航天事業：人類探索浩瀚宇宙的不懈征程

□ 田 勝 朱華橋 陳 杰 張 瑾 王東偉

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航天事業：人類探索浩瀚宇宙的不懈征程

□ 田 勝 朱華橋 陳 杰 張 瑾 王東偉

一部記錄先驅者勇氣與信念的歷史

遨游太空、探索浩瀚的宇宙，是人類千百年來的美好愿望。但是在生產力和科學技術水平都很低下的時代，這種愿望只能停留在幻想階段。直到20世紀50年代，第一顆人造地球衛星成功發射升空，開創了人類航天的新紀元，廣闊無垠的宇宙太空，開始成為人類活動的新領域。從人類航天活動的歷史來看，大體可以將人類探索太空的活動分為三個階段。

第一階段為14世紀至19世紀末。在這一階段，一些勇敢的先驅者對飛天等活動進行了早期的探索，而經典力學和早期天體理論則為后人開展宇宙航行奠定了基礎。14世紀末，中國明朝萬戶借助火箭推力進行的飛天試驗雖然以失敗而告終，但他可以稱得上是人類航天史上第一個用火箭作動力飛行的人。16世紀，意大利科學家伽利略對重力、速度、加速度等運動概念進行了詳盡研究；17世紀，德國天文學家開普勒發現了行星運動的三大定律，揭示了天體運行的自然規律，英國科學家牛頓提出了著名的“萬有引力定律”，解決了天體運動的動力學問題。至此，經典力學和早期天體理論為開展宇宙航行奠定了堅實基礎。

第二階段為20世紀初至50年代。這一階段是現代航天理論形成和現代航天飛行初創時期。在這一時期，涌現出了許多勇于探索的航天先驅者，其代表人物有俄羅斯的齊奧爾科夫斯基、美國的戈達德，以及德國的奧伯特等。

齊奧爾科夫斯基一生從事利用火箭技術進行航天飛行的研究，1903年，他發表了著名的齊奧爾科夫斯基公式，隨后又相繼發表了兩篇重要論文，奠定了火箭和液體火箭發動機的理論基礎。他提出了用火箭自帶氧化劑和燃燒劑作為飛行動力，并采用多級火箭形式以期達到所需的速度，為現代宇宙航行指出了一條可行之路。

戈達德在1910年開始進行近代火箭的研究工作。1919年，他提出火箭飛行的數學原理，指出火箭必須具有7.9km/s的速度才能克服地球引力。他認識到液體推進劑火箭具有極大的潛力，并于1926年成功進行了世界首枚液體火箭試飛。

1923年，奧伯特在《飛向星際空間的火箭》一書中確立了火箭在宇宙空間真空中工作的基本原理，而且還說明火箭只要能產生足夠的推力，便能繞地球軌道飛行。1942年，德國在第二次世界大戰中制造了V-2液體導彈，利用液體火箭將彈頭發射到三百多公里之外，這也可以看作為基于現代工業意義上的首次航天飛行。

第三階段主要是指1957年至今人類航天活動近60年的發展歷程。1957 年10月4日，蘇聯利用彈道導彈改裝而成的運載火箭，成功發射了人類首顆人造地球衛星，開辟了人類探索外層空間活動的新時代。

半個多世紀以來，世界各國發射的各種航天器數以千計；人類登上了月球，并在近地軌道空間建立了長期穩定運行的載人空間站；無人著陸器登上了火星和金星，并對太陽系中原“九大行星”全部進行了探測；數以千計的人造地球衛星、載人飛船和宇宙探測器“觀天”“測地”所探測傳輸的信息，極大地豐富了人類的知識寶庫，使我們對人類賴以生存的地球及其近地空間，對太陽系乃至上百億光年之遙的整個宇宙空間的奧秘有了更深刻、更直觀的了解；航天技術對人類文明、科技進步、經濟發展、生產和生活方式等產生了巨大而深遠的影響。

大國展示實力的重要舞臺

多年來，航天技術的飛速發展和取得的一系列成果，為促進國家經濟社會發展、提高人民生活水平發揮了舉足輕重的作用，也正因為如此，世界各主要國家均高度重視航天的發展，不斷加大對航天的投入，推動著世界航天技術不斷向前發展。

