应邀为建平中学的同学们科普讲座，主题为“航天、北斗与火星探测”

沈海军教授简介：

沈海军，同济大学航空航天与力学学院教授、博士生导师、飞行器工程研究所所长、兰州交通大学兼职教授。目前主要研究方向有飞机设计、疲劳断裂等。现任教育部教学指导委员会(航空专业)委员，上海力学学会科普委员会主任、上海航空学会科普委员会副主任。主持或参加过国家863、国家自然基金、航空基金等多个项目;已发表论文280余篇，其中30余篇被SCI或EI检索，出版有《近空间飞行器》、《航空航天概论》、《纳米艺术概论》、《中国航空史话》等著作/教材10部。曾获宝钢教育奖、上海市育才奖、上海市科普贡献奖、上海高校优秀教材奖，上海市高校教学成果一等奖、江苏省高校教学成果二等奖、上海市推进公民素质先进个人等荣誉。

近年来，科研教学方面的先进事迹曾先后被《人民日报》、《光明日报》、《中国青年报》、《环球时报》、CCTV等媒体报道。曾多次出席《香港卫视》、《上海电 视台》航空相关栏目特邀嘉宾。

几年来，中国航天事业突飞猛进，在北斗导航、载人航天、深空探测、运载系统等诸多工程领域异军突起，取得了一系列重大科技成果。这些成就既反映出中国航天的实力，也标志着中国从世界航天大国迈入航天强国的行列。尽管如此，中国在航天领域仍和美国存在巨大差距。只有认识到差距，才能够找到短板，进而明确自己的发展方向和策略。

一、航天

一直以来探索外太空都是航天发展的重要项目，而要想探索外太空首先就要把与航天员送上外太空，不过因为这其中的技术难度以及风险程度，导致现在全球航天载人技术一直都没有质的飞跃。

从进入太空的宇航员数量来看，美国至今已有530余名宇航员进入外太空，是目前全球数量最大的国家。在阿波罗计划中曾先后6次将12名宇航员送上月球。而截止至目前为止，中国只有11名宇航员送入太空。值得注意的是，最近（2021年7月11日），美国维珍集团创始人、70岁的英国亿万富翁理查德·布兰森首次乘坐维珍银河的太空船“团结号”飞往地球大气层边缘，并试飞成功，他也因此成为进入太空边缘的私人航天第一人。美国这种“准太空”商业旅游，让人叹为观止。

从时间上来看，美国人第一次进入太空的时间是1961年，1969年完成了载人航天登月的成功壮举。国内是在2003年神舟5号首次实现载人航天，我国至今还未实现载人登月。从时间上对比，差距很大。

从载人航天器类型和数量来看，中国的航天器为神舟系列飞船，目前已发展到神舟12号。相比之下，美国从1959年第一艘载人飞船发射，一直到2019年第一艘商业载人飞船飞天，60年间美国载人飞船一共经历了五个时代，即水星时代、双子座时代、阿波罗时代、航天飞机时代、商业飞船时代，出想过数十种型号的载人航天器。美国的载人航天器不管是从型号种类，还是数量方面都远超过我国。

从载人航天任务的数量来看，美国水星计划、双子星座计划、阿波罗计划、天空实验室计划、载人龙飞船在内共实施过30多次载人飞船发射，5架航天飞机也累计执行了135次载人飞行任务。而我国载人航天任务的次数屈指可数。

二、北斗

1957年，在苏联发射了世界上首颗人造卫星后，美国也盯上了空间领域，开始启动GPS计划，在1964年为军方提供了导航服务。美国一开始的想法是用于核潜艇开发，但这个出于军事领域的目的后来却在民用领域深得人心。

大众对于GPS的接触更多是手机里的各类地图，我们利用GPS进行路线规划，寻找去处；在汽车驾驶中利用GPS引导我们到达目的地等等，作为卫星导航代表之一的GPS，也常常成了提高现代影视科技感的选择之一。

