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未来十年,中国航天有哪些重大看点?-三明市科技馆
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未来十年,中国航天有哪些重大看点?
2019年05月08日   点击:   来源:科普中国

  这是一篇近6000字、18图的长文,写在2019年中国航天日收官之后,值得关注中国航天的你读下去。

  1970年4月24日,东方红一号卫星成功进入太空,中国人千百年来的航天梦终于从“嫦娥奔月”和“万户飞天”的传说成为现实,这一天也因此载入史册。自2016年起,4月24日正式被确认为“中国航天日”。

  

  2019年4月24日,东方红一号依然在宇宙中运行(图片来源:stuffin.space)

  由于轨道设计特点,直到49年后的今天,东方红一号卫星依然在遥远的太空运行,而且将长期运行下去。不过依靠电池充能的它早已失去了能量,目前只是一座纪念并见证中国航天辉煌的丰碑。

  

  2019年中国航天日海报一经问世便惊艳众人,完美融合了中国千百年的神话和近些年的航天成果(图片来源:国家航天局)

  今年的中国航天日主场活动在长沙开幕,活动期间以及此前官方的一系列动作,为我们慢慢揭开了未来十年中国航天的重大规划,一个波澜壮阔的中国航天时代也要揭开大幕了。

  看点一:天宫空间站建成

  载人航天工程是目前中国最重要的航天任务,从1992年9月21日开始起一直在按照“三步走”的计划进行:

  1.实现载人天地往返;

  2.建立短期驻留空间实验室;

  3.建立长期驻留空间站。

      1999年11月20日,神舟一号无人飞船成功发射,大幕开启。

      2003年10月15日,杨利伟乘坐神舟五号进入太空。完成第一步,实现载人天地往返

  

  对接天宫一号空间实验室(图片来源:国家航天局)

  2012年6月18日,天宫一号目标飞行器与载人飞船神舟九号成功对接,中国首次载人航天器交会对接。完成第二步,建立短期驻留空间实验室。

  2020年起,中国将开始建设天宫空间站,实现载人航天工程的最后一步,预计在2022年前后落成。

  中国载入航天工程平均每十年迈过一个大步,克服了重重难关。

  每次载人航天任务,至少涉及到航天员、载人飞船、运载火箭、飞船应用、测控通信、发射场和着陆场七大系统,其中任何一个都是极复杂的存在。以大众最不了解的测控通信系统为例,它已经包括了路基的数个地面测控站、海基的先后7艘万吨级远望号测量船、天基的先后两代天链中继卫星通信系统。单一项全球覆盖的中继卫星通信系统,就只有中国和美国能做到。

  

  王亚平的天地直播互动“太空教室”背后是强大的天地海基通信测控系统(图片来源:)

  27年来,航天人筚路蓝缕、以启山林,以11艘神舟飞船、2艘天宫实验室、1艘天舟货运飞船的成果取得了上述进展,中国也成为仅次于苏联/俄罗斯和美国的第三个能进行独立自主载人航天的国家。   

  未来几年,载人航天将有如下大突破:

     a.新一批大规模航天员选拔。我国此前已经宣布开启第三批航天员选拔,且将首次面对社会招募载荷专家等,他们将成为载人航天新阶段的中坚力量。

      b.神舟载人飞船和天舟货运飞船等将进入定型量产阶段,同时新一代载人飞船在研。

      c.长征五号B(2020上半年首飞,重载)、长征七号(货运)、长征2F火箭(载人)等相关火箭将进入量产阶段,同时新一代载人飞船运载火箭在研。

      d.天宫空间站将实现长期连续多人驻留,成为我国太空技术研究的重要实验基地。

   

  看点二:嫦娥探月工程开始大丰收

  嫦娥探月工程是中国的一个重大航天工程,主要包括三步:“绕”、“落”、“回”。

  2007年10月24日,嫦娥一号升空前往月球,绘制了中国人的第一张月球全地图,实现“绕”

  2010年10月1日,嫦娥二号以全新的轨道设计抵达月球。验证一系列新技术后,离开月球飞向距离地球150万千米的日地拉格朗日二点,人类历史上首次从月球前往此点,一年后又离开前往探测图塔蒂斯小行星,接连刷新中国深空探测最远距离。

