rrrrr 人类为什么要探索太空r r rrrr 04 变革一触即发rr 遭遇太空赤道无风带困境rr 美国国家航空航天局已经处在太空探索的“赤道无风带”。
rr 赤道无风带是一片区域，而不是一种精神状态。
18世纪时，水手们知道在赤道附近的一片特定区域里，可能几天甚至几个星期都不会有盛行风，航船可以在平静无风的海面上驻留。
美国国家航空航天局也陷入了停滞期，工作人员和支持者都情绪低落，研究工作则停滞不前。
1rr 第一部分介绍了太空行业过去的情况，接下来我们来了解一下现状。
首先，我们将介绍40年过去后，也即从1969—1972年的登月到没有能力将宇航员送入近地轨道，我们的壮志雄心还剩多少。
我们会探讨太空旅行中的重重困难，其根源在于火箭方程中无法改变的事实。
然后，我们会介绍正在发展中的太空旅游产业带来的一线希望。
最后，我们将对比信息技术和空间技术的发展进程，这让我们相信，太空探索复兴在即。
rr 2013年美国政府关门危机时期，可能也是美国国家航空航天局的最低潮期，97%的员工被迫休假，在24个联邦机构中比例是最高的。
只有一部分骨干员工留下来确保国际空间站上的人员安全。
其他活动则停止了——没有人开展科研活动，没有飞行任务要执行，电子邮件也无人回复。
这残酷地提醒了我们，太空旅行这一崇高目标轻而易举就能被地球上的政治竞争“禁足”。
rr 同时，美国国家航空航天局也一直受限于陈旧的基础设施。
2013年，监察长办公室发现，美国国家航空航天局80%的设备是40多年前的老设备，早就过时了，且每年的维护成本高达2 500万美元。
对美国国家航空航天局来说，只在这些设备上刷上一层漆之类的翻新是远远不够的，毕竟，积压的设备延期维修费总计已高达22亿美元。
2几十年来，美国国家航空航天局所获得的政府拨款一直在缩减（如图4-1）。
2008年美国政府对银行的紧急救助，就超过了1959年以来美国国家航空航天局获得的所有政府拨款。
如果没有钱，就无法开展太空旅行(5)。
rr rr 图4-1 美国国家航空航天局的预算占联邦预算的百分比rr 注：此图显示了20世纪60年代初期以来，美国国家航空航天局的预算在联邦预算中所占的比例。
在“阿波罗计划”期间，美国国家航空航天局的预算达到了前所未有的高度，但并没有持续多久。
从那以后，除了在航天飞机计划和国际空间站计划期间稍有增长之外，美国国家航空航天局的预算一直在稳步减少。
rr 航天飞机是美国太空探索事业萎靡不振的一个缩影。
航天飞机代表的是40年前的技术，2011年执行完最后一次飞行任务。
航天飞机的发射率只有原计划的1/10，每次发射成本则比原计划高了20倍。
5架航天飞机中有2架发生爆炸，机上所有乘员丧生。
除了象征性的飞行发射和为哈勃空间望远镜提供服务之外，在大部分时间，航天飞机仅作为发射卫星的昂贵的“豪华轿车”，以及为造价高昂但已过时的国际空间站运送建设物资。
“挑战者号”和“哥伦比亚号”航天飞机的灾难，早已铭刻在美国人的灵魂深处。
因为这两起灾难，人们对美国的太空探索计划普遍持又爱又恨的态度。
32011年以来，没有俄罗斯的帮助，美国甚至无法将宇航员送入轨道。
rr 除了和美国之间的双边关系非常冷淡外，俄罗斯自身的问题也不少。
rr 苏联解体后，俄罗斯的太空计划也遇到了预算缩减和缺乏创新等问题。
41965年，苏联发明了“质子号”运载火箭（Proton Rocket），用于发射洲际弹道导弹，俄罗斯现在仍在使用基于“质子号”火箭原始设计的改进型。
最近几年，俄罗斯遭受了7次任务失败。
2010年，3颗卫星坠入太平洋。
2011年，一艘货运飞船在执行国际空间站再补给任务时发生爆炸，在西伯利亚上空形成了一个巨大的火球，致使空间站上的6位宇航员不得不动用储备的食物和水。
2013年，另外3颗卫星在一次爆炸中损失，并在发射地点周边留下了数百吨有毒残骸。
俄罗斯宇航学院（Russian Space Academy）院士尤里·卡拉什（Yuri Karash），将俄罗斯火箭研发比作为蒸汽机升级：“你为它配备一台计算机……你为它装上空调，你将具有大学学位的火车司机安排在驾驶室，但它仍然是一个蒸汽车头。
”5俄罗斯政府审计署发现，用于空间计划的资金被白白浪费了。
rr 位于哈萨克斯坦西部大草原的拜科努尔航天发射场（Baikonur Cosmodrome）已经衰落了。
