廖春發 徐鵬
2012年,經濟危機對航天產業造成的影響已經開始顯現,全球航天產業的增長速度明顯減緩,印證了航天的發展與世界經濟興衰息息相關。當前美國面臨的財政懸崖和歐洲的主權債務危機已經或正在深刻地影響著美歐政府對航天的投資力度。盡管最近5年來美國的競爭優勢地位在逐年下降,但美國在航天領域的創新能力依然領先,太空探索仍然是美、俄、歐等航天強國未來20年追求的目標。2012年中國航天繼續保持快速發展態勢,國際競爭力和航天實力持續增強,預示“一超三強”的世界航天戰略新格局正在形成。
50多年來,世界航天戰略格局從發展初期的“兩強爭霸”,逐步演化為“一超一強、多方追趕”的發展態勢。隨著近年來美、俄、歐航天競爭力的“不進即退”,中國航天競爭實力卻在快速發展,世界航天戰略格局正在向美、俄、歐中“一超三強,多方角力”的新格局演進??梢灶A見,到2020年中國將躋身世界航天強國之列。
2012年,美國國防部出臺新的《國防部航天政策》,這項新政策根據美國《國家航天政策》和《國家安全空間戰略》,對國防部原有航天政策和航天職責進行了更新,提出了國家安全空間的三個目標;闡述了軍事航天活動的基本原則:重申有意干擾美國的空間系統,不論是和平時期還是危機時期,都將被視為對美國權益的侵犯;制定了懾止攻擊美國空間系統的四項策略;明確了需要發展的五種空間任務能力;強調國際航天合作,統籌規劃航天力量建設,旨在應對日益擁擠、對抗和競爭的空間環境帶來的挑戰,謀求建立“多重威懾”體系以確??臻g的安全與穩定。
探索、發現和利用外層空間,并將重大科學技術成果轉換成科技創新和技術突破,大大增強了人類認識自然,改造自然的能力。除電子技術和計算機技術之外,迄今還沒有一門綜合技術能像航天技術那樣,如此廣泛、如此深刻地影響或推動著人類科學技術和社會的文明與進步,改變著地球上數以億計人的生產和生活方式。這些成就的取得離不開創新。創新是驅動世界航天技術發展的源動力。
2012年又有一些創新型航天技術、產品和運營服務模式取得了重要進展,例如:
● 美國私企“龍”貨運飛船兩次執行商業運輸任務,表明美國航空航天局(NASA)創新型“商業軌道運輸服務”計劃取得重大進展;
● 美軍繼續推動“作戰響應空間”技術實用化,期望通過創新引發航天變革;
● 美國國防高級研究計劃局(DARPA)推出低成本小型成像衛星計劃,推動創新型研發與部署模式;
● 美國DARPA啟動“鳳凰”計劃,力圖實現高價值空間資產的再利用。
近年來,美、俄、歐、中等航天大國正在加快各自導航衛星系統的現代化建設步伐,搶占技術制高點和全球市場份額是各國競爭的重點。美國在鞏固其全球市場壟斷地位的同時,時刻不忘搶占導航技術的制高點。俄羅斯吸取以往的教訓,將重點放在與美歐系統的兼容與互操作上,加強“格洛納斯”衛星的應用開發。當前正在亞洲形成中、日、印“三國演義”和在全球形成美、俄、中、歐“一超三強”的競爭格局。北斗系統的快速發展,不僅使中國在亞洲中、印、日區域衛星導航的“三國演義”競爭中處于遙遙領先地位,而且在未來中、美、俄、歐衛星導航系統四強競爭中成為四分天下有其一的國家,成為中國從航天大國走向航天強國的重要標志,并在中國乃至全球市場的衛星導航系統用戶終端產品制造、集成和服務領域占有重要的一席之地。在這一新格局下,中國既面臨千載難逢的戰略機遇期,也面臨巨大的挑戰。
