中國航天日:盤點我國精彩紛呈的航天技術

中國航天日:盤點我國精彩紛呈的航天技術
2018年04月24日 09:14 新浪科技

  出品 | 新浪科技《科學大家》

  撰文 | 龐之浩 全國空間探測技術首席科學傳播專家,神舟傳媒公司首席科學傳播顧問,衛星應用產業協會首席專家,中國首次太空授課專家團隊組成員

  中國航天日,是為了紀念中國航天事業成就,發揚中國航天精神而設立的一個紀念日。2018年4月24日是我國第三個“中國航天日”,今年也是中國空間技術研究院和中國航天員中心成立50周年,從1970年到2018年4月10日,我國“長征”系列火箭共進行了271次發射,先后把近400個航天器送入軌道,并在載人航天、深空探測、導航定位、對地觀測、通信廣播、空間科學與技術試驗等領域取得了顯著效益。

  通往天路的云梯:火箭

  人造衛星、宇宙飛船等航天器是開發太空資源的利器,但它們都要通過運載火箭的發射才能進入太空翱翔。因此,我國一直在積極研制各種運載火箭。

  按動力學科劃分,運載火箭一般分為化學能火箭、電火箭、核火箭、光子火箭和太陽能火箭等。至今所有航天發射都是用化學能火箭。

  化學能火箭又可以分為液體和固體火箭。前者性能高、推力大,被廣泛使用;后者使用時很靈活方便,多用于助推、分離和發射小型航天器。

  在實際應用中,一般采用多級火箭,并有三種組合形式,即串聯、并聯和混合形式。串聯式火箭結構緊湊、氣動阻力小、發射簡單;并聯式火箭發射時所有的發動機可以同時點火,故推力大,但發射設備復雜,費用高;串聯式和并聯式同時使用的叫混合式火箭,它兼有上述兩種方式各自的優點,因而被廣泛采用。

  目前,運載火箭的發射大致有三種方式:從地面發射;從空中發射,從海上發射。

  幾十年來,通過幾代中國火箭人的不懈努力,我國“長征”系列火箭走過了從常溫推進到低溫推進、從串聯到捆綁、從“一箭一星”到“一箭多星”、從發射人造衛星到發射載人飛船和空間探測器的歷程,具備了發射低、中、高不同軌道,不同類型航天器的能力,基本能夠滿足不同用戶的需求。

  我國長征2號子系列火箭用于發射低軌道航天器,長征3號子系列火箭用于發射高軌道航天器,長征4號子系列火箭用于發射極軌道航天器。其中的長征2號F是我國唯一的載人運載火箭,主要特點就是可靠性高。它已成功發射了6艘載人飛船,成功率100%。

中國長征5號運載火箭運抵海南中國長征5號運載火箭運抵海南

  近年,我國又發射了長征5號、6號、7號、11號新一代大中小型運載火箭,使我國運載火箭運載能力上了一個大臺階。其中的長征5號是我國新一代大型運載火箭,被昵稱為“胖五”,因為它的直徑比別的火箭粗,該近地軌道運載能力達25噸,綜合性能指標達到國際上主流運載火箭水平。

  我國還掌握了“太空擺渡車”——運載火箭的上面級技術。它可多次啟動,工作時間長,能先后把不同“乘客”送到不同目的地,大大增強運載火箭的任務適應性。

  長征5號、7號都在新建的海南文昌航天發射場發射。該發射場地緣優勢明顯:有射向范圍寬的優勢;火箭航區、殘骸落區安全性好;具備低緯度的優勢;可以通過海運將火箭運過來;其年發射能力可達10~12發。

  人造衛星當空舞

  目前,人造地球衛星的數量和種類最多,用途最廣。它包括試驗衛星、科學衛星和應用衛星3類,我國都可獨自研制、發射和應用。

  試驗衛星用于太空試驗航天新技術、新概念、新材料等,是航天技術發展的開路先鋒。我國已發射過多顆“實踐”系列試驗衛星。2016年又發射世界首顆“脈沖星試驗衛星”;2018年還發射了張衡1號電磁監測試驗衛星。

