五十三载终圆梦:钱学森先生与最早的中国空间站设想

科学大院 2021-10-14 22:03

2021年4月29日,天和核心舱成功发射,这标志着中国空间站的建设迈入正轨,中国载人航天工程已经走到了“三步走”中的最后一步。




“天和”核心舱构成图(图片来源:由@星智科创团队授权,各部件名称由@冰结向日葵标注)


但其实,早在近三十年前,开创这项事业的前辈们就已经预想到了今天的场景。


上世纪八十年代末和九十年代初,我国正在论证载人航天工程规划,建设空间站是当时可预见的未来载人航天发展工程的最终目标,而长征七号和长征五号等新一代火箭的研制,以及各次载人航天任务所验证实现的关键技术,最终都要为这个目标服务。


不过,中国人的空间站之梦并不是从1992年中央批准载人航天工程方案才开始的。


梦开始的地方


早在1968年,就有另一份文件,不但为中国规划了150吨级的空间站,还提出了侦察飞船、歼击飞船这些现在看起来都相当“科幻”的计划。虽然由于当时综合国力和技术基础的限制,这份名为《人造卫星、宇宙飞船十年发展规划(草案)》的文件所提出的计划大部分都未能在它期望的时间内得到落实,但它高瞻远瞩地为中国的航天事业指明了未来的方向,而那些在当年极富想象力的设想,后来都一一变成了现实。


起草这份文件的领导者和主持者正是钱学森先生,一位一生引领中国航天向前进,却又一生在和“暂缓”“下马”打交道的人。


钱学森先生不仅是两弹一星功勋,也是中国科学家的一面旗帜(图片来源:央视新闻)


为一段软管发愁的大科学家


1959年,在太平洋以东的美国,火箭专家冯·布劳恩正在为一系列火箭计划忙碌。冯·布劳恩在二战时是纳粹德国V2火箭研制的领导者。在被美军俘虏后,由于其顶尖火箭专家的特殊身份而获得重用,不但逃脱了战争罪行的审判,还成为了美国人的座上宾,领导了美国导弹和运载火箭的研制工作。


1958年,他领导设计的朱诺1号火箭成功将美国和西方世界的第一颗人造卫星“探测者一号”送入太空。到了1959年,他已经在着手进行性能更好的土星1号运载火箭的研制工作,并开始设想如何将宇航员送上月球。


而在那一年,曾经作为美军代表讯问冯·布劳恩的钱学森先生,此时却在太平洋的另一边为一段软管发愁。


1959年4月,上海机电研究院正在紧锣密鼓地研制T-5型探空火箭。与美国已经研制成功的大火箭相比,这型探空火箭的性能显得十分寒酸。它是德国V2火箭缩小后的“青春版”,整个火箭的起飞重量仅有两吨多。


但就是这样一个看似简单的小火箭,研制工作却因为一段软管而无法前进:液氧的沸点是零下183摄氏度,可是,当时在全国范围内,没有一家单位能生产出承受零下180度以下低温的液氧软管。


除了“巧妇难为无米之炊”,钱学森先生领导的上海机电研究院还面临着“一分钱难倒英雄汉”的问题。当时国家经济出现了困难,财政紧缩,已经拿不出太多经费支持火箭研制。


钱学森(右三)与系统学讨论班学员们在一起(图片来源:中国航天系统科学与工程研究院)


上海机电研究院的前身是在北京成立的中国科学院第一设计院,这是一个为了落实毛主席1958年“我们也要搞人造卫星”的号召而成立的卫星和火箭总体设计研制机构。


本来,科学家和工程师们摩拳擦掌,准备让我国的人造卫星尽快上天。


但当这些既富有想象力也不缺执行力的天才们审视国家的现实时,又不得不沉重地认识到,白手起家的新中国工业体系和国民经济,在当时根本无法支撑人造卫星这种复杂、综合性强的大工程。


