主题：茗谈172：‘橘徕工程’ -- 本嘉明

我就读的中学同时有初中部和高中部，我在那里读了6年，今天我不能很确定，当年参加“美国航天飞机的学生科学实验项目”申请的那一年，我到底是在初中，还是高中低年级。那个学生实验项目------就是后来发展为The Student Spaceflight Experiments Program (SSEP)，在最后两次航天飞机飞行和国际空间站内继续执行------我觉得非常好，希望中国的航天计划里，也能有类似的项目，对全国乃至全球的中学生开放，利用每次飞行中废弃不用的零碎载荷和货舱空间，点燃少年们的热情。

今天因为提到了太空探索，我想把我当年的设想，和今天的想法，比较完整地串起来，也算是对中学母校的一个致敬。

(一)

从当年到现在，我心中的目标其实没有变化：依托已有的技术，让人类在太阳系内，大致以地球为球心，以30—70个天文单位为半径（一个天文单位约1.5亿公里），载人宇宙飞船能够在这个范围内自由翱翔，宇航员最终能返回地球。

太阳风是自太阳喷出的，速度大约400到750公里/秒的质子或其他粒子的射流，“太阳风帆船”就是由飞船用纤细的骨架张开巨大的聚酯薄膜来利用这种推力。今天回头看，这20年里，小型无人飞行器利用“太阳帆”技术，探索宇宙空间的成功案例，已经有多次了。

当年构思的实验，就是检验“太阳帆船”的可行性，我想到，要在太空中打开一个帆面，当时生活中比较熟悉的办法，就是折叠自动伞的原理，

从航天飞机的货舱里弹射到太空后，像折叠伞一样自动打开，握把就是核心舱，核心舱里包括光敏探头，四个调姿火箭喷嘴，以及无线电信号发射机。光敏探头始终正对太阳（太空里唯一的光源），稍有偏出就用调姿喷嘴调节回来，确保伞面始终垂直于太阳风的来向。伞面承接太阳风，带动整个模型，飞离太阳。

但是这样设计，实际上不成熟。第一，必须在实验盒里配置一个弹簧弹射器，不但占了实验项目所规定的宝贵载荷，而且弹簧的弹射动作不太可靠。用炸药弹射倒是既轻便也可靠，但属于危险品，不允许带上飞船。第二，如果伞面做得大，伞的骨架必须加粗，就会超重；如果伞面小，那么整个模型小，核心舱里的零件太小，比如无线电发射机的功率小电池小（发射机运行时间短），而发射机发出的信号，是唯一能让地面追踪这么小又不发光的模型的手段。

所以当时我可能申报了第二个方案，就是太空船到外太空后，当货舱开顶时，试验盒子的顶盖也打开，释放出一个气球。

由于太空没有重力和大气层，这个球里不一定要装氢气，因为装了氢气也不会自己升起。那么气球怎么跑出来呢？盒子里有个储压缩气的气瓶，盒盖一开，有一根软管开始把压缩气输入原先基本没有存气的半瘪气球里，使得气球开始膨胀，同时在气球底部有一个较小的阀门，此时是打开状态，气球里的气，有一部分从这个阀门“泄漏”出来，但气球进的气始终要多于出的气。由于这个面向盒底的“漏气”，气球受到反作用力，开始上升，软管也相应伸长，直到气球完全离开航天飞机的货舱，已经到达外太空的安全高度以上，此时软管也伸长到极限，开始绷紧，拉动机关，把气球上的进气阀和小出气阀都关闭，软管脱落，气球飘离航天飞机(因为航天飞机仍在太空高速飞行，而气球已经没有推进力，所以两者很快会拉开距离)。在气球下挂着核心舱，太阳风渐渐开始推动气球，向太阳系以外飞去。

使用气球的优点有三个：一，不再需要光敏探头和调姿火箭，气球是圆的，太阳风不管从哪里吹来，受风面积都是一样的。二，气球的体积较大，气球表面是银色膜，在太空里可以最大限度反射太阳光，那么模型自身不需要装长寿命的无线电发射机，即便无线电发射机的电池耗尽，观察者在地面凭比较好的天文望远镜就可以继续跟踪。三，用压缩气体，容易在最小的载荷要求下，搭建出最大尺寸的构件。