張衡1號電磁監測試驗衛星張衡1號電磁監測試驗衛星
世界首顆量子科學實驗衛星(簡稱“量子衛星”)發射升空世界首顆量子科學實驗衛星(簡稱“量子衛星”)發射升空

  科學衛星能擺脫大氣層和地球引力等影響,深入而廣泛地開展在地面上難以進行的科學研究。我國在2015年發射的“悟空”暗物質粒子探測衛星具有國際先進水平;2016年入軌的實踐10號是單次搭載空間實驗項目最多的衛星;同年升空的世界首顆墨子號量子科學實驗衛星取得重要成果;2017年發射的“慧眼”硬X射線調制望遠鏡可實現世界最高靈敏度和最好空間分辨率的硬X射線巡天。

  由于應用衛星直接為國計民生和國防建設等服務,所以效益最高。它分為通信衛星、遙感衛星和導航衛星3種。

  通信衛星已成為現代通信的重要手段。它主要通過轉發無線電信號來實現各種通信,具有通信距離遠、容量大、質量好、可靠性高和靈活機動等優點,效益也很可觀。通信衛星不受地理條件限制,對地面設施依賴程度較低,在重大災害和戰爭情況下,比其他方式更安全可靠,有時甚至是唯一應急通信手段。

  我國已研制和發射了采用東方紅2號、3號、4號衛星平臺的3代固定通信衛星,其中采用東方紅4號衛星平臺的衛星最先進,可裝載近50臺轉發器。

  我國還發射了4顆采用東方紅3號衛星平臺的第一代數據中繼衛星天鏈1號,使我國測控覆蓋率接近100%,并能提供百兆以上的高數據傳輸速率。

  2016年,我國首顆移動通信衛星——天通1號01星升空。它可以為車輛、飛機、船舶和個人等移動用戶提供語音、數據等通信服務。

2016年4月6日1時38分,我國首顆微重力科學實驗衛星——實踐十號返回式科學實驗衛星,在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭發射升空,進入預定軌道,圖為實踐十號衛星在軌模擬圖。新華社發(中科院供圖)  2016年4月6日1時38分,我國首顆微重力科學實驗衛星——實踐十號返回式科學實驗衛星,在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭發射升空,進入預定軌道,圖為實踐十號衛星在軌模擬圖。新華社發(中科院供圖)

  我國首顆高通量通信衛星實踐13號于2017年入軌,它采用了Ka頻段、激光通信和電推進等先進技術,通信容量是我國此前在軌通信衛星容量的總和。

  號稱“千里眼”的遙感衛星是一種利用衛星上所裝載的遙感器對地球表面和低層大氣進行光學或電子探測以獲取有關信息的應用衛星。遙感衛星又叫對地觀測衛星,根據用途又分為氣象、陸地和海洋衛星等多種,它們的主要區別在于時間、空間和光譜分辨率及譜段不同,因而用途不一。

  在陸地衛星方面,我國先后發射了返回式衛星、資源衛星、高分衛星和商用衛星等,其中2016年發射的高分4號是目前世界上空間分辨率最高、幅寬最大的地球同步軌道遙感衛星;2016年開始發射的高景1號分辨率高達0.5米。

  氣象衛星的最大特點是具有很短的覆蓋周期,大大提高了天氣預報的準確率,沒漏過一次臺風預報,主要用于探測和監視全球大氣狀況。它廣泛應用于船舶航行、災害監測和冰情預報等眾多非氣象領域。

2016年12月11日,搭載風云四號衛星的運載火箭在西昌衛星發射中心點火升空。圖:“風云四號”氣象衛星  2016年12月11日,搭載風云四號衛星的運載火箭在西昌衛星發射中心點火升空。圖:“風云四號”氣象衛星