美国在研究GPS时，明确了一个问题，就是卫星站轨，理论上三个卫星就可以覆盖全球，到底在低、中、高的哪个轨道合适呢？若选用低轨道，发射成本低，精度高，但需要200颗卫星覆盖，工程大且不易负担；若选用高轨道，三颗卫星就能搞定，但发射难度大，精度低。选用中轨道，覆盖全球只需24-36颗卫星，由于轨道是运动的，即使地面的物体静止，相对卫星的速度也很大。综合考虑，美国选择了24颗卫星的中轨道星座，在1978年发射了第一颗，全系统于1995年投入运行。

对于当时的北斗而言，只有两个卫星工作，如何像GPS那样达到中轨道，实现和它相同的功能？当时的我们当然没有办法做到。我们试想了低轨卫星，但覆盖面积会变小，这样一来，两颗卫星有很大的概率只会在中国区域之外飞行，对于中国地区的用户来说，就没法正常使用。

三、火星探测

航天领域的意义就是为了探索外太空，目前全球真正登上外星球进行探索勘测的次数说起来并不多，而且这其中很大一部分都是机器登录勘测，真人登录勘测更是少得可怜。至目前为止，美国对月球进行过100多次机器探测，12次载人登月勘测，除此之外对月球以外的太阳、金星、木星等七大行星、冥王星，乃至一些小行星都进行过探测任务，成功发射了一系列各种行星探测器，并取得了大量重大发现和科技成果。飞离太阳系，进入星际空间的旅行者号探测器已经成为美国深空探测的丰碑。美国在火星探测上占有绝对优势：全球参加过火星任务的探测器名单，近一半属于美国，而火星表面的火星车除了我国“祝融号”外，均属于美国。近来，美国人还成功在火星表面放飞了人类首个无人机。

此外，在上个世纪美国就实现了在火星上软着陆，奠定了人类火星探测的基础。之后，美国又发射了多个探测器，对火星进行了全方位的研究，一步步揭开了火星的神秘面纱。按照计划，在2037年，美国将派宇航员登上火星。同时，我国的火星探测项目也在有序地进行中，未来中国也将在火星探测上拥有一席之地。

中国深空探测目前主要成果为探月工程和2016年立项的火星探测工程。国内是2007年开始月球探测的，目前已实施探月任务的探测器为嫦娥1号至嫦娥5号，以及玉兔号月球车，并未载人登月。首次火星探测器“天问一号”去年才成功发射。由于“天问一号”是中国的首个火星探测器，因此勘探任务尚属于火星的“基础”探测。

2020年7月，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。目前全球范围内已经有137个国家与北斗卫星导航系统签下了合作协议。北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。

技术水平上，我国的北斗卫星导航系统已与美国GPS系统比肩，在伯仲之间。美国GPS的最大优势在于建设时间早，占据了有利的空间轨道和频段；经过长期的实践使用，拥有了众多的老用户；实践中配套的软硬件设施及生态环境也已经得到优化，已非常成熟。而我国的北斗系统则拥有后发优势，卫星及通讯技术上略胜一筹，加上在轨卫星数量（45颗）上占优，因此时间和空间上的定位精确度也较高。

2013年4月，中国首颗高分辨率卫星“高分一号”成功发射。此后，又成功发射高分二号至高分十四号、资源三号卫星等，构成了中国自主高分辨率对地观测系统并形成体系能力。2015年12月，我国成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。该卫星具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强等优势，将中国的暗物质探测提升至新的水平。2016年8月16日，中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017年6月、8月，“墨子号”卫星先后在国际上首次成功实现千公里级卫星和地面之间的量子纠缠分发、量子密钥分发和量子隐形传态。2018年2月，中国成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，进入预定轨道，标志中国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。2019年12月，中国将实践二十号卫星送入预定轨道，旨在在轨验证通信、导航、遥感等多领域16项关键技术。2020年7月，亚太6D通信卫星成功发射，成为中国当前通信容量最大、波束最多、输出功率最高、设计程度最复杂的民商用通信卫星。该卫星将为亚太区域用户提供全地域、全天候的卫星宽带通信服务。2021年5月，中国成功将海洋二号D卫星送入预定轨道，该卫星和此前发射的海洋二号B、C星组网，标志着中国海洋动力环境卫星迎来三星组网时代。

最后，建平学子们积极提问，比如空间垃圾怎么处理、火星和卫星有没有撞上的可能性、对未来空天飞机有什么看法等，沈教授积极为同学们解答疑问，获得同学们热烈的感谢！

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