大家好,2021年6月20日星期日,欢迎收看第290期睡前消息。请静静介绍新闻。
6月14日到18日,2021年全球航天探索大会在俄罗斯圣彼得堡举办。据俄罗斯卫星通讯社报道,中国运载火箭技术研究院院长王小军,在大会上展示了载人登陆火星计划。
今年,天问一号一次性实现了火星探测的绕落巡,跨越式追上了美国人的火星探索进度。现在又提出载人登火,是不是我们快要见证历史了?
https://sputniknews.cn/science/202106161033900684/
目前来看,这个项目还处在概念设计阶段。会上介绍方案的时候,也没有说具体时间。但这个时间不难猜,如果一切顺利,大概会在2048年前后发射载人登火飞船。如果美国航天也能顺利发展,有可能会与我国同时举行载人登火项目。
这么猜,主要是考虑到火星任务的客观条件。载人火星探测不能说发射就发射,火星尘暴、轨道上合、太阳活动与地-火相对距离,都直接影响任务规划。
具体来说,火星表面气候虽然有不确定性,但一般来说,当火星运动到近日点附近,就会进入全球尘暴高发期。而具体着陆区,还会有不同的尘暴季节分布特征。尘暴爆发时,载人飞船不能进行着陆或起飞操作,也不能进行舱外活动,通信也会中断。所以载人登火任务规划,在时间上必须按照火星气候安排。火星公转一周要687天,火星任务的气候窗口,也要按公转周期来。
天问一号预选着陆区尘暴季节分布
https://www.view.sdu.edu.cn/info/1021/137981.htm
除了火星气候,在行星际航行中,太阳也是个重要干扰因素。
当出现轨道上合,也就是地球、太阳、火星三点一线的时候,太阳会遮蔽通信。虽然时间比较短,但人类建设大规模星际中继通信网还很遥远,要避免这种情况出现在飞船往返途中。短期火星任务要四百多天,长期火星任务要九百多天,轨道上合周期大概是26个月,短期任务很难规避,长期任务必然遇上。要把轨道上合的时间,安排在宇航员火星停留期间。太阳活动周期是另一个影响因素。太阳活动周期大约是11年,太阳活动极大年会干扰探测合通讯,也要规避。所以像2036年、2047年这样的太阳活动极大年,也要在任务中剔除。
还有一个重要因素,是地-火相对距离。虽然差不多每隔26个月,地球与火星就会有一次最小距离。但不同年份的最小距离也不一样,地-火最近距离平均每15或17年会出现一次极小值,也叫火星大冲周期,能把距离缩短到0.4个天文单位。而在最差的年份里,地-火最小距离接近0.7个天文单位,前后相差0.3个天文单位,几乎多了一倍行程。
载人任务考虑到缩短周期、减少燃料与维生物资载荷,也要优先选择轨道条件较好的年份。去年中美两国都在赶时间发射火星探测器,一部分原因,就是在接下来几年里,地火距离会越来越远,不利于发射。欧空局原本也想在去年7月发射火星探测器,结果任务推迟了,接下来几年条件越来越差,希望他们能赶上明年的窗口。
2014-2061年火星和地球轨道之间的最小距离(天文单位)
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/3/437006.shtm
https://zh.wikipedia.org/wiki/羅莎琳·富蘭克林號
下一个火星大冲期轨道窗口在2033与2035年。载人任务要考虑返程距离,所以要预留返回窗口,这就意味着最近一个载人登火窗口是2033年。航天是特朗普在任时的重要政治话题,2019年3月26日,彭斯在美国国家航天委员会第五次会议上,要求2024年重返月球,NASA局长布里登斯廷当时就说,希望2033年登火,赶上下一个最佳轨道窗口。
当时我在睡前消息公众号上,发文章介绍过美国人的评估报告。彭斯与布里登斯廷一个说登月一个说登火,看起来其乐融融,其实是在抢经费。NASA的载人登月与登火项目是在同一个计划框架下的不同任务,优先选哪个,都会相应挤占另一个的经费。就算优先考虑载人登火,很多深空工程子项,还是要靠登月工程来验证,最多削减登月规模,算下来2033年的窗口肯定赶不上,必然要等到2040年以后。而从轨道窗口来看,下一个最佳时间,就在2048到2052年。
2019年彭斯催NASA赶在2024年登月,当时评估机构就说2028年能登月就不错了。疫情过后,美国政治核心议题发生重大转向,重返月球计划还要大幅拖延。未来中美两国站在同一起跑线竞争的超级航天项目,不光是载人登火,很可能连登月也一样。
大家只要努力锻炼身体,健康作息,都有机会见证历史。
按照这次大会上介绍的计划,中国载人登火工程将分成两个阶段执行。你怎么看?
