。继1957年10月苏联成功发射了人类第一颗人造卫星后，1961年4月12日，苏联航天员加加林（Yuri Alekseyevich Gagarin）乘坐“东方号”飞船实现了太空遨游。1969年7月20日，月球在诞生45亿年后，迎来了第一批来自地球的客人。时至今日，越来越多的航天器和人类已经闯入天宇，当然，那里并没有佛祖。

在卡门线之上，现在已经有无数大大小小的人造航天器。空间站大约在400千米的高度绕地球飞行，飞船和已经退役的航天飞机的高度要低一些。为人类探索太空立下赫赫战功的哈勃空间望远镜位于600千米的高度，从1990年发射、启用算起，服役已经超过30年。美国最近发射的韦布空间望远镜又吸引了世人的目光，它距离地球约150万千米（大约是地球到月球距离的4倍），虽然运行不久，但是所拍摄的宇宙照片已经令世人震撼。

马斯克（ lon Musk）的星链卫星密密麻麻，挤占着低轨道空间。2019年，星链的一颗卫星差点与欧洲“风神”气象卫星相撞，迫使欧洲空间局改变了“风神”的飞行轨道。2021年，星链里的卫星两次差点与我国空间站相撞，迫使我国空间站避让。马斯克聪明、富有创新精神，但他的一些想法和做法很自私、鲁莽且不负责任。天上虽然没有佛祖，但马斯克的星链计划的确对人类的航天事业造成了很大的干扰。

航天和航空除了高度不同外，还存在其他一些明显区别。航空是通过飞行器依靠空气的升力而飞行，利用空气中的氧气进行燃烧。而在卡门线之上，空气非常稀薄，航天器无法依靠推动空气的反作用力来推进，再者，太空里也没有氧气支持火箭燃料的燃烧。我们前面说过，热气球和鸟类都无法到达卡门线的高度，因为热气球必须依靠空气的浮力才能上升，但在卡门线之上，空气已经非常稀薄，根本无法支持燃料燃烧和热气球上浮；鸟类在卡门线之上也无法依靠推动空气而飞行，它们甚至根本无法呼吸。

正因如此，航天旅行的飞行器需要同时携带氧气和燃烧剂，靠高速喷出燃烧产物后的动量变化推动自身前行。航天飞行器的速度比航空飞行器快很多，不考虑空气阻力的话，人造航天器速度必须达到每秒7.9千米以上，才能够脱离地球进入轨道并绕地球运转，这个速度阈值称为第一宇宙速度。航天器要脱离地球引力束缚，飞向更远的空间或前往其他星球，速度得达到每秒11.2千米以上，这一速度阈值称为第二宇宙速度。

迄今为止，在人类制造的机器里，运动速度最快的是人类乘坐的“阿波罗10号”载人飞船，其速度高达每小时39 897千米，约合每秒11千米，如果它从我们面前飞过，我们连它的影子还没看清楚，它就已经一闪而过了。

驻足太空

人类虽然已经坐上飞船，冲入苍穹，但受技术条件所限，还不能远离地球，目前只能在地球附近打造落脚的场所，这就是空间站。很多人都知道，现在天上有两个空间站，即国际空间站和中国天宫空间站。其实在这两个空间站之前，天上还存在过好些个空间站，包括“礼炮号”系列空间站、“天空实验室号”空间站、“和平号”空间站等。这些空间站为人类探索太空、探索宇宙做出了不可磨灭的贡献，以“天空实验室号”空间站为例，在轨期间它总共进行了270多项科学实验，拍下18万张太阳活动图像、4万多张地球观测图像，还拍摄到一颗新的彗星——科豪特克彗星。

苏联在1973年4月至1976年6月先后发射“礼炮2号”至“礼炮5号”空间站，1977年9月29日发射“礼炮6号”空间站，1982年4月19日发射“礼炮7号”空间站。在这些空间站里，“礼炮”系列1—5号携带的食品、氧气和燃料等储备都很有限，它们在太空里的寿命也不长。“礼炮”系列6—7号除了可以接驳载人飞船外，由于增加了一个对接口，可以对接货运飞船，补给情况有所改善。1986年发射的“和平号”空间站，先后共有12个国家135名航天员进驻（其中有28批长期任务乘组、16批短期任务乘组），总计进行了1.65万次科学实验。

