导语

  

    本书分为四个部分，探索篇讲述了关于太空探索7个有趣的故事；突破篇则回答了6个有深度的问题，涉及的都是航天领域内非常重要但外行人很少了解的知识；挫折篇给读者准备了航天工程师应对挫折的6个真实故事；梦想篇则是对未来技术发展和太空探索前景的展望。

内容提要

  

    本书面向青少年读者、航天爱好者以及对技术科普感兴趣的读者，讲述有关航天技术的有趣故事，包括航天技术发展历程中遇到的各种难题，以及它们是如何被解决的。这些解决过程本身非常有趣，旨在扩展青少年的知识视野，提高人们对于航天领域的关注，对人们的生活和工作都有参考价值。

    相对于漫长的地球生命演化史而言，人类航天史不可思议——为仅有一颗天然卫星的地球发射了上万颗人造卫星。本书作者用专业、精准且通俗易懂的语言，详细阐述了航天发展的历史和技术脉络，是通识航天的精品。正如本书之名，在浩渺的宇宙面前，人类六十年航天仅是拓荒的第一步，未来还需要年轻读者们继续努力前行。
    ——毛新愿科普作家，中国航天科普大使
    这是一本高级而且有趣的好书。有趣是因为两位一线航天工作者讲述了许多真实的航天趣闻，高级是因为故事背后是最硬核的航天科技。《宇宙拓荒记》实际上是一部人类认知边界的开拓史，一部激发创造力的工程师笔记。
    ——庞之浩全国空间探测技术首席科学传播专家

探索篇
  太空“学区房”
  引子
  规则与秩序—— ITU的“前世今生”
  稀缺的无线电频率
  地球房子贵，太空轨位缺
  太空是陆地的延伸，资源是永恒的主题
  参考文献
  看图识星
  千奇百怪的卫星
  认识航天器
  卫星平台与有效载荷
  通信卫星
  导航卫星
  对地观测卫星
  气象卫星
  看图识星的要领
  参考文献
  诸神的狂欢——希腊神话与火箭命名
  万物本无名
  复仇的V2火箭
  诸神的狂欢——欧美火箭的命名
  冷战的味道——苏联火箭的命名
  其他国家的火箭命名
  神话与航天
  参考文献
  人与神的对话——航天器的命名
  引子
  科幻电影中的航天器
  革命与工业化的主旋律——苏联/俄罗斯航天器的命名
  人与神的对话——美国航天器的命名
  通信广播卫星的命名——朴素、形象
  对地观测卫星的命名——风云雨雪与陆海空天
  科学与技术试验卫星的命名——伟大的科学家
  空间探测器的命名——人与神的对话
  载人航天与空间站的命名——美丽的误会
  从神到人——欧洲航天器的命名
  以古喻今——中国航天器的命名
  结语
  参考文献
  如何“忽悠”皇帝发射卫星
  简约版的天文+航天史
  不要小觑先驱者的实力
  精度带来的理论突破
  教皇也被说服了
  参考文献
  驾驶飞船是一种什么样的体验
  引子
  在冰面上开车的新司机
  飞往月球之路
  收获
  参考文献
  卫星的“墓地”
  庞大的卫星家族
  特殊的“死法”
  太空交通事故
  失控坠落陆地
  “死而复生”
  卫星延寿
  太空“盗墓”计划
  参考文献
突破篇
  北极站选址的故事
  引子
  遥感卫星的“史前”时代
  为什么要在极地建设遥感卫星接收站？
  为什么选北极而不是南极？
  南极和北极的气候
  基础设施
  故事没有结束
  参考文献
  “千里眼”的极限
  引子
  从望远镜说起
  从望远镜到侦察卫星
  侦察卫星到底能拍得多清楚？
  空间分辨率
  空间分辨率的极限
  参考文献
  相对论与蛋糕
  航天有什么用，能吃吗？
  让我们带你去找蛋糕吧
  从理论到工程
  修女不生气
  航天器“杀手”
  失落的“萤火一号”
  单粒子效应是如何“杀死”航天器的？
  抵抗高能粒子攻击的盾
  “萤火一号”丢失的真相
  参考文献
  太空“穷游”与引力“弹弓”
  奔往星辰大海前的热身
  金钱： 理想与现实的差距
  引力“弹弓”： 省钱的好办法
  通往星星的路
  参考文献
  太空中的蝴蝶效应
  可怕的混沌
  深空探测中的混沌
  化混沌为秩序之道
  深空之歌
  参考文献
挫折篇
  闯祸的“最高境界”
  复杂系统的挑战
  航天人闯的祸
  “墨菲定律”的诅咒
  相信人还是机器？
  参考文献
  MH370： 最神秘的失联和最艰难的搜寻
  悲剧
  最神秘的失联
  为什么会失联？
  最艰难的搜寻
  如何确定航向？
  知道了航向，为何仍然找不到？
  遗憾
  参考文献
  “星坚强”的太空“长征”
  引子
  “中星9A”并没有你想象的坚强
  美国版“星坚强”
  航天人的“逆袭”
  参考文献
  深空“求生”记
  “最成功的失败”
  不死鸟： “隼鸟号”
  一波三折： “隼鸟号”奔往“丝川”小行星之路
  “隼鸟号”深空失联
  “隼鸟号”扬“帆”返航
  最后的考验
  “隼鸟号”回家
  在摸爬滚打中成长的深空探测
  参考文献
  谁拯救了“亚洲三号”
  救卫星救上了法庭
  “亚洲三号”被拯救的经过
  “要命”的51°轨道倾角
  能量不够？月亮来“凑”
  争议的关键： 如何奔往月球
  没有结论的结论
  参考文献
  不重复犯错的方法
  逆境中产生的“归零”
  “归零”的过程
  一次完美的“归零”
  “归零”与航天的成长
  参考文献
梦想篇
  技术的边界与人类的未来
  缘起——究竟为什么要探索宇宙
  宇宙的无限与科学技术的边界
  星际旅行技术
  未来的星际推进技术
  未来星际旅行的通信技术
  漫游宇宙
参考文献