6月16日,神舟九號飛船承載著3名航天員在酒泉衛星發射中心,由長征二號F運載火箭成功發射,準確入軌。神舟九號飛船入軌后,經地面遠距離導引和自主控制飛行,于18日和24日,分別實現了自動和手動控制交會對接。組合體飛行期間,3名航天員在軌正常工作和生活,開展了一系列空間科學實驗和技術試驗。6月28日,神舟九號飛船返回艙順利降落在內蒙古中部主著陸場。
2012年中國共進行4次、包括2次一箭雙星的北斗導航衛星發射活動,將6顆衛星送入不同軌位,創造歷年發射之最。為鼓勵國內外相關企業參與北斗衛星應用終端研發,推動北斗衛星導航的廣泛應用,12月27日,中國衛星導航系統管理辦公室公布了北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件——公開服務信號B1I(1.0版),并宣布自當日起北斗衛星導航系統開始向亞太地區提供區域服務。北斗衛星導航系統區域服務由5顆靜止軌道(GEO)、5顆傾斜大橢圓軌道(IGSO)和4顆中圓軌道(MEO)共14顆衛星組成,可提供優于10m的定位精度,優于0.2m/s測速精度和50ns授時精度。目前北斗芯片研制已取得重要進展,具有自主知識產權的北斗/GPS雙模芯片已經在車載終端中得到了實際應用,區域示范項目在穩步推進。這表明中國已掌握了建設衛星導航系統所必須的、具有自主知識產權的核心技術,并已突破了發展北斗系統全球服務所需的許多關鍵技術,尤其是高精度星載原子鐘技術。為此,北斗衛星團隊榮獲“2012中國經濟年度人物”創新獎殊榮。
北斗衛星導航系統既是中國的,也是世界的,預計到2020年中國將建成由35顆衛星組網并服務全球、造福全人類的全球導航衛星系統。
5月,美國完成首艘商業貨運飛船 ——“龍”飛船的試驗飛行任務。5月22日,美國空間探索技術(SpaceX)公司的“龍”飛船搭乘獵鷹-9(Falcon -9)火箭從卡納維拉爾角發射升空,與“國際空間站”(ISS)對接飛行18天,而后重返地球大氣層并濺落在太平洋海域。
10月,美國“龍”飛船正式執行ISS首次貨運任務。10月8日,“龍”飛船搭乘獵鷹-9火箭升空,為ISS運送了重約760kg的物資。

★ SpaceX公司的“龍”飛船

★ 美國好奇號火星車傳回地球的圖片
NASA局長博爾登表示,此次成功標志著美國創新型商業軌道運輸服務模式取得新進展,使NASA可以減少近地軌道任務的開支,以便集中資源完成月球往返、登陸小行星甚至火星等更多深空探索任務。
根據NASA的商業軌道運輸服務(COTS)合同,SpaceX公司將在2016年前至少執行12次ISS貨運任務,合同總價值16億美元。按照商業乘員集成能力協議,SpaceX公司還將在2015年左右,實現利用“龍”飛船將航天員送往ISS的能力。
4月28日,俄羅斯聯邦航天局發布《2030年前及未來俄羅斯航天發展戰略(草案)》。在此項戰略計劃中,航天局向政府提出分4階段完成9大航天發展任務,以確保實現“俄羅斯航天技術處于世界先進水平,鞏固俄羅斯在航天領域領先地位”的戰略目標,旨在重振俄羅斯的航天輝煌,鞏固俄羅斯的航天強國地位。為了實現這一目標,俄羅斯將在未來18年以及更長的時間里,力圖在載人航天、深空探測、運載火箭研制、發射場建設等領域實現突破性發展。
新航天戰略還明確了未來航天活動三大優先方向:一是發展航天通信、對地觀測、衛星導航等系統,以及用于基礎研究的航天設備和技術;二是建造用于載人、載貨的飛船和行星著陸設備,以及可重復使用的航天發射系統;三是實施載人探測火星的國際合作,為建造新一代空間站而建立科學技術儲備。
