小学语文【百科探秘】之航空航天（2025年第5期）书签版

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www.newbuds.com.cn 《百科探秘》 封面图：东方红一号 作者：梁敏昌 目 次 47 京津冀公民科学素质大赛真题 48 冲关我最棒29 诗词中的天文学 　　　——端午与苍龙 32 汪望望望远镜指南 34 鹰影影天文摄影指南 41 进化（上） 46 《星河幻想》 　　　——坠落沼泽 36 北极打雷越来越频繁了 版权声明 来稿凡经本刊采用，如无电子版、有声版方 面的特殊说明，即视为投稿者同意授权本刊及本 刊合作媒体进行信息网络传播发行。本刊支付的 稿费包括上述使用方式的稿费。本刊拥有改编、 出版已刊发作品的权利，作者向本刊投稿即视为 同意以上约定，若有异议请事先说明，以便本刊 酌情处理。本刊作品版权归新蕾出版社（天津）有 限公司所有，未经许可，不得转载、摘编。 因部分图文作者联系方式不详，请见刊后速 与我社联系，以便寄奉稿酬。 投稿须知 本刊各栏目欢迎读者投稿， 来稿不退，敬请作者自留底稿，一 个月内如未收到采用通知，稿件请 自行处理。作者须保证作品的原 创性、科学性和知识准确性，不 得抄袭、剽窃，切勿一稿多投。 ●中国航空学会单位会员 ●中国科普作家协会单位会员 ●中国科普期刊研究会单位会员 4 东方红一号的10个数 人造卫星有啥用？ 东方红一号的 60 年前，1965 年 5月，周恩来总理指示中国科学院拿出人造卫星的具体方案，意味着我 国第一颗人造卫星——东方红一号的研制被提上日程。1970 年，它发射成功。今天，我们一起 铭记关于东方红一号的10个数。它们时刻提醒着我们：不忘来时路，不惧新征程！ 12年曲折历程 2亿元可不是小数目 卫星发射工程时间跨度长达12年。自1958年正式提出， 这个代号为“581”的工程历经重重磨难，面临的突出问题 包括导弹技术不成熟无法送卫星上天等，终于，在 1970 年 4 月 24 日 21 时 35 分，中国第一颗人造卫星发射成功！ 当时，我国政府拨出了 2 亿元作为 人造卫星的研发经费。1958 年，中国的 GDP（国内生产总值）仅有 1312.3 亿元， 可见中央对研制卫星相当重视。 12年 2亿元 10个数 文 / 千　龙　图 / 小　七 特别策划 4 “651”任务 由于导弹技术不成熟，人造卫星计划一再搁浅。1964 年，东风二号 中程导弹发射成功，标志着中国基本上具备了发射人造地球卫星的能力。 1965年初，钱学森建议重启暂停的计划，将研制人造卫星列入国家任务。 这个建议得到了聂荣臻副总理的赞同。1965 年 8 月，中国科学 院的《关于发展我国人造卫星工作规划方案建议》被批准， 卫星研制正式立项。国家将人造地球卫星工程的代号正式 定名为“651”任务。1965 年 10 月至 11 月，中国科学院 主持召开了中国第一颗人造地球卫星的方案论证会，代号 “651”会议，研讨、确定了中国第一颗人造卫星的任务、 发射时间、成功标志、卫星重量等。1965年至1968年为“651” 任务时期。 但是当时中国火箭的运载能力达不到，所以这一方案最终被否决。1967 年底，中央规定该 卫星的重量不低于 150 千克（最终确定为 173 千克），用长征一号运载火箭发射，并正式命名 为东方红一号。 651 173千克与1吨， 差点儿变成大胖子 当时有人提出让人造卫星带上乐曲《东方 红》，使民众能够通过普通收音机收听到。 173 千克 卫星 大功率发射机 重量将超过1吨 5 40秒的乐曲是怎么来的？