前景廣闊的中國航天事業——簡析《2011年中國的航天》白皮書

□ 東方星

2011年12月29日，我國發表了《2011年中國的航天》白皮書，在國內外產生了廣泛影響。尤其是其非常公開透明地展示了中國未來5年的航天規劃，使全世界看到了中國航天的前景。

《2011年中國的航天》是根據中國國情并綜合研究世界航天發展趨勢，把穩步發展與跨越式前進有機結合而描繪出來的。其涉及面寬、范圍廣，對中國航天發展進行了統籌考慮、科學部署。

進一步提升進入空間的能力

白皮書中提到，在今后5年內實現長征五號、長征六號和長征七號首飛，開展重型運載火箭專項論證和關鍵技術預先研究。一個國家進入空間的能力在很大程度上決定了其空間活動能力以及空間應用水平。例如，長征五號火箭近地軌道運載能力為25噸，這就為我國建造空間站提供了重要支持，因為從世界空間站的發展來看，空間站單個艙段為20噸左右最佳，所以要發射空間站艙段必須擁有大推力火箭。

資源三號衛星在軌飛行示意圖

具有“無毒、無污染、低成本、高可靠、適應性強、安全性好”特點的長征五號新一代運載火箭，其基本型為帶助推的兩級火箭：芯一級采用2臺推力各約50噸的氫氧發動機并聯組成；助推器根據需要采用120噸推力液氧煤油發動機數臺；芯二級采用2臺推力各約8噸的氫氧發動機并聯組成，它由長征三號甲第3級氫氧發動機改進而成；整流罩直徑5.2米，長18米。長征五號近地軌道運載能力覆蓋1.5～25噸，地球同步轉移軌道運載能力覆蓋1.5～14噸。

白皮書指出，我國正開展載人登月前期方案論證，而研制重型火箭對于未來載人登月甚至載人登火星具有重要意義。由于載人登月飛船一般需在50噸以上，而且其奔月時的初速度要求為每秒10.9千米，因此必須擁有重型運載火箭才行，如要進行載人登火星更是如此。當年美蘇競爭載人登月時蘇聯之所以敗給美國，最重要的原因就是蘇聯N1型重型火箭4次發射失敗。

未來的長征五號系列運載火箭

我國著名火箭專家龍樂豪院士等專家透露，我國發展重型運載火箭的初步方案是：在動力選型方面，擬基于液氧煤油發動機、液氫液氧發動機和固體發動機來構建我國的重型運載火箭，其中上面級發動機選擇氫氧發動機，地面起飛動力選擇全液氧煤油或者固體助推+氫氧芯級，起飛推力達到5000噸級；在構型選擇方面，擬采用兩級半構型，這在一定程度上能夠兼顧火箭運載效率優化，另一方面能夠通過二級一次點火和兩次點火的不同選擇，適應不同的目標軌道；在直徑選擇方面，由于長細比過大的火箭不利于控制，所以初步確定重型運載火箭的長細比不超過12，計算結果表明重型運載火箭的直徑不應小于9米。

根據前期載人登月論證工作的初步結果，我國載人登月擬采用兩步走的戰略實施，第一步是在2025年前，利用現有火箭技術，發展近地軌道運載能力50噸級超大型運載火箭，盡快實現2～3人的月球探測活動；第二步是在2030以后，發展基于大直徑、大推力發動機技術的重型運載火箭，實施3人以上的月球探測和開發活動。經過計算，重型運載火箭具備將50噸級的有效載荷送入奔月軌道的能力，結合前期論證結果可知，采用重型運載火箭具備一次發射將3人以上有效載荷送上月球，并從月球安全返回的能力。重型運載火箭還可用于無人火星探測、載人登陸火星和建造空間太陽能電站等。

重點建設空間基礎設施

白皮書強調，我國重點建設由對地觀測、通信廣播、導航定位等衛星組成的空間基礎設施框架，進一步完善地面系統建設和衛星應用服務體系，初步形成長期、連續、穩定的業務服務能力，擴大應用規模，更好地滿足應用需求，促進我國戰略性新興產業的發展。