这个方案在一定程度上借鉴了美国人之前的计划。
从这次方案来看,第一阶段会用四次重型火箭发射,在近地轨道组装货运飞船,然后飞往火星,把货物卸载到火星上。第二阶段是用三次重型火箭发射,在近地轨道组装载人飞船,再用一次载人火箭发射把宇航员送入到飞船里。前后8次发射,也就是7次长九加1次921。
这个方案看上去,与NASA在2007年发布的火星设计参考任务5.0版,有相似之处。这说明经过内部讨论,我国专家认为这个路线最合理,最符合技术预期。美国后续制定的载人登火计划,也基本是在这个方案基础上修修补补。美国载人登火工程虽然一直没什么进展,但方案前后磨了几十年,概念已经很成熟,可以直接拿来参考。
https://www.lpi.usra.edu/meetings/leag2007/presentations/20071001.drake.pdf
在过去半个多世纪里,美国提出过很多次载人登火计划。早在1952年,冯·布劳恩就设计过宏伟的载人登火工程,要用上千次发射,拼十艘宇宙飞船组成舰队,搭载70人科考队前往火星,还设计了火星飞行器。那时候人类连第一颗卫星都还没上天。
在美苏太空竞赛高峰期,美国的重点是登月。火星任务也做了一些研究,主要取得进展是核热火箭。美国赢得登月竞赛胜利后,连登月投资都维持不下去,登火也就被搁置了,航天中心回到了近地空间。
80年代末,苏联已经在冷战中全面败退,美国压力极大减轻,过去很多项目都变得没必要。为了给庞大的航空航天产业找出路,当时的总统老布什提出了《太空探索计划》,不仅把里根时期搁浅的自由号空间站计划翻了出来,还提出要重返月球、登陆火星。整个计划预算要花掉当时的5000亿美元,把国会吓坏了。1996年克林顿上台后,把近地轨道以外的项目全部砍掉,整个计划只剩空间站有后续,还是缩水版的国际合作项目,也就是今天的国际号空间站。
2004年,小布什又提出了“太空探索新构想”,把老布什的方案从故纸堆里又翻了出来,载人登火方案升级成“星座计划”,要开发猎户座飞船与新一代战神火箭,支撑空间站建设、重返月球,重新提出了登陆火星的目标。2009年,奥巴马组织专家全面评审美国载人航天计划,认为可行性太差,经费负担不起,在2011财年预算申请里砍掉了星座计划。
特朗普上台后又把航天计划提上日程,让彭斯亲自挂帅,督战NASA。结果2019年彭斯发表登月演讲时,美国可用于深空探索的6款火箭,只有猎鹰系列发射成功,剩下都还在PPT上。拜登上台后,政策重心回到民生,凑出财政刺激计划的钱都费劲,更别说几千亿规模的航天计划了。只要中国航天保持稳步推进,在可预见的未来,中美航天超级工程,将会站在同一起跑线上。
这次载人登火方案借鉴了美国同行经验,虽然三十年来美国航天政策左右摇摆,造成大量项目搁浅。但方案论证工作磨了这么多遍,还是很有参考价值的,起码前前后后光是做方案设计,也花了几千万美元了。超级航天计划,拼的是几百万产业人口质量,别人的方案能学来,那就是自己的本事。
这么庞大的工程,肯定不会突然完成。接下来二十多年,有哪些关键节点?