  2013年12月2日,嫦娥三号成功发射,在当月14日成功着陆月球并释放玉兔号月球巡视器,中国首次实现“落”

  2018年5月21日,鹊桥号中继卫星成功发射,这是人类首颗月球背面信号通信中继卫星。

  

  嫦娥四号任务(图片来源:中国国家航天局)

  2018年12月8日,嫦娥四号成功发射,在2019年1月3日成功着陆月球背面并释放玉兔二号月球巡视器,人类历史上首次突破月球潮汐锁定影响着陆在月球背面。

  航天大会前后,我国又公布了一系列嫦娥探月及后续重大任务:

  a.2019年底,嫦娥五号将进行登月采样返回,中国将要实现探月工程最后一步,“回”。如果成功将是人类时隔43年后再次获取月球样本。

  b.在近期的“嫦娥四号国际载荷科学数据交接暨月球与深空探测合作机会公告发布仪式”中,我国宣布嫦娥六号将开放20千克质量搭载载荷给国内外科研工作者。20千克有效载荷对于“寸土寸金”的登月返回任务而言,是个不折不扣的硬实力证明。

  c.嫦娥七号和八号正在研发。

  d.国家航天局局长张克俭在航天日期间表示,中国未来计划在月球建立研究站,努力在10年左右实现载人登月!这意味着在2030年前各项核心技术,例如重载火箭、探月载人飞船、登月模块等必须成熟,颇有当年美苏争霸时肯尼迪总统的著名演讲内容“在1970年前,我们要把宇航员送上月球,再安全送回来!”的豪情壮志!

  看点三:长征火箭大扩容

  长征系列运载火箭是我国自行研制的主力航天运载工具,它的名字来自毛泽东著名的《七律·长征》一诗,写于1935年10月,描述了红军不畏艰难、勇往直前的精神,“红军不怕远征难,万水千山只等闲”。 我国的运载火箭以“长征”命名,寓意火箭事业一定会像红军长征一样,克服任何艰难险阻,到达胜利彼岸。

  

  现役主力火箭(图片来源:运载火箭技术研究院)

  1970年4月24日长征一号首飞、成功将“东方红一号”卫星送入太空后,长征大家族已经包括了以下主要系列:长征一号(中国第一枚火箭)、长征二号系列(第一代主力,2F是载人航天项目的主要运载工具)、长征三号系列(高轨和探月任务的运载工具)、长征四号系列(极轨和太阳同步轨道卫星的运载工具)、长征五号系列(中国现役最强火箭,大国重器)、长征六号系列(小型液体燃料火箭)、长征七号系列(新一代主力运载火箭)和长征十一号系列(小型固体燃料火箭,快速反应能力)等。

  但随着我国航天任务的需求越发多样,长征家族也在规划迅速扩容:

  a.载人登月和探测火星,必然意味着需要近地轨道运力150吨级的重载火箭,这就是规划中的长征九号,它的运力是目前中国最强火箭长征五号的6倍左右,目标剑指霸占世界第一火箭位置长达50年的阿波罗登月土星五号。目前核心的500吨级液氧煤油发动机、9.5米级直径壳体结构等都取得重大突破。

  

  2018年珠海航展中展览的新一代火箭家族(图片来源:航天科技集团)

  b. 多个新型火箭在研。

  捷龙一号是小型固体燃料商业航天运载火箭,长征八号是我国使用无毒无污染推进剂的新型中型运载火箭,长征六号A将对长征六号进行大刀阔斧改革,长征七号A也将大大提高长征七号能力,长征五号B将成为重载工具服务于空间站建设。