但是外太空的温度是-270℃，仅仅比绝对零度高了3摄氏度，普通气体无法保持气态，所以这个“在外太空放个气球”的方案，在当时绝不比“在外太空放个折叠伞/风筝“的方案，来得容易。（以上两个方案中，当年我申报的是哪个，已经记不清楚了，不过今天能够重新做一次的话，我会选择气球方案，理由就是下一段）

不过经过30来年，问题已经解决了。2016年4月8日，美国SpaceX公司研发的猎鹰9号火箭为国际空间站运送新一轮货物补给，其中除了3.5吨重的研究器材和宇航员物资外，还有一款最新研制的可充气式太空屋。自1990年代起，NASA位于休斯顿的约翰逊宇航中心即开始着手研制太空屋，目的是为未来前往火星的宇航员提供“火星工棚”。工程师Kriss Kennedy解释说，充气太空屋有诸多好处，“其中之一就是可将其事先压缩包装， 抵达太空后再展开”。太空屋建筑材料采用质地牢/重量轻的Kevlar合成纤维，以及其他防微小陨石的原材料。 Kennedy说太空屋虽然膨胀成形，却并非如想像中柔软不堪。 “（它）非常坚实。只要内部保持一点点气体压力就会变得像铝一样坚硬。”

尽管NASA的研究热情高涨，但美国国会兴趣了了， 2000年该项目被中止拨款。此时，亿万富豪Robert Bigelow介入了该计划， Bigelow经营平价旅馆发家，他打算拿这个技术，在将来搞太空旅馆。获得NASA的研发许可后，Bigelow成立了Bigelow宇宙航空公司，16年后，该公司终于推出首款太空屋BEAM。 BEAM在折叠状态，尺寸大约2米X2米，扩展后为4米X3.3米，内部可用空间16立方米，全重1.4吨。负责BEAM研究团队的NASA科学家Jason Crusan介绍说，Beam太空屋抵达国际空间站后，宇航员将其与空间站的一个舱门对接，充气过程4分钟即可完成。如果外层被陨石戳破的话，“当然它会漏气，却不会像气球一样爆掉。”

2017年10月2日，NASA宣布将延长BEAM原定为两年的使用寿命。

所以，我希望人类从国际空间站或是天宫空间站，释放一批这种气球，每个气球的直径可以是200米左右，下吊一个核心舱，飘到小行星带时，就近拍照传回地球。

“太阳风飞船”的缺点也很明显。第一，即使是在零重力状态下，要张开面积巨大的塑料薄膜也很难，需要复杂的微型卷轴和绞盘。第二，太阳风的推力和飞行器离太阳的距离是成比例的，一旦太阳帆离开太阳5个天文单位以上的距离，推力就会明显的下降。第三，宇宙间有大量固体物质在流浪，薄膜很容易被击穿。当然，如果气球可行的话，上述几点可能会好一点。

那么模型的放飞解决后，1：1的实用载人太空船，能不能造出来呢？

(二)

一个天文单位是约1.5亿公里。目前载人航天器，最大飞行速度可以短暂达到第二宇宙速度（11.2公里/秒）从而摆脱地球引力，进入外太空。如果能较长时间保持的高速度，在今天，对于较大型的载人飞船而言，恐怕顶多就是11公里/秒，再快的话飞船船体强度受不了，上面的人也受不了。

这里我们只考虑载人飞船，因为是为未来人类大规模外徙做准备。同时，我也不考虑冬眠技术，因为即便有了冬眠技术，至少在这艘飞船上，必须有若干宇航员是清醒的，轮班操控飞船，要不然出个事故失事了，这些冬眠人和地球上的宇航中心都不知道哪里出了岔子，截糊的是火星人还是天顶星人。

如果我们假定一艘载人飞船，全程以11公里/秒的速度飞行，从地球附近太空某一点出发，飞出去60个天文单位，再折返地球，全程120个天文单位，那么这艘飞船必须飞51年零一个月。就是说，如果宇航员出发时是25岁，回来落地已经76岁了。由于是一股劲往外飞，中途换一班人马都不可能。

你想想看，连续飞51年不落地的飞机，要多少燃料多少费用？还不能出一点大故障，还要载人。而太空船比大型飞机更加复杂。 一台核反应堆，不停歇地运转50年是可行的，但这要求有大量的外围支援，随时提供零配件和抢救人力等等，这才踏实。而在小小的太空船上，这些“技术冗余度”是不存在的。