从宏观上来说,载人登火与登月一样,要做很多前期准备工作。要进行大量无人探测项目,一方面积累足够的数据,另一方面也是验证工程设计,比如火星采样返回。人类目前还没有实现过火星采样返回,我国目前的计划是在2030年前实现。
具体的火星飞船参数,未来肯定会有调整。从发射能力上看,这个方案总质量上限大概在800吨,而国际空间站总质量才420吨。与国际空间站不同,载人登火一小半的质量都是推进剂,所以结构更紧凑。但反过来说,也意味着每个模块单体质量、体积都更大,没办法像国际空间站那样慢慢拼装,必须用超重型火箭。所以长9与921这些重型载具,是火星任务的最基本条件。在研发新一代超级火箭上,中美面临的任务也差不多。
有了新一代重型火箭,首先要用登月工程来验证登火工程。长期深空辐射环境对设备、人员的影响,项目流程的优化,深空封闭体系散热设计,大跨度空间结构展开与姿态控制技术,深空飞船的长期自持验证,这些都要以新一代登月工程作为平台。
但与这些相比,更有里程碑意义的,是大功率核引擎。想要把火星任务规模压减到800吨以内,必然要用核推进。如果用化学推进,出发规模要达到1400吨以上。在这次大会报告上,也明确提到,火星任务要用核热推进与核电推进。飞船从低轨转移到高轨,要靠核电推进摆渡船,从地球飞向火星,要靠核热推进。氢氧发动机比冲不超过450秒,理论极限也就只有520秒。化学引擎方案效率太低,工程量太大,容错率太差。载人深空任务还是要用更高效率的核能,减轻工程量,缩短工期。
这个方案也借鉴了美国人经验。美国核热火箭最早是洲际弹道导弹项目,后来1958年阿特拉斯导弹试验成功,空军不再需要核热火就发动机,这才变成了NASA的项目,也就是ROVER计划,后来并入NERVA计划。这项计划开发出了以液氢为冷却剂的六棱柱燃料元件结构。NERVA计划的反应堆堆芯,是目前人类试验和测试最完备的核引擎方案,后来美国通用电气开发的CERMET堆芯,也是以此为基础,很有参考价值。我国目前相关研究工作刚起步,主要参考方案,也是NERVA系列引擎。
比如,Kiwi系列反应堆最后用碳化铀做燃料元件,工质温度达到2200K,推力二十多吨。1965年,洛斯阿拉莫斯国家实验室又在Kiwi基础上开发了更大功率的PHOEBUS反应堆,在1972年NERVA项目结束时,最后一台发动机比冲达到825秒,推力33.4吨,如果改成温度更高的燃料元件,比冲还能进一步提高。
https://en.wikipedia.org/wiki/NERVA
而这次方案,之所以会用到两种核推进,是因为一些绕不过去的工程问题。以目前技术来看,核电推进比冲能到10000秒,但能源转化效率只有50%-70%,剩下的能量都会变成废热。有人探测计划对热管理要求很高,没法用这种推进,所以核电推进只能做摆渡船或无人探测器。
核热推进,是直接把液氢加热喷出去,虽然比冲只有900到2000秒,但能源转化效率能达到90%,废热很少,所以适合深空有人任务。从发动机组合方式上看,用多个十吨级核热引擎捆绑,是技术上相对可行,系统冗余度较高的方案。这次会上介绍的核热引擎也是这个规模。
从更宏观的角度来看,超级航天工程,对内是资源整合与制度优化,对外是重要的国际合作平台。我国航天产业管理上比较分散,一直被业内吐槽是九龙治水。这方面应该吸取美国冷战时组建NASA,赢得登月竞赛的历史经验。而国际上,除了风险资本密集、技术基础雄厚的美国能大规模转型商业航天,其它旧航天大国,大都只能抱残守缺,用一点项目维持着航天人口。如果我国未来能在超级航天工程平台中,给这些国家开放一些接口,将会是非常有分量的外交筹码。
5月23日,我国采用分子育种技术,培育成功了首个抗赤霉病、抗白粉病的“双抗”高产小麦新品种——扬麦33号,有望成为我国小麦的新一代主导品种。
这里说的分子育种技术是转基因技术吗?扬麦33号这个新品种是转基因小麦吗?
https://www.guancha.cn/politics/2021_05_23_591750.shtml
当前科学界对于转基因技术公认定义是:使用生物技术,直接操纵有机体基因组、用于改变细胞遗传物质的技术。这其中,既包括使用跨物种的基因,也包括使用同一物种其他个体的基因。
根据报道,扬麦33的主要突破,在于实现了 FHb1 和 FHb7 这些公认的小麦抗赤霉病主效基因,与抗赤霉病位点进行结合。同时,还利用分子育种技术,导入了抗白粉病基因Pm21。在显著提高对这两种疾病抗性的同时,仍然保持了该品种高产特性,示范田的理论亩产,达到了596.7公斤,超过2020年我国小麦平均亩产一半以上(383公斤)。
从这些信息看,双抗高产的小麦新品种——扬麦33号,很可能使用了转基因技术。不过因为“转基因”这个词在当下舆论环境中比较敏感,所以报道回避了这个字眼,用“分子育种技术”和“分子标记辅助育种”来描述。
转基因育种,分子标记辅助育种,分子设计育种,都属于分子育种技术范畴。虽然这三种技术分别有不同的应用场景,但更多时候是相互配合,共同目标都是为了培育出具有理想性状的作物。
