采蜜这事儿,探索太空为啥还在用火箭呢

自1920年左右罗伯特•戈达德提出液态火箭发动机理论后,人类文明的半只脚就迈进了航天时代;1944年,德军的V-2火箭刷新了纪录,抵达190公里的高度;1957年,苏联成功发射第一颗人造卫星,标志着航天时代正式来临。在此后的半个多世纪内,运载火箭技术有了极大发展,我们已经在轨道上完成第四代空间站的建造,探测器遍布太阳系各大天体。在1960年代,运载火箭技术就出现了爆炸式发展,土星五号和N-1火箭都可认为是“暴力机器”,尤其是土星五号起飞质量3000吨以上,号称把一艘驱逐舰送上天。

孩提时代耳濡目染久了,许多人一谈及“勤劳”便会条件反射似的想起蜜蜂。不过采蜜这个技术活,可不是闷头一味勤奋就能做好的:在一大片花丛里,怎样的采蜜路线才最有效率,用最少的飞行距离采集最多的食物回巢?

这是一个写进教科书的谣言。

但是,土星五号都快五十年了,怎么还没出现质的飞越呢?科幻里的什么反重力也就罢了,至少有些原理上靠谱的发射技术,这些技术现在都怎么样了呢?

这是每一只要采蜜的蜂都必须面对的问题。经过一段时间的摸索,它们能渐渐提高效率,成长为在一个区域采蜜的老手。你可能会觉得,接下来就好办啦!采蜜新手们只要跟着它们的前辈去采蜜,就能少走些弯路了。

“‘联盟一号’今天发生的一切,就因为地面检查时,忽略了一个小数点,这场悲剧,也可以叫做对一个小数点的疏忽。同学们记住它吧!”人民教育出版社中学初中语文教材中有一篇题为《悲壮的两小时》的文章,以此教育全国的小朋友治学需要认真。

简单地说,理想很丰满,现实很骨感;不是我军不给力,而是物理学太狡猾了呀。

然而,采蜜老手表示不干。

这篇文章描述的是1967年4月24日发生的苏联联盟一号宇宙飞船的坠毁。宇航员弗拉基米尔·科马洛夫成为首个在执行太空任务时遇难的宇航员。《悲壮的两小时》的核心剧情与事实严重不符,尤其是返回大气层后过了2个小时才坠毁这一关键细节简直荒诞不经。

图片 1历次阿波罗任务中土星系列火箭的发射。图片来源:wiki

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“哪个敢来我的地盘采蜜,本姑娘崩了她!”(喂,走错片场了)图片来源:coyoteproductions.co.uk

关于这次事故,还有一种描述:在科马洛夫登上这艘飞船之前,就已经肯定自己几乎不可能活着回来了。他的好友、太空第一人尤里·加加林甚至在发射当天试图强行登船替他去执行这项几乎必死的任务。这个传奇故事出自一本名由杰米·多伦(Jamie
Doran)和皮尔斯·毕卓尼(Piers
Bizony)合著的《星人》。罗伯特·克鲁维奇(Robert
Krulwich)阅读此书之后在npr.org上贴出的一篇博客文章。网友shysir将它译成了中文,发布在“利维坦”微信公众号(ID:liweitan2014)上。利维坦授权将这部分文字发布在果壳的平台上。

大火箭的客观规律:为啥火箭没有变更大?

在美苏航天竞赛结束后,运载火箭的对数期发展到头了,开始进入稳定期。目前世界上最强大的火箭要数德尔塔-4系列,近地轨道有效载荷在25吨左右,欧洲阿丽亚娜-5ECA和俄罗斯质子火箭都属于同一级别。在最近的数十年内,运载火箭都没有突破登月竞赛的规模,航天飞机的2000吨起飞质量足以鹤立鸡群。这是因为近地轨道业务的拓展不需要如此强大的火箭,航天飞机就能胜任总质量400吨的国际空间站建造,而和平的规模就更小了,只有130吨左右,我国即将建造的空间站规模为60吨级。综上,美苏当时的技术已经甩开全世界好几条街,如果按这个速度让他俩再发展半个世纪,估计得脱离地球联邦玩单飞了。