如果依托现有的技术，硬上，那么我的设想是这样的：

首先，一定是载人飞船和无人飞船配套研发。无人飞船先放飞，一是探路，二是先赶到预定地点停下成为 “驿站”，等载人飞船过来。

其次，载人飞船总重大约100吨，极限情况下可以短期收载15名宇航员，正常情况下只有2名宇航员。这2名宇航员在没有任何冬眠服务的前提下，可以连续操作飞船飞行50年。由于要做如此长期的飞行，他们的生活环境必须尽可能接近地球生活环境，最主要是要有“模拟重力”。

因此，这艘(还不能飞出太阳系的)宇宙飞船“橘徕-1号”，有一个直径50米的核心舱，和一个碗型甲板。整个飞船在天宫空间站上搭建完成，先把核心舱一段一段地送到空间站，连接起来。碗型甲板由一根一根充气软管（类似于放大的自行车内胎）充气后捆扎而成，软管和压缩气分别送上太空，然后充气组装，所充的气是氧气和氮气的混合体，但含氧量比地球大气要高，宇航员在飞行途中就吸这个储备气。

如果我们要建立“模拟重力”，最好的办法就是造一个能旋转的大圈圈，宇航员站在圈里，靠圈圈旋转时产生的离心力，来模拟重力的存在。

在“橘徕-1号”上，这个大圈圈就是镶嵌在碗型甲板外缘的“离心旋转管道”，管道横截面的直径4.2米（两层楼高），整个圈圈直径1300米，每70秒旋转一圈。

宇航员在“离心旋转管道”里健身，休息，作业，不必穿宇航服，也享受到“模拟重力”，生活条件接近于地球状态；非常有必要时，才坐电梯去核心舱，体验一把失重状态。

由于AI技术发展，飞船操作高度自动化，宇航员的工作强度不大，差不多说，这2名宇航员类似在地球上守护一座无人小岛，只要心理上不出毛病，一呆50年，上班打卡，回家做饭，跟一般夫妻也没有差别。

当然，为了避免宇航员身体出问题，在出生前，就进行了基因修补，确保生下来的婴儿，将来不会有任何家族性遗传病或者老年病出现。然后你吃得科学，每天锻炼锻炼，估计到70岁还是很硬朗。

“碗型甲板”起到几个作用，第一，连接核心舱（绰号“烟囱”）和“离心旋转管道”，确保飞船整体的结构牢固。第二，储存氧气，各类货物。第三，在甲板上可以安装大型射电天线，与地球联络并探测前路。第四，宇航员出舱外作业时，沿着甲板走动，比较安全。第五，收放“电动帆”的索具。

美国科学家们正在开发一种叫做“电动帆”的新推进方式，这种推进器可以利用太阳不断吹出的质子，电子以及其他颗粒，来当做我们飞船的推进力。Les Johnson是“太阳风静电快速传输系统(Heliopause Electrostatic Rapid Transit System ,HERTS)”的主要研发人员，这是一个获得NASA创新先进概念(NASA Innovative Advanced Concepts ,NIAC)计划两次资助的电动帆研究项目。HERTS团队也包括芬兰气象研究所的Pekka Janhunen，是他在2006年提出了电动帆的概念。受雇于NASA在阿拉巴马州亨茨维尔的“马歇尔太空飞行中心”的Les Johnson在 “100年星舰讨论会(100-Year Starship Symposium)”上，介绍电动帆概念为："这对于探险深太空看起来非常的有前途。这个计划有望在2025到2030年之间实用化。”

一个设想中的电动帆会从微型太空飞行器上伸出10到20条电线，每条0.6到20公里长，非常细，只有25微米的直径(人发大约50微米)。轴心会旋转，甩动电线，让这些电线绷紧，离心力使线缆每小时旋转一圈，逐渐延伸成为一个大的圆形丝网，然后对电线通电，用这些带正电荷的电线来拦截太阳送来的带正电的质子。假如在距离太阳一个天文单位（1.5亿公里）的位置，这些电线通电后形成电场的有效受推面积是600平方公里；但是在5AU的距离，这个面积就会增长到1200平方公里以上了。“经过好几个月的加速，这小小的力量可以让太空船加速到不可思议的速度，可能是每秒100到150公里(20到30AU/年)”。 电动帆太空船可以比太阳能帆太空船航行得更远（可受推距离是太阳风的3倍），可以在10年内让太空船到达太阳层顶(太阳圈影响力的外沿，即太阳风与星际物质碰撞/平衡的地带)，比“太阳风帆船”的飞船要快至少1倍。

