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睡前消息290期：中美谁先登火，小麦新品种——扬麦33号
2021年6月20日睡前消息文字版第290期
【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。
美国制定火星计划，中国航天负责实现
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呢？
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。
这么猜主要是考虑火星任务的客观条件，载人火星探测不是说发射就发射，火星尘暴、轨道上合、太阳活动与地火相对距离都能影响到任务规划。具体来说，火星表面气候虽然有不确定性，但一般来看，当火星公转到近日点附近，就会进入全球尘暴高发期，而且具体着陆区还会有不同的尘暴季节分布特征。尘暴高发时，载人飞船不能进行着陆或者起飞操作，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来安排。火星公转一周要687天，火星任务的气候窗口也要按照公转周期来算。
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，但人类建设大规模信息中继通信网络还很遥远，要避免这种情况出现在飞船往返途中。短期火星任务要400多天，长期火星任务要900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，太阳活动极大年会严重干扰探测和通信，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，地球和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隔15年或者17年就会出现一次极小值，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，几乎多了一倍的行程。
载人任务要考虑到缩短周期、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，这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月份发射火星探测器，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。
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期的重要政治话题。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年前后，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了重大转向，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4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3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到飞船里。前后8次发射，也就是七次长9加一次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。美国后续制定了载人登火计划，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10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有上天。
在美苏太空竞赛高峰期，美国的重点是登月，火星任务虽然也做了一些研究，但主要取得进展的是核热火箭。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，航天工作重心又回到了近地空间。
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人口找出路，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，整个计划只剩下空间站有后续，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了“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年面对金融危机的困境，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，于是在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，剩下的都还在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。
只要中国航天稳步推进，在可预见的将来，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30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的质量，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，在接下来的20多年里，有哪些关键的节点呢？
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，要进行大量的无人探测项目，一方面积累足够多的数据，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。
具体到火星飞船参数，未来肯定会有调整。从发射能力上来看，这个方案总质量上限大概是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，中美面临的任务也是差不多的。
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，这些都要用新一代登月工程来作为平台。
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，火星任务要用核电推进与核热推进。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，容错能力太差。载人深空任务还是要靠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箭发动机，这才变成了NASA项目，也就是ROVER计划，后来并入了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20多吨。1965年洛斯阿拉莫斯国家实验室又在Kiwi技术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。
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1万秒，但能源转化效率只有50%到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者无人探测器。
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。
从发动机组合方式看，用多个10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期组建NASA赢得登月竞赛的历史经验。而国际上除了风险资本密集、技术积累雄厚的美国能大规模转型商业航天，其他旧航天大国大多数只能抱残守缺，用一点项目维持着产业的人口。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，成功培育了首个抗赤霉病、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号是不是转基因小麦？
当前科学界对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了结合，同时还利用分子育种技术导入了抗白粉病基因PM21，在显著提高了这两种疾病抗性的同时，仍然保持了该品种的高产特性。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。
从这些信息看，双抗高产的小麦新品种扬麦33号很可能是使用了转基因技术。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。特别是小麦这样的六倍体作物，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加复杂。
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轮大锤修电脑差不多，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了追踪器，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者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目标，培育的周期可以大幅缩短，培育一个新品种的时间可以从25年缩短到七八年。
尽管分子标记辅助育种可以让育种工作更加精准，但如果全部的标记、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太大。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，在计算机上设计出最佳方案，然后再展开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器推演，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技术体系，把传统育种这个依赖经验和偶然的黑盒测试，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，所以方案上没有设计。
促进粮食产量增长的科技有很多，影响力各不相同，育种技术的影响占比超过了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，不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否需要更慎重一些？
袁隆平院士很早就公开表示过，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，提高水稻的光合作用效率。
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一号和汕优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，并不等于允许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实验和生产实验，达到标准才能获得品种审定证书，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的阶段。目前中国还没有任何一种转基因主粮同时拥有这些许可。
中国目前大规模种植的转基因作物只有一种——转基因棉。1992年中国棉铃虫大爆发，当时全国2/3的农药都用到了棉花上，结果是棉龄虫的抗药性变得越来越强，甚至出现了喷了药的虫子还活着，鸡吃了虫子结果被毒死的情况。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，绝大多数棉花品种都是中国人自己培育的。
除了棉花，国内另一种商业化种植的转基因作物是木瓜。至于水稻、小麦这些转基因主粮的产业化次序被放到了玉米和大豆之后，可以说国内在转基因主粮应用方面是非常慎重的。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，第290期睡前消息到此结束，感谢各位收看，我们周二再见。