再牛的事物也无法逃脱一样东西的制约,这就是客观规律。美苏全力登月的背后需要大量的资金注入,阿波罗计划下的各种天顶星技术都是钱堆出来的,美国人花了250亿(1960年代币值)美元让阿姆斯特朗的左脚踩在月球上,开着一辆敞篷月球车兜风;而苏联人花了钱也没捞个名分,N-1火箭还创下了四射四炸的尴尬纪录,连发射塔都炸没了。美国人赢得了登月竞赛,把运载火箭技术提高了近地轨道120吨的水平,此后全世界都消停了,近地轨道运载能力维持在20至25吨,够用就好,因为违背规律的发展无法长久。

图片 3航天飞机与土星五号火箭的合影
图片来源:NASA

在最新一期的《公共科学图书馆.综合》(PLoS
ONE)上,伦敦玛丽王后大学的马修·里奥(Mathieu
Lihoreau)团队发现了采蜜老油条们“自私”的一面:想跟我在同样的花上采蜜?没门!\[1\]

然而故事还没有结束。

核潜艇与海上移动平台:小打小闹的改进

登月之后的半个世纪,世界主要航天国家只干了两件事情:发达国家想把火箭发射的费用压低,前提是技术要进步;落后的国家则全力追赶,美国人在1960年代就能把一艘驱逐舰送上天,过了半个世纪怎么也得意思下吧。于是有志向的国家就开始研发各自的运载火箭,而已经掌握火箭技术的国家则开始想办法降低发射费用,从商业发射中挣到钱。各种奇特的航天发射方法开始被提出,最有意思的要数潜艇平台发射。1996年,俄罗斯海军开始了一项新的业务,核潜艇部队除了战略值班外,还要参与商业卫星发射,一枚SS-N-23潜射弹道导弹被改装成运载火箭,将一颗70公斤重的卫星送入400公里高度的轨道,这样不仅能节省维护费用,还让库存的300多枚潜射洲际弹道导弹有了发挥余热的机会。当然用潜艇发射卫星也是迫不得已而为之,俄罗斯海军经费窘迫只能开源节流。从效费比上说,核潜艇发射卫星也有可取之处,不然这些弹道导弹到了年限也要报废处理。

与此类似的是海基发射系统,在抛弃冷战分歧后,俄罗斯人和美国人手牵手成立了海上发射公司,把发射架搬到海上。海上发射平台是一艘巨大的自航式驳船,领到发射任务后可航行到赤道附近的国际海域,统一使用俄罗斯制造天顶-3SL三级运载火箭发射卫星。赤道附近发射卫星,在相同推力条件下可增加有效载荷的质量,对于同步轨道的通信卫星而言,使用海上移动平台发射更廉价,费用会比陆基发射便宜一些。不过天顶-
3SL运载火箭的有效载荷不大,同步轨道不到2吨,因此要发射更大的卫星就无法使用海上移动平台,但它的存在为一些小卫星发射提供了便捷通道。

图片 4海基发射系统发射卫星。图片来源:spacenews.com

这片花棚,被我承包了

为了搞清楚采蜜老手和采蜜新手在同一朵花上相遇会擦出怎样的火花,里奥和同事们给欧洲熊蜂(Bombus
terrestris)们搭建了一个880平方米的大花棚——在蜂类研究中,做这样的室外花棚可算是少有的大阵仗。

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草地上的实验花棚,长44米,宽20米,高3米。图片来源:Mathieu
Lihoreau

不过,这封闭的大棚子一朵花都没有——研究者只在里面放置了10朵人造花,实验中的熊蜂只能从人造花处采集花蜜。这些个人造花长这样:

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啥?这是花?哪里像了?但在熊蜂眼里,它们跟真花功能都一样。电力泵压迫注射器活塞(syringe
pump)时,蔗糖溶液顺着塑料管(plastic
tube)灌注到一个容积为40微升的投喂杯中,熊蜂可以通过着陆平台(landing
platform)中间的孔洞吸走蔗糖。网络摄像头(webcam)上配套了一个中性密度滤光片(neutral
density
filter),来减少入射光的强度。每两个摄像头由一个远程的笔记本电脑共同控制。图片来源:参考文献[1]