美国历史上曾多次发射载人飞船，如水星计划、双子星计划。在阿波罗计划后，美国试图建立以航天飞机和空间站为中心的航天体系，先后制造5架航天飞机，包括“哥伦比亚号”（Columbia）、“挑战者号”（Challenger）、“发现号”（Discovery）、“亚特兰蒂斯号”（Atlantis）和“奋进号”（Endeavour），这些航天飞机共飞行135架次，其中“挑战者号”和“哥伦比亚号”由于发生事故而损毁。

国际空间站于1993年立项，由美国、俄罗斯、11个欧洲空间局成员国（法国、德国、意大利、英国、比利时、丹麦、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士）、日本、加拿大和巴西共16个国家联合建造，是迄今世界上最大的航天工程。非常遗憾的是，由于一些国家的反对，我国没能参加国际空间站的建造。

国际空间站位于距离地球表面330—435千米的高度，是宇宙里最大的人造物体，代表了人类最先进的空间工程技术，可供6—7名航天员长期驻留，在其中生活和开展研究工作。国际空间站也是人类迄今所制造出的最昂贵的物体，造价超过1000亿美元。2000年11月2日，一名美国航天员和两名俄罗斯航天员推开了刚建好的国际空间站舱门，国际空间站正式开始有人驻留和工作。

国际空间站是由很多部分（模块）组建起来的一个整体，最早的部分是“曙光号”（Zarya）功能货舱，是1998年由俄罗斯火箭发射上去的。在那之后几个月里，进行了多次发射和组装。到2011年6月，国际空间站共包含15个加压舱模块（都是在太空里完成组装的）及集成桁架结构（一系列的桁架，在上面安装非加压部件，如太阳能电池阵列和散热器）。其中一些比较大的模块有“曙光号”、“宙斯号”（Zevzda）、“联合号”（Unity）、“哥伦布号”轨道设施（Columbus Orbital Facility）、日本实验舱，以及“命运号”实验舱（Destiny Laboratory Module）。

国际空间站是来自不同国家的航天员之家。它大约有一个足球场大，以每秒8千米左右的速度绕地球旋转。由于国际空间站大约90分钟绕地球一圈，空间站里的航天员一天里要经历15—16次日出、日落。国际空间站有5个带有凸窗的卧室、一个健身房和两个浴室，可以供航天员长期工作和居住。在航天员眼里，空间站仿佛也是具有生命的。美国航天员斯科特·凯利说：“当你在空间站里生活几个月，你就会觉得它不像一个物体。它更像一个场所（place），一个非常特殊的场所，有着自己的性格和独一无二的特征。”国际空间站包含很多生命保障系统，用以维持适宜环境，使人类在其中安全地工作和生活。空间环境里的很多环境参数，包括气压、温度、湿度、氧气及有害气体含量等，都必须严格保持在一定范围内。

国际空间站不仅是航天员工作和生活的地方，还具有空间实验室的功能。航天员、工程师和科学家在里面要进行大量研究工作，研究内容非常广泛，涉及天文学、气象学、物理学、生命科学、航天医学、材料科学、通信等。这些研究工作不仅对地球低轨道的商业开发、生物疫苗研制、从空间理解和检测地球自然灾害、疾病（如乳腺癌和骨质疏松等）的发病机制揭示和治疗均起到推动作用，还积累了海量的外层空间天文学观测数据，增进了人们对银河系以及宇宙的了解。

在过去20余年中，国际空间站里已经开展了大约3000项科学实验，其中生物功能类的实验占大多数，总共发表了700多篇科学论文，涉及生理学和营养学、抗癌药物、气候变化、对暗物质的理解、DNA测序。除此之外，国际空间站还向49个国家的4300多万名学生提供了教学服务。

国际空间站有8个35米长的太阳能电池机翼，每个机翼包含大约33 000个太阳能电池。太阳翼面积巨大，可以反射较多的太阳光，因此国际空间站的亮度很高，甚至可以达到—3星等以上（负值越大，亮度越高），在合适的时间从地面上就可以用肉眼观察到。我国的空间站已经建设完毕，也可以用肉眼看到夜空中它清晰的倩影。感兴趣的读者可以按照所在地的经纬度根据Heavens-Above网站（http://heavens-above.com/）或者Heavens-Above APP提供的国际空间站（输入“ISS”）或中国天宫空间站（输入“Tiangong”）的预报信息，根据预报的时间和方位在夜空里观看。

