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在世界各国都在忙着恢复经济、缩减不必要的政府投资之际,我国已经自行完成了大量的太空实验,到2020年底,月球探测器将搭载月球土壤样本带回地球。
探月工程是我国迄今为止复杂程度最高、技术跨度最大的航天系统工程。成功实施“嫦娥五号”探月任务,需要经过地月转移、近月制动和绕月轨道运行。飞行、登月、自动采样、月球起飞、月球轨道交会对接、再入返回等,涉及大量技术工作。
单是这些任务中的每一项都不算特别难的技术飞跃,但在一系列系统工程中展现出完整的技术链,需要精准协调和强大的技术支撑,这表明我国航天已经达到了相当的技术水平。
探月计划的重大成就让人们想起了半个多世纪前美国的登月计划。当时,在冷战背景下,美国投入大量资金和科研,终于实现了载人登月的壮举。
与此同时,苏联航天部门也付出了巨大的代价与美国竞争。在多次失败后,它成功发射了两辆月球车,并在1970年代,实现了多个“月球”探测器从月球样本中返回地球。在半个世纪前的美苏太空竞赛中,虽然苏联也取得了一些成绩,但美国总体上优于苏联。
为什么苏联在太空技术竞赛中失败了,而美国却成功了?后人应该从美苏霸权的历史中吸取哪些经验教训,今天的美国航天技术会被其他国家赶超吗?
一、苏联暂时领先
今天人类对太空的探索和开发已经进行了近一百年。将目光投向最初用于军事用途的太空。德国在二战期间开发了弹道导弹,可以将人造物体发射到太空。
二战结束后,德国火箭技术和技术人才成为美国和苏联航天技术的基础。美国和苏联竞相收集德国火箭工程师、火箭设计和火箭零件。美国凭借天然的文化和政治优势,赢得了更多德国科学家的青睐,招募了更多人才,而苏联则凭借军事和地理优势,获得了德国东部的火箭中心和剩余火箭设备。
从一开始,美苏就走上了不同的道路。
维尔纳·马格努斯·马克西米利安·弗莱赫尔·冯·布劳恩男爵(1912 年 3 月 23 日 - 1977 年 6 月 16 日),出生于德国东普鲁士的威尔西茨,德国火箭专家。二十世纪航空航天工业的先驱之一。他是著名的V2火箭的总设计师。战败后,美国把他和他的设计团队带到了美国。移居美国后,担任NASA太空研发项目总设计师,主持阿波罗4号运载火箭土星5号的设计。
由于火箭中心的蓝图和设备大部分落入苏联手中,苏联早期的航天技术发展比美国强。
1957年,苏联在德国火箭的基础上研制出R-7火箭,并将第一颗人造地球卫星送入太空。苏联的领先给了美国一些动力去大力发展空间技术赶超苏联。
美国人曾经的这种心态,到了21世纪依然被人铭记。 2018年,苹果流媒体平台Apple TV+推出自制电视剧《为了全人类》,讲述了美国人看着苏联率先实现人类登月后的故事。追赶他们。
仍然来自“为了全人类”
为此,美国特意成立了美国国家航空航天局,又称“NASA”。人类对太空的探索首次以民间组织的形式出现。在此之前,无论是美国还是苏联,都是军事或准级别的。军事组织。
美国宇航局成立后,美国在太空技术方面取得了长足的进步。这是因为美国获得了大部分德国火箭技术人才。只有人才是第一生产力,才能有持续的技术输出。只靠获取物品,是不可持续的。
结合美国本已强大的基础科学水平,美国的火箭技术突飞猛进。到1960年左右,美国的土星火箭家族已经发展成熟,运载能力已与苏联相当。
冯布劳恩站在土星 5 号“前面”
不过,此时的苏联还是领先于美国的。
1961年,苏联将加加林送上太空,成为第一个实现载人航天的国家。加加林也成为苏联的民族英雄和人类的英雄。 2011 年,美国人将加加林升空的 4 月 12 日定为国际载人航天日,以纪念他的前对手苏联取得的巨大成就。
二、美国看月亮
在加加林升空仅三周后,美国也将谢泼德送入太空。两个超级大国相继实现了载人航天。虽然是人类科技史上的一次巨大突破,但离航空航天业的终结还差得很远。