你也许会觉得用这样的“花”糊弄人简直是侮辱人家的智商,但熊蜂们只管搞不搞得到蜜。事实上,“人造花在蜂类研究中是个常用手段,诺贝尔奖得主卡尔·冯·弗里希(Karl
von
Frisch)早在快100年前就这么干了。”里奥说,“蜜蜂几乎能学会和任何提供糖类的东西互动。”他告诉科学人,在大部分实验中,研究者通常只在彩色纸板或塑料片滴一滴蔗糖溶液就当成花来招徕蜜蜂,也是妥妥地奏效。

相比之下,里奥的人造花技术含量就高多了:每朵“人造花”的装置包含了一套熊蜂着陆平台、提供花蜜的电力注射泵、网络摄像头和相关的支持设备。一有熊蜂着陆,摄像头就会如实地记录熊蜂的全部行为。在正式实验之前,里奥首先对熊蜂进行了为期两天的训练——每天6小时内,它们能在棚里自由地从人造花中获取食物。剩下的时间,可就苦了研究者们:“为了保证花棚里完全没有任何天然的花蜜来源,我们每天都要到地里去把所有的杂草除掉,来排除可能的干扰。那真是浩大的工程啊……”里奥回忆道。

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人造花在棚内的分布及各自的坐标。如果你是熊蜂,你想要怎么飞?图片来源:参考文献[1]

一切准备停当之后,里奥首先开始了单只熊蜂的采蜜记录实验:只放出一只熊蜂,通过摄像头记录其选择人造花的顺序及具体的行为特点。结果显示,熊蜂大概从4朵人造花处采集花蜜后,就满载回营了。在一次次的重复过程中,每只熊蜂都形成了各自的“套路”,有了自己偏爱、熟悉的采蜜路线,采蜜的效率也逐渐提升——在前25个回合里,它们的采蜜花费时间逐渐降低、采集花的数量上升、重复回到同一朵花的“失误”数减少、飞行速度也变快了。在25次采蜜过程后,一只轻车熟路的“老司机”熊蜂,净能量摄入率要比起刚开始时高出128%(±54%)。

那篇博客文章发布之后,有航天历史学家给克鲁维奇写邮件称,按照他们的观点,那本书里的许多细节要么值得怀疑,要么根本就是假的。因此,克鲁维奇邀请一些批评者把反驳观点发给他,又转发给了那本书的两位作者。后来,所有人一致认同,书里讲述的这个故事需要一些修正:其中有些部分是真实的,其他部分仍在争论之中。两位作者坦承,有些细节可能是错的。

航天飞机:过于昂贵的奇迹

为了进一步降低卫星发射的费用,美国宇航局在1970年代提出了航天飞机计划,可重复使用这个词开始进入公众的视野。航天飞机在设计之初是让进入轨道的货物单价更加便宜,一架航天飞机可重复使用100次左右。美国宇航局曾在1977年出版了一本空间运输系统的手册,其中提到航天飞机商业租凭价格为一架次2000万美元,这是1975年的报价。如果考虑到航天飞机近24吨的商业载荷,几家卫星公司联合包租一架次,那么费用还是可以接受的,比如一颗长度为1米,质量接近1吨的卫星,平均单价不到300万美元。

结果,5架航天飞机机队总共才执行了100多次任务,每次发射需要大量的人力和物力准备,以奋进号为例,一次发射要花费5亿美元,与当初的设想相差太远。两次失事更是带来了沉重打击,自哥伦比亚航天飞机失事后,美国宇航局在执行一次航天飞机任务时还要准备另一架担任救援机,防止入轨后回不来的情况发生。如此种种因素,最终导致了它们黯然退役。

但是航天飞机近30年的生涯中依然立下了汗马功劳。最著名的卫星发射任务要数1990年把哈勃空间望远镜送入轨道,还有后续的修复工作,要是没有航天飞机,哈勃的故障可能很难修复。1989年“阿特兰蒂斯”号还将伽利略探测器送入轨道,巨大的货舱让航天飞机可携带大型航天器进入轨道,为后续建设空间站做出了不可磨灭的贡献。

图片 8航天飞机释放伽利略探测器与哈勃空间望远镜。图片来源:NASA

这朵花你不能来,给我躲开!

