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    【新科技知识干部读本】载人航天带动太空产业发展

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    载人航天是人类驾驶或乘坐载人航天器在地球大气层以外从事探索、研究、资源开发的太空航行活动,包括人类在地外天体的探索考察活动。由于太空和地外天体没有适合人类生存的环境和物质条件,载人航天器要为航天员提供生存、生活和工作保障,使其不受真空、辐射、高温、低温等空间恶劣环境的损伤并在完成飞行使命后安全返回地球。载人航天活动目前主要在低地球轨道(LEO)进行。


    飞天,自古以来就是人类的共同梦想与追求,敦煌的飞天壁画是古人飞天梦的缩影。中国人不仅发明了火药,也是试图用火箭动力实现飞天梦的先行者,明代的万户是尝试用火箭动力飞上天空的第一人,并为此付出了生命的代价。


    发展载人航天的首要动力是人类探索浩瀚宇宙、拓展生存疆域的强烈愿望,它促使人类不惜冒生命危险并付出巨大经济代价飞向太空。这一过程也极大地推动了科技创新和进步,展现了人类的智慧、勇气、能力和人类文明发展的美好前景。


    用于地球轨道载人飞行的航天器有载人天地往返运输器、货运飞船和载人轨道飞行器。载人天地往返运输器主要用于将人送入太空,完成飞行任务后再返回地球,如载人飞船、航天飞机。货运飞船则主要用于为空间站补给各类物资。载人轨道飞行器可在太空长期飞行,接纳航天员到访和驻留,开展空间科学研究和技术试验,如空间站和空间实验室。载人地外天体探索考察活动还需要用于地外天体着陆、上升的载人航天器和在天体表面活动的运输工具。航天员离开气密舱进行出舱活动时则须穿着具有生命保障功能的舱外航天服。


    在空间站上,可利用其高位置优势,开展对地观测和天文观测。空间站上具有的微重力条件为研究生命科学、生物技术、材料科学、基础物理、流体物理和燃烧科学提供了地球上无法提供的优越条件,其独特优势有利于解决重大科学问题。空间站还是进行航天和有效载荷技术试验的理想场所。空间站的建设技术也将为未来建造太空工厂、开展太空旅游和深空载人探索奠定基础。


    1961年4月12日,苏联航天员尤里·加加林乘坐“东方号”载人飞船完成了人类首次太空飞行。此后,苏联又率先完成了世界上第一次航天员出舱活动和第一次航天器自动交会对接。在发射和运营了2代共7个“礼炮号”空间站、掌握了空间站技术后,苏联/?俄罗斯于1986年开始建造最终规模达123吨的“和平号”空间站。“和平号”设计寿命5年,依靠航天员维修,在轨运行15年,最终由于俄罗斯参与“国际空间站计划”和经济原因,于2001年受控坠落。


    1969年7月20日,美国航天员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐“阿波罗11号”飞船登陆月球,首次在月表留下了人类的足迹。美国共发射了7艘“阿波罗”飞船执行载人登月任务,其中除“阿波罗13号”因服务舱液氧箱爆炸终止登月任务外(3名航天员驾驶飞船安全返回地面),先后有12名航天员成功登月。此后,美国发射了“天空实验室”。


    1972年,美国正式开始实施“航天飞机计划”。航天飞机是由轨道器、外储箱和固体助推器组成的载人天地往返运输系统,人们通常把其中自重68吨、能乘坐4~7名航天员并装载36吨货物的轨道器称为航天飞机。航天飞机依靠火箭动力入轨,返回时利用其机翼提供的升力滑翔降落在飞机跑道上,是目前唯一成功实现了部分可重复使用的载人航天器。由于运行成本高且存有安全隐患,航天飞机于2011年停止飞行。


    人类首次登月(来源:新华社)


    1998年,由美国牵头,俄罗斯、日本、加拿大等16个国家参与的国际空间站开始建造,2011年建成时总质量约420吨,耗资逾千亿美元,是人类迄今建造的规模最大、功能最完善的空间科学实验和空间资源利用平台。国际空间站舱段分别由俄罗斯、美国、欧洲空间局和日本研制,机械臂由加拿大研制,已完成的研究项目超过2000个。航天飞机在国际空间站建造过程中发挥了重要作用。国际空间站目前由俄罗斯“联盟TMA”飞船执行航天员天地往返运输,由俄罗斯“进步号”飞船、欧空局自动转移航天器(ATV)、日本HTV和美国“龙”飞船、“天鹅座”飞船执行货物运输。


    航天飞机退役后,美国国家航空航天局决定将近地轨道载人和货物运输以购买服务的方式交给商业航天公司,将主要精力和经费投向载人深空探索。从21世纪初提出重返月球的“星座计划”,到近些年的载人小行星探索计划,具体方案几经周折,但其核心能力建设已经取得阶段性成果,低地球轨道运输能力70~130吨的空间发射系统(space?launch?system,SLS)和可以向空间站运送6名航天员或向月球运送4名航天员的“猎户座”多功能飞船正在研发中。


    商业航天公司的介入给美国载人航天活动注入了新的活力。典型代表是美国太空探索技术公司(Space?X),其研发的货运型“龙”飞船于2010年开始为国际空间站提供天地往返货运服务。“龙”飞船的载人版也将开始飞行试验。Space?X?公司的后续目标将瞄准飞船和火箭的可重复使用。可重复使用技术的实现将可大幅降低航天飞行活动的成本,促进航天技术在经济社会发展中的广泛应用,加快人类探索和开发宇宙资源的步伐。