在中央1959年指示“现在放卫星与国力不相称,要调整空间技术研究任务”后,上海机电研究院转而研制难度较低的探空火箭。


然而,即使是这些研制难度大为降低的产品,依然让科学家们遇到了许许多多的、难以在短时间内靠自己的力量解决的客观问题。


如果钱学森先生没有回国……


如果钱学森先生没有选择回到祖国,而是继续在美国工作,大概是不用为研发经费和低温软管这样的技术基础发愁的。


由于导弹、火箭巨大的军事价值和与苏联开展太空竞赛的政治需要,在当时的美国搞航天,钱从来不是问题。


1944年,美国军队希望为未来的空中武器战术和导弹发展制定规划规划,钱学森先生作为核心成员参与。美军承诺在经费问题上“开销多少钱都没关系”。


在后来的登月竞赛中,美国更是前无古人后无来者地向负责民用航天的NASA倾注了两千多亿美元(折算成现在的币值)的海量资金。在阿波罗计划进行期间,NASA的年度预算一度占到了联邦年度总财政预算的4.5%左右,要知道,目前这个比例仅为0.5%左右。


不仅如此,美国当时门类齐全、技术雄厚的科技工业基础,又足以让科学家们的构想尽快变成现实。以研制登月需要的大推力火箭发动机为例,需要材料、冶金、机械、化工、电子信息、精密遥感测控等诸多技术学科的协作。


美国的科技工业体系在二战中没有受到战火破坏,反而由于军事订单的刺激而获得了大发展。大量从战乱地区自愿或非自愿(例如德国战俘)来到美国的科技专家,也为美国战后的科技发展注入了新的力量。


冯·布劳恩(图片来源:维基百科)


在阿波罗登月计划的历史影像中,有一张颇具符号意义的照片:冯·布劳恩在NASA的办公室中,身后摆满了从发射第一颗卫星到将宇航员送上月球,由他领导研制的所有型号的火箭。冯·布劳恩的名字也因他在火箭研制中发挥的重要作用而与阿波罗登月永久地联系在了一起。


钱学森先生的导师,空气动力学界的泰斗冯·卡门曾赞誉钱学森先生是“美国火箭技术领域最伟大的天才”。如果钱先生没有回国,在那间办公室里工作的又将是谁呢?


选择回到祖国,选择成为播种者


在那个国力撑不起科学家们“大胆”的想法的时代,他们能做的唯有默默耕耘,为未来播下一粒又一粒种子,等待有一天,阳光雨露充足,初生的萌芽能够尽快地长成参天大树。


钱学森先生在讲课

(图片来源:中国航天系统科学与工程研究院)


1958年,当人造卫星和运载火箭的研制刚刚开始时,钱学森先生就意识到了如果未来要拥有性能更好的火箭,必须预先进行高比冲燃料的预研工作。


当时,高比冲燃料在国外的研制也尚属探索阶段,没有任何资料可以参考。在钱学森先生的领导和主持下,中国科学院在怀柔建起了高能燃料的试验基地,在经过探索后,选择了液氢/液氧的燃料组合作为发展方向。在上世纪60年代,就已经初步研制出了液氢/液氧发动机。


当长征五号火箭呼啸而起,将天和号空间站核心舱、天问一号火星车送入太空时,芯一级的两台50吨级液氢/液氧发动机提供了关键的动力,而它们的根就在钱先生建起的试验基地里。


《十年规划》中计划的两型载人飞船被命名为“千钧棒一号”和“千钧棒二号”,分别具备对地战略侦察和在太空中发起进攻的功能。它们的名字来源于毛主席“金猴奋起千钧棒,玉宇澄清万里埃”的诗句,既颇具浪漫主义精神,又表达了保家卫国的使命。


此外,还计划了起飞重量50吨,能够在地球间往返飞行、重复使用的航天飞机。


对于这种类型的航天器,钱学森先生在1949年就曾经提出过初步的设想,利用V2火箭改造成能够水平起飞的空天飞机,通过大气层外的飞行实现洲际快速交通。这种思想启发了美国的X-20型试验飞行器,被认为是美国后来实现的航天飞机的设计思路来源之一。