8月6日,美國好奇號火星漫游車成功著陸于火星赤道以南的“蓋爾”隕坑,執行2年的考察任務,探索火星過去或現在是否存在適宜生命的環境。好奇號作為迄今耗資最大、性能最先進的火星漫游車,不僅采用了許多已有的成熟技術,更重要的是驗證了多項創新性的深空探測技術,為后續的載人深空探測任務提供了重要支撐。在好奇號成功登陸火星后,美國總統奧巴馬發表聲明稱,這是美國的非凡成就和驕傲。
12月12日,朝鮮從位于平安北道鐵山郡東倉里的西海衛星發射場,用銀河3號運載火箭將光明星3號衛星送入預定軌道。此前,朝鮮分別于1998年、2009年和2012年4月進行了三次發射,均遭遇失敗。雖然,朝鮮宣稱擁有和平利用宇宙空間的權利,但是聯合國安理會決議限制朝鮮發展與遠程導彈相關的航天運載技術。此次,朝鮮不顧國際輿論壓力,堅持并成功發射衛星,在國際社會引起極大反響。
此次發射使用的銀河3號為三級運載火箭,高30m,直徑2.4m,起飛質量90t。朝鮮宣稱發射入軌的光明星3號衛星主要有兩項任務:一是對地觀測并在衛星經過朝鮮上空時進行科學數據傳輸試驗;二是播放《金日成之歌》和《金正日之歌》。該衛星是一個0.75m×0.75m×1.1m的長方體,質量約100kg,設計壽命2年。朝中社公布的衛星軌道參數為:傾角97.4°,近地點499.7km,遠地點584.18km,周期95min29s。但美國專家稱該衛星入軌后基本上處于“死亡狀態”和失控狀態。
歐洲航天局(ESA)通信部已將發展全電推進衛星列為該部門的最高優先級項目之一。所謂“全電推進”是指用先進的電推進手段取代傳統的化學推進裝置完成衛星從轉移軌道到靜止軌道的變軌機動和在靜止軌道的位置保持任務。這種創新技術有可能引發靜止軌道衛星技術的變革。在2012年11月ESA提交的新一輪多年期財政預算中,提議在未來4年間投入3億歐元(約合3.75億美元),用于研制名為“新星”(Neosat)或“下一代平臺”的新型衛星平臺。新的平臺將具有許多全新的特性,除支持全電推進技術以外,還包括采用標準化接口,以便衛星部件分包商的產品能夠與不同主承包商的平臺兼容,并形成規模經濟效益。
ESA積極發展全電推進技術的首要原因是試圖縮短歐洲制造商與美國制造商在全電推進領域的技術差距。2012年3月,美國波音空間與情報系統公司與亞洲衛星廣播公司(ABS)和墨西哥衛星公司(Satmex)簽訂了4顆通信衛星的制造合同,其中至少3顆衛星都將采用全電推進的BSS-702SP平臺。這也使得波音公司成為全球第一家將全電推進衛星打入商業市場的制造商。在此之前,美國的洛克希德·馬丁公司就曾為政府用戶研制過基于A2100平臺的全電推進衛星,但并未進行過商業銷售。
2月24日,美國首顆“移動用戶目標系統-1”(MUOS-1)衛星發射升空。7月17日,投入實戰應用。
MUOS-1衛星運行在地球同步軌道,能夠為艦艇、飛機、車輛及部隊手持終端提供服務。其性能優勢體現在:①通信容量和傳輸速度極大提高。作為海軍下一代通信衛星,MUOS-1衛星的通信容量是現役“特高頻后繼”(UFO)系統的10倍,傳輸語音呼叫、數據信息、文件傳輸和電子郵件等窄帶戰術信息的速度可達384kbit/s。②支持小型化設備。MUOS支持用戶通過手持小型設備進行通信,擺脫基于UFO通信必須采用的大型設備。③支持移動通信能力。當前特高頻環境中,地面用戶須保持靜止并將天線直接指向衛星以發送信息,而MUOS系統能夠幫助用戶在運動過程中保持通信,而且衛星能夠聯接地基接收站,進而與全球信息柵格(GIG)相聯,確保分布在世界各處的用戶能夠收發數據、呼叫和進行視頻,將為作戰人員提供移動中的點對點和網絡化通信服務能力。④兼容性強。MUOS系統兼容原有的特高頻終端,同時提供下一代的波形以支持移動通信能力,一方面確保原有通信終端能夠接入MUOS架構,另一方面為軍事用戶帶來新技術。