40秒 在当时特定的历史环境下，东 方红一号卫星将携带《东方红》升 空并向全国人民播放。 火箭发射成 功，并能将卫星 送入既定轨道。 地面观测站 能够实时跟踪测 量卫星。 卫星在轨飞行时， 能让地面上的人直接 用肉眼看见。 上 得 去 抓得住 看 得 见 听得 到 最终选择一段40秒的电子音乐版本 对东方红一号卫星的总体要求 可靠性高 工作寿命长 消耗功率小 悦耳嘹亮 6 看我“72变”！72面 东方红一号的直径只有 1 米。为了使地面工作人 员“看得见”它，技术人员把卫星的外形设计成 1 个 由 72 面组成的近球体。这样，卫星在轨运行自转起 来后，由于角度不同能闪光，从而更容易被观测到。 “穿”件3米“大围裙” 3米 尽管自带“72 变”，但由于距离太远，在地球上还是很难观测到东方 红一号，研发人员便根据折叠雨伞的原理做了一件“大围裙”。发射时它先 不展开，上天以后再撑开，撑开直径达 3 米，如此能大大提高观测亮度。 世界上，当时的人们是这样听到《东方红》的： 东 方 红 一 号 发 射 信号 大型地面站 接 收 信 号 人 们 用 收 音机收听《东 方 红 》 中 央 人 民广播电台转播 7 在轨工作28天 东方红一号的跟踪手段、信号传输形式和星上温控系统等技术，都超过了前 4 个国家第一 颗卫星的水平。 28天 化学电池寿命有限 设 计 寿 命2 0天 在轨工作2 8天 前4个国家发射的第一颗卫星的质量总和东方红一号的质量 东方红一号卫星上天，标志着中国成为第 5 个完全依靠自己的力量成功发射卫星的国家。 苏联 美国 法国 日本 中国 8 日本的第一颗人 造卫星上天后，仅绕 着地球转了 6 圈就无 法工作了。半个世纪 过去了，东方红一号 即使能量耗尽，依然 在近地点 439 千米、 远地点 2384 千米的 椭圆轨道上。 -100℃和100℃，极冷极热的大考验 100℃ 在近地球的太空中，背朝太阳的一面温度常为 -100℃， 而面朝太阳的一面温度常高达 100℃。 法国、日本的人造 卫星承受不住这种环 境，很快就无法正常工 作了。 东方红一号不仅超出了 预定工作寿命，之后还在长 期运转。 9 三级接力运载， 长江后浪推前浪 三级 长征一号是为发射东方红一 号研制的三级运载火箭，于 1965 年开始研制。 第三级是新研制的、以固体 燃料为推进剂的。 长征一号的研制成功， 揭开了我国航天活动的序幕。 火箭总长29.46m 三级 卫星 发动机 燃料箱 燃料箱 氧化剂箱 氧化剂箱 发动机 发动机 尾翼 杆系 二级 整流罩 一级 芯级直径2.25m 第一、二级火箭采用当时的 成熟技术，并为发射卫星做了适 应性修改。 10 书接上回，在液压飞行控制系统问世之后，飞机不再局限于人的手臂力量的操控。随着飞 行技术的逐步发展，世人对飞机控制的要求也水涨船高。工程师们思考能否使飞机飞行变得更 加高效、更加灵活，而很多设计方案往往会受限于人本身的控制能力。 众所周知，人的 控 制 能 力 是 有 极 限 的。当一架飞机为了 极 端 的 灵 活 性 而 牺 牲 了 稳 定 性， 飞 行 员 在 驾 驶 它 时 就 会 感觉飞机飘忽不定， 在 天 上 只 要 稍 稍 受 一 点 儿 风 吹， 飞 机 就会立刻偏离航向， 需要手动修正回来。 用飞行员的话来说， 那就像是“在骑独轮 车”。当这种情况越发严重时，飞行员连稳定飞行或者安全降落都很难做到，更别说用这种飞 机来执行任务了。 在二战末期，有些国家希望设计出非常灵活的超级战机，结果纷纷碰到了稳定性问题，各 个项目都以惨败收场。在液压飞行控制系统出现之后，不少人又开始跃跃欲试，重启灵活超级 战机的设计想法。