運載火箭

運載火箭是人類進入空間的主要運輸工具，2011年美國航天飛機退役后，運載火箭是各國進入空間的唯一運載工具。經過60多年的發展，運載火箭技術已經十分成熟。

美國

美國于1958年2月首次成功發射運載火箭“丘諾”-1號，60多年來，美國先后研制了10余個系列上百種型號的運載火箭。

大中型運載火箭。美國現役大中型火箭主要是“德爾它”-4和“宇宙神”-5兩大系列以及私人公司研制的“獵鷹”-9和“安塔瑞斯”火箭。其中，“德爾它”-4和“宇宙神”-5兩大系列承擔了美國絕大多數大中型載荷的發射。“德爾它”-4系列包括5種型號，低地球軌道（LEO）運載能力覆蓋9.1t－23t，地球轉移軌道（GTO）運載能力覆蓋4.2t－13.1t，其中“德爾它”-4H是世界現役運載能力最大的運載火箭。

小型運載火箭。美國現役小型運載火箭主要包括“飛馬座”系列、“金牛座”系列和“米諾陶”系列等固體小火箭，LEO運載能力覆蓋430kg－1460kg。

重型運載火箭。當前美國正在研制新一代重型運載火箭，以滿足未來載人深空探測的需要。為了實現載人登陸火星和載人登月，NASA于2011年開始新型重型運載火箭“航天發射系統”（SLS）的研制。計劃在2017年、2025年和2030年前后分別實現LEO運載能力70t、105t和130t構型的重型運載火箭首飛。此外，美國太空探索技術公司（SpaceX）在成功研制“獵鷹”-9大型火箭的基礎上，以降低進入空間成本為重要目標，開始研制LEO運載能力53t的重型液體運載火箭。

俄羅斯

1957年10月，蘇聯發射了人類首枚運載火箭“衛星”號；迄今，蘇聯/俄羅斯已經研制了“東方”號、“聯盟”號、“旋風”號、“宇宙”號、“質子”號、“天頂”號等多個系列的運載火箭。目前，“質子”號、“聯盟”號和“天頂”號系列仍是俄羅斯進入空間的主要運輸工具。

大中型運載火箭。俄羅斯現役大中型火箭主要包括“聯盟”號、“質子”號系列以及與烏克蘭等多國合作生產的“天頂”-3SL和“天頂”-3SLB。目前在役的“聯盟”號火箭最新型號“聯盟”-2號的LEO運載能力達8.2t，“聯盟”-2號/“佛雷蓋特”G T O運載能力3t。現役“質子”-M火箭的LEO運載能力達21.5t，“質子”-M/“微風”-M火箭GTO運載能力達6.2t。

小型運載火箭。俄羅斯現役小型火箭主要有“宇宙”-3M及通過改裝退役洲際彈道導彈形成的“隆聲”號、“第聶伯”號、“波浪”號和“靜海”號等液體火箭和“起跑”號固體火箭等。其中，“第聶伯”號LEO運載能力達3.7t，“隆聲”號達1.9t，其他型號運載能力更低一些。

當前，俄羅斯正在實施運載火箭換代計劃，并按模塊化、組合化、系列化設計思想開發新一代“安加拉”系列運載火箭，包括輕型、中型和大型多種型號，運載能力可覆蓋俄現役所有火箭的能力范圍。

歐洲

歐空局于1979年12月成功發射“阿里安”-1火箭，此后相繼研制了“阿里安”-2、“阿里安”-3、“阿里安”-4系列運載火箭，1996年“阿里安”-5基本型（“阿里安”-5G）投入使用，此后通過改進形成“阿里安”-5G+、5GS、5ES和5ECA等型號。現役“阿里安”-5ES 的LEO運載能力達21t，“阿里安”-5ECA 的GTO運載能力10.5t。

2011年俄歐合作研制的“聯盟”-ST火箭成功在法屬圭亞那庫魯航天發射中心首飛，2012年歐洲自行研制的小型“織女星”固體運載火箭成功首飛，解決了歐空局發射中小載荷能力不足的問題。