我國將研制發射立體測繪衛星、環境與災害監測雷達衛星等新型對地觀測衛星。2012年1月9日升空的資源三號衛星是中國第一顆自主研制的民用高分辨率立體測繪衛星。通過立體觀測，可以為國土資源、農業、林業等領域提供服務，資源三號將填補中國立體測圖這一領域的空白。該衛星采用經適應性改進的資源二號衛星平臺，配置4臺相機：1臺地面分辨率優于2.5米的正視全色TDI CCD相機；2臺地面分辨率優于4米的前視、后視全色TDI CCD相機；1臺地面分辨率優于10米的正視多光譜相機。衛星具有側擺功能，可對地球南北緯84度以內的地區實現無縫影像覆蓋，每59天實現對我國領土和全球范圍的一次影像覆蓋，在特殊情況下，能夠在5天之內對同一地點進行重訪拍攝。其影像分辨率及測圖精度為國內第一。資源三號衛星集測繪和資源調查功能于一體，主要用于生產中國1:5萬基礎地理信息產品，以及 1:2.5萬等更大比例尺地圖的修測和更新，開展國土資源調查與監測，為防災減災、農林水利、生態環境、城市規劃與建設、交通和國防建設等領域提供有效的服務。資源三號于2012年1月11日成功傳回第一批影像數據，影像覆蓋黑龍江、吉林、遼寧、山東、江蘇、浙江、福建等地區，共約21萬平方千米。中國國家測繪地理信息局已經快速完成對首批影像的加工處理，制作出高質量影像產品，并成功應用于自主知識產權在線地圖服務網站——天地圖(www.tianditu.cn)。

2012年發射的環境-1C（即環境與災害監測雷達衛星）是我國首顆民用雷達衛星，使用可折疊式網狀拋物面天線，天線將在衛星入軌后展開。其星載雷達具有條帶和掃描兩種工作模式，單視模式空間分辨率可到5米，4視模式空間分辨率為20米，提供的合成孔徑雷達圖像以多視模式為主。

白皮書表示，我國將發展移動通信業務衛星，研制更大容量、更大功率的新一代地球靜止軌道通信廣播衛星平臺。這對我國經濟建設、國家安全、社會進步和科學繁榮等都會帶來顯著的效益。

例如，發展移動通信業務衛星可向各種用戶，尤其是緊急救援的用戶以及處于遠離城市的用戶提供實時話音、數據等多種服務，這對于減災、探險、旅游、公安、運輸等許多領域具有重要作用。移動通信業務衛星覆蓋區域廣，其不受地理障礙約束和用戶運動限制等優勢使光纖通信望塵莫及，用途越來越廣。

我國目前使用的東方紅四號大型靜止軌道衛星平臺，有效載荷承載能力595千克，可提供有效載荷功率8千瓦，設計壽命15年。我國還將研制更先進的東方紅五號平臺，它擬使用電推進技術等多項新技術，有效載荷承載能力1200～1500千克，可提供有效載荷功率15～20千瓦，將大大提高衛星的應用能力和范圍。

中國空間實驗室示意圖

現在，美國、歐洲和日本發射了“哈勃”空間望遠鏡等多種天文衛星，這種衛星最大的優點是可以不受大氣層的影響，進行全波段天文觀測，但我國目前還沒有。白皮書透露，我國將研制發射“硬X射線調制望遠鏡衛星”，它將是我國第1顆天文衛星，將有力地促進我國空間天文學的研究。

據中國科學院高能物理研究所盧方軍研究員介紹，“硬X射線調制望遠鏡”是國際上已知計劃中唯一一臺既可以實現寬波段、高靈敏度X射線成像巡天又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時標光變和寬波段能譜的空間X射線天文觀測設備。與已有和研制中的硬X射線望遠鏡比較，“硬X射線調制望遠鏡”在全天巡天的靈敏度和高計數率觀測的時變研究方面具有明顯優勢，使得中國有可能在黑洞的尋找和高精度觀測這兩個方面取得突破性的重大成果，是透視宇宙的眼睛。

“硬X射線調制望遠鏡”采用分艙室式設計，有效載荷位于衛星上部，服務艙以資源二號衛星平臺為基礎，位于衛星下部。衛星總質量2700千克，將運行在高度550千米、傾角43°的近地圓軌道，設計壽命4年。其主要有效載荷包括高能X射線望遠鏡、中能X射線望遠鏡和低能X射線望遠鏡。由于不同能量的X射線輻射起源于天體上不同的物理過程，這些望遠鏡在不同的波段同時觀測一個天體，可以對天體的活動給出更全面和準確的診斷。