前言

  

    我是一名航天工程师，从事这个职业是儿时的梦想。还记得小学时的一个暑假，我读到一部名为《飞向人马座》的科幻小说。这部小说创作于1979年，讲述了三个少年因为事故被送人太空，在太空流浪五年、历经种种磨难之后，巧妙利用黑洞引力，最终成功返回地球的故事，本质上是励志故事，但书里也有很多科普内容，而且作者郑文光非常严谨，为了推敲数据，常常计算一个下午。少年的我因为这本书而痴迷于太空历险，那个暑假每天晚上都带着黑洞、红移、宇宙飞船进入梦乡。
    从此我立志长大后从事航天工作，没想到大学毕业后能够梦想成真。工作二十年之后，我很想写一本书，从工程师的角度说说航天，因为真实的航天工作与自己此前的想象差距非常大，却很少有人把航天工程师经历的故事、思考的问题写成科普作品。当年高考填报志愿，我完全不了解大学各专业都学什么。大学毕业找工作时，同样困惑于工作之后到底做什么。这种情况如今有所改观，但每年高考后，还是有不少亲友向我了解工科大学的专业到底学些什么，毕业后会从事哪些工作。比方说我想成为航天工程师，可是中国航天领域一共才十来万名员工，生长在西北小县城的我，哪里有机会认识从事航天工作的人。中国特别缺一套科普书，能够告诉孩子们：各行各业都做些什么？从事这些工作的人又是如何思考和解决问题的？他们有哪些有价值的、有趣的故事？
    工程师思维和理工科思维有所不同。理工科思维是理性的、逻辑的一种思维习惯，讲究以理服人。工程师思维在理工科思维的基础上更进一步。工程师的目的是改变世界，仅掌握事物的基本原理远远不够。要把理论变成现实，就需要克服各种困难，在各种条件的限制下找出一个解决问题的实际办法。
    比方说牛顿发现了万有引力理论，所以脱离地球、飞往太空所需要的第一宇宙速度在理论上就可以立即计算出来，那么航天飞行这件事从理论上是可行的。但这距离真正进入太空还非常遥远。航天工程师的主要贡献是解决了一系列的工程问题，其中最重要的是齐奥尔科夫斯基提出，必须使用多级火箭、采用“丢包袱”的办法，才可能使用现有的燃料实现“飞天”梦想。但这还不够，还有无数问题需要航天工程师去解决。比如：应该用固体还是液体燃料？火箭到底应该设计为多高、多粗？火箭发动机如何在高温下不被烧毁？
    科普是以浅显的方式向大众普及科学“技术”知识、倡导科学方法、传播科学思想和弘扬科学精神。请注意，这里说的是普及科学“技术”知识，世界上的科学普及图书很多，但技术普及的图书很少，不仅中国如此，在全世界情况都类似。
    科学问题虽然解答起来非常不易，但问题本身往往简单明了。比如：光有没有质量？光速是多少？天空为什么是蓝色的？人类对这些问题报有天然的好奇心。但对于技术问题，这种好奇心基本不存在。技术问题，或者说工程问题，常常不那么“天然”，能够问出问题本身就需要仔细的观察和深人的思考。比如汽车ABS系统，估计很多司机都压根不知道这是什么。没有了好奇心的驱动，技术普及做起来就困难多了。
    技术普及需要作者有非常广的知识面和多年的积累，再加上写作能力。大学工科专业的毕业生，哪怕是研究生，从工作到成为一名能够独立解决问题的合格工程师，至少也需要三年左右的时间。而成为一名合格的工程师，距离胜任技术科普还差得很远，因为需要总结、提炼，想清楚这些问题背后的本质原因。等把这些事情都搞明白了，这名工程师多半工作非常繁忙，哪里有时间来写作。
    能把技术问题写得有趣，让大家愿意去读也很不易。技术问题往往很琐碎，工程师自己也许很有兴趣，让不相关的外行也想了解可就难了。拿汽车来举例，你想过吗，汽车拐弯时，内侧和外侧的半径当然很不一样，那么内外侧车轮的速度就不一样，外侧车轮比内侧车轮走更多的路，这怎么解决呢？这样一个典型的技术问题，虽然早在一百年前就被雷诺汽车公司的创始人解决了，但直到今天，又有多少人能够提出这个问题，多少机械专业毕业生能够用简短、有趣的文字说清楚这个问题到底是如何解决的？人类到太空去，面对的是完全未知的世界，需要在距离上、时间上、速度上，乃至认知上都去挑战极限，这特别需要一种拓荒精神，敢于到没有路的地方走出一条路来。