而这一次，在电子技术的支撑下，一个真正可行的方案出现了：既然人控制 不了这种飞机，那就让计算机来控制！ 文 / 艾萨克·秦 飞行控制教程进阶版（下） 什么？飞机靠电线来飞行？！ ◎二战时期美国的XP-55 “升腾”试验机 航空博物馆 11 电传飞行控制系统应运而生，它的结构很简单：飞行员的操纵杆下面不再有钢丝绳连接飞 机的各个翼面，取而代之的是电路和传感器，飞机上安装了飞行控制计算机（简称飞控计算机） 来判断飞行员当前摇动操纵杆的“想法”，根据判断，计算机将会通过控制液压系统来控制飞 机的可动翼面，使飞机执行相应的动作。飞行员是通过操纵杆来给飞控计算机发出指令的，而 不是实际控制飞机。飞行员不控制飞机的时候，飞控计算机也在实时地对飞机的姿态进行修正、 控制，保证飞机是以最高效、最稳定的方式飞行。 电传飞行控制系统是一种革命性的发明，它使飞机摆脱了人控制能力的局限性，在军用和 民用两个方面起到了巨大的作用。 在军用方面，电传飞行控制系统普及之后，战斗机普遍进入了第四代（旧称第三代）。由 于电传飞行控制系统能够做到实时维持飞机的稳定飞行，所以第四代战斗机在设计时普遍大幅 度减小了飞机的稳定性，变得更加灵活；同时，电传飞行控制系统还可以实时修正飞机没被注 意到的细小偏差，使飞机在飞行员手里真正能够做到“指哪儿打哪儿”。更加方便的是，电传 飞行控制系统可以和发动机控制系统、武器控制系统整合到一起，使用同一套计算机。各个系 统就像电脑程序一样被安装在战斗机的中央计算机上。这被称为“飞—火—推”一体化，大大 减轻了飞行员的负担，是目前先进战斗机最核心的技术。 ◎ 电传飞行控制系统 方向舵踏板 操纵杆 飞机动作 传感器 飞控计算机 升降副翼 作动器控制器 方向舵 升降副翼 作动器 前缘襟翼 作动器控制器鸭翼及作动器大气数据传感器 12 与从前的操纵杆每个 方向只负责一对控制翼面 不同，电传飞行控制系统 可以做到同时控制多个翼 面来进行配合，比如想调 整飞机横滚方向，在电传 飞行控制系统中，不仅可 以使用副翼，连原本不需 要参与这个动作的尾部升 降舵也可以通过两侧差动 来“帮忙”。因为电传飞 行控制系统可以使多个翼 面配合，所以一些激进的非传统布局得以成为现实，例如无尾布局、鸭式布局、飞翼式布局这 些看起来很奇怪的飞机，通过不同翼面间的配合，能像普通飞机一样飞行。 ◎ F-16战斗机的数字化驾驶舱 ◎F-14的升降舵（水平尾翼）在协助向右滚转，注意左右尾翼的角度不同 13 在民用方面，电传飞行控制系统可以让 客机做到根据当前的空气状态让飞机以最省 油的姿态来飞行，从而给航空公司省下一些 费用；同时，它也能够防止客机出现异常， 比如飞得过快、过慢或者垂直俯冲等，系统 会识别出这种危险的驾驶行为，并将飞机调 整回安全飞行状态（也就是说，哪怕飞行员 出现了严重失误，电传飞行控制系统仍然能 够给飞行员挽救飞机的机会）；由于可以分 别控制多个翼面，哪怕飞机失去了一个控制 翼面，其余的控制翼面还可以让飞机继续维 持可控飞行，进一步提高了飞机的安全性。 值得注意的是，电传飞行控制系统对于 飞机来说并不是包治百病的灵丹妙药。和飞 机上的其他系统一样，它也会出问题。对于 其他飞机而言，飞机出了问题还有可能靠飞 行员努力挽救，而一旦电传飞行控制系统出 现问题，飞机将完全失去控制。 为了解决这种问题，飞机上往往配备有 三四套同样的飞控计算机作为备份。比系统 出问题更加危险的是，飞控计算机里面的程 序出故障或者设计有问题，飞控计算机将会 和飞行员“抢夺”飞机的控制权，导致更加 严重的事故。历史上就曾出现过这样的惨剧： 波音 737-MAX 系列飞机因为早期软件设计 缺陷，在一些正常的飞行过程中，飞控计算 机错误地“认为”飞机出现故障，干扰飞行 员控制飞机，先后造成两架飞机坠毁，300 多人遇难。 ◎无尾布局 ◎飞翼式布局 ◎鸭式布局 14 在电传飞行控制系统出现之后，飞控计算机的电线替换了连接在操纵杆上的钢丝绳，以飞 控计算机为框架，工程师们又提出了若干种发展方案： 第一种就是光传飞控，即将现有的电线替换为光纤。这样可以极大地提高数据传输的速率， 同时也能避免电磁干扰，而且这种方式不用对现有的飞机设计做太大改动。 随着无线数据传输技术（Wi-Fi 等）的发展，出现了更加激进的想法——无线飞控，即取消 所有的电线、光纤，将飞控计算机和控制系统连接到一个共同的局域网络里。这样可以大幅度 减小飞机的重量，但是在飞行可靠性方面仍存在很大问题。光传飞控目前已经开始测验，而无 线飞控还停留在纸面上。 随着大功率电动机的发展，人们提出把飞机上最古老也最复杂的机械系统——负责驱动控 制翼面的液压控制系统用电动机替换掉。这种完全靠电系统控制，没有机械控制的飞机就被称 为全电控飞机。这种飞机方便维护，同时电动机对计算机的指令反应更快、更精准。很多飞机 厂商现在已经部分使用电动机来分担原来液压系统的工作，相信真正的全电控飞机很快会出现 在大家的视野中。 未来的飞机驾驶系统将会变成什么样子呢？在全电控系统出现之后，各大航空公司就提出 了通用驾驶舱的概念。像现在不同型号的电脑或手机使用相同的操作系统一样，航空公司希望 以后的飞机能够做到若干种机型的驾驶舱几乎一致。这样飞行员们就可以直接转飞不同的机型， 而无需再专门接受培训。相信随着飞机控制系统的电子化、智能化程度进一步提高，在不远的 未来，开飞机真的会简单到像开汽车一样，人人都可以很快学会。 ◎波音737-MAX 未来怎样控制飞机？ 15 文 / 夕　冉 火箭也能重复利用？ 什么是火箭回收？ 提到“回收”，你会想到什么？是纸张回收、金属回收，还是塑料回收、电器回收？随着 环保观念深入人心，大家了解到回收不仅存在于垃圾分类回收的生活领域，在电子产品、工业 材料、航空航天等科技领域也广泛应用。如今，商业航天蓬勃发展，随着火箭发射次数不断突 破新高，如何实现低成本发射是全世界专家都想攻克的一个难题。 2024 年，我国商业航天企业自主研发的可重复使用液氧甲烷运载火箭朱雀三号陆续开展了 一系列分阶段垂直起降回收试验。1 月，朱雀三号的垂直回收能力得到初步验证；9 月，朱雀三 号在酒泉卫星发射中心完成“十千 米飞行”的垂直起降返回飞行试 验，首次实现了国内垂直起降火 箭“空中二次点火”等技术验证。 目前，朱雀三号正按计划推进， 有望于 2025 年下半年完成首飞。 运载火箭是人类科技水平与 工业能力的集中体现，每枚火箭 都安装了大量精密的部件，制造 火箭的材料也非常昂贵。传统的 火箭只能使用一次，就会坠落烧 毁成为“垃圾”，一枚火箭的制 造和发射成本可能高达数亿元。 不仅如此，火箭的残骸坠落到地 面或者海洋中，还会对生态环境 造成影响。 ◎朱雀三号 航天播报站 16 回收技术的创新 火箭回收就是通过技术手段，将发射后的部分火箭进 行安全回收，并重复使用。这么做有很大的实用意义—— 随着重复使用的次数不断增加，火箭的发射成本可降低至 原来的 10%。 你知道火箭回收的是哪个部位吗？目前，大部分还是 以回收一级火箭为主。在整个火箭中，一级火箭的体积最 大、元器件最多，而它也是在完成起飞推进任务后，最早 掉落的部分，由于飞行高度低，所以受气动加热的影响较 小，因此能以较小的回收代价带来更大的收益。但是，回 收它也不容易，需要解决一系列技术难题。 ◎长征八号运载火箭的架构 为了实现火箭回收，国内外都在如火如荼 地开展相关研究工作。