【睡前消息290】美国制定火星计划，中国航天负责实现
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
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）
欧空å±æ¨è¿ç«ææ¢æµè®¡åâæ°é»âç§å¦ç½
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。
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 - 维基百科，自由的百科全书
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？
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？
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袁隆平接受BBC专访谈杂交水稻和转基因 - BBC News 中文
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。
转基因水稻和玉米重获安全证书，农业部称不意味着加快推广_澎湃质量观_澎湃新闻-The Paper
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！