国际空间站原计划服役到2015年，后来延长到2020年。2014年1月，美国政府批准将国际空间站使用期再次延长4年，至2024年。在奥巴马（Barack Obama）入主白宫后，NASA计划在2016年让空间站坠毁，而将更多的资金投入以重返月球为目标的阿尔忒弥斯计划，毕竟经过20多年的运转，国际空间站的很多组件尤其是俄罗斯舱的部分组件严重老化，甚至出现裂缝和泄漏问题。不过，2022年2月2日，NASA披露，经过修补，情况有所好转，NASA决定再次延长国际空间站的服役期限至2030年。预计届时作废后，2031年部分舱体将坠入太平洋。

NASA表示，在国际空间站退役后，由美国主导的商业运营平台将取代国际空间站，NASA将依靠私营企业来帮助继续进行太空科学研究。

中国空间站建设

尽管中国人飞向九天的梦想古已有之，但直到新中国成立后才正式迈开实践的步伐。1958年，中国科学院成立了581组，开始负责人造卫星的研制工作。受当时我国整体科技工业水平和综合国力的限制，中国科学院调整了空间技术计划，提出了“大腿变小腿，卫星变探空”的工作方针，将探空火箭的研制作为先行工作，为将来研制卫星进行练兵、打好基础。探空火箭以抛物线的轨迹飞行，在空间开展测试任务，然后返回地面。

1992年9月21日，中国载人航天事业开始起步远航，因此中国的载人航天工程也被称为“921工程”。中国的载人航天工程提出“三步走”发展战略：第一步，突破天地往返运输技术，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程并开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

2010年9月，我国载人工程空间站任务正式立项。2016年9月，中国首个真正意义上的空间实验室“天宫二号”发射成功。2021年4月29日，“天和”核心舱在海南文昌发射入轨。之后经过11次空间站舱段、载人飞船以及货运飞船的发射及在轨飞行任务，至2022年底，天宫空间站组装建设任务圆满完成，空间站开始进入应用与发展阶段。中国成为继苏联、美国之后第三个独立建设和运行空间站的国家。

中国载人空间站整体及各舱段、货运飞船共有5个名称，其中载人空间站命名为“天宫”，核心舱命名为“天和”，实验舱Ⅰ命名为“问天”，实验舱Ⅱ命名为“梦天”，货运飞船命名为“天舟”。“天和”核心舱提供了3倍于“天宫二号”空间实验室的航天员活动空间，配备了3个独立卧室和1个卫生间，保证了航天员日常生活起居。“天和”核心舱配置航天医学实验机柜，“问天”实验舱有生命生态实验柜、生物技术实验柜等4个科学实验柜，“梦天”实验舱是我国天宫空间站的三个舱中支持载荷能力最强的舱段，可配置13台科学实验柜，主要面向微重力科学研究，可支持生物学、材料科学、流体物理学、超冷原子物理学等前沿实验项目。

天宫空间站将发挥太空母港的作用，巡天空间望远镜等航天器将与空间站长期共轨飞行，必要时进行对接，由空间站提供在轨的补给或修缮服务。天宫空间站额定驻留航天员人数为3人，在任务交接期最多可容纳6人。例如，在最近的载人航天任务里，当“神舟十四号”任务将要结束时，“神舟十五号”发射升空，两次任务存在重叠时间。当“神舟十五号”航天员进入空间站时，空间站里的总人数达到6人。同样，在“神舟十五号”任务即将结束时，“神舟十六号”飞船已经发射，两次任务的6名航天员在空间站胜利会师。

目前天宫空间站建设任务已经完成，并预留了设备和平台接口，可以接驳更多的舱室，其中也包括充气密封舱。中国空间站已经建成开展多种科学研究的国家级太空实验室平台，并将不断进行技术升级与平台扩展。中国空间站将秉承“和平利用、共同发展、互利互惠”的原则与理念，为国际合作、推动人类航天事业的发展做出贡献。