感悟||重读钱学森《星际航行概论》有感
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发布时间：2022-10-12 03:31
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时间：2023-10-17 15:14
最近我打算写本书，把我这几年在载人深空探测领域读过的书、想过的问题，系统地总结整理出来。一方面可以给选修我课程的研究生们留下本教材，另一方面也可以帮助我理清思路，争取能找对问题以后精准突破，这样才能做的更专业更深入些。因为想写本同类型的书，所以不自觉地拿起了钱老的《星际航行概论》书再读一遍。当年我读钱老这本书时才刚参加工作，一晃过去了20年，此次再读却有别样感受再上心头.....
《星际航行概论》是根据钱学森先生1962年在中国科学技术大学讲授的“火箭技术概论”课程的讲课纲要和讲义整理而成的。在序中钱学森先生是这样写的：写作这本书想达到两个目的：一是想说明实现星际航行的各个技术问题，从而一方面使投入到这些单个问题做研究的科学技术工作者能了解每一个问题在全部工作中的意义；而另一方面也是要说明星际航行技术的高度综合性，它几乎包括了所有现代科学技术的最新成就，像近代力学、原子能、特种材料、高能燃料、无线电电子学、计算技术、自动控制理论、精密机械、太空医学等。星际航行的更进一步发展不但将上述这些科学技术提出新的、更高的要求，而且还会对另外一些直到现在还未发生联系的学科，像植物学、动物学、生物物理、生态学、遗传学、地质学提出研究课题，使这些学科也得到前所未有的推动力。
第二个目的是星际航行实践的复杂性和艰巨性。星际航行事业的每一个部门，研究、设计、试验、制造、发射、通讯都需要一个庞大的组织，都需要一支由千万名科学家、设计师、工程师、技师、技术员、工人和其他人员组成的队伍。这些部门进行工作所需要的设备在质上要求最高，在量上也最多；因此，没有一个强大和各方面成套的工业，没有一支多种学科和人数众多的科学技术队伍，就不可能设想全面地开展星际航行工作。自然，星际航行技术并不神秘，分析起来也不过是一般自然规律的具体应用，星际航行技术的基础也还是众所周知的基础学科，如数学、物理、化学等。我们要强调的是：虽不神秘但也不简单。星际航行是整个现代科学技术最高水平的集中体现，不是轻而易举的。
钱老在序中描述的这两个目的恰恰揭示了两个问题：第一星际航行是科学问题，包括现代科学技术的方方面面，我很惊诧钱老在1962年就提到了太空医学、地质学、遗传学、生态学等有可能在星际航行中的应用和发展，要知道我们2012年在写作《载人月球基地工程》一书时才认识到这个问题；第二星际航行是航天工程技术，毫无疑问星际航行事业离不开火箭、飞船这些基本的航天飞行器。这20年我在工业部门工作的经历告诉我，建造这些航天产品确实算不上神秘，但真是不简单，且不谈具体的技术方案设计细节，光是质量控制和产品保证方面的要求就已经是罄竹难书了。为了将各分系统各单机产品系统集成起来，钱老当年提出成立总体设计部，专门从事系统总体设计工作。因此说星际航行事业是空间科学和航天工程技术的综合体应该一点不为过吧！很惊叹钱老能在1962年给学生们讲课时认识就到了如此战略高度。
钱老的第一章讲的是星际航行与宇宙航行的基础，包括齐奥尔科夫斯基公式、恒星世界的宇宙航行、阿克莱公式等。阿克莱公式讲的是到其它恒星系以超光速航行时必须以相对论力学为基础来计算，同时比较了阿克莱公式和齐奥尔科夫斯基公式计算出结果的区别。钱老同时指出要实现到半人马星座必须依赖超高能的核燃料。而关于天文各恒星星系的大致概况我应该是15年才开始接触，比钱老整整晚了半个多世纪啊......
