吳季：人類探索空間的最新技術進展

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吳季，研究員，中國空間科學學會理事長，中國科學院國家空間科學中心原主任，國際宇航科學院（IAA）院士，電子與電氣工程師協會（IEEE）會士，盧森堡政府“空間資源”國際諮詢委員會委員，阿聯酋航天局國際諮詢委員會委員。曾任中國科學院空間科學先導專項負責人、空間科學衛星工程常務副總指揮，國際空間研究委員會（COSPAR）副主席，地球空間雙星計劃應用系統總設計師，中俄聯合探測火星計劃——螢火一號首席科學家，嫦娥一號、三號有效載荷總指揮等。

1957年10月4日，蘇聯成功發射人類首顆人造衛星，標誌着人類進入空間時代，而人類探索空間的步伐從未停止，本文將對運載、衛星與探測器、測控通信、發射和回收領域的技術前沿進行簡要介紹。

火箭技術

迄今，人類製造的最大火箭是NASA在20世紀60年代研製的土星五號運載火箭，其高度爲111m（約36層樓高），起飛重量達2800t。土星五號運載火箭是目前人類航天的極限。

土星五號運載火箭

航天飛機作爲可重複利用的載人航天器，可以像運載火箭一樣把人造衛星等航天器送入空間，可以像載人飛船一樣在軌道上運行，還可以像滑翔機一樣在大氣層中滑翔着陸。美國是唯一以航天飛機成功完成載人任務的國家，其航天飛機包括哥倫比亞號（返回時解體）、挑戰者號（發射後爆炸）、發現號、亞特蘭蒂斯號和奮進號。2011年，航天飛機全部退役。

美國空間探索技術公司（SpaceX）設計製造了可重複使用的商業火箭獵鷹九號，是首枚實現可控陸地和海上垂直着陸回收的火箭。

未來，火箭燃料將更安全環保，無毒，無污染。中國的長征五號、長征七號系列運載火箭就使用了無毒無污染的液氧煤油和液氫液氧推進劑。

重型火箭是提高進入深空能力的必要途徑。NASA分三個階段提升空間發射系統運載能力，最終將研製近地軌道運載能力130t的Block 2型火箭。

固體火箭發射系統的優點是快速響應、可移動發射。固體運載火箭除了可以陸基發射以外，還適用於海基發射和空基發射。

進入空間需要很高的成本。國際商業發射中，小型運載發射報價一般爲每千克5000～10000美元（SpaceX公司）。但這個價格仍然很高，無法滿足很多應用的需求。目前進入空間的最低報價，中國爲每千克5萬元；在實現可重複使用以後，目標是降至每千克2萬～3萬元。

火箭進入空間的技術和能力主要侷限在重量和成本方面。

衛星與探測器技術

隨着空間技術的不斷髮展，一方面，衛星性能更高、功能更強，使人類具備了前所未有的空間應用能力；另一方面，衛星更輕、更小、更智能，衛星生產也可以做到規模化，衛星的應用效能也不斷增強。

迄今，人類製造的由運載火箭發射的、最大的人造衛星爲歐洲空間局（European Space Agency，ESA）的歐洲環境衛星（Environmental Satellite，Envisat）。它的太陽帆板和雷達展開前可達10m高。星上展開伸杆最長的衛星是磁層頂到極光全球探測衛星成像器（Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration，IMAGE），柔性伸杆後長達504m。最小的衛星則是已經標準化的立方星（Cubesat）。它由一個或多個10cm×10cm×10cm的立方體組成。目前有個仍在設計中的計劃，即斯蒂芬·霍金曾經參與的、由美國突破基金會贊助的突破攝星（Breakthrough Starshot）計劃，正在研發名爲“星片”（Starchip）的光帆飛行器，將由位於月球上的大功率激光器對其加速，力求達到1/5光速（約6×104km/s）的速度航行，用大約20年的時間飛抵半人馬座α星開展探測。約4年後，地球上可以收到其傳回的信息。

根據任務需求，衛星技術的前沿變化很大。製造越來越小、越來越智能化的衛星成爲新的發展方向，特別是具有智能編隊（即由分散的衛星羣形成更大規模）功能的智能化設計。

除了運行於地球軌道上的各種衛星以外，前往月球、火星、金星及太陽系其他天體的各種探測器也是空間技術發展的新方向。它們的探測目標除了科學研究以外，還包括對太陽系資源的利用及對威脅地球的近地小天體的識別和防衛。其中涉及的創新技術包括行星際航行、地外天體着陸和起飛、樣品採集和返回地球、地外天體巡視和深入表面以下的探測，以及就地樣品分析和利用技術等。

測控通信技術

測控技術是對航天飛行目標進行跟蹤、測量和控制的綜合技術。測控系統由控制中心、測控站和專用通信網組成。測控技術將向具備連續的軌道覆蓋能力、定軌精度從米向釐米等方向發展。

通信技術主要是指將飛行器上的大量數據傳送到地面上的技術。從地球近地軌道上將數據傳回地球的速率，由於激光通信技術的發展，將很快突破交換帶寬（Gbps）的通信速率。

測控通信技術目前正在向深空領域發展。在深空中測控通信的困難除了速率方面以外，最主要的就是長距離帶來的時延。對於地月之間的通信，延時將達到約1.3s，而對於地火之間的通信延時，根據地球和火星軌道的變化，延時將達到3～20min。下圖爲中國科學院上海天文臺65m口徑天馬射電望遠鏡。

上海天文臺天馬射電望遠鏡

發射和回收場技術

未來航天發射將向多樣化方向發展，其中地面固定發射場仍將是載人航天發射及大型、重型運載火箭發射的唯一方式；海上發射和空中發射作爲補充，並將得到新的發展。

對於載人航天，涉及航天員的發射場必須具有服務航天員的能力，包括訓練、醫護、隔離和相關技術支持。因此，具有載人航天發射能力的國家都將載人航天發射場固定在一個專用的發射場。

每個發射場的選址和設計，都需要考慮一級火箭的落區安全問題。由於地球的自轉是自西向東，爲了藉助地球自轉帶來的動力，除了極軌衛星可以選擇向南和向北發射以外，帶有傾角的衛星軌道的發射一般都選擇向東發射，以節省燃料。因此，爲了保證落區的安全，發射場通常選擇在大陸的東海岸。這樣就可以使一級火箭的殘骸落在公海區域。

無人的返回式任務，如微重力科學和空間生命科學實驗衛星及載人航天任務的返回場，一般都選擇地域廣闊的平原地區。這是因爲在回收過程中，降落傘打開之後，由於氣象條件的不確定性，對落點的預估會出現很大誤差。因此，空曠無人的大草原或沙漠地區就是最好的選擇。但是，爲了儘快找到返回艙獲得回收樣品及迎接航天員，回收場必須建設相應的技術設施，服務於回收物和人的特殊需求。下圖爲實踐十號衛星返回艙成功回收的現場圖。

實踐十號衛星返回艙成功回收

來源：科學人文在線