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标  题: 世界载人航天潮 太空路上几多难
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Sep 26 19:06:30 2005), 站内

(2005-09-26 11:29:39)
 
“未晚先投宿，鸡鸣早看天。”《增广贤文》中收录的这联对句，高度强调天时气
象对人的决定性影响，同时是古人旅行经验的集成式总结。但当出行地换作遥不可
测的太空，人类唯一可以依附、凭藉的只剩自己相对无比渺小的飞行器时，他们又
该在哪个时候、用怎样的方式“看天”？ 

    人类飞天梦想古已有之，但神秘浩瀚的宇宙空间，并没有非得对人友好的道理
。对被地球呵护得无微不至的人类来说，失重、超重、噪声、震动、辐射、昼夜节
律改变、狭小的生活环境，无不对人的生理、心理带来巨大影响——就在人们决定
向太空迈出勇敢的第一步时，他突然发现，眼前的空间竟是如此险恶；而小心谨慎
的探索，一时变得如此重要。 

    从1992年起，我国载人航天工程稳步推进，“神舟”飞船陆续升空，“嫦娥”
探月工程也已正式启动。21世纪的世界载人航天活动，亦将越来越多种多样、丰富
多彩。如火如荼的载人航天潮，面临哪些源自空间环境的影响和挑战？带着这个问
题，记者采访了中国科学院空间科学与应用研究中心空间环境预报中心的几位资深
科技人员。 

    宇宙空间风雨骤 

    空间环境通常指地面上几十公里高度以上广大的宇宙空间，但目前与人类航天
活动关系最为密切的仍只是日地空间环境。专家介绍，耀斑等太阳表面活动引起高
强度的空间辐射，这种辐射的增强可能表现为等离子体（粒子），也可能表现为电
磁辐射（光），它们构成地球空间环境形成和扰动的基本外源。而太阳表面、太阳
风、磁层、电离层和热层各种瞬时或短时间内的状态改变，即是目前定义的“空间
天气”。 

    “空间天气和地球上的天气在某种程度上来看是相同的。”空间环境预报中心
刘四清研究员原来从事空间物理理论探讨，2000年起来中心加盟空间环境应用研究
。她介绍，和地球上阴、晴、雨、雪、干、湿等天气一样，空间天气也有风、雨等
现象。不同的是，空间天气中的“风”是高速运动的等离子体流，而不像地球上是
流动的空气团；空间天气中的“雨”——例如极光——也由磁层沉降的带电粒子组
成，而不是地球上云雾凝聚成的大小水滴。 

    现在关心空间天气的人，远没有关心一般意义上天气的人多，因为受空间天气
直接影响的人毕竟还很少。人类最早知道的空间天气现象，是原始人类首次看到的
北极光。至于太阳风的存在，直至1958年才由美国科学家帕克最后证实，虽然很早
以前人们就看到彗星尾巴总是背着太阳，猜想这大概是从太阳“吹”出来的某种物
质造成。再往后，人们才进一步得知太阳活动和地磁事件能对卫星操作、导航、极
地高空飞行、电力输送、长途电话通讯、短波通讯、输油管道系统、地球物理勘探
特别是航天飞机及空间站活动带来重大影响。 

    虽然肉眼看来太空中空无一物，但在空间环境预报中心叶宗海研究员这样的空
间物理学家眼中，这里除了深空中的小行星、行星及彗星等“实体”，还充满了中
性气体、电离气体、等离子体、各种能量的带电粒子、种种尺度的流星体和空间碎
片，以及引力场、电场、磁场和各种波长的电磁辐射。至于构成地球周围空间环境
、左右区域内空间天气的“要素”，则有地球表面吸收大部分太阳紫外线和X射线
、保护人类免受辐射侵害的稠密的大气层；作为地球高层大气电离部分，由电子、
离子和中性粒子构成，能量很低的电离层；由超音速太阳风与地球磁场相互作用形
成、为太阳风所包围的由地磁场起控制作用，为人类阻挡大部分高能带电粒子的地
球磁层；以及源于宇宙各星系、在星际空间高速运转的流星体，和时间性、轨道规
则性更差一些的空间碎片等。 

    受太阳活动的影响，地球周围空间环境状态不断变化。太阳活动既有长至11年
周期的变化，也有短至十几分钟的爆发过程；表面平静时，太阳几乎不发射高能带
电粒子，但一旦发生大的太阳爆发，高强度的高能带电粒子就充斥空间。太阳活动
高低年间，300千米高度上的平均大气密度可以相差10倍，航天器因受到阻力不同
，轨道变化过程和轨道寿命随之改变。突然的太阳爆发同样可能造成大气密度的急
剧上升，例如1981年4月12日，美国哥伦比亚号航天飞机首次飞行即遭遇大磁暴，
轨道下降速度比预计快60%，幸好携带燃料足够、采取措施及时才幸免于难。此后
，美、俄、欧、日等航天组织无不投入巨资，开展空间环境的预报工作。 