钱老的第二章讲的是火箭发动机原理和火箭发动机的技术实现，包括固体推进剂、液体推进剂，液体发动机中的挤压式发动机、泵压式发动机，也包括发动机的燃烧室试验、输送调节系统试验、发动机试车及试车台的设计，在固体发动机设计中谈到了药柱设计、药柱工艺、燃烧稳定性问题等等。最让我惊奇地是钱老还提到了固液型发动机以及发动机推力方向调节的方法，比如固体发动机不能用液体发动机的方法来调节推力，可以从燃烧室引出一部分高压燃气，引到对称布置的喷管碰撞部分，用斜激波改变喷气方向。由于没有燃气舵及伺服机构，这种方法应该是个质量比较轻的设计。关于这一点我还不能确定今天的固体发动机在改变推力矢量设计上是否还有更好的创意呢？
钱老的第四章讲的是运载火箭的技术实现，包括多级火箭的级数问题、结构重量、结构比，结构重量的组成、结构重量与点火重量的关系，运载火箭的设计过程，以及发射场的布局和系统组成等问题。很难想象当年中国还没有这些东西，钱老是怎么从美国的土星-5火箭设计中掌握到这些最基础最核心的方法？这些基本的理论方法正是指导我国长征系列火箭设计的基础和源泉。
钱老的第五章和第六章讲的是运载火箭的发射轨道和星际航行轨道的问题，火箭的发射轨道中居然考虑了月球火箭的轨道问题，星际航行轨道中居然小推力变轨问题，星体借力飞行问题，更神奇的是还考虑了光帆。想想看我去年介绍的关于霍金的“突破摄星”计划中去半人马星座的微纳航天器用的是什么？就是太阳的光帆啊，利用太阳光压的原理来实现星际航行。真是难以想象半个多世纪前的钱老当时给学生们讲授光帆时是个什么情景？
钱老的第七章是最让人膜拜的一章，他讲授的是原子能火箭发动机，也就是我们现在说的核动力火箭，更神奇的是还讲了电推进火箭的设计原理，还有更前瞻的氘火箭发动机的问题。我依稀记得是今年有人宣传电推进技术取得重大突破，那么我们期待的核动力火箭、电火箭还要等到什么时候呢？
钱老的第八章讲的是制导问题，包括了运载火箭的迭代制导问题，也包括星际航行到达火星环绕轨道的制导精度问题。对于制导的初制导、中制导、末制导问题，制导系统的设计、产品组成和环境试验都有所提及。
钱老的第九章讲的是星际航行中的通讯问题，包括了星际航行的通信延迟问题、天线的功率问题、星际航行中的噪声问题、信息率问题、以及对通信设备、地面接收天线的问题，以及让人咋目的光波通信问题。而我到目前为止这个方面都还是空白。
钱老的第十章讲的是再入大气层的问题，包括载人飞船返回地球再入大气层的轨道问题、钝头体轨道和升力式轨道，飞船再入时的防热设计问题，以及如果去火星时利用双曲线轨道的再入问题，以及利用火星大气减速下降到火星表面的问题。最后一段中钱老提出在飞船的头部里面用电磁线圈制造一个磁场，利用磁力线与导电气体的相互作用把等离子体的热气推离飞船头部，这种新的放热方法不但可以安全通过大气层，更可以减少推进剂量的要求，从而提高星际航行的效果。我想说的是这个几年前好像有人来找我推销过他的创新概念设计，当时这个人似乎很得意自己的创新想法，原来这是钱老半个世纪前就琢磨过的事情。遗憾地是到现在为止这种防热方案都没有实现过。
钱老的第十一章谈的是防辐射问题，包括光子对物质的作用、电子对物质的作用、中子对物质的作用、辐射对人体的作用、辐射剂量、宇宙射线、太阳耀斑、中子的防护，以及辐射对电子元器件等的破坏作用等等。想想看今天我们的空间环境和辐射防护专业有没有跑出这个圈？
钱老的第十二章讲的是飞船的设计问题，包括失重超重对人的影响、飞船船舱的设计要求、星际航行中人的生活条件、氧气、水分的供给，还居然包含了长旅程中星际飞船的生态学系统，还有 飞船防护微陨石及通过小行星带的问题，飞船的定向系统问题等。
钱老的第十三章讲的是飞船的电源问题，包括利用化学能、太阳光、原子能、放射性物质，化学电池、太阳光电池，还谈到了汽轮发电机、热电偶发电器、热电子发电机、电磁流体发电机等问题。这些问题到目前为止，我还是空白不懂之处啊。
钱老的第十四章讲的是星际航行进一步发展的几个问题，包括卫星式星际航行站，也就是现在大家说的空间站；还包括运载火箭的海上发射，运载火箭的回收，飞机用作运载工具的问题，也就是今天大家所说的空射运载火箭等问题。看看我们今日的中国航天，又做到了几个？
再读钱老的《星际航行概论》，感慨颇多。我看多了关于中国航天的成就与未来发展展望类的文章，有没有人真的把这些单项技术跟1962年钱学森给学生讲课时的讲义比比看？看看在钱老提出的星际航行框架中我们究竟有多少真正的创新和进步呢？人无远忧必有近虑，我虽是一介草民，但也崇尚求真务实的学风，星际航行是门既有科学又有工程技术的事业，哪里容得下半点儿浮躁之气？
大师毕竟是大师啊，整本书作为中国航天宇航事业的开山之作，内容全面，文中公式和推导过程清晰在目，专业深度令人敬仰。如果说写本什么样的书是我的偶像和目标呢？我首推钱学森的这本《星际航行概论》，即有前瞻性，又有专业性，经得住历史的检验、同行的检验和实践的检验！当之无愧的开山之作！同时书中文字通俗易懂，比起某些高深的博士论文来讲，更容易被广大的读者接受和学习。
可惜事实上以我的功力是难以写出大师的这种流芳作品，我也无法像大师那样驾驭宇航技术的方方面面，但是我可以在载人深空探测领域把某些问题做得更深入更细致些，也可以多研究些前瞻的问题和想法。一年多前我创办本号为星际航行时，就为钱老的功力深厚所折服所以盗名命之。二十年后再读钱老的作品更是多了一份理解和敬意。在此真诚地建议各位读者都认真读读此书，对照自己，弥补不足。也盼望一年后我们团队出的书也能有点儿真正的价值，为中国航天事业贡献点儿绵薄之力！