在政府的大力支持下,苏联有条不紊地从火箭技术入手,研制人造卫星、载人航天,并计划实现半永久性空间站。
当时,苏联对空间站发展的考虑主要是军事方面的。空间站在地球上空运行,可以看作是一个太空基地,可以随时监控美国或其他国家的动向,而其他国家几乎没有还手之力。
国际空间站
苏联在早期取得了巨大的成就。为急于在宣传上显示其“优势”,进行了重大宣传,却忽略了这样的宣传可能对美国“递刀”的反效果,促使美国竭尽全力在太空技术上压倒苏联。
首先,美国的两位总统艾森豪威尔和肯尼迪都没有表现出对太空探索的充分热情。直到加加林的成功,才促使肯尼迪总统彻底改变了自己的看法。他指示副总统带头研究美国目前有哪些项目可以赶超苏联。 NASA根据当时的研究进展,分别报道了绕地空间站和登月计划这两个项目。
登月计划被美国人称为“阿波罗计划”。肯尼迪总统在国会发表演讲,获得国会资金支持,启动了具有“美国特色”的“新国家体系”,实现载人登月。路线图。
1961 年 5 月 25 日,肯尼迪总统就人类登月计划向国会发表演讲。
最早进入太空的加加林和谢泼德并不是严格意义上的“轨道飞行”,而是亚轨道飞行。飞船的飞行轨迹与地球表面相交,无法绕地球一周。飞行轨迹本质上是椭圆的一部分。
要实现绕地球一圈,航天器的飞行轨迹必须是更大的椭圆,并且需要更精密复杂的动力控制系统在合适的点加速,使航天器达到更高的速度并进入更高的轨道,也就是通常所说的“改变轨道”。
1962 年,美国宇航员约翰·格伦成为第一个驾驶宇宙飞船绕地球飞行的美国人,从亚轨道进入地球轨道,然后进入着陆轨道,最后安全返回地球。格伦之后,美国开展了一系列轨道飞行试验,为月球飞行积累技术经验。
1962 年 2 月 20 日,约翰·格伦正在驾驶水星飞船。
与此同时,苏联正在有条不紊地推进空间站的实现,并在 1961 年实现了在基本相同的轨道上发射两艘航天器的能力。
但是,当时的苏联还没有太空会合的能力。两艘飞船无法靠近,只能在同一轨道上保持一定的可控距离。两艘苏联飞船之间的距离在6公里到2800公里之间。 .
与美国一样,苏联也实现了人工操纵航天器实现轨道变化,这是建造空间站或登陆月球的基础。
三、美国的成功
美国和苏联作为世界上航天技术最发达的两个国家,如果能够合作实现登月,一定是效率最高的。
肯尼迪曾提出与苏联合作,赫鲁晓夫初步同意。毕竟,合作登月不会对苏联造成实质性损害。但在肯尼迪遇刺后,赫鲁晓夫不信任肯尼迪的继任者林登·约翰逊,美苏合作就此结束。此后,美苏各自开展了探月活动。
1960年代,苏联的航天工程由著名科学家科罗廖夫主导。事实证明,科罗廖夫是个天才,他在1960年代之前确立了苏联航天技术的霸主地位,是美国人难以企及的。
谢尔盖·帕夫洛维奇·科罗廖夫(1907 年 1 月 12 日 - 1966 年 1 月 14 日)
但随着 1966 年科罗廖夫的去世,苏联在太空技术方面没有继任者。
科罗廖夫死后,苏联进行了29次月球探测,其中只有19次成功。原本打算登陆月球的联盟一号飞船在航天飞行中也发生了事故,导致宇航员科马罗夫遇难。灭亡。
1969年,苏联连续两枚火箭发射失败,不得不推迟载人登月计划。此后,苏联再也不敢贸然实施载人登月计划,只向月球发射探测器和月球车。
相比之下,美国在火箭技术、空间对接技术、轨道转换技术等方面取得了稳步突破。 1969年,不带登月舱的阿波罗8号载人飞船实现了环绕飞行并返回地球,为美国后来实现载人登月奠定了坚实的基础。
阿波罗 9 号宇航员太空行走
1969 年 3 月,阿波罗 9 号在低地球轨道上测试了宇航员驾驶登月舱,并取得了成功。阿波罗 10 号更进一步,实现了登月舱绕月轨道飞行,准备施加动力登陆月球。
阿波罗 11 号于 1969 年 7 月 16 日在肯尼迪航天中心发射。航天器进入月球轨道后,宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林被转移到登月舱并于 7 月 20 日进行驾驶。登月舱降落在月球海宁静。