然而,承包花棚的时光总是短暂的。接下来里奥就给这些采蜜老手们引入了竞争对手——另一只对花棚熟悉程度不高的熊蜂。当这些愣头青和它们的前辈同时看中一朵花的时候,研究者通过摄像头看到了令人惊讶的场景:在被记录的126次遭遇中,只有8次是和谐的共同采蜜过程。而剩下的118次,都充斥着激烈的互相推搡——在熊蜂的词典里,这或许也属于“合理冲撞”吧。

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两只熊蜂相安无事同采一朵花的现象在里奥的实验中甚是少见。在更多情况下,新手和老手在花上发生冲突,要么一只把另一只赶走,要么两只不欢而散,都不在那朵花上采蜜。图片来源:wikimedia.org

值得一提的是,这些推搡往往是由“老司机”们先发起挑衅(64.4±7.0%)。看来,它们并不乐于分享自己熟悉的路线,和对各朵“花”价值的了解。但整片棚子里花就只有10朵,新老采蜜者也就难免时不时就打上一场。

新人的出现和这些发生在同一朵花上的遭遇战多少影响了老手们的采蜜效率,跟“一蜂包场”时相比,它们在新手在场的情形下,每个采蜜回合要多进行83.4±1.8%的采蜜行为才能尽兴而归。它们起初的表现依然远超新来者,只不过这种优势在新来者逐渐熟悉的过程中被不断蚕食,最终化为乌有。

因此,我们在原文的基础上,加注了克鲁维奇后来补充的修正意见。所有的修正观点,点击文中相应的“史学家的意见”文本便可看到。借用他在修订文章中的话,“这仍是一个很吸引眼球的故事,只不过相比于未经修正的那本书里他们讲述的那个故事,还差了那么一些。”

可重复使用火箭:商业航天的展望

航天飞机、运载火箭其实都属于经典的航天发射平台,目前商业航天发射领域已经向可重复使用火箭迈进。航天飞机是可重复使用运载器,但是价格昂贵,而运载火箭为一次性产品,用完就丢,研发一种可重复使用的火箭就能达到又便宜又好用的目的。SpaceX公司就是这个行业的领跑者,其开发的猎鹰系列可重复使用火箭能让发动机自动返回,然后再次利用,目前世界上主流运载火箭发射单价普遍在5000万美元以上,如果发动机重复利用后,发射卫星的费用就接近白菜价了。更重要的是,自主降落的技术还能用于地外天体登陆,比如降落火星、月球,只要钱的问题解决后,大航天时代也就不远了。

不过可重复使用火箭也不是天顶星的技术,只是这几家私人公司利用成熟到烂大街的航天科技,加上先进的成本控制与管理方法,将卫星发射这个行业做到了极致。比如“灰背隼-1D”发动机就是登月舱上安装的着陆动力,上个世纪60年代的技术,2195铝锂合金和搅拌摩擦焊都是拿来就用,真正管用的还是技术积累到一定程度后的成本控制与管理能力。卫星发射技术的先进性不是小小的可重复使用火箭所能代表得了的,运载火箭这般古老技术照理说没有资格说话,真正大咖应该是空天飞机。

图片 10SpaceX公司使用可重复使用火箭发射卫星
图片来源:SpaceX

意味深长的“自私”?

当然,我们并不能仅凭这样的现象就把熊蜂说成是“社会性昆虫中的自私败类”。内斗行为的背后,或许还另有深意。里奥表示:“我们推测这种竞争性的互动或许是激励熊蜂开拓新领地的有效机制。经过几番打斗之后,胜者会更倾向于保留自己偏爱的采蜜路线,而失败者只能去别的地方试试运气。最终,资源分配成形,每个个体都能最大化自己的收益。对于它们共同归属的母巢来说,这也是最佳的结果。”

图片 11图片 12
熊蜂活动网络图。每张图中,最下方的实心方块表示熊蜂出笼的位置,未被采蜜的人造花标示为×号,被采蜜的人造花用圆圈表示,其直径越大代表被采频率越高。其中,每组中红色的圆代表每只熊蜂最偏爱的4朵人造花。箭头标示的是熊蜂的移动路线,其粗细代表频率,单箭头代表熊蜂主要是朝相应方向移动,双箭头则表示熊蜂向两侧移动的频率接近。(a)图为单只熊蜂“包场”时的采蜜路线;(b)图为(a)图实验的7只熊蜂在双蜂实验时的采蜜路线;(c)图为双蜂实验的新来者采蜜路线。图片来源:参考文献[1]