如何设计火箭、运用什 么方式让其着陆，以及在哪里着陆是科学家主 要考虑的问题。 传统的回收方式是使用降落伞回收。相信 同学们对降落伞的原理都比较熟悉，这种回收 技术就是利用大气的阻力来控制火箭的降落 速度，方案设计相对简单。但是开伞后，人们 对火箭的控制能力较差，难以保证着陆点，需 要准确掌握开伞的时机，才能最大化地发挥降 落伞的作用。因此，这种回收方式适用于较小 的火箭部件或者航天助推器。 在一级火箭分离后，它要在空中调个头再 回来，完成减速和着陆等一系列动作。在这个 过程中，反推力发动机、栅格舵等“推力调节 装置”是必不可少的帮手。最后在与着陆装置 的相互配合下，航天工作者才能确保回收的 部件以笔直的姿态平稳降落在指定地点。落 地后的火箭会迅速进厂，被维修、保养后投 入后续的使用。 此外，科学家通过反复试验，发现将火箭 ◎伞降回收火箭 17 ◎猎鹰９号海上回收 垂直回收技术说起来容易，但在实际操作 中，还有很多问题需要解决。火箭将载荷送入 轨道后，如果没有动力，会以超高速落回地球。 工程师回收火箭，要考虑它的高度、速度、温 度、返回轨道等诸多问题，而且这些问题在火 箭的设计环节中就要考虑到，比如工程师要考 虑火箭的重量、外形、外壳材料等，以确保其 在返回过程中能够承受高温。 为了能够返回地球，火箭还需要有足够的 燃料储备。除了满足发射任务的需要，燃料还 要支撑火箭的返程之旅。返程过程中，火箭的 重量随着燃料的消耗而逐渐减轻，发动机也要 随之不断调节推力，这无疑增加了推进系统的 复杂性。 不仅如此，要想让火箭准确地落回到指定 位置，对其导航和姿态控制的精准度也有极高 的要求，而且还需要保证火箭落地时维持竖直 的方向，不因侧翻造成损毁。 火箭回收技术推动了更经济、高效的太空 运输方式，是未来太空探索可持续发展的重要 前提。随着火箭的应用领域不断扩大，火箭的 性能也会持续丰富和优化，新的技术、工艺将 会广泛投入实践。我们国家在火箭回收技术方 面一定会有更多突破。 火箭回收有多难？ 回收的地点移至海上比放在陆地上效果更好。 回收团队通过操控可移动的海上无人平台，提 前让平台行驶到离一、二级火箭分离较近的海 洋区域，等待子级火箭下降。这样，着陆点的 灵活性更高，还节省了大量燃料，火箭运载能 力的损失也更小。 18 1 2 3 4 垂直着陆 发动机多次点火， 落地前打开稳定架 极间分离 火箭冲出大气 层，一、二级 火箭分离 机动翻转 冷气体推进箭体 进行180°旋转 飞船分离 二级火箭 继续将航 天器送入 预定轨道 引擎启动 多次点火降低下落速度， 打开栅格舵调整火箭姿态 ◎猎鹰9号发射以及返回过程 19 早在 20世纪，科学家们就对火箭回收提出了多种设想。在技术和经济等条件的限制下，当 时他们进行了颇多尝试。 20 世纪 50 年代，苏联就曾用降落伞成功回收了小型气象火箭MR-1，它在修复后还实现 了复飞！ 20 世纪 60 年代，NASA启动了航天飞机的研究计划。这是一种往返于地球和太空之间的 航天运载器，发射采用火箭发射技术，返回地面时则像飞机一样水平着陆。1981 年，第一架航 天飞机进行了飞行试验。 ◎奋进号航天飞机返回地面 可回收火箭发展简史 知识速递 中国的可回收火箭技术虽然起步较晚，但正处于稳步发展阶段，在国家院所和民营企业的 共同发力下，取得了令人瞩目的进展。由中国航天科技集团有限公司第八研究院研制的长征 十二甲是一款具有里程碑意义的可重复使用火箭。2024 年 6 月，它完成了国内首次 10 千米级垂 直起降回收试飞，并有望在今年内完成一级回收。 商业航天企业中，星际荣耀的双曲线二号小型液体运载火箭在 2023 年完成了两次垂直起降 飞行试验，实现国内首次可回收火箭的复用飞行。