當前，歐空局已著手改進現有進入空間的能力，在“阿里安”-5火箭的基礎上研制“阿里安”-5ME，其GTO運載能力11.5t，替代現役的“阿里安”-5ECA和“阿里安”-5ES，預計2018年投入使用；此外，“阿里安”-6火箭研制工作已啟動，初步方案為GTO運載能力3－6.5t，預計2020年～2025年間投入使用。

日本

日本1970年2月發射了本國首枚L-4S多級固體火箭，此后陸續研制了L系列、M系列、N系列和H系列運載火箭。目前在役的是H-2A系列和H-2B液體火箭以及“艾普西龍”固體火箭。其中，H-2A/H-2B均采用了大推力液氧/液氫發動機技術、捆綁固體助推器技術，H-2B火箭具備LEO軌道16.5t、GTO軌道8t的運載能力。在小型固體火箭方面，2013年首飛的“艾普西龍”LEO運載能力達1.2t。為滿足2020年后的航天發射需要，目前日本正在積極發展新一代H-3運載火箭。

印度

印度1980年7月發射了本國首枚運載火箭，先后研制了衛星運載火箭（SLV）、加大推力衛星運載火箭（ASLV）、極地軌道衛星運載火箭（PSLA）和地球同步軌道衛星運載火箭（GSLV）系列運載火箭。現役火箭為PSLA系列和GSLV兩個系列。

PSLV系列采用四級串聯加捆綁結構，主要用于向極地軌道發射遙感衛星，LEO運載能力達3.2t，太陽同步軌道（SSO）運載能力2t，具備多星發射能力。GSLV系列火箭是在PSLV火箭基礎上改進而來，主要用于向地球同步軌道發射衛星，也可執行近地軌道發射任務。

當前，印度正在實施第三代地球同步軌道衛星運載火箭（GSLVMK3）發展計劃，該型火箭LEO運載能力和GTO運載能力分別達10t和4t，將采用自主研制的低溫上面級。

中國

經過60年的發展，中國已成功研制10余種型號的“長征”系列運載火箭，以及“快舟”小型固體運載火箭，運載火箭的可靠性、安全性達到世界先進水平。中國“長征”系列運載火箭經歷了從串聯到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從末級一次啟動到多次啟動、從發射衛星到載人飛船的技術跨越，具備近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉移軌道、地月轉移軌道等多種軌道的發射能力，近地軌道運載能力達到9.5t，地球同步轉移軌道運載能力達到5.5t，入軌精度處于國際先進水平，能夠滿足不同用戶的多種需求。

中國已研制成功的“長征”系列運載火箭包括“長征一號”“長征二號”“長征二號丙”“長征二號丁”“長征號二E”“長征二號F”“長征三號”“長征三號甲”“長征三號乙”“長征三號丙”“長征四號甲”“長征四號乙”、“長征四號丙”共13型運載火箭，其中“長征一號”“長征二號”“長征二號E”“長征三號”“長征四號甲”已退役。

目前，中國正在發展以“長征五號”“長征六號”“長征七號”“快舟”等為代表的新一代運載火箭，并拓展上面級技術的應用，使運載火箭具備把衛星直接送入目標軌道和軌道多星布置能力，提升運載效率。

人造地球衛星

從1957年10月人類發射首顆人造地球衛星以來，衛星技術快速發展，形成了通信、導航、遙感、科學與技術試驗等各類衛星系統，近幾年全球每年發射約80－110顆衛星；人造衛星已經在各國國家安全、經濟建設和社會發展中發揮了重要作用。

通信廣播衛星。1958年，美國發射世界第一顆通信衛星——“斯科爾”衛星，首次通過衛星實現了語音通信。自那以來，通信衛星不斷發展，得到廣泛應用。美國是世界上通信衛星發展最為全面、技術水平最高、應用最為廣泛的國家，目前已形成全面的衛星通信應用體系，業務涵蓋固定通信、移動通信、廣播、數據中繼等類別；頻段上覆蓋甚高頻（VHF）、L、S、C、Ku、Ka等全譜段。歐洲已建立相對完備的通信衛星系列，政府在通信衛星體系形成過程中發揮了重要作用。美歐在軌各類通信衛星主要有三、四兩代，其先進的第三代衛星壽命普遍在12年以上，功率達到10kW；第四代衛星壽命普遍在15年以上，功率達到15－20kW。