阿姆斯特朗因此成为第一个在月球上行走的人,20 分钟后,奥尔德林也效仿。在月球上,两名宇航员花了将近两个小时才返回登月舱并发射月球。
阿波罗 11 号任务的安全完成为美国赢得了登月竞赛。
四、英雄成败
美国虽然是资本主义市场经济国家,但不代表美国不能在政府的领导下,以举国之力开发技术。阿波罗登月计划当时耗资255亿美元,相当于今天的购买力1500亿美元。
与苏联相比,1966年至1970年,登月计划总投资约50亿美元,仅为美国的五分之一。同样的,国制登月的发展前苏联宇宙联盟一号飞船失事原因,所花费的金钱多少,也符合美苏实体经济实力的对比。
虽然必须计算经济账户,但技术账户不应含糊。
科罗廖夫设计的N-1运载火箭
科罗廖夫死后,苏联的空间技术步伐明显放缓。这当然是因为苏联失去了天才科罗廖夫,更深层次的原因是苏联整体科技实力的落后。苏联N-1大推力运载火箭的失败是导致苏联登月计划过早夭折的重要原因之一。
二战结束后,苏联大量购入德国装备,并在此基础上重新研制。但在没有高水平基础科学研究做后盾的情况下,苏联的再开发主要是为了达到一定技术指标的定向研发,成功率不高。
相反,苏联仍然从美国和欧洲购买了大量设备。制造火箭和宇宙飞船所需的关键材料和部件也依赖于从欧洲和美国进口。这样的基础实力,就算是国力,也最多只能在沙漠中生长的沙棘使用,不可能在沙漠中开花。
为了快速完成登月任务,无法造出真正的大推力火箭发动机的苏联,只能换上小推力发动机,多装几台,以获得足够的推力。
N-1运载火箭尾部30台发动机特写
多台小推力发动机的体积必须大于一台大推力发动机,所以苏联火箭的体积也变得很大,而且体积越大,小细节导致整体失效的可能性就越高错误。 N-1火箭的失败成为必然。
1970年代以后,西方开始具备了与苏联扩大贸易的条件。苏联抓住机遇,大量进口西方技术产品,包括材料技术、机床设备、电子计算机等。正是这些新购入的西方先进设备“解放”了苏联的科技生产力,让苏联制造出了真正的大推力火箭。虽然没能登陆月球,但苏联是第一个实现地球轨道上载人空间站的运行。
美国航天飞机访问俄罗斯和平号空间站
从美国的成功和苏联的失败可以看出,任何一个国家都可以利用自己的力量在“全国体系”内发展出某种技术,这并不是一个国家的“优势”。特定的国家和特定的制度。科技的发展不仅需要大量的人力物力,更需要系统的科研和技术基础,以及全面、高效、合理的教育体系和人才培养机制。
美国的优势在于基础科学、技术体系和人才库。苏联的问题是,几乎所有的技术研究都是为了达到特定的目的,没有能力和兴趣从基础做起,全面提高科研水平。 .
所以苏联的高科技在很大程度上依赖于一两个技术“天才”的聪明才智。一旦失去科罗廖夫这样的天才科学家,整个苏联的科研体系就没有后劲了。
五、优势在哪里
美苏争霸期间,双方的探月计划创造了多项“第一”,第一次载人航天,第一次绕月飞行,第一次登月。
虽然苏联最早发展航天技术确实有军事上的现实考虑,但相比于在大气层中的间谍活动和探测手段,航天技术所能带来的情报收益微乎其微,以至于他们逐渐放弃了情报。考虑并专注于创造航空航天记录本身。
对于美国来说尤其如此。从最初的落后到后来的追赶,重心全在航天技术本身,甚至率先签署了太空非军事化国际协议,主动让百亿投资“玩”水浮”。
1959 年 10 月 4 日,“月球三号”飞到月球背面,拍摄了世界上第一张月球背面照片。
美苏之间的太空竞赛具有很强的政治意义。他们的竞争纯粹是看谁能先到,看两个对立大国的威望和地位。
但是,即使通过比较,美国和苏联也是不同的。美国对空间技术的探索有着明确的目的。从一开始,它就设定了一个比较长远的目标,并且一直在为之努力。基于大推力火箭技术,美国的技术定位一直是载人登月。
苏联摇摆不定,考虑空间站、载人登月、仪器探月等不同目标,似乎技术领先,就可以挥霍自己的领先优势。 .