蓝箭航天研发的朱雀三号可重复使用火箭， 一子级设计复用次数不少于 20 次，具备一箭多星发射能力，其发射成本相较一次性使用火箭可 降低百分之八十至九十。2024 年 9 月，朱雀三号试验箭成功完成了火箭一级的 10 千米级垂直起 20 ◎新谢泼德火箭 ◎朱雀三号完成十千米级 垂直起降飞行试验 20 世纪 90 年代，美国麦道公司启动三角快帆项目，准备研制一种单级入轨、垂直起飞并 可回收的航天运载器。1993 年，验证火箭首飞成功，初步验证了火箭可以自行控制落回地面。 当时的计算机技术还不够发达，难以支撑复杂环境下的稳定回收，但是为火箭垂直回收技术的 发展打下了坚实的基础。 2015 年，蓝色起源公司的新谢泼德火箭和 SpaceX 公司研发的猎鹰系列火箭相继实现了 垂直回收。不同的是，新谢泼德火箭是为短途太空旅行而设计的亚轨道飞行器，飞行高度距地 面 100 千米左右，短暂跨过卡门线后，依靠发动机调节推力返回地面；而猎鹰 9号火箭是一款 中型的二级入轨运载火箭，回收的是它的一级火箭，开创了从太空垂直回收火箭的历史。至今， 猎鹰 9号已经完成了 300 多次回收和复飞任务。 ◎三角快帆试验 火箭概念图 降飞行试验。这次试飞还 检验了不锈钢箭体制造、 栅格翼控制等技术，为未 来实现大运力、低成本、 高频次的航天发射目标打 下了坚实基础。 21 2024 年 3 月 14 日，星舰迎来了第三次全面 飞行测试。 超重型火箭发出震耳欲聋的轰鸣，托举星舰 飞船一飞冲天。在与星舰飞船成功分离后，超重 型火箭完成了返航点火和反推等复杂的返回操作， 但由于它的发动机中有 6 台提前关闭，导致它返 航时像离弦之箭高速坠海，在离海面 462 米的高 文 / 朱林崎 ◎2024年3月14日，星舰第三次试飞 星舰三飞： 波折不断， 表现亮眼 22 度解体。调查显示，液氧供应过滤器持续堵塞可能是发动机故障的罪魁祸首。 星舰飞船在与超重型火箭分离的阶段，其 6 台猛禽发动机齐齐点火，与前两次试飞相比， 这算是首次成功完成上升段的全程燃烧。然而在再次进入大气层时，星舰飞船的姿态控制出现 了问题，未能按计划进行再点燃测试，飞行轨迹也偏离了预定路线。飞行到大约 49 分钟时，遥 测信号在 65 千米的高度丢失，星舰飞船失联并最终解体。专家分析认为，滚动控制阀门堵塞可 能是导致它姿态失控的元凶。 尽管火箭解体、飞船失联，SpaceX 总裁格温 · 肖特韦尔却在第一时间发表祝贺：“在取 得如此辉煌成果的一天，我向整个团队致以热烈祝贺！” 雄心勃勃，亮点多多 星舰的第三次试飞，无论是超重型火箭还是星舰飞船，都未能按计划顺利降落，以解体告终， 然而这次试飞仍被誉为 SpaceX 的巨大成功。这究竟是为什么呢？其实，这次试飞设定了一些雄 心勃勃的目标，旨在获取尽可能多的数据，为下一次设计迭代提供信息。这些宝贵的数据将用 于星舰第四次飞行测试，并助力实现新的目标。从结果来看，星舰第三次试飞亮点多多。 ·超重型火箭第二次成功点燃 了 33 台猛禽发动机，并且在上 升过程中完成了全程 燃烧，就像一支合唱团，33台 发动机雄壮合奏，将火箭推向 天空。 ·超重型火箭与星舰飞船第二 次成功进行了热分离。火箭关 闭了 30 台发动机，保 留 3台中心发动机以 50%推力 持续推进，而飞船则在分离前 点燃了自己的 6台发动机， 就像接力赛中，火箭将接力棒 交给了飞船，飞船继续向前冲 刺。 ·分离后，超重型火箭点火进 行全程回推，如同一个舞者在 空中优雅地旋转，寻找 机会轻盈落地。尽管最终未能成 功落到海面，但它精准地飞到了 预定的海上溅落点上空。 ·星舰飞船的 6台发动机成功 启动，推动飞船进入预定轨道 ，成为首个完成全程 上升燃烧的星舰飞船。 ·星舰飞船跨越大气层，进入 近地轨道，轨迹与预期基本重 合。 ·星舰飞船首次再入大气层， 实现了高清实时视图和大量遥 测数据的传输，就像一 名探险家在探险结束后带回了 详尽的日志和照片，为后续的 探险者提供了丰富的信息。 星舰三飞： 23 ◎星舰飞船再入大气层时被等离子体包裹的画面（图源：SpaceX） 再入画面无比惊艳，突破黑障不惧失联 当星舰飞船重返大气层时，SpaceX 利用星链（Starlink）进行了网络直播，展示了飞船穿越 等离子体云的罕见画面，吸引了全世界观众的目光。 通过实时直播，我们可以清楚地看到，当星舰飞船再入大气层时，一道光芒出现并开始增长， 星舰被一层淡淡的红色等离子体光环包裹。随着飞船高度的降低，这光环逐渐增强，最终变成 橙黄色的火球。在这之前，从未有人现场拍摄到色彩斑斓的等离子体完全包裹飞行器的画面， 这次直播让人类首次目睹了航天器返回地球时遇到超高温等离子体云的壮观景象。 与之前的试飞相比，星舰第三次试飞达到了前所未有的飞行速度和距离，不仅到达了预定 轨道，而且几乎完成了所有预设目标。这次试飞为星舰第四次试飞奠定了坚实的基础，为未来 的发展铺平了道路。 什么是等离子体？为什 么飞船在再入大气层时会产 生等离子体云呢？ 我们日常看到的物体， 通常有三种形态：固体、液 体和气体。其实，物体还有 第四种形态：等离子体。我 们以水为例来了解一下。水 在 0℃以下是固态的冰，在 常温下是液态的水，在标准 大气压下加热到 100℃就变 成了气态的水蒸气。假设给 水蒸气持续加热，温度升高 到几千甚至上万摄氏度时， 水蒸气就会变成等离子体。 固体、液体和气体都是 由中性粒子（分子或原子） 构成的，而等离子体则包含 24 大量带电粒子，这些带电粒子是在高温或强电场等特殊环境下产生的。等离子体就像一群非常 活泼、能量十足的小精灵，可以发出光芒和热量。其实，我们身边有很多等离子体，比如天上 的闪电、绚丽的极光，你可能还不知道，太阳也是一个巨大的等离子体。 当飞船像流星一样返回地球，以每小时几万千米的速度冲进大气层时，就像用力拍打水面 会溅起水花一样，飞船头部猛地撞上空气，把空气压缩得很厉害，形成了一个无形的巨大“空 气冲击波墙”，叫作激波。由于飞船头部周围激波的压缩和大气的黏度作用，高速飞行的动能 大量转化为热能，产生的热量将周围的空气加热到数千摄氏度。此时，高温使空气分子分解成 带电粒子——等离子体开始登场了！飞船周围形成了密集的等离子体云，它们在高温下发出耀 眼的光芒，就像一场壮观 的烟火表演。 飞船周围充满等离子 体云虽然看起来非常惊艳， 但等离子体云像一片浓雾， 对飞船无线电信号产生一 种屏蔽效果，导致飞船和 地面上的控制中心通信中 断，这种现象被称为黑障。 ◎传统飞船（上）与星舰飞船（下）周围等离子体分布对比（图源：SpaceX） 25 ◎星舰第三次试飞前，在星舰 飞船的背风面安装了4个星链终 端 天线 随着飞船高度的下降，当速度降低到一定程度时，不再有足够的温度使气体分子电离，信号就 会恢复正常。尽管只是短暂失联，但黑障期间由于通信中断，地面失去了对飞船状态的掌握和 控制能力，这对航天任务的安全性有很大的影响，所以黑障一直是困扰航天发射的技术难题。 为什么星舰飞船在返回地球时能够实现全程直播？在极端高温的等离子体“浓雾”中，它 是如何突破黑障，维持通信联络的呢？让我们一起来拨开迷雾吧！ 传统的飞船返回舱像个小钟，直径和高度都只有约 2.5 米左右，显得娇小玲珑。在返回时， 迎风面形成的等离子体几乎把整个舱体完全包围，就像一个小人儿在浓雾中迷失方向，四面八 方都是等离子体“浓雾”，使通信信号难以穿透。