不过,研制这些复杂的航天器对当时的中国来说,几乎是不可能完成的任务。


当1970年中央批准开始进行代号为“曙光”的载人飞船研制时,设计人员们不得不再一次回归现实,将飞船设计成了一种与美国六十年代使用的“双子座”飞船性能类似的、能够搭载两名航天员一次性执行天地往返任务的飞船。而就是这样一个务实的方案,也因各种原因不得不在1975年暂停。在“曙光”工程进行期间,建起了与人在太空中活动直接相关的航天医学工程研究所。而“曙光”暂停后,有关部门为了节省经费,一度想要裁撤掉这个研究所。


是钱学森先生四处奔走,积极做各方面工作,告诉大家,“人上天这件事是航天科技发展的必然趋势”,“如果现在把507所撤了,将来再想搞这摊业务,可就难了。”


几年后,又有人打起这个研究所的主意时,一向温文尔雅的钱先生一度拍了桌子。现在,这个研究所成为了中国航天员科研训练中心,以前、现在和未来所有遨游太空的中国航天员,都由这个机构选拔、训练,并在飞行过程中全程守护。


随着我国综合国力和整体科学技术水平的提升,《十年规划》中那些高瞻远瞩的设想,有不少都逐步变成了现实。例如,《十年规划》中计划的灯塔一号、灯塔二号导航卫星,可为我国在全球范围内的航行提供导航定位。


2020年,“北斗”全球导航定位系统建成,成为了星辰大海中的闪亮的中国灯塔。2010年后,东方红三号B、东方红四号等通信卫星平台研制成功并开始提供稳定可靠的服务,《十年规划》中计划的“离子火箭推动、大容量同步轨道卫星”的设想得以实现。 


结语


从神舟五号到神舟七号,每当有航天员从太空中凯旋时,都会专程到钱学森先生的家中向他报到。


航天英雄杨利伟首飞归来,向钱学森先生报到

(图片来源:央视频)


钱学森先生亲眼看到了他和其他老一辈科学家播撒的种子,已经长成了参天大树。他们培育起的名为“东风”的钢铁森林,守护着人民每一天的安宁生活。


当年,这位麻省理工大学最年轻的教授回到国力尚不发达的祖国,放弃的不仅仅是舒适的生活、优厚的收入,还有许许多多把自己的名字和“人类第一次”联系起来的机会,许许多多让自己的工作写进大学教科书的机会。2009年,在报道钱学森先生去世的消息时,不少西方媒体将钱先生回国的原因简单地归于当时麦卡锡主义的盛行。


满周岁的钱学森先生和父亲钱均夫

(图片来源:《走近钱学森》)


然而,他们所不了解的是,在钱先生踏出国门时,他的父亲就曾寄语他:


“人,生当有品:如哲、如仁、如义、如智、如忠、如悌、如孝”,“吾儿此次西行,非其夙志,当轻轻然而归,灿灿然而返。”


家国情怀刻在每一个真正的中国人的骨子里,虽然表达和实现形式不一而同,但为自己的国家的繁荣富强作出或惊天动地、或默默无闻的功绩,是炎黄子孙共同的追求。


图片来源:动画《那年那兔那些事》


原文链接:

[1]《钱学森的航天岁月》,中国宇航出版社


作者单位哈尔滨工业大学(深圳)

本文由科普中国融合创作出品,李会超制作,中国科学院计算机网络信息中心监制,“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。




版权说明:未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编,并且严禁转载至微信以外的平台!



文章首发于科学大院,仅代表作者观点,不代表科学大院立场。转载请联系cas@cnic.cn

推荐阅读

神舟十二号发射,迈入新篇章>>

航天员的航天服有多厉害>>

这次,天和带了“套娃”上天>>

想不到钱学森是个化学家>>




科学大院是中科院官方科普微平台,由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营,致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。


转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn



大院er拍了拍你:不要忘记 

点亮这里的 赞 和 在看 噢~ 



推荐阅读