拜科努尔航天发射场是发射“斯普特尼克号”卫星的地方，也是尤里·加加林和莱卡创造历史的地方。
但如今，很多空置的建筑被游牧人占据了，这个小镇正在与海洛因走私犯和激进分子做斗争。
来自美国、欧洲和日本的宇航员只能通过有车辙的道路进入发射场，对于这些道路，骆驼享有优先通行权。
但宇航员们还是不断往来这里，因为这里是进入太空的唯一道路。
rr 与此同时，美国发射无人探测器探索太阳系的计划虽然基本上算是成功的，但也面临着压力。
用于行星科学的预算一直在缩减。
一台精密复杂的行星际探测器造价高达几十亿美元，但每10年的总预算仅够执行几次任务。
6更根本的问题在于钚。
20世纪70年代以来，我们对太阳系外行星及其卫星的了解，几乎完全依赖于放射性同位素钚-238释放的能量。
由于太阳能太微弱，化学电池效率太低，核反应堆（当然，不能用于制造核弹）的副产品钚-238就成了理想的超级燃料。
然而，俄罗斯糟糕的计划和虚假的承诺，使得美国国家航空航天局没有足够的钚来支撑接下来几年的探测任务。
核危机太严重了，受其影响的研究者称之为“大麻烦”。
rr 通信是另一个必须解决的基本性问题。
当你在YouTube上观看一个搞笑的猫视频时，你也许会模模糊糊地意识到视频是一串由0和1组成的数据流，但不会去想这些数据是如何传到你的电脑上的。
实际上，视频、电子邮件以及数据并不是作为一个整体传输的，而是被分割成众多的数据包，通过光纤和无线电波经由网络的网络传输到世界各地，然后在你的电脑或者掌上设备中重新组合——就像一节一节的数字香肠。
对生活在地球上的人来说，这种传输方式很有效。
为什么月球或火星上的宇航员想要观看猫视频就那么困难呢？rr 首先，光或者无线电波从地球到达火星的时间为4～21分钟，这取决于火星和地球在各自轨道上的相对位置。
美国国家航空航天局的工程师无法像电子游戏爱好者玩游戏一样，通过快速移动操纵杆来控制火星探测车翻越沙丘。
探测车由控制指令精心控制，考虑到信号来回火星和地球之间所需的时间，两个控制指令之间会间隔30分钟甚至更久。
其次，自转中的行星会遮挡住轨道飞行器，因此存在无法进行通信的死区时间。
最后，这些中断和延迟会带来技术性问题，因为网络路径是不断变化的，如果某个数据包在其他数据到来之前等待太久，这个数据包就会被废弃。
目前，互联网还无法延伸到太阳系。
幸运的是，“互联网之父”文顿·瑟夫（Vinton Cerf）一直在辛勤工作，他于1973年开发出了最初的网络协议，目前正在和美国国家航空航天局合作，开发能无缝传输数十亿千米的下一代系统。
7rr 然而，当太空探索处于赤道无风带而无法前进时，真正的问题不在于资金短缺或者通信受阻，而在于推进力不足。
rr 方程梦碎火箭rr 为什么太空旅行这么困难呢？按照牛顿的估算，这只不过是将物体加速到28 405千米/秒。
这种说法与将名画《蒙娜丽莎》描述成一个微笑的女人的画像一样毫无意义。
粗略的描述是无法体现这项工作的复杂性和精妙之处的。
rr 在死寂的海面上，当微风拂过，海面会泛起涟漪，平抚心境。
千年以前，人们就知道，如果你能用帆布或者船帆捕获风，风就会推动你向前。
从罗马人到维京人的大型船只都用横帆来捕获风，再运用人力划桨来加强动力。
但1 000多年前来往于地中海的水手们通过实验发现，三角帆几乎能让船只顶风航行，而且使用多张帆时效果更好。
然而，在顺风时，横帆船的速度无法超过推动它前进的风的速度。
现代游艇的速度能比风速快好几倍，即使在几乎逆风而行时也一样。
rr 1738年，瑞士科学家丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）就这一情况做出了解释。
伯努利是著名的伯努利家族的一员，这个家族盛产数学家和科学家。
其中的物理原理是，在任何流体中，流体流速变大都伴随着压力变小。
风被迫扫过弯曲的帆面时，帆前方的风速比帆后方的风速快，因而帆前方的压力就会减小，帆后方的压力就会增大，这个压力差推动着帆船前进。
rr 现在，我们假设帆是横的。
如果横帆能通过空气推进，那么它在向上的方向上就会受到相同的力。
飞行原理是以几百年前总结出的牛顿物理学为基础的。
rr 飞行中的物体，比如鸟、飞机或者火箭，一直在持续不断地与相反方向的力做斗争。
引力，这一向下的力是无法避开的敌人。
向上的力是升力，来自流经翅膀的空气。
向前的力是推力，由鸟类的肌肉或者飞机的发动机提供。
推力的反作用力是阻力，