MUOS-2將于2013年發射,美軍還將在2015年前發射3顆MUOS衛星,組成由4顆工作星和1顆備份星組網的通信衛星星座。MUOS星座計劃服役到2025年,為全球機動作戰部隊提供3G語音、數據和視頻通信服務。
4月20—26日,美國在內利斯空軍基地完成第7次“施里弗”太空戰國際演習。“施里弗2012”演習之所以稱之為“國際演習”,主要是因為美國首次在太空戰演習中納入北約成員國和澳大利亞的軍事力量。“施里弗2012”演習由美空軍航天司令部下屬的航天創新與發展中心(SIDC)組織實施,約有來自30多個機構的270多名航天專家參與。
“施里弗2012”太空戰國際演習目的是探索如何利用太空為多國部隊軍事行動提供支持。“施里弗2012”演習的目標主要有:①探索如何優化利用北約成員國與澳大利亞的航天能力,以支持北約設想的遠征作戰;②通過提升與國際伙伴和私營公司的合作與協同,確定在對抗環境中提高太空系統恢復能力的途徑;③明確防護支持作戰的航天能力所面臨的挑戰;④檢驗網絡電磁空間與太空的作戰融合;⑤理解太空作戰中的廣泛國際合作為軍事作戰所帶來益處。
6月16日,美國第二架X-37B軌道試驗飛行器(OTV-2)完成在軌469天的飛行試驗后,降落在范登堡空軍基地,標志著美軍無人可重復使用航天器技術取得重要進展。OTV-2于2011年3月5日從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。OTV-2任務重點是驗證飛行器自身的性能。X-37B采用自動駕駛與導航模式,可長期在空間部署。此次OTV-2實際在軌時間469天,大大超出其設計的270天的工作時間,是OTV-1在軌運行時間(225天)的1倍多,以研究長期在軌對系統結構和載荷造成的影響。
12月11日,美國空軍利用宇宙神-5火箭成功地將X-37B軌道驗證飛行器發射入軌,開始執行第三次演示驗證任務。本次飛行是2010年執行演示驗證任務的第一架X-37B軌道驗證飛行器的第二次飛行試驗。對于X-37B的具體任務,美國空軍空間項目的副部長、前航天飛機指令長加里?佩頓表示,“X-37B的首要目標是為美國的未來發展新一代的再入技術,并將作為技術驗證平臺和空間實驗平臺”。
“全球環境與安全監測”(GMES)系統是全球對地觀測系統體系(GEOSS)的組成部分。該系統是歐盟重點投資的兩大航天工程之一,旨在發展專用的對地觀測衛星系統,整合歐洲現有的對地觀測資源(包括天基、空基、海基、陸基觀測系統),融合世界范圍內業務化對地觀測衛星系統的數據,實現對地觀測數據的集成和共享。作為歐盟領導的綜合性對地觀測系統,GMES系統的終極目標是確保歐洲在環境監測與安全領域中數據源的獨立性,確保歐洲可以獨立地、及時地獲得可靠的、各種尺度的(如全球的、區域的、局部的)對地觀測信息。GMES系統建設于2003年正式啟動,但是計劃在實施過程中遇到管理與經費問題,進展落后于預期。2012年6月,歐盟各成員國同意將GMES系統重新納入歐洲《2014—2020跨年財政框架(MFF)》,撥款32億歐元(42億美元),以保證其建設經費的落實。該系統正在研制的哨兵-1和哨兵-2衛星將于2013年發射,GMES系統有望在2014年進入業務運行階段。