  我國是世界第三個同時擁有極軌氣象衛星和靜止氣象衛星的國家,極軌氣象衛星用于長期天氣預報,靜止氣象衛星用于短期天氣預報。目前在軌工作的第二代極軌氣象衛星風云3號 、第二代靜止氣象衛星風云4號都達到了世界先進水平。2016年,還發射了我國首顆 “碳衛星”,旨在為全球學者開展碳排放和氣候變化提供重要支撐。

  用海洋衛星能經濟地對大面積海域進行實時、同步、連續地監測,更好地保護海洋和開發海洋資源。我國現已發射了2顆海洋1號水色衛星和1顆海洋2號海洋動力環境衛星。

  目前,衛星導航是最先進的成熟導航技術,已廣泛用于交通運輸、氣象、漁業、林業、電信、水利、測繪等許多領域,產生了顯著的經濟和社會效益。因此,我國很重視衛星導航系統的建設。截至2018年3月30日,我國已發射了31顆“北斗”導航衛星,其中后8顆是用于建造“北斗”全球導航衛星星座的北斗3號導航衛星,衛星性能大幅提升?!氨倍贰比蛐l星導航系統將于2020年建成,定位精度為2.5~5米,每次可發送1000個漢字的短信。

  “北斗”全球衛星導航系統有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛星導航系統不具備的性能和特點,例如,該衛星系統創新融合了導航與通信能力,具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

  欲與天公試比高

中國航天員中國航天員

  載人航天是航天技術向更高階段的發展,可以完成更復雜的太空開發工作。我國載人航天工程采用 “三步走”的發展戰略。

2005年10月12日9時0分0秒,神舟六號在酒泉衛星發射中心升空。2005年10月12日9時0分0秒,神舟六號在酒泉衛星發射中心升空。

  第一步是研制載人飛船,把航天員送入太空,并在完成預定任務后安全返回地面,實現我國載人航天的歷史性突破,掌握載人航天的最基本技術。這一步通過2003年和2005年先后發射的神舟5號、6號載人飛船圓滿完成。

神舟十號宇航員與觀眾打招呼,太空授課神舟十號宇航員與觀眾打招呼,太空授課

  第二步是突破和掌握航天員太空行走、空間交會對接兩項關鍵技術,然后發射空間實驗室和貨運飛船。這一步通過2008年神舟7號航天員翟志剛太空行走拉開了序幕。2011年發射的天宮1號目標飛行器與后來升空的神舟8號、9號、10號飛船分別進行交會對接,使我國成為世界第3個掌握交會對接技術的國家。

2016年10月19日3時31分,神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功,這是神舟十一號飛船與天宮二號組合體飛行模擬畫面(攝于北京航天飛行控制中心大屏幕)  2016年10月19日3時31分,神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功,這是神舟十一號飛船與天宮二號組合體飛行模擬畫面(攝于北京航天飛行控制中心大屏幕)

  2016年天宮2號空間實驗室入軌,它先后與神舟11號載人飛船和天舟1號貨運飛船交會對接,驗證了航天員中期在軌駐留技術、在軌加注技術和未來空間站的部分新技術,并進行了較大規模的科學實驗。

  至今,我國已把11名航天員送入了太空,其中包括2名女航天員。另外,景海鵬成為3上太空的航天員。

2017年04月20日,我國首艘貨運飛船天舟一號,在我國文昌航天發射場發射成功。圖為天舟一號2017年04月20日,我國首艘貨運飛船天舟一號,在我國文昌航天發射場發射成功。圖為天舟一號

  天舟1號是世界目前現役貨運飛船中載貨量最大的貨運飛船,每次可以運送6.5噸貨物,載貨比(即貨物重量占整個飛船的總重量的比例,是考核貨運飛船的主要指標,載貨比數值越高,說明運載效率越高)較高,達到了0.48,該數值超越歐洲、日本等國家的現役貨運飛船,處于國際領先水平。