    在各类近地空间物质中，俗称“太空垃圾”的空间碎片因具体可见、破坏性强
，一直受到人们的广泛关注。这些人类空间活动的废弃物，大到废弃卫星和各类航
天器的金属部件，小到固体发动机点火产生的残渣和粉末，大多漂浮在距地面2万
公里的空间。现在国外最先进的望远镜，可以观测到直径1厘米左右的碎片，但事
实上一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属微粒，足以戳穿密封的飞行服，一块仅
有阿司匹林药片大的残骸就能将人造卫星撞成“残废”。 

    专家介绍，目前可被地面观测并测定轨道的空间物体有9300多个，据估计无法
被观测到的、直径大于1厘米的空间碎片数量超过11万个，大于1毫米的超过4000万
个，总数量正以每年2%～5%的速度递增，碎片总重量现约3000吨。有科研人员提出
，按照空间碎片目前的增长速度，“到2300年任何东西都无法进入太空轨道”！ 

    欲往太空困难重

    “空间环境对航天系统的影响，首先体现在对航天器的影响上。”叶宗海介绍
，自1957年10月4日人类第一颗人造卫星进入空间开始，空间环境对航天系统影响
的问题就受到空间界的关注。随着空间内各类航天器的增多，航天器发生的故障和
异常不断增加，即使到最近仍有36%的故障和异常是由空间环境引起的。四十余年
的航天历史表明，日地空间环境对航天器的制约，简直达到“苛刻”的程度。 

    这种影响具体表现在哪些方面？空间环境中，除高层大气的阻力影响航天器的
轨道和寿命外，原子氧的剥蚀破坏航天器材料；出现在地球附近的微小流星体，以
及来自各种航天器并不断积累的空间碎片，以各种方式威胁航天器的安全；高能带
电粒子的轰击，可导致“单粒子事件”和星载材料、器件的性能衰退，太阳能电池
输出功率下降；等离子体能引起航天器表面带电，严重时电位可高达2万伏，放电
时的强电流可导致航天器彻底报废，放电发出的电磁辐射，也会干扰航天器的工作
；太阳发出的紫外辐射、X射线等高能电磁辐射，使高层大气温度增加，改变航天
器表面材料的特性，增大大气阻力，使航天器提前陨落…… 

    刘四清说：“如果平静时的太阳风是‘河流’，那么爆发时的太阳风就是‘洪
水’。”事实正是如此，对航行太空的航天员来说，远离地球上赖以生存的空气，
仅仅太阳强大的紫外辐射、X射线就会带来巨大的伤害；更不用提失去地磁场的保
护后，高能带电粒子辐射为人体带来的不适感、各种疾患甚至死亡。又例如，航天
器在相对稠密的电离层等离子体中运行时，航天器后面出现一个密度放空或减低的
等离子体尾流区，当航天器出舱在这一区域活动时，有可能发生严重的不等量充电
，导致生命危险。 

    显然，对空间环境进行监测预报，研究航天系统对它们的影响和应对方法，探
讨危机来临前的应急措施，以及保护空间环境使其免受人类活动污染的办法，都已
成为迫在眉睫的重大课题。叶宗海认为，为达到预报空间环境变化的目标，必须建
立连续、稳定、实时的地基和天基空间环境监测系统，监测内容包括太阳电磁辐射
流量、太阳表面扰动成像、日冕物质抛射，以及太阳风的行星际扰动和近地空间的
磁强、电离层结构、宇宙线通量等的变化情况。 

    在具体的业务流程上，空间环境安全保障系统覆盖航天任务的全过程。在航天
器研制的第一个阶段——航天器可行性论证阶段，空间环境影响在航天器轨道优选
和寿命设计方面可能成为至关重要的因素；在方案设计和制作阶段，空间环境参数
是航天系统特别是生命安全系统设计的重要依据；在航天器的发射运行阶段，对任
务安全期的选择、在轨飞行操作和航天员在轨活动的安全保障、对恶劣环境的应急
处理和在轨异常诊断等方面，空间环境的预测和监视都起到重要作用；在航天器任
务结束后的总结阶段，对航天器技术系统和生命系统的设计评估、异常事后分析等
方面，同样离不开空间环境监测数据和空间环境效应分析。 