里奥的实验还只是第一步:“我们的双蜂互动实验只是一个开始。未来的研究需要在自然条件下评估这些竞争性互动的重要性。”他说,“不同种类的蜜蜂,不同种类的植物,以及它们在不同密度时的表现,都得进行更深化的研究。”

(编辑:Calo)

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空天飞机:遥远的理想

空天飞机顾名思义是一种飞机,不仅能在“空”的高度飞,还能在“天”的领域翱翔,因此空天飞机的基本要素就是能水平起降、单级入轨。在世界上任何一处机场起飞,爬高后加速直接进入近地轨道,在短时间内将卫星等航天器送入轨道,具有准备时间短、成本低的特点。更先进的空天飞行器还能在入轨后进行行星际航行,想去火星去火星,想去月球去月球,妥妥的说走就走的旅行,具体可以参考《星际穿越》中的飞行器。

空天飞机由于飞行环境变化较大,因此其涉及到的技术更加繁杂,比如动力装置就是一大难啃的骨头。大气层内飞行需要使用吸气式发动机,轨道运行则要切换到火箭动力,要想让吸气式发动机提供25马赫的入轨速度,目前也仅是纸上谈兵。在空天飞机发展上仍然是美国人走在最前面,比如1980年代的国家空天飞机计划,最后由于概念过于先进而停止发展,但也基本掌握了空天飞行器的一些成果,比如超燃技术等。

图片 14空天飞机可在任意一处机场起飞,加速入轨后可投放卫星等载荷。图片来源space.com

参考文献:

  1. Lihoreau M, Chittka L, Raine NE (2016) Monitoring Flower Visitation
    Networks and Interactions between Pairs of Bumble Bees in a Large
    Outdoor Flight Cage. PLoS ONE 11(3): e0150844.
    doi:10.1371/journal.pone.0150844

身在太空中的苏联宇航员。不过,这并非科马洛夫,而是第一位进行太空行走的苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫。图片来源:museumofflight.org

太空电梯:近未来科幻之梦

空天飞机是许多科幻片基本元素,直接进入轨道能够开展各种空间作业,当然还有许多未曾推广的技术也可以用于卫星发射,比如太空电梯。在最新的科幻片《木星上行》上就有直接通往轨道的大型建筑,可从地面直接进入轨道,如果用这种方式发射卫星,那么成本就更低了。早期的太空电梯设想来自俄罗斯航天专家齐奥尔可夫斯基,后来阿瑟•克拉克在他的小说中将太空电梯进行推广,构思了一种停留在同步轨道上的航天器向下释放悬梯,人们可乘坐悬梯直接进入太空。太空电梯的研制仍然处于理论推进之中,最大的问题在于材料,日本一家公司正在攻克碳纳米技术,称将在今年2050年开建太空电梯,定点在赤道上空的静止轨道上,1公斤的卫星载荷只要200美元,比任何一种发射方式都要便宜。不过太空电梯仍然面临其他外界的因素制约,比如轨道碎片,如何避免意外撞击也是个棘手的问题。

图片 15太空电梯提供了超低卫星入轨的费用,1公斤的卫星载荷只要200美元。图片来源:sapiains.deviantart.com

文章题图:Alvesgaspar/wikimedia.org

一个宇航员在太空中,正在环绕地球飞行,他知道自己永远也不能活着回到地球了;他在和一位当时的苏联高官——阿列克谢·柯西金(Alexei
Kosygin)通电话,柯西金在流泪,因为他也认为那个宇航员会死去。

超电磁炮:或许并不那么科学

还有一种设想中的发射卫星的方法是磁悬浮助推发射,利用磁悬浮轨道技术对航天器进行初段加速,然后航天器启动发动机,这样可大大降低起飞时的能量消耗,同时能够提升载荷的携带量。磁悬浮助推发射的原理与磁悬浮列车类似,都由驱动电机和轨道构成,有研究人员通过计算得出,如果航天器的质量为500吨,利用现有的磁悬浮技术可将其加速至0.7倍音速;但是这样消耗的功率却相当大,如何获得强大的脉冲磁流发电机是该工程能否实现的难点。