“硬X射線調制望遠鏡”在軌運行示意圖

2010年珠海航展上展出的中國探月工程模型

中國空間站實驗艙Ⅰ示意圖

中國空間站核心艙示意圖

盧方軍研究員透露，“硬X射線調制望遠鏡”是我國第一顆空間天文衛星，采用了低噪聲、高能量分辨率X射線探測技術、Si-PIN探測器和讀出專用集成電路技術、硬X射線探測器技術等多項國際先進水平的載荷技術，在衛星背景型號研究期間，取得多項創新性技術成果，顯著提升了我國的空間探測能力。

實施一批重大航天科技專項

白皮書介紹，我國載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統、二代導航系統將取得重大階段性成果，帶動相關科學技術的發展，為國家科學技術的整體進步作出新的貢獻。

我國將在今后5年內發射空間實驗室、載人飛船和貨運飛船，突破和掌握航天員中期駐留、再生式生命保障及推進劑補加等空間站關鍵技術，開展一定規模的空間應用。這些都是為空間站建設進行技術準備，因為空間站猶如在宇宙的海洋中傲游的航天母艦，雖然用途廣泛，但需要各種配套設施的支持。

空間實驗室是建立長久性空間站的重要一環，以突破和驗證空間站關鍵技術為主要任務目標，以“短期有人照料、長期自主運行”為主要工作模式。我國空間實驗室發展構想具有如下主要特征：通過一次性攜帶的物資，可實現少批量、短時間航天員在軌駐留，一般不具備長期載人能力；一般沒有在軌補給和補加功能，壽命較短；規模小，不具有可擴展性；能進行空間站關鍵技術驗證試驗，可開展一定規模的空間應用。

未來的空間實驗室將主要開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗。其后的另一空間實驗室將主要完成驗證再生生保關鍵技術試驗、航天員中期在軌駐留、貨運飛船在軌試驗等，還將開展部分空間科學和航天醫學試驗。

我國還將以空間實驗室為基礎，研制比俄羅斯“進步”系列貨運飛船更先進的貨運飛船，最大直徑約3.35米，發射質量13噸，一次運貨能力達6噸，是“進步”貨運飛船的3倍。

2020年前后建成的我國第一個載人空間站起點很高，是多艙式空間站，采用積木式構型，由1個核心艙和2個實驗艙組成，并可同時對接載人飛船和貨運飛船后，總質量80噸。它們在核心艙統一調度下協同工作，完成空間站承擔的各項任務。

我國載人空間站的核心艙含節點艙、生活控制艙和資源艙，全長約18.1米，最大直徑約4.2米，發射質量20～22噸。其主要任務包括為航天員提供居住環境，支持航天員的長期在軌駐留，支持飛船和擴展模塊對接停靠并開展少量的空間應用實驗，是空間站的管理和控制中心。

實驗艙具備獨立飛行功能，與核心艙對接后形成組合體，可開展長期在軌駐留的空間應用和新技術試驗，并對核心艙平臺功能予以備份和增強。其中實驗艙I全長約14.4米，最大直徑約4.2米，發射質量約20～22噸，兼有組合體控制與應用實驗功能。實驗艙Ⅱ體積、尺寸、質量與實驗艙I相同，以應用實驗任務為主。

雖然與123噸的“和平”號和423噸的國際空間站相比，我國空間站規模相對較小，但從建造成本和應用效益的角度綜合分析，這是一個符合中國國情和實際需要的理性選擇。我國既不貪大求全，但又規模適度，因此有望取得較高的工程應用效益。

白皮書重申，我國將繼續按照“繞、落、回”三步走的發展思路，推進月球探測工程建設。其實，這三步走的每一步都是對前一步的深化，并為下一步奠定基礎。從“繞、落、回”的科學目標看，它們有明顯的遞進關系：“繞”就是進行全球性、整體性與綜合普查；“落”就是進行區域性精細就位分析；“回”就是取樣品返回地面后進行精準分析。

白皮書表示，未來5年，中國將在空間科學、衛星應用、載人航天、測控通信、商業發射、整星出口、人員交流等8個領域開展國際航天交流與合作。國際航天合作是未來航天發展的趨勢，尤其是特大航天工程的實施，通過國際合作可以相互取長補短、資源共享、減輕壓力、多方共贏。

2010年珠海航展上展出的中國空間站模型