而星舰飞船则是一个高 50 米、直径 9 米的“巨人”， 等离子体“浓雾”无法将如此巨大的飞船完全包围，总会留出一些空隙。将天线放置在没有被 等离子体“浓雾”包围的位置，通信信号就可以从这些空隙中找机会“飞越浓雾”，传递出去。 研究表明，等离子体“浓雾”主要集中在飞船底部的迎风面，背风面相对少一些。所以， 星舰第三次试飞前，SpaceX 的工程师们将 4 个高性能星链终端天线安装在了星舰飞船的背风面， 专门用于与星链卫星进行通 信。这些天线就像飞船的“耳 朵”和“嘴巴”，可以在等 离子体较少的区域接收和发 送信号。 星链庞大的卫星网络为 星舰飞船的通信提供了坚实 的保障。星链是一个低地球 轨道上的全球宽带星座，目 前包含 7000 多颗运行中的卫 星。星链卫星之间通过激光 链路连接，实现了全球无缝 隙覆盖，能够提供前所未有 的遥测数据量。 星链卫星的轨道高度大 于 500 千 米， 而 星 舰 飞 船 第三次试飞的最大高度只有 26 SpaceX 采用“以飞代试”的理念，每一次试飞都增加更多测试项目，以迅速完善星舰设计 和实验数据。星舰的第三次试飞不仅仅是单纯的发射测试，还增加了两个新的“考试”科目—— 有效载荷舱门开合实验和推进剂转移实验。对于巨型星座部署、星际旅行以及太空探索而言， 正是基于这样的一小步尝试，才能实现未来的一大步跨越。 星舰飞船的有效载荷舱门就像是它的“大嘴巴”，负责“吐出”货物，例如部署卫星。在 演示验证过程中，舱门一开 始有点儿卡涩，经过多次尝 试，终于部分打开，并且保 持了 16 分钟，这是即将部 署星链卫星所需的时间，从 而对卫星部署能力进行验 证。 此外，星舰飞船在轨道 上进行了推进剂转移实验， 尝试将少量的液氧推进剂从 星舰的头部小型贮箱转移到 主贮箱。虽然数量不多，但 “加考”小尝试，未来大跨越 ◎星舰飞船的有效载荷舱门 234 千米，因此整个飞行过程中它都在星链星座的覆盖范围内。由于星链卫星位于更高的轨道， 远离等离子体向上发送信号比试图通过等离子体与地面天线通信更容易。此外，星链信号的工 作频率较高，等离子体“浓雾”对它的不良影响相对较小，就像一束强光可以穿透部分浓雾， 从而对解决黑障问题有很大的帮助。 星舰的第三次试飞就像一场精彩的空中表演，而星链系统则是这场表演的幕后英雄，确保 飞船和地球保持紧密联系，帮助飞船在遭遇等离子体“浓雾”时依然保持通信畅通。就像是一 位经验丰富的向导，可以指引飞船安全回家，星链系统对于星舰的轨道再入、下降和着陆过程 来说非常重要。星链的支持不仅让飞船行进的每一步都更加稳妥，还提升了整个过程的效率和 安全性，这对于未来的太空任务来说，是一个巨大的进步。 27 的空间探索活动具有深远影响。美国国家航空航天局的官员表示：“此前从未有人尝试过如此 大规模地在轨道上储存和转移低温推进剂。这是一项改变游戏规则的技术，必须加以开发和完善， 才能用于月球、火星和更远的太阳系探索任务。” 星舰的第三次试飞，虽然经历了波折，但表现亮眼，就像穿越等离子体云的光芒，照亮了 快速重复利用太空技术的未来之路。 这是在轨加注技术的一大突破。 想象一下，把星舰送上月球需要 多次“加油”，更不用说去往火 星或其他星球。这项技术的成功 演示，为星舰在轨“加油”提供 了第一手实测数据和经验，对未 来重复使用运载火箭的能力拓展 具有重要意义，对于人类的月球 和火星任务以及大规模、常态化 ◎星舰飞船的推进剂转移实验示意 ◎星舰飞船的有效载荷舱 门开合实验（图源：Spac eX） 液氧 / 甲烷油箱 有效载荷舱 甲烷储存罐 氧气储存罐 引擎舱 28