图片 16电磁技术目前主要用于小型载荷的远程投放,将其用于发射卫星不太合适。图片来源:Wiki

有了磁悬浮加速发射装置,那么建立在电磁加速原理上的电磁炮也曾被考虑由于卫星发射。目前电磁炮还仅限于发射小型炮弹。美国海军测试中的电磁炮可获得7马赫的初速度,射程数百公里,弹头重量仅为10公斤,因此要用电磁炮发射卫星不太现实。目前规格比较高的电磁炮电源能量达到200MJ,可发射20公斤的弹头,也是7马赫的出膛速度,射程为300多公里。如果要用电磁炮发射卫星需要功率更大的电源,技术上难以实现。更重要的是电磁炮发射时物体要承受极大的载荷,以10公斤的弹头为例,初速达到5至7马赫要承受数万个G,因此利用电磁炮发射卫星是不合适的。

本文看起来似乎都是在泼冷水——但这些都是我们现实中面临的真正困境。如果某一天某一项困难得到了突破,那么我们的航天飞行技术也许就能够迎来下一次飞越;不过同样可能的是,下一次飞越将诞生于那些脑洞更大、距离现实更加遥远的推进方式之中。这些构想中的方式甚至连非常规都算不上,迹近于异想天开——但那就是另一篇文章的主题了。(编辑:Ent)

那个航天器是粗制滥造的,燃料也即将耗尽;尽管无人知晓,它的降落伞根本就不管用,而它里面的宇航员弗拉基米尔·科马洛夫(Vladimir
Komarov)将会全速撞向地球,他的身体将因为巨大的冲击而变成肉酱。当他面对那无可躲避的厄运时,位于土耳其的美国监听人员听到了他愤怒的呼喊:“诅咒那些让他乘坐这个拙劣太空船的人们。”

图片 17弗拉基米尔·科马洛夫烧焦的遗骸。图片来源:RIA
Novosti/Photo Researchers Inc.

这些关于1967年一位苏联宇航员之死的绝密内容,都来自于一本由杰米·多伦(Jamie
Doran)和皮尔斯·毕卓尼(Piers
Bizony)合著的新书《星人:尤里·加加林传奇背后的真相》(Starman: The Truth Behind the
Legend of Yuri
Gagarin
)。作者在书中的叙述主要是基于一位克格勃官员韦尼亚明·罗萨耶夫(Venyamin
Russayev)的回忆和谈话,以及此前雅罗斯拉夫·戈洛瓦诺夫(Yaroslav
Golovanov)在《真理报》上的报道。这些说法——如果是真实的话——绝对是惊世骇俗的。

《星人》讲述的是两位宇航员之间友情的故事,故事的主角一个是苏联英雄,第一个进入太空的人,尤里·加加林;另外一个就是上文提到的科马洛夫。两个人是非常亲近的朋友;他们一起社交,打猎,还一起喝酒。

图片 18加加林(左)和科马洛夫在打猎。图片来源:RIA
Novosti /Photo Researchers, Inc

在1967年,这两个人都被分配了同一个地球轨道飞行任务,而且他们两个都知道那个太空船不太安全,并不适合飞行。科马洛夫对他的朋友说他很可能会死。但是他不想退出,因为他不想加加林去死。加加林在这次任务中是他的替补。

史学家的意见
批评者说,苏联不会拿加加林的命去太空里冒险。在当时那个年代,加加林是苏联的国家英雄,太过于重要,不可能再被准许冒险去参与航天飞行。因此,他被列为“替补”,只是名义上的替补而已。

故事发生在1967年,当时的苏联领导人,列昂尼德·勃烈日涅夫(Leonid
Brezhnev)想要在太空中让两艘苏联太空船进行一次太空对接。

计划是先发射“联盟一号”太空船,乘员是科马洛夫。第二天再发射一艘飞船,载有另外两名宇航员;两艘飞船将会在太空中相遇并对接,然后科马洛夫将会爬到另外一个飞船里面,和他的一名同事互换位置,然后乘坐这第二艘飞船返回地球。勃烈日涅夫希望用这个苏联在太空竞赛中的胜利向共产主义革命(十月革命)50周年献礼。勃烈日涅夫很明确地表示,他希望这件事能够成行。

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