  此外,新一代起飞重量约2000吨(长征2F火箭约464吨)的新型载人火箭也在研发中,这将大大提高我国深空载人航天探测能力。

  c.火箭发射环境改变。

  一方面,文昌卫星发射基地在迅速成长,未来将成为多种新型火箭的主力基地;另一方面,我国也在积极拓展新技术,2019年中将试验从海上平台发射长征十一号。这两个新环境都几乎不存在火箭残骸溅落问题,最大限度利用本地低纬度带来的发射优势。

  d.发动机技术突破。

  火箭的心脏是发动机,新型火箭的背后意味着多个新型发动机的成功。此外,为应对更复杂应用环境,例如一箭多星、深空探测任务,新型火箭上面级远征系列也在不断升级。

  在可以预见的10年内,中国长征火箭家族将向世界航天运载能力的头部玩家位置发起冲击。

  看点四:深空探测不鸣则已、一鸣惊人

  深空探测领域一直是我国航天任务的短板,但在未来十年内这一切将会发生重大改变,目前至少两个任务已经立项并在进行,多个任务正在规划。

  

  中国火星探测任务组合体(图片来源:国防科工局)

  a.首个独立火星探测任务。

  火星探测窗口每26个月一次,我国将在2020年窗口期发射火星探测任务,在火星实现轨道器“绕”、着陆器“落”和火星车“巡”的复杂功能,在世界各国早期火星探测任务中是绝无仅有的难度。

  b.2019年4月18日,我国宣布小行星探测任务将征集总重66.3千克的8种科学载荷,包括中视场彩色相机、热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪、多光谱相机、探测雷达、磁强计、带电粒子与中性粒子分析仪、尘埃分析仪等,也逐渐揭开了这个神秘任务的面纱:

  它将首先探测一颗被地球捕获的10米级微小“准卫星”,实现一次“绕”“落”“回”将样本送回地球;随后主体航天器利用地球和火星引力助推,探测一颗主带彗星

  这些均为人类首次,这个任务的复杂性、难度和创新性都将是人类深空探测领域的新突破。

  c.更远的深空任务。

  我国宣布上述任务的同时,也提到了木星/系探测、太阳系边际探测和行星际探测等一系列后续项目的规划,这也将是中国在深空探测领域的大进展。

  d.深空探测任务的进展也意味着一系列支撑技术的成熟,例如地球到火星的距离是到月球的100倍以上,且众多任务要求能实现全球无缝信息接收,这需要建立一个大型的全球性深空探测通信网络。

  看点五:北斗系统投入全球运营

  GPS系统如何颠覆了战争形态和民用生活,相信很多人已经深有体会。一方面,它创造了例如 “外科手术式打击”的军事名词;另一方面,普通人没有了手机中的GPS定位模块的确“寸步难行”。

  因此,拥有独立自主的全球卫星导航系统,是一个大国最为迫切的战略需求。

  

  北斗卫星导航系统各任务时间表(图片来源:北斗办)

  中国北斗系统从一无所有发展到一个独立自主的全球性系统,花费了20多年时间,期间先后研制了三代卫星,从实验到全球组网建立了三代系统,积累了大量宝贵经验。例如创新使用了三种轨道结合的大型星座、短报文功能、三频信号等,颇有后发优势。

  

  2019年4月24日,北斗卫星的全球可视数量分布图,大于4即可提供定位授时服务,北斗已经基本“点亮“全球(图片来源:北斗办)

  进入2018年,北斗实现了1年10箭18星的建设大潮,基本实现亚太地区高质量服务。2019年也规划发射7箭10星,进入最后组网阶段,预计将在2020年实现全球高质量服务,这将是我国航天的一个重大突破。

  天上的星星参北斗”,这句歌词未来不仅再指宇宙中的北斗星座,对于普通人而言更需要的是中国的“人造北斗”。

  看点六:航天辅助科学研究的大潮来临

  长期以来,我国航天都带有明确的工程导向,解决一个又一个实际需求问题,实现从0到1的突破。随着国力增强,对科学技术的研发需求与日俱增,众多航天任务也会愈发带有科研属性。

  a.中科院空间科学先导专项卫星系列。

  过去几年,空间科学先导专项首批卫星频频刷屏:暗物质粒子探测卫星“悟空”、实践十号返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星“墨子”、硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”不断给世界带来大新闻。

  

  中科院空间科学先导专项第二批的主要卫星(图片来源:空间科学中心)