    为避免或减少空间环境对航天活动的危害，世界各主要航天大国积极支持和开
展空间环境监测和预报工作。1989年8至10月，前苏联计划发射两颗卫星，但这段
时间太阳发生一系列大爆发活动，给近地空间环境造成剧烈扰动。为避免受到破坏
性影响，前苏联推迟了卫星发射。挑战者事故发生后，美国宇航局（NASA）开发出
一个航天飞机的碰撞躲避程序。依据这一程序，航天飞机从1989年到1994年2月共
收到4次警报，执行过3次碰撞躲避操作。 

    叶宗海透露，美国等航天大国在强大的航天力量背后，都有着一支强有力的、
军民结合的航天保障支撑队伍，经过多年技术和资源积累，已经具备很强的事前、
事后和实时地为航天系统提供空间环境保障的能力。一个最明显的例证是：“阿波
罗”登月计划制定之初，NASA就建立了专用的“太阳粒子警报网”，在每次载人飞
行时都精心预报太阳质子事件，据其选择飞行时机、制定飞行计划。这项工作极为
成功，尽管当时太阳质子事件频繁，但除1972年“阿波罗”16号返回途中未能幸免
外，其余9次飞行都成功避开了太阳质子事件。 

    为“神舟”升空保驾

    虽然起步相对较晚，我国的空间环境监测和预报工作仍然做得有声有色，为我
国航天事业起到了极好的支撑作用。隶属于中国科学院空间科学与应用研究中心的
空间环境预报中心，是为我国航天用户提供空间环境保障服务的主要业务型机构。
在载人航天工程和“863”计划的系统支持下，空间环境预报中心于1992年开始筹
建，1998年3月基本建成。经过一年多的试运行，于1999年11月投入正式运行，向
国内外公开发布空间环境预报，向用户提供空间环境常规预报和专项预报服务。 

    叶宗海介绍，1997～2002年正值狮子座流星雨33年一次的回归期，产生这一著
名流星雨的母体彗星Tempel-Tuttle回到近日点，由于与地球轨道非常接近，聚集
在彗星前后的流星体微粒以高速喷向地球，产生远超平时的流星暴。在此期间发射
或运行的航天器，势必要考虑可能来自于流星暴的影响。空间环境预报中心专家预
测发现，“神舟”一号飞船原定发射的1998年11月18日北京时间7：00，正逢狮子
座流星暴最强期，而2天后的11月20日7：00流星暴则已结束。他们据此建议飞船推
迟2天发射，保障了“神舟”一号的安全运行。 

    虽然“神舟”一号至五号飞船的发射，正处于第23太阳活动周峰年期间（
1999～2003年），但在中科院空间科学与应用研究中心空间环境预报中心科技人员
的共同努力下，我国载人航天计划得到了有力的空间环境信息保障。除了日常进行
的研究和准备，随着发射时间的临近，中心人员的工作越来越紧张：预定发射时间
前3个月开始，中心就开始提供空间环境中期预报；进入1个月的倒计时，中心每周
提供空间环境安全期预报。报告内容包括发射期间可能出现的灾害性空间环境事件
，及其对飞船可能产生的影响；发射前一周开始，必须提供每天一次的短期报告，
凡有重大情况都须在第一时间向上汇报；飞船升空入轨后，更要派专人24小时值班
，报告周期缩短至飞船每飞行5圈的时间。2002年，“神舟”三号留轨舱遭遇大型
太阳扰动事件，由于大气密度增大舱体轨道衰变严重，在空间环境预报中心的建议
下，有关部门密切监视留轨舱轨道变化情况，并及时对其进行了轨道维持。 

    我国空间环境预报事业开创伊始，资料奇缺，经费也很欠缺。空间环境预报中
心的科研人员采用了以课题来发展学科的方式，从20世纪90年代初开始，他们先后
进行了“空间环境模式”、“大气”一号气球卫星、“实践”四号卫星等多个课题
的研究，终于获得稳定的经费和研究人员队伍，带动新学科的发展，同时不断总结
理论，指导课题中的实践。目前，我国很多卫星都被要求搭载中科院空间科学与应
用研究中心研制的空间环境监测仪器。 

    在空间环境预报中心研究员、我国国防科工委“空间碎片行动计划”首席科学
家都亨等的努力下，我国早已研制出25厘米车载望远镜和65厘米望远镜，利用现有
设备参加了“国际空间碎片协调委员会”组织的“陨落期国际联盟”，发现了不少
未知碎片；他们建立了小型空间碎片数据库，初步分析出各种来源对空间碎片发展
趋势的影响；他们掌握了发射和在轨运行的碰撞与预警技术，自主研制了空间碎片
初级预警系统；他们掌握了风险评估技术，形成了完整的防护设计工作链…… 

