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《独行月球》剧照  图源网络
两个一模一样的飞行,为什么一个叫航空,另一个变成航天了?
文/海北尬生
最近电影《独行月球》挺火的,另外航天界有不少新闻:先是中国的梦天实验舱成功发射,然后是美国的新登月火箭,阿尔忒弥斯号和马斯克的星舰准备试飞。我作为业余人士关注航天已经有七八年了,作为专业人士,也已经过了两三年。因此,我想抓住这个机会,和大家一起聊一聊航天。
作为一切的开始,我觉得应该先回答一个最基本的问题:什么是航天?它与另外一个词“航空”究竟有多么大的差距?
首先这两个词绝对是属于同一个领域的,而且研究的东西有一些重合的地方。结果就是,他们在很多地方被联用,比如北京和南京各有一所“航空航天大学”。在生活当中,很多时候这两个词是被混用的,很多是航空的被当成了航天,反之亦然。不过这也不能说是民众的错,因为即使是专业的定义,也分辨得不是那么清楚。
《独行月球》海报  图源网络
最传统的定义是,大气层内的航行活动叫航空,大气层外的航行活动叫航天。但是这个说法其实是有两个问题的:首先,很多航天的航行活动也需要涉及到大气层,最典型的例子就是载人飞船或者航天飞机的返回,他们都需要在大气层内飞行一段时间。除此之外,航天器在真正进入太空之前,一定是要从大气层里飞行的,它们必须离开地面,而地面是被大气层包裹着的。因此,用大气层内外是区分不开航空航天的,因为航天也需要包括大气层内的飞行。
其次,说是以大气层内外做区分,可大气层的边界在哪里?根据科学家的研究,地球的最外层大气,也就是所谓的地冕,一直延伸到月球轨道之外。现在我正在做的一颗微卫星,就是探测地冕形状的,当然,这是题外话。如果我们还是按大气层内外来划分,我们将得出这样的结论:人类至今为止都没有开始航天,包括阿波罗登月之类的行动都是航空。而这显然不符合我们内心中对航空航天的界定。
针对这种问题,科学家搞出了新的定义:飞跃某一个特定高度的就是航天,否则就是航空。不同的国家,不同的机构,对这个特定的高度有不同的界定,不过,国际上最常用的,也是我们中国在使用,就是所谓的卡门线,也就是距离海平面100千米的一条线。这条线得名于著名的科学家冯卡门,他是普朗克的学生,钱学森的老师,在空气动力学研究上有着举足轻重的地位。飞过卡门线的人就被认为成了航天员,无论是否进入轨道。但是用特定高度来界定太空界限其实也有一些问题:在卡门线上一米飞行和在卡门线下一米飞行,看起来是太空和大气层间的差距,但实际上,无论是在环境上,还是在飞行器的设计、控制上,都基本上没有什么差别。两个一模一样的飞行,为什么就一个变成航空,一个变成航天了?
《独行月球》剧照  图源网络
因此,一直有人试图为航空和航天找到新的定义,其中也包括我。我把航空和航天加以对比,得到了这样的一个结论:航空的特点在于它依赖空气作为抵抗重力和控制姿态的方式,比如飞机靠机翼上的升力,热气球靠浮力,而航天器则不是这样。此为出发点,我把航空和航天的区别理解成对抗重力方式的区别,再考虑到航天器都需要面临飞出大气层——有的还需要面临返回大气层——的问题,而在这一阶段,仍然有一些航天器,比如航天飞机,使用空气做姿控手段并对抗重力,因此我得出了我的定义:
“在飞行的最高阶段,不以空气作为获取升力或进行姿态控制的飞行器称之为航天器,否则称之为航空器。”
其实,除了航空和航天之外,还有一个词叫做航宇。这个词和航天一样,都是钱学森老先生的发明,他用这个词来指在太阳系外进行的飞行。这个词听得不太多,可是我换一个说法,大家就能明白了:我们称呼在太空航行的人有两种说法:“航天员”和“宇航员”。这两个词时至今日,在专业人士那里也是经常混用的。但实际上,航天员应该指执行航天任务的人,而宇航员应该指执行航宇任务的人。我们看这个定义,会发现它的定义与航天是非常像的,只是一个是大气层外,一个是太阳系外。因此,他们面临的问题也是相似的:一是从地球出发的航宇任务,必须先经过航天阶段,二是太阳系的边界也无法准确界定。事实上,天文学家发现所谓的奥尔特云带延伸超过两光年,而且它的边界一定也是很模糊的。
《独行月球》剧照  图源网络
那么,类比着我们对航空和航天下的区分,我们可否给出航天和航宇之间的区分呢?航天器在飞行的绝大多数时间都是不需要对抗重力的,因为它们有足够的速度,产生足够的离心力。但是它们仍然需要万有引力作为导航。和有些人想的不一样的是,航天器虽然飞行的轨道很复杂,但是飞行器本身的导航并不繁琐,万有引力在做大多数的工作,航天器只需在特定的时间出现在特定的地点,提供特定的速度即可。
加加林上太空时坐的飞船,甚至连计算机都没有搭载,现役的联盟号飞船使用的计算机叫阿尔贡-16,来自上世纪70年代,处理速度仅为五赫兹。这并不是因为落后,而是因为这些计算机完全够用。而航宇就不一样了。航宇飞行器所处的空间太过空旷,距离太阳太过遥远,基本上可以忽略太阳给它的引力。因此,它不可能依赖太阳引力进行导航。于是我们也得出了航宇的定义:
“在飞行的绝大多数时间,不以太阳的引力作为轨道导航手段的飞行活动称之为航宇,否则为航天。”
关于这个问题,就先探讨到这。如果您对于航天有别的问题比较感兴趣,欢迎您在文章下面留言,如果您看到与您的问题高度重合的留言,请点一个赞,接下来的文章中,我会解答一些获赞比较高或者我个人觉得比较关键的问题。感谢大家的支持!
作者简介
海北尬生:因其尝求学于北海之北,每不顾环境而放尬言,故起此名也。喜航天,爱读书,本学理工,爱好文学。
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