但电动帆是否可行，目前还不确定。电动帆方案，正在NASA的“高强度太阳能环境测试系统(High Intensity Solar Environment Test system)”中进行试验，这个系统是一个可控等离子室，可以模拟星际空间的真空和等离子体大环境。在等离子室中测试的项目包括“使用中被线缆吸收的电子的数量”，电动帆将要工作的地方(太空)是一个封闭的高度真空环境，如果展开的电线们积累了很多静电电荷，它就会像学校物理课上演示的莱顿瓶那样变成一个电容器。一旦积累了过多的电荷，电动帆就会失效。为了使静电电荷保持在低水平，电动帆飞船里装有在老式阴极射线管中用于显像的那种电子枪，这并不是要在电视机屏幕上播放什么东西------这个电子枪会把电子射入太空，来阻止任何的静电积累。目前的困难在于，Johnson他们还无法确定，一旦电动帆的电子枪开动，需要多少能量才能满足设计师们的要求。现有的两个模型给出的结果非常不一样。Johnson表示，其中一个结果说只需要适当（且可以做到）的功率，另一个结果说，飞船上无法提供这么大的功率。

另一名参与的科学家Bruce Wiegmann 强调: “作为研究这个项目的团队，很显然电动帆的设计非常具有灵活性和适应性。太空任务和载具的设计者可以权衡利弊，选择适合的线缆长度、线缆数量和电压等级来适应他们的需求。不论是前往内层行星、外层行星还是日球层顶，电动帆都可以根据需求来调整。”

配套的无人飞船 “橘徕-2型”，外观 与载人型非常相似，只是总尺寸和吨位要小很多，中间50米直径的烟囱就显得很粗壮。通过使用相应改短了的电线，“橘徕-2型”同样可以使用电动帆技术。

我觉得，电动帆方案也好，太阳风方案也好，这种“帆船化，利用飞船以外的能量推动飞船前进”的技术方案，最大的优点不是节省燃料，而是可以让飞船自己携带的核动力推进装置间歇性停机或怠速运行，从而延长推进系统各机械部件的使用寿命，使得“50年内不大修”变得可行。“橘徕-1号”自带的生活物资，可以供2名宇航员消耗2-3年(或6名宇航员消耗半年)。在物资耗尽前，“橘徕-1号”会与已经等在前方的一艘“橘徕-2型”会合，再得到大约45吨的物资补给，在赶到下一站前又可以撑3年。这样在50年的全航程中，“橘徕-1号”会对接补给大约20次，其中约15次与“橘徕-2型”对接，剩余多次则是在返程中与其他航天器会合。“橘徕-1号”无法降落地球（不能穿越大气层），只能回到“天宫空间站”系泊，两名70岁的宇航员摆渡到“天宫”上，再搭补给飞船回到地球。

整个方案，需要一个大型的“天宫空间站”，一艘“橘徕-1号”，至少17艘“橘徕-2型”，以及这些飞船出发时所载的物资（光这近千吨物资从地球和月球基地运到空间站，运费就是天文数字），人员训练以及研发中耗用的较为“隐形”的费用等等。参考国际空间站（总重400吨，已使用20多年，预计全寿命费用将超过2000亿美元，其中美国承担80%左右），“橘徕”方案至少需要一万亿人民币的投入。

人类历史上有过几次耗费惊人但劳而无功的探险，郑和下西洋是一次，国际空间站排到第二次，那么‘橘徕工程’ 会不会无法达到我们预期的成果，成为第三个坏例子呢？探险总是未知和冒险的，没有人可以保证其收益。这个工程将耗时60年以上，主要在前30年花钱，平摊下来前30年每年就是300亿人民币，少拍一些流量电视剧，大概就可以省出来了。

如果有人问：“为了将‘橘徕工程’完工，中国国家航天部究竟需要什么？”马卡洛夫同志会回答说：“中华人民共和国、党中央、国务院、中国共产党中央军事委员会和九个国防工业部、600个相关专业、8000家配套厂家，外加‘电动帆’技术实用化------总之，需要一个伟大的国家才能完成它。”