俄羅斯通信衛星發展相對滯后，目前主要有“快訊”“亞馬爾”“射線”等系列。近年，俄羅斯通過與歐洲合作，通信衛星整體水平有了較大的提升。此外，俄羅斯還計劃在2020年前發射39顆新一代固定、移動、廣播通信衛星，覆蓋俄羅斯全境。

日本業務型通信衛星主要由美國制造，技術先進，最新一代屬于歐美第三、四代技術水平，而通過發展一系列工程試驗衛星，日本的通信衛星技術已逐步躋身世界先進行列。

印度長期重視通信衛星技術的發展，通過自主研發及與西方合作，其通信衛星技術獲得較大提升，新一代通信衛星平均設計壽命達到12年。

通信廣播衛星是中國發展較早的衛星系列。自1984年發射“東方紅二號”試驗通信衛星起，先后發射了“東方紅二號A”實用通信衛星、“東方紅三號”通信衛星、“東方紅四號”通信衛星、“天鏈一號”數據中繼衛星、“中星十號”通信衛星等，形成了業務涉及固定、中繼和直播，頻率覆蓋S、C、Ku、Ka的通信衛星系列，可向亞、非、歐等國家和地區用戶提供通信、廣播電視、數據傳輸、數字寬帶多媒體等業務服務。

導航定位衛星。20世紀60年代，人類開始利用衛星導航系統服務于經濟社會發展各個領域。導航衛星系統用于向用戶提供連續可用的高精度定位、導航與授時信號，多年來在人類社會生活的各個領域發揮著越來越重要的作用。

20世紀90年代，美國的全球定位系統（GPS）和俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）兩大衛星導航定位系統先后投入運行，為衛星導航定位系統的應用建立了新的里程碑。美國GPS具備全天候、全天時提供高精度全球定位、導航和授時服務的能力，可提供標準定位服務（SPS）和精密定位服務（PPS）。俄羅斯GLONASS系統已經發展了三代，第一代衛星已經全部退役，目前在軌工作的為26顆第二代“格洛納斯”-M衛星和1顆第三代“格洛納斯”-K衛星，可提供全球導航、定位與授時服務。除美國的GPS和俄羅斯的GLONASS外，目前，歐洲正在建設“伽利略”全球導航衛星系統，印度正在建設區域導航衛星系統，日本正在建設“準天頂”衛星導航系統。

20世紀90年代，中國全面啟動了“北斗”衛星導航系統的研制，按照“質量、安全、應用、效益”的總要求，堅持“自主、開放、兼容、漸進”的發展原則，提出了從試驗系統到區域系統再到全球系統的“三步走”發展思路。第一步，建設“北斗”衛星導航試驗系統 ，實現從無到有，為“北斗”衛星導航系統建設積累技術經驗、培養人才，同時開展相關地面應用基礎設施設備的研制；第二步，到2012年前后建成覆蓋亞太區域的“北斗”衛星導航系統，實現區域服務能力；第三步，到2020年前后，建成由5顆地球靜止軌道衛星和30余顆地球非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統，真正實現全球覆蓋，形成全球無源服務能力。

對地觀測衛星。20世紀60年代，人類開啟了從空間進行對地觀測的新時代。時至今日，人類對地觀測活動已進入一體化綜合觀測階段，在國防安全、氣象、海洋、國土資源調查、環保、減災等領域發揮著越來越重要的作用。

美國是對地觀測領域的領先國家，從上世紀70年代發展Landsat系列民用陸地衛星開始，已經陸續發射了軍事、環境、大氣海洋等對地觀測衛星系列，并通過國際合作促進了全球遙感應用的發展。美國在上世紀80年開始探索對地觀測商業化，目前已成為全球商業遙感發展最好的國家，以數字地球（DigitalGlobe）公司為代表的商業公司極具全球影響力。