在美国土星系列火箭稳定成熟的时候,苏联一直在奋力追赶美国的火箭推力,在没有足够技术储备的情况下,试图用非常规的方法让N-1火箭赶上美国完全没有。
加加林和科罗廖夫
在火箭技术被确定无法追赶后,苏联依然不服输。虽然无法实现载人登月,但苏联坚持向月球发射探测器和月球车。固执。
美国之所以领先,当然是其强大的科研实力。更重要的是,美国人设定的目标和做事的方式总是可以引领潮流。
从成立专门的民用航天部门NASA,到制定载人登月目的,再到利用“美国特色”的“国家制度优势”,美国人在做的往往是一个时代领先于他们的对手。
美国国家航空航天局
在美国宇航局成立时,其他有志发展航天的国家仍然由军事部门主导,包括苏联、中国和欧洲国家;美国人决心载人登月,苏联人则沉浸在人造卫星和载人航天中。因为美国的成就;美国人不惜重金与全国一起实施登月计划,苏联却放慢了投资步伐,空间站与登月之间出现了摇摆。
美苏合作登月倡议被赫鲁晓夫否决,就美国的经济实力而言,一旦合作投资必然远超苏联,但成果可以由美苏共享苏联,肯定是给苏联稳赚不赔,所以,这个提议没有成为现实,最遗憾的还是苏联。
美国的这一提议也成为未来多国合作建设国际空间站的先行者。苏联的继承者俄罗斯吸取了苏联的教训,毫不犹豫地加入了国际空间站计划。
六、美国的创新
美国实现载人登月后,并未启动新的载人登月计划。主要原因是苏联和美国的太空竞赛已经结束,登月对美国人来说已经是远远大于回报的投资。亏本交易。但近半个世纪后,各国纷纷启动新的探月计划。
21世纪人类的技术水平远高于美国登月时的水平。再次探索月球的意义远高于美苏的纯太空政治表现。因此,美国总统特朗普提出了一项新计划。 “重返月球”。
但探月和登月是完全不同的两件事。
隼鸟 2 号小行星探测器是日本宇宙航空研究开发机构发射的隼鸟号宇宙飞船的继任者。探测器于2014年发射后,于2018年6月下旬抵达小行星“龙宫”,2019年2月登陆“龙宫”,采集“龙宫”地表样本,发现水合矿物。 2020 年 12 月 6 日凌晨 3 点,“隼鸟 2 号”将第一个来自小行星的地下物质样本扔到南澳大利亚南部沙漠的乌美拉火箭试验场。隼鸟二号探测器目前运行正常。为了充分利用体内剩余的燃料,它改变了飞行轨迹,转向小行星1998 KY26。预计2031年7月到达。图左为“鹰鸟二号”探测器采集的样本在“龙宫”表面的渲染图,图右为“龙宫”采集的小行星样本“Hyabusa 2”探测器。
在苏联技术水平不足的前提下,探测器多次发射成功,对地月飞行每一个过程的登月要求都有待大幅度提高。除了中国的嫦娥前苏联宇宙联盟一号飞船失事原因,欧盟、俄罗斯、日本、印度、以色列等国家也有不同程度的探月计划。
俄罗斯将在2025年前发射三颗月球探测器,其数量也是苏联时代月球探测器“月球”的延续;欧洲航天局的计划类似于美国的阿波罗计划,最终目标是到2025年实现航母。人们登陆月球,建立月球基地;印度“春川”计划预计2020年底或2021年发射月球探测器;日本计划在 2022 年向月球发射无人探测器。
如今,各国的月球探测计划主要集中在对月球的进一步研究和利用月球资源的可能性上。
美国Artemis计划的步骤
但美国已经带头了。美国新的“阿尔忒弥斯”计划将把宇航员送上月球,在月球上寻找可能的水源,并建造月球基地,作为实现载人火星的跳板。
但现在已经不是由美国宇航局牵头的土星系列火箭,而是由私营公司Space X研发制造的猎鹰重型运载火箭,承担着美国航天发射的重任。它的承载能力是我国最先进的“长征五号”。是“不”的两倍多。运载火箭。
这是美国的创新。不仅是技术创新,也是制度创新。美国太空计划不再由国家投资主导,而是由国家主导,私人资本参与。有些环节甚至被私人资本主导。
贝佐斯的蓝色起源
在“阿尔忒弥斯”计划中,NASA 已将贝佐斯的“蓝色起源”、马斯克的“Space X”和三家私营公司确定为合作伙伴,提供重要的资金支持、技术支持和设备供应。
年轻人是中国航天“嫦娥计划”团队的主力军。这当然是好事,但也反映出国家主导的航天工业很难留住中年技术骨干的问题。
从2007年到2020年,团队平均年龄在30岁左右
航空航天业涉及许多技术。除了火箭发动机等硬核航天技术在航天工业之外可能没有其他应用,材料、通信、流体力学等其他领域都可以应用于民用科技领域。 .
由于体制原因,国有机构无法独立提供与大型民营企业相当的一定薪酬水平的中年技术骨干,导致人才大量流失。这也是航天科技团队以年轻人为主的重要原因。
如果能像美国一样进行制度创新,让大量民营企业也参与到国家航天计划中来,就可以解决留住人才的问题。
同时,我们必须吸取苏联的教训。我们不能为了达到特定的科研目标而盲目地进行非常规的定向研发。应从科研基础入手,具备整体科研实力,实现具体研发。尖端技术目标是理所当然的。
这是技术和制度的差距,也是美国能够保持领先的秘诀。这不是秘密。