    今年3月8日，我国专门针对“太空垃圾”的观测中心——“中国科学院空间目
标与碎片观测研究中心”在中科院紫金山天文台成立，利用该台分布全国的观测点
对太空中千千万万的碎片进行全面监测，力争为我国在空间航天领域建起安全预警
系统。空间目标与碎片观测研究中心聚集我国空间碎片研究领域10多名高级专家，
研究范围包括建立小空间碎片数据库，对已发现的空间垃圾进行实时跟踪监测，搜
索尚未被发现的空间垃圾，对航天器发射和在轨运行时可能碰撞的“太空碎片”进
行预警技术研究，并建立风险评估体系等。 

    “神舟”六号发射在即，空间环境预报中心科技人员又早早地忙碌了起来……

    替全人远航壮行

    就人类的空间探测而言，20世纪的壮举无疑是“阿波罗”登月计划，21世纪则
将是载人火星探测。2004年1月14日，美国总统布什提出美国未来太空探测计划，
根据这一计划，美国实现载人火星探测的时间定在2030年。载人火星探测的目的和
意义主要是其科学价值，即探明火星上有没有生命。太阳系九大行星中，火星是除
地球外最可能存在生命的行星，这一假设一旦确认，将是科学上的一大发现——表
明生命在宇宙中是普遍存在的，从而在理论上将导致一场革命。 

    火星探险工程浩繁、投入巨大，据估计完成一个载人火星探测计划约需200亿
~550亿美元。仅从科技角度来看，要完成这一巨大的工程，除太空医学专家任务繁
重，需深入研究长时间太空飞行状态下的人体健康保护、抵御太空辐射、宇航员心
理压力、失重状态下血液循环、荷尔蒙分泌系统及返回地球后对人体重力的重新适
应等课题外，空间物理学家们也需加紧对太阳系其它天体的探测和研究。 

    专家介绍，在对太阳系的开发和利用中，除了月球和火星外，还应该考虑小行
星以及一些外层行星的卫星。处于火星与木星运行轨道中间的小行星带，包括数以
万计的小行星。对小行星的探测，主要是要开发利用它的氢和金属资源——氢可制
成推进剂，金属可用来建造火星基地。探测土卫六等大型卫星，则是因为它们外裹
很厚的大气，环境条件与地球上出现生命前的环境极为相似。据悉，NASA将人类对
太阳系的探测分为3个等级：第1级的探测耗时100天左右，如在月面上建立月球站
和基地；第2级的探测耗时500~1000天之间，包括对火星和小行星的载人探测；第
3级探测耗时2000天以上，即对木卫三和土卫六的探测。各级探测具体达成的时间
表，目前尚难预测。 

    目前，国际上对空间环境的认识深度仍然很浅，研究手段也还远不充分，各国
对外发布的信息仅限于太阳活动和地磁场扰动程度，载人航天所需的更直接影响载
人航天安全和运行管理的空间环境参数预报——例如太阳质子事件的强度和在载人
航天器轨道上的能谱、通量，在舱内外形成的剂量，以及单粒子事件的发生概率—
—都需通过专门研究进行有针对性的预报。但让叶宗海备感自豪的是，我国科技人
员仍基于有限的预报能力，有力地保障了“神舟”飞船的安全性。目前，空间环境
监测和预报部门主要的数据来源，是国内国际各类科学卫星和监测太阳、地磁活动
的有关地面台站。他指出，在国家和科技界对航天活动的高度重视下，空间环境工
作一定会得到越来越大的支持，取得越来越快的发展。届时专用于空间环境探测和
预报的业务卫星完全可能发射升空。 

    据了解，我国空间环境专家目前仍未将目光延伸到火星，但为配合“嫦娥工程
”，对月地环境的初步分析和研究计划已经提报探月工程中心，受到高度重视。刘
四清认为，人类目前对空间环境研究的主要目标，仍仅限于认识和预报空间环境，
要获得在太空环境内自如行动能力，还须寄希望于航天器、宇航服材料和相关设计
、制造工艺的提高。虽然征服太空仍是一个梦想，但现代科技发展的加速度越来越
大、改善人类生活的能力越来越强，她坚信依靠人类“绝对不该被低估的创造力”
，这个梦想实现的时间一定要比现在人们估计的要早得多！

(本报记者　刘英楠) 

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