    知识是可以被给予的，但见识更多来自他人和自我的启发。我们决定写这本《宇宙拓荒记》，就是希望把人类在探索未知、挑战认知边界过程中所经历的挫折、所思所想以及因而得到的科学和工程道理讲清楚，启发读者的见识。希望能讲清楚为什么现实中工程师要采用这样而不是那样的解决方案，这些伟大的航天工程背后有没有一种方法论。希望通过本书的一系列故事，把这些道理和思维方法讲清楚，希望读者学到工程师解决问题的“大逻辑”，而不只是明白若干深浅不一的航天知识点。
    写作非常不易，把脑海中的想法变成文字，本身就是一个浩大的工程。写作过程中，需要不断求证各种事实。要知道，即使是大辞典、学术文章、专业教科书，其中也充斥着小错误。当需要把这些知识链接为一个网络时，很多不自洽的矛盾、互相冲突的说法都品现出来。例如，为了确认美国某型号火箭的发射时间，我们在中国的百科全书、维基百科以及其他网站上找到了三个不同的答案，但正确答案显然只有一个。为什么会出现这种情况，本身也是一个值得思考的问题。又如，在写到火箭与航天器的命名时，因为很多欧美航天器都是用古希腊和罗马神袛的名字命名，要搞清楚来龙去脉，就需要阅读大量与古希腊神话相关的专业书籍。写完之后，自己差不多成了半个希腊神话专家。
    在本书即将出版之际，人类宇宙拓荒的时间轴已经推进到了科幻故事中常说的未来——2020年。这一年，我国的“天问一号”离开了地月系、奔向火星，“嫦娥5号”带回了月球上泥土的气息，日本的第二只“不死鸟”——“隼鸟2号”也成功带回了小行星上的尘埃……宇宙拓荒的故事还在继续。
    航天科学家科罗廖夫①曾多次谈到凡尔纳的科幻作品对他人生选择的重大影响，谁又能说正在读本书的你，不会成为下一位科罗廖夫呢！
    本书分为四部分：探索篇、突破篇、挫折篇和梦想篇。探索篇讲述了关于太空探索的七个有趣故事；突破篇则回答了六个有深度的问题，涉及的都是航天领域内非常重要但外行很少了解的知识；挫折篇给读者准备了六个航天工程师应对挫折的真实故事；梦想篇则是对未来技术发展和太空探索前景的展望。
    本书共20章，其中第1～4、7～9、14、15、20章由张拯宁主笔撰写，第5、6、10~13、16～19章由贺然主笔撰写。
    我们要感谢给本书提出改进建议的人。尽管我们尽量删减专业的词汇和繁杂的数学公式，但是在形成第一版书稿时，我们还是非常担心故事不够浅显易懂，不够生动有趣。我们发动亲友试读书稿：贺然的父母贺敏生、王益伟认真地阅读了每一篇故事，提出了非常细致的建议，并给予我们很多鼓励；航天工程师梁志国从专业的角度进行了审读，指出了书稿中描述不清的概念和问题；《国际太空》杂志社的庞之浩老师在本书成稿的过程中给予了大力支持。通过试读和修改，书稿的易读性、严谨性和趣味性有了明显的提升。
    我们要感谢家人对本书写作的无私支持。利用业余时间写作本就是不容易的事情，尤其繁忙的工作已经挤占了不少陪伴家人的时间，写作中必然要求家人付出更多。
    我的妻子于玲、贺然的妻子崔婷在承担更多家庭责任的同时，也是我们身边最直接的讨论对象，通过和她们的交流我们得到了很多灵感。也要感谢贺然的儿子贺一诺、我的女儿张馨元，孩子们对本书出版的期待是我们的动力源泉。
    本书搜集素材的过程中也参考了很多互联网上的信息，包括毛新愿老师、微信公众号“小火箭”的创始人邢强老师在内的诸多科普作家的文章给了我们不少启发，感谢他们的工作对本书的帮助。
    我们要感谢本书的插画师闵若愚先生。绘制科普书籍的插画并不容易，一方面要生动有趣，另一方面要严谨、科学。闵若愚先生成功地兼顾了两者，为本书增色不少。
    我们还要感谢清华大学出版社所有为本书出版付出辛劳的人们，他们专业、严谨的工作态度令人钦佩，并且提出了很多有价值的建议。
    最后，尽管我们在写作中十分努力，但由于自身能力所限，书中仍可能出现疏漏，恳请广大读者批评、指正。
    书中部分图片来自NASA官方网站、维基百科等网络资源，具体来源已在各章参考文献中列出。本书封面上的地球照片①也来自NASA，是距地球一百万英里的太空相机拍摄到的、月亮掠过地球表面的景象，颇有趣味。
    张拯宁
    2020年12月