作者:郑永春 来源:中国科学报 发布时间:2015-2-2
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重视发挥科学需求对航天技术的牵引作用

 

■郑永春

2013年至今,嫦娥三号实现了上世纪70年代阿波罗登月之后世界首次月面软着陆和月球车巡视探测。探月三期再入返回飞行试验获得成功,为2017年月面采样返回奠定重要基础。在探月工程的基础上,我国还将开展以火星探测为重点的深空探测活动。不可否认,中国航天近年来成就斐然,航天技术取得了突破性进展,航天人的“中国梦”将不断变为新的现实。

在分析世界航天强国的发展历程后,我们不难发现,航天技术的发展在早期具有较强的政治竞争色彩,往往以实现人类首次探测为主要目标,如首次环绕月球、首次探测火星、首次载人登月、首次机器人采样返回等,这些探测活动在1969年阿波罗11号实现人类首次登月后达到最高潮。这些首次探测在人类航天史上树立了一个又一个的里程碑,成为表征各国航天技术能力的重要标志。

随着通用航天技术的逐渐成熟和探测疆域的逐渐扩展,可供实现人类“首次”的未探索领域已经比较难找了。但与此同时,科学界在地面观测、实验室分析和理论研究的方法之外,越来越希望借助太空环境这样特殊的有利条件,以验证各种理论假说,探索未知的科学问题。以生命科学为例,科学家希望利用地面实验室难以实现的实验条件,在太空开展生命科学实验,从而创立太空生物学这一新的学科方向;另一方面,通过在太空特别是太阳系各类天体上寻找氨基酸、核苷酸嘌呤等复杂有机物和生命初始物质,甚至探寻可能的地外生命信息,有助于回答地球生命起源的基本问题,这也是天体生物学的重要使命。

探月工程在中国航天发展史上,第一次在总指挥和总设计师的“两总”系统之外,设立了月球应用科学首席科学家一职,致力于组织论证和提出探月工程的科学目标,并根据科学目标提出载荷配置,为发挥科学需求在航天技术发展中的作用进行了有益探索。但是,我们在这方面的工作才刚刚起步,还需要不断完善制度设计,最大限度地实现科学需求牵引航天技术的发展。

相较于工程设计,科学研究总体上是以科学家的研究兴趣和自由探索为主要特征,因此,科学家的设想较少受到现有技术能力的约束,往往能够提出一些大胆新奇的探测设想。虽然这些设想需要航天工程垫起脚尖甚至跳起来才能够得着,很可能被认为是不切实际或异想天开。但不可否认的是,这些大胆设想对现有的航天技术能力提出了更高更难的要求和更远大的目标。即使是现有技术条件下难以实现的目标,通过科学家和工程师的反复论证,或许可以找到科学家乐于接受、技术上又基本可行的探测方案。这种以科学需求为导向的太空探索活动,既可以显著提升现有的航天技术能力,又可以获得具有重要创新的科学产出。反之,四平八稳、平淡无奇的探测活动,既不能解答重要的科学问题,又难以发挥对航天技术进步的推动作用,并非是以探索和挑战为主要特征的深空探测活动的应有之义。

月球与深空探测本质上是科学探测,其中科学目标的地位十分重要、不可或缺。科学是牵引工程研制的重要引擎,也是人类开展月球与深空探测的终极目标。航天工程和科学需求的深度结合,可以创造出合作共赢的结果。例如,在行星磁场的探测中,为避免探测器舱体对磁场测量的干扰和屏蔽效应,往往要求航天器向外伸杆10米以上,这就对航天器的制导导航控制提出挑战。又如行星地质学家特别希望剥开岩石表面的风化层,通过放大观察岩石的新鲜断面,以研究行星的形成和演化过程,这就要求巡视器上的机械臂具备研磨、钻孔和显微成像的能力。再如,彗星和小行星的直径一般只有数千米至数十千米,相对月球和火星而言引力很弱,且结构松散,怎样才能实现这种不合作天体的环绕伴飞和表面附着着陆?小行星带以远的天体探测,由于距离遥远,太阳辐射强度弱,对航天器的轨道设计、测控通信、数据传输和能源供应都提出了更高的要求,并不断触及现有技术能力的极限,因此需要采用行星借力飞行、研发新的测控体制、突破激光通信和数传技术、开发太空核能技术等。

总而言之,中国航天发展到现在,一方面需要面向社会需求和国家安全开展航天应用。另一方面,为实现航天的长远和可持续发展,需要特别重视发挥科学需求在航天技术发展中的牵引作用,要大力鼓励从事基础研究的科学家深度参与到航天工程的全过程设计中,不仅科学探测仪器要由科学家牵头研制,甚至某些特殊需求的探测任务也要根据科学家的要求来主导航天器的设计。在此过程中,要包容科学需求的多样性,实现科学与工程的良性互动。这些探索和尝试将迫使我们突破现有技术瓶颈,虽然过程艰难,但一旦成功将显著提升现有的航天技术能力,加速中国从航天大国向航天强国的转型升级。

(作者系国家天文台青年创新促进会负责人)

《中国科学报》 (2015-02-02 第7版 学人)
 
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