  第三步是將在2022年建成長期載人的大型空間站。它由1個核心艙和2個實驗艙對接而成,每個艙都是20噸級,將開展大規模、長期有人照料的空間應用活動。

  此后,我國還有望開展載人登月和商業載人航天活動。

  嫦娥工程揭奧秘

  深空探測能夠幫助人類研究太陽系及宇宙的起源、演變和現狀,認識空間現象和地球自然系統之間的關系,并為人類今后開拓更為廣闊的疆域打下基礎。

  我國的深空探測是從月球探測開始的,這是因為月球是離地球最近的一個星球,又蘊含著豐富的資源和能源,所以從技術性、科學性和經濟性等方面講,在深空探測領域先探測月球是符合科學規律的。

  我國的月球探測工程又叫嫦娥工程,分為“繞、落、回”三個發展階段實施。

2007年10月24日18時05分,搭載著我國首顆探月衛星嫦娥一號的長征三號甲運載火箭在西昌衛星發射中心三號塔架點火發射。圖為嫦娥一號  2007年10月24日18時05分,搭載著我國首顆探月衛星嫦娥一號的長征三號甲運載火箭在西昌衛星發射中心三號塔架點火發射。圖為嫦娥一號

  第一階段為繞月探測,即發射繞月探測器,對月球進行全球普查。它原定通過嫦娥1號、2號繞月探測器完成,其中嫦娥2號是嫦娥1號的備份。后來由于2007年發射的嫦娥1號表現出色,嫦娥2號改為第二階段的技術先導星。

  第二階段為落月探測,即發射落月探測器,對月球進行區域性詳查。

  2010年10月1日18時59分57秒,搭載著嫦娥二號衛星的長征三號丙運載火箭在西昌衛星發射中心點火發射升空。  2010年10月1日18時59分57秒,搭載著嫦娥二號衛星的長征三號丙運載火箭在西昌衛星發射中心點火發射升空。

  2010年,先發射了嫦娥2號,對6種新技術進行了試驗驗證,對未來的預選著陸區進行高分辨率成像,獲得更加豐富和準確的探測數據,深化了對月球的科學認知。

嫦娥三號嫦娥三號

  2013年,嫦娥3號落月探測器成功在月面軟著陸,首次實現了我國對地球以外天體的軟著陸,使我國成為世界第3個掌握落月探測技術的國家。嫦娥3號由著陸器和玉兔號月球車組成,它們攜帶了3種在世界上首次應用的科學探測設備,取得了重大成果。

  2018年,我國將發射嫦娥4號中繼衛星和落月探測器。它們將首次實現人類探測器造訪月球背面的壯舉,獲得一批重大的原創性科學研究成果。

  第三階段為采樣返回探測,即發射采樣返回器到月表特定區域軟著陸并采樣返回,對月球進行區域性精查。我國有望在2019年發射嫦娥5號月球采樣返回探測器,帶回2公斤樣品。 為此,我國在2014年先發射了嫦娥5號試驗器,突破了航天器以第2宇宙速度返回地球的這一關鍵技術。

  2020年,我國將發射首個火星探測器,一次完成對火星的“繞、落、巡”3項任務,這在世界上是首次。此后,我國擬探測小行星、木星等。

  探索浩瀚宇宙,發展航天事業,建設航天強國,是我們不懈追求的航天夢。從“一箭一星”到“一箭多星”、從長征一號小型運載火箭到長征五號新一代大型運載火箭,從東方紅一號衛星到多種試驗、科學和應用衛星,從神舟載人飛船到天宮空間實驗室、天舟貨運飛船,從嫦娥一號繞月探測到嫦娥三號落月探測,在邁向世界航天強國星辰大海的征途中,中國航天人始終如一,帶領著中國航天事業走向新高度!

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