在5月19日與韓國阿里郎-3衛星“一箭多星”同時發射任務中,日本還將一顆“全球變化觀測任務-水”(GCOM-W1)衛星送入高度700km的預定軌道。該衛星裝有先進微波掃描輻射計等多臺遙感設備,可監測北極的冰層變化,以掌握地球變暖的整體情況,還可測量土壤中的水份含量以判斷地球沙漠化進程。此外衛星獲取的北極海冰分布、海水溫度分布和海冰集聚區信息將與日本極區研究所海洋研究船在北極現場采集的冰層變化信息融合,用于尋找在北冰洋航行的最佳航道。根據日本與美國聯合實施的“全球變化觀測任務”計劃,日本將在未來10~15年內發射5顆對地觀測衛星,建立2個專門用于監測全球水循環和氣候變化的星座,名字暫定為GCOM-W和GCOM-C,力圖用10~15年的全球尺度的連續觀測數據解譯全球氣候變化和水循環的機制。另一個在800km軌道高度部署的用于監測氣候變化的星座將由GCOM-C1及GCOM-C2、GCOM-C3三顆衛星組成,預計從2014年開始陸續發射。
4月26日,印度發射首顆完全自主研制的雷達成像衛星(Risat-1),Risat-1衛星成功進入高度536km、傾角97.6°的太陽同步圓軌道。Risat-1衛星發射質量1858kg,設計壽命5年,星載C頻段合成孔徑雷達由印度自主研制,能夠實現全天時、全天候對地成像,圖像分辨率可達1m。印度曾于2009年發射了Risat-2衛星,該衛星的合成孔徑雷達采購自以色列,與其“合成孔徑雷達技術驗證衛星”(TecSAR)的有效載荷相同。
印度空間研究組織主席表示:“Risat-1衛星的成功發射,標志著印度進入了有能力制造和發射雷達成像衛星的世界先進行列?!贝饲埃《裙灿?0顆對地觀測衛星在軌運行,Risat-1衛星的投入使用進一步提高了印度在全球高分辨率衛星遙感領域的影響力。
5月19日,韓國利用日本H-2A火箭從種子島航天發射場發射韓國和歐洲阿斯特里姆公司聯合研制的韓國多用途衛星-3衛星。該衛星發射質量800kg,運行軌道高度為685km,設計壽命4年,全色分辨率0.7m,多光譜分辨率2.8m。主要用于滿足地理信息系統(GIS)以及環境、農業和海洋等應用領域對高分辨率成像的需求。韓國曾在2006年7月發射韓國多用途衛星-2衛星,質量800kg,分辨率為1m;在1999年12月發射的韓國多用途衛星-1衛星,質量470kg,分辨率為6.6m。
8月,銥星通信公司宣布將在“銥星下一代”(Iridium Next)衛星星座上搭載商用飛機監視有效載荷,為世界各國的航空公司和空中交通管制部門提供商業飛機在空中飛行時的位置數據。這一新舉措除了為公司帶來2億美元的一次性搭載收入外,還將為銥星通信公司帶來極為可觀、源源不斷的數據業務收入。
“銥星下一代”星座計劃搭載的航空監視有效載荷稱為“廣播式自動相關監視1090MHz擴展電文”(ADS-B 1090MHz Extended Squitter)接收機。該有效載荷的設計和制造工作已交給哈里斯(Harris)公司負責。根據雙方簽訂的合同,具體負責運營這項新業務的Aireon公司將在2012—2017年間共向哈里斯公司支付1.147億美元。銥星公司一直將有效載荷商業搭載業務視為“銥星下一代”星座的主要收入來源之一,并在設計“銥星下一代”衛星時就為第三方有效載荷預留了必要的空間和功率余量。