  在新一批的中科院空间科学先导专项中,我国又将发射爱因斯坦探针(EP)、先进天基太阳天文台(ASO-S)、太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)、引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM)、增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP)等一系列卫星,这些都将是有许多国际合作的世界级科研卫星。

  b.中国“天眼”&光学太空望远镜。

  近些年世界最大的射电望远镜FAST在中国落成,它成为中国“天眼”,但它的观测频率与人类肉眼能接受的可见光范围相去甚远。

  随着中国空间站开建,一个新的光学太空望远镜将会与之共轨飞行,简而言之,中国太空“天眼”或中国版哈勃望远镜。这种轨道安排的好处在于可以通过太空任务方便维修管理,同时不与空间站连接以减少额外的干扰,这也是世界航天史上的创新之举。

  c.天宫空间站本身也是个大型的科研基地,对于人体医学、空间生物/材料工程、遥感遥测等技术而言提供了完美的微重力环境,也将成为重要科研产出基地。目前,我国已经开始了面向社会和科研院所征集相关科研/教学项目。

  d.科研卫星全面开花。

  地球重力场探测、空间引力波探测、系外行星搜寻,全国各个科研院所的航天项目申请的消息屡见报道,众多项目已经进入研制和发射实验卫星阶段。可以想像未来10年内,各种航天带来的“大新闻”将会层出不穷。

  看点七:高通量通信时代到来

  在地面通信技术努力跨越到5G的阶段,天基通信系统也在实现不断突破。一方面,高轨的地球静止轨道通信卫星在走向高通量化;另一方面,大型低轨通信卫星星座也在建设中,它们将成为高低搭配的组合,满足“全天时、全天候、高通量”的通信需求,尤其是为海洋、极地、山区、沙漠等无法大规模建立基站的区域提供高质量服务,也能为飞机、高铁等特殊应用环境保驾护航。

  

  实践十三高通量通信卫星(图片来源:航天科技集团)

  a.高轨领域。以我国在2017年4月12日发射的首颗高通量通信卫星实践十三号卫星为例,它使用了Ka波段多波束宽带通信系统,也搭载了先进的激光通信系统。通信总容量达到20 Gbit/s,超过了中国以往所有通信卫星容量总和。它使用离子电推进技术长期维持轨道,大大延长卫星寿命,使得通信单位成本大大降低。我国即将发射的实践二十号卫星,又将大大提高中国卫星通信总容量记录。

  b.低轨领域。不仅SpaceX和OneWeb在布局全球低轨通信卫星网络,中国也在积极参与竞争。航天科技集团的“鸿雁”星座、航天科工集团的“虹云”星座、众多商业航天规划的星座,都将建立数百颗卫星组成的大型网络,冲击“超级Wi-Fi”这一红海市场。

  高低搭配的天基通信技术,恐怕将在潜移默化中改变我们每个人的生活。10年前,普通用户还在为节省宝贵的流量总结技巧;10年后会发生什么,现在的你可以预测么?

  看点八:商业航天正当时

  这些年以美国SpaceX、蓝色起源、维珍银河、OneWeb为代表的商业航天公司不断“刷屏”,冲击人们对商业航天的认知。事实上,他们也在快速推动人类航天技术的发展,成为一股无法忽视的力量。

  我国商业航天起步晚,这是不争的事实,但这并不意味着进步慢。

  

  我国商业航天公司长光卫星拍下的3.6亿像素的迪拜照片一角(图片来源:长光卫星)

  过去两年来,我国各类商业航天公司如雨后春笋般涌现,它们几乎覆盖了航天相关的各个方面。火箭发动机、运载火箭总体、火箭回收复用、卫星遥感、测控网络、微小卫星制造与应用、低轨卫星通信网络、卫星数据服务等领域都出现了可圈可点的公司。

  虽然目前尚未出现有重大突破的新闻,但针对这些崭新的公司我们不必苛求太多,尤其是片面追求“中国版”SpaceX这种类似说法。目前一切都是起点,随着中国航天的快速进步和人才储备的增长,它们之中一定会涌现出独具特色的“独角兽”,只是一切仍需时间。

  49年了,东方红一号卫星仍然在太空中见证着中国一批批卫星和航天器的发射,它成为中国航天事业的最有力的见证者。中国航天日,既是纪念它的发射,也是奏响中国迈入“航天时代”的华丽篇章!

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