繼美國之后，歐洲在對地觀測領域迅速崛起，發展了“斯波特”（SPOT）、ERS、Envisat等對地觀測衛星。2001年，歐盟啟動了以“哨兵”系列衛星為核心的“全球環境與安全監測”（哥白尼）計劃，以期通過整合歐洲對地觀測資源，推動地區對地觀測數據的集成與共享，支持歐洲的可持續發展和全球管理。歐洲對地觀測商業化也發展較快，以“公私合營（PPP）”模式推動了SPOT、“普萊亞”（Pleiades）、Cosmo-SkyMed、TerraSAR-X等衛星的商業化，形成了以ADS、E-geos為代表的商業化體系。

我國十分重視發展對地觀測衛星，目前已經形成由氣象、海洋、環境、資源4大系列衛星為核心的持續、穩定運行的對地觀測系統，極大提升了數據自給率，完善了對地觀測產業鏈。隨著我國高分系統、測繪衛星等后續遙感衛星的逐步部署，我國將逐步建成完善的對地觀測空間基礎設施，全面服務國民經濟社會各應用領域。當前，國內正大力推進對地觀測商業化，以長光衛星公司、21世紀空間公司為代表的商業化公司已具備商業化服務能力，隨著后續衛星的發射以及服務能力的提升，我國商業對地觀測產業將逐步進入快速發展期。

載人航天

1961年4月12日，蘇聯成功地將人類首位航天員加加林送入外層空間，拉開了人類載人航天活動的序幕。迄今，主要航天國家已發射和運行了多種型號的載人飛船、航天飛機和空間站。

蘇聯/俄羅斯先后研制了“東方”號、“上升”號、“聯盟”號等載人飛船，1967年以后只利用第三代飛船“聯盟”號及其改進型號“聯盟”-T、“聯盟”-TM、“聯盟”-TMA和“聯盟”-TMA-M開展載人航天活動。為保持本國在載人航天領域的先進地位，2009年，俄羅斯決定研制下一代載人飛船，此項目被命名為“羅斯”（PPTS）。目前，俄新型載人飛船研制工作正在逐步推進，將有望于2017年開始試飛。相比于現有的“聯盟”號飛船，新型飛船具有多重優勢：能發射至國際空間站，能進行登月飛行，未來將代替“聯盟”號進行作業。

美國1962年2月20日利用“水星”-6載人飛船首次將美國航天員送入空間，20世紀60年代先后研制了“水星”“雙子星”和“阿波羅”號載人飛船，并利用“阿波羅”號載人飛船實現了載人登月的目標。2011年航天飛機退役以后，美國向“國際空間站”接送航天員的任務主要依靠俄羅斯的“聯盟”號飛船。為盡快恢復本國獨立的載人航天能力，近年，美國在積極開發先進技術的同時，穩步推進“獵戶座”“龍”“追夢者”“太空船二號”等新型載人飛船的發展。2014年12月，美國“獵戶座”飛船工程完成首次無人飛行試驗，此次試驗被稱為“美國載人航天發展的新起點”。

歐洲、日本、印度目前不具備獨立研制載人飛船的能力，但都啟動了相關研究計劃。歐洲將通過國際合作發展載人飛船技術，日本和印度將分別發展獨立的載人飛船技術。

空間站是人類在軌長期駐留、開展空間科學試驗與研究的大型空間設施。人類空間站的建設和運行經歷了從單艙小型空間站到多艙大型空間站、從不進行物資與燃料補給到長期進行物資與燃料補給、從在軌運行1年至數年到在軌運行十數年甚至更長時間，建設規模和技術水平不斷提高。目前，國外僅有俄羅斯和美國獨立掌握了大型空間站建設技術。歐洲和日本則通過參與“國際空間站”計劃，掌握了艙段設計、建設、運行和維護技術，與此相關的分系統技術，以及空間機器人、貨運飛船等技術。

貨運飛船是一種專門運送貨物到達空間的航天器，是空間站的地面后勤保障系統。由于其主要用于為大型載人航天設施——空間站提供物資和燃料補給，因此盡管其不是載人航天器，貨運飛船技術仍被納入載人航天技術領域。