“銥星下一代”星座計劃于2015—2017年之間發射,包括66顆業務星和6顆在軌備份星,全部衛星的建造和發射成本約為30億美元。與此同時,銥星公司也對“銥星下一代”星座的發射計劃進行了調整,將與SpaceX公司商定的獵鷹-9火箭發射次數由9次減少為8次、發射方式由“一箭九星”改為“一箭十星”,并改用俄羅斯的“第聶伯”(Dnepr)火箭發射前2顆“銥星下一代”衛星。
3月7—9日, NASA與加拿大航天局(CSA)合作,在ISS上進行了“機械人燃料加注任務”(RRM)試驗,演示驗證了地面操作人員遙控ISS上的“德克斯特”(Dextre)機械臂,使用專用工具為航天器(這些航天器設計時未考慮在軌燃料加注和維修)提供精確在軌服務的技術。
未來兩年,NASA和CSA將利用“德克斯特”機械臂和RRM試驗模塊上的各種工具,針對RRM試驗模塊上的多種衛星部件以及模塊內部和外部的多種接口,開展多項在軌服務試驗。NASA希望RRM試驗結果能降低空間在軌服務風險,為未來實際開展各種空間在軌服務(包括在軌維修、燃料加注、改變衛星軌道)奠定基礎。
7月,俄羅斯利用進步M-15M貨運飛船試驗了Kurs-NA新型對接系統。在首次對接嘗試中,對接系統突發故障觸發了“被動中止”程序,對接失敗。隨后,飛船保持在距離ISS下方2.9km的安全距離,并撤離至距ISS后方484km處。地面技術人員經過分析,發現是飛船表面溫度過低導致飛船對接系統的傳感器失靈,從而觸發“被動中止”程序,導致對接失敗。隨后,技術人員啟動了所有可能的加熱裝置為飛船升溫,最終使得飛船溫度穩定在22℃,從而成功激活對接系統。在第二次對接嘗試中,飛船按照正常程序在預定時間內完成了對接。
8月2月,俄羅斯將進步M-16M貨運飛船發射升空。在此次ISS物資補給任務中,俄羅斯首次對貨運飛船的快速對接模式進行了測試。飛船在6小時內繞地球4圈后,完成與ISS的自動對接,而以往進步號貨運飛船和聯盟號載人飛船在對接前要繞地球飛行34圈,花費近兩天時間。俄羅斯飛行控制中心的專家表示,快速對接模式已經經過多年研究,并在地面通過了測試。由于這種模式要求ISS的運行軌道不能太低,因此在2011年6月ISS軌道高度從350km提高到400km后,俄羅斯聯邦航天局才考慮測試快速對接模式。未來,還將使用進步號貨運飛船進行數次試驗,如果成功,該模式還可能被進一步應用于載人飛船上。
9月9日,法國新型斯波特(SPOT)光學對地觀測衛星——SPOT- 6搭乘印度“極軌運載火箭”成功發射。SPOT- 6是中等分辨率、寬覆蓋的光學對地觀測衛星,具有更好的指向精度和敏捷性,設計壽命長達10年,是SPOT-5衛星壽命的2倍。SPOT-6衛星搭載了2臺“新型Astrosat平臺光學模塊化設備”(NAOMI),由阿斯特里姆公司研制。NAOMI相機具有1個全色譜段,4個多光譜譜段,全色分辨率為2m,多光譜分辨率為8m,幅寬為60km。
12月2日,法國從庫魯航天發射場使用聯盟-ST運載火箭,成功發射昴宿星-1B(Pleiades-1B)對地觀測衛星。此前,法國曾于2011年12月17日發射了昴宿星-1A對地觀測衛星?!瓣乃扌恰毙l星質量為1000kg,運行在高度為694km的太陽同步軌道上,每天最多可獲取450幅圖像,衛星數據存儲容量為600GB,設計壽命5年,全色分辨率為0.7m,多光譜分辨率為2.8m。昴宿星雙星將和SPOT-6衛星、預計于2014年發射的SPOT-7衛星,運行在同一軌道內并組成一個四星星座,組成中、高分辨率相結合的對地觀測星座,大大增強法國在國際市場上的競爭實力。

★ 昴宿星-1B衛星拍攝的衛星圖片