在许多科幻作品中,转基因是无所不能的生命炼金术,但在现实里,对不同基因能实现的功能,还存在很多模糊不清的地方。人类现有技术手段,也没法像拼乐高一样,把每个DNA片段都放在正确的位置上。单一的转基因技术,很多时候根本没有用武之地。
首先,生物的基因片段和生物性状并不是一一对应的,而是复杂的多对多关系。特别是小麦这样六倍体作物,基因组规模是玉米的7倍,水稻的35倍,基因和性状之间的关系更是复杂。另一方面,人类目前缺乏在分子层面上精确操作的技术手段,打个比方,目前的基因剪辑、导入技术,和“抡大锤修电脑”差不多。很多转基因育种实验只能做到引入异源DNA,然后期待它们,在受体植物细胞内,形成杂交片段。因此,高效率分子育种,必须要有分子标记育种,和分子设计育种的辅助。
分子标记育种,就像给特定的优秀基因加上“追踪器”,利用与优异基因或者位点紧密连锁的分子标记,筛选出携带这些优异基因或位点的 杂交或转基因后代。因为不用等待后代发育出性状,就能筛选出培育目标,育种周期可以大幅缩短,培育出一个新品种的时间,可以从25年缩短到7、8年。
尽管分子标记辅助育种技术可以让育种工作更加精准,如果全部的标记、筛选、重组过程都通过育种实验来完成,那需要花费的时间和成本还是太大了。这时候,就要用到分子设计育种,事先对可行的技术方案、技术路线进行模拟、规划和预判。
分子设计育种,是以生物信息学为平台,以基因组学和蛋白组学数据库为基础,综合作物的全方位信息,在计算机上设计最佳方案,然后再开展实际的作物育种实验。
简而言之,分子设计育种确定技术路线,就像战前的战场模拟和兵棋推演,分子标记就像是侦察和雷达锁定,而转基因育种,则是最后的火力覆盖和定点打击。三者共同构成了分子育种的技术体系,把传统育种这个依赖经验和偶然性的“黑盒测试”,在一定程度上变成了可见、可控的“白盒测试”。
因此,扬麦33号是不是转基因小麦,并不是重点,即使扬麦33号的培育过程并没有用到转基因技术,也跟转基因技术本身好不好没关系,只能说明相关技术还不够成熟,所以方案上没设计。
促进粮食产量增长的科技有很多,影响力各不相同,育种技术的影响超过1/3,未来粮食增产还会更加依赖良种。中国目前虽然基本解决了粮食安全问题,但我国人口、资源、环境都面临刚性约束,无论是进一步改善人民生活水平,还是增加农业人均收入,都必须不断培育更加高产、优质、高效的新品种。而传统育种根本无法同分子育种竞争,扬麦33号只是一个开始,中国育种事业,未来必然要走分子育种的道路。
那么,中国未来的主粮作物是不是必然会走上转基因之路呢?我们对于主粮转基因的态度是不是应该更慎重一些?
https://finance.sina.com.cn/china/20140103/021017828481.shtml
https://www.bbc.com/zhongwen/simp/china/2016/10/161004_yuan_longping_hyrid_rice
袁隆平院士很早就公开表示,转基因是未来的发展方向。早在2008年中国启动转基因科技重大专项时,袁隆平就承担了“高产转基因水稻新品种培育”项目。2016年,袁隆平接受BBC采访,说正在研究如何将玉米的碳4基因,移植到水稻上,提高水稻光合作用效率。
目前,我国水稻转基因研究处于世界领先水平,2009年,中国就已经批准了华恢1号和汕优63号两种转基因水稻的安全证书。
不过取得了农业转基因生物安全证书,并不等同于允许其在国内进行商业化生产。
按照我国《农业转基因生物安全管理条例》、《种子法》和《主要农作物 品种审定办法》规定,转基因作物在取得安全证书之后,还要进行严格的区域试验和生产试验,达到标准的才可获得品种审定证书。之后还要取得种子生产许可证、经营许可证这些商业化许可,这才能进入生产经营、产业化应用阶段。目前中国还没有任何一种转基因主粮同时拥有这些许可。
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1291511
中国目前大规模种植的转基因作物只有一种,转基因棉花。1992年,中国棉铃虫大爆发,当时全国三分之二的农药用在了棉花上,结果是棉铃虫的抗药性变得越来越强,甚至出现了这样的情景:被喷了药的虫子还活着,鸡吃了虫子结果被毒死了。
国内棉产业在危机情况下,引进了孟山都公司的转基因棉。今天中国种植的棉花超过95%,都是带有Bt毒蛋白的转基因棉,但其中孟山都的种子市场份额几乎可以忽略不计,绝大多数棉花品种还是中国人自己培育的。
除了棉花外,国内另一种商业化种植的转基因作物是木瓜。至于水稻、小麦等转基因主粮的产业化次序被置于玉米和大豆之后。可以说,中国在转基因主粮的应用方面确实非常慎重。
这种慎重不仅是出于对安全和社会接受度的考虑,也有产业技术层面的保护意义。国内转基因育种技术积累还不够,产业水平与几个跨国公司还有差距。在这种情况下贸然开放转基因商业化,结果很可能是让出大量国内市场。
好,290期睡前消息到此结束,感谢各位收看,我们周二再见!