目前，人類已經全面掌握了向大型空間設施提供物資補給、加注燃料和提升空間站軌道的能力。從1978年俄羅斯發射首艘貨運飛船至今，貨運飛船從運載能力2t多發展到7t多，可靠性不斷提高，艙內容積包括加壓艙容積都有了較大提高，并從一次性使用向重復使用方向發展。目前在役的貨運飛船包括俄羅斯的“進步”-M-M、日本的“H2轉移飛行器”（HTV）、美國的“天鵝座”和“龍”飛船等4種型號，歐空局的自主轉移飛行器（ATV）已在2014年完成第五次飛行任務后退役。

中國載人航天工程始于1992年，采取“三步走”發展戰略：第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；第二步，突破航天員出艙活動技術、空間飛行器的交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題；第三步，建造載人空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。2013年，“神舟十號”載人飛船搭載著聶海勝、張曉光和王亞平3名航天員順利升空，與“天宮一號”目標飛行器實施自動交會對接和手動交會對接，開展了載人天地往返運輸系統的首次應用性飛行試驗并取得圓滿成功，標志著中國載人航天工程第二步戰略目標取得重大階段性勝利。

深空探測

從1958年美國發射第一個月球探測器“先鋒0號”開始，人類邁向太陽系的深空探測活動至今已有近60年歷史。人類對天體目標的探測，首先實現距離地球最近的月球探測，隨后實現了距離地球較近的火星和金星探測，最后實現距離地球較遠的木星、土星等行星、小行星和彗星等的探測。按照探測手段，主要采取了飛越、撞擊、環繞、著陸與巡視、采樣與返回等方式。

當前深空探測開展最多的是月球探測，美國、俄羅斯、歐洲、日本、中國、印度均成功發射過月球探測器；只有美國與歐洲成功進行了火星探測，其中美國已經成功在火星表面著陸，印度則是第一個成功將軌道器送往火星的亞洲國家。日本成功實施了人類歷史上第一次小行星采樣返回任務，“隼鳥-1號探測器成為世界上首個從Itokawa小行星采集樣本返回地球的探測器。深空探測目前主要以無人探測為主，其中無人探測器繞月探測技術已被主要航天國家普遍掌握。目前，僅美國實現了對太陽系內重要天體的全面探測，掌握了各種探測手段，技術能力全面領先。

早在20世紀90年代初，中國就開始了月球探測工程的先期論證。2006年，中國將“載人航天與探月工程”明確為國家16個重大科技專項之一，并且確立了“繞”“落”“回”三步走的月球探測發展戰略。

2014年10月24日，“再入返回飛行試驗器”成功發射，這是中國探月工程三期一次重要的驗證飛行試驗，主要目的是突破和掌握從月球軌道采用半彈道跳躍式方式高速再入返回地球的關鍵技術，為“嫦娥五號”任務提供技術支持。“再入返回飛行試驗器”飛行過程歷時約8天，于11月1日返回內蒙古中部預定著陸區。這是中國首次迎來從遙遠月球上空返回的航天器，標志著中國已經成為繼美國和蘇聯之后世界上第三個成功回收探月飛行器的國家，中國完全掌握了航天器以接近第二宇宙速度高速再入返回的關鍵技術，實現了世界最高精度的開傘和著陸控制，為確保“嫦娥五號”月球采樣返回任務順利實施和探月工程持續推進奠定了堅實基礎。

由于航天技術和成果在促進經濟社會發展、提高人民生活水平等方面發揮的作用日益凸顯，全球越來越多的國家正在不斷加入到發展航天的行列。據不完全統計，全球已有30多個國家成立了國家航天局或航天委員會。在這些國家中，約40個國家/地區具有運營人造衛星的能力，近20個國家參與了載人航天活動。

近年，在傳統航天大國繼續加大本國航天發展的同時，其他國家的航天能力也不斷提高。韓國、以色列等已具備研制生產和運行先進衛星的技術和工業能力，實力不斷增強；其他國家如阿根廷、南非、尼日利亞等都實施或啟動了航天器研制計劃，并具有運營衛星的能力；委內瑞拉、墨西哥、馬來西亞、阿爾及利亞、哥倫比亞等也具備了運營人造衛星的能力。

在過去的千百年中，尤其是最近的50多年里，人類在發展航天、利用航天方面創造了輝煌的歷史，展望未來，人類航天事業的明天將更加輝煌燦爛！

（作者單位為中國航天系統科學與工程研究院）