    1992年9月,我国开始实施载人航天工程。2003年10月,“神舟五号”载人飞船将航天员杨利伟送上太空。2008年9月,“神舟七号”完成了我国首次空间出舱活动。2011年9月,“天宫一号”目标航天器发射入轨,此后“神舟八号”无人飞船、“神舟九号”和“神舟十号”载人飞船相继发射并成功与“天宫一号”进行了空间交会对接,两批航天员进驻“天宫一号”。2016年3月16日,“天宫一号”正式终止数据服务。中国成为继美国、俄罗斯之后,第三个独立、全面掌握了载人航天基本技术的国家。由“神舟”飞船和“长征二号F”运载火箭组成的天地往返系统是目前世界上在役使用的两种载人天地往返运输系统之一。


    2016年6月25日,我国新一代中型运载火箭“长征七号”在新建的海南文昌发射场首次发射升空。2016年9月15日,“天宫二号”空间实验室在酒泉卫星发射中心发射成功。随后,“神舟十一号”载人飞船于10月17日发射并在2天后与“天宫二号”成功对接,2名航天员将在飞船和空间实验室中生活和工作33天。“天宫二号”的发射成功标志着中国载人航天进入空间实验室阶段。“天宫二号”是我国第一个真正意义上的太空实验室,其主要任务是验证空间货运系统和推进剂补加等空间站关键技术,开展空间科学研究和技术试验。空间实验室任务完成后,我国将开始建造中国空间站。


    2008年9月27日,执行“神舟七号”载人航天飞行出舱活动任务的航天员翟志刚出舱后挥动中国国旗(来源:新华社)


    我国“天宫”空间站目前处于研发阶段,预计在2022年前建成。空间站基本构型包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ,3舱总质量60多吨,可停靠2艘载人飞船和1?艘货运飞船,?在运营阶段可以根据科学研究和应用的需要进行扩展。空间站工程的实施将使我国掌握大型空间设施的建造和运营技术,实现航天员长期在轨健康生活和高效工作,开展多领域科学研究和应用。采用高效太阳能电源技术、高闭合度物化再生生保技术和高比冲电推进技术的“天宫”空间站,将成为国际上运行最经济的空间站。其建成后将成为在国际上具有强大竞争力的国家实验室,为我国科技创新做出突出贡献。


    我国空间站示意图


    我国载人航天工程前期主要处在突破和掌握关键技术阶段。本着“一次任务,多方受益”的原则,历次飞行任务中先后安排了涉及航天医学、生命科学、空间物理和航天新技术等多个领域的科学研究和技术试验项目,如“神舟”飞船先期验证的可见光和红外遥感技术在国内率先实现了对海洋、大气的环境监测,相关技术直接应用在了风云系列卫星和海洋动力卫星上。


    发展载人航天面临的最突出挑战是保证人的健康和安全,这使得载人火箭和载人航天器规模更大、系统更复杂、可靠性和安全性要求更高。我国载人航天工程的实施,大幅提高了我国航天产品的研发能力,促进了我国航天技术的跨越式发展。载人航天工程在管理上强化了“安全第一、质量至上”的理念,形成了科学、严格的质量管理体系,为我国航天发射取得世界领先的高成功率打下了坚实的基础。


    载人航天的发展未来将聚焦于近地轨道应用和服务以及载人深空探索。


    近地轨道太空资源包括高位置、高真空、高洁净、微重力、辐射和太阳能等。载人航天器利用高位置资源开展对地观测,利用高真空和高洁净环境条件开展天文观测,利用微重力资源开展生命科学、生物技术、材料、物理、流体等方面的研究,利用辐射资源开展生物学研究和太空育种,太阳能则为航天器提供能源供应,保障航天器和有效载荷运行。在载人航天器上开展这些工作,可以充分发挥人的作用,操控航天器平台和有效载荷设备并进行维修维护和改造升级,对科学实验结果进行分析判断并根据需要对实验方案进行调整完善。空间站还可以作为一个太空港,为停靠的航天器提供维修、升级和推进剂补给等在轨服务。


    地球轨道载人航天技术经过多年发展,基本技术日趋成熟,开展高效益的应用和在轨服务是主要目标。发展重点一是研发可重复使用的天地往返运输系统,降低飞行成本,扩大近地载人航天活动的规模,开展更广泛深入的科学前沿研究和太空资源开发,带动太空产业发展。二是更深入地研究人在太空长期生活的医学和保障问题,充分发挥人在太空的独特作用,通过人机联合操作等方式完成机器无法完成的服务任务,为在轨航天器建造、维修维护和技术升级、燃料补加和延寿等提供服务。


    载人深空探索的目的地包括月球、近地小行星和火星。


    载人月球探索是载人深空探索的第一站,用于短期载人探月的航天器低地球轨道入轨质量达100多吨,需要研发起飞质量高达数千吨的重型运载火箭,突破月面着陆、月面活动和起飞以及返回地球等关键技术。


    火星是目前技术上可能实现且最具探索吸引力的载人深空探索目的地。载人火星探索规模庞大,若采用现有动力技术,其近地轨道入轨质量将达1000吨以上,飞行时间近1000天甚至更长,技术上面临巨大挑战,必须在若干重大技术领域取得革命性的突破。


    载人航天未来的发展重点,一是要研发更先进高效的动力技术,包括高比冲、大推力液体和固体燃料化学推进火箭发动机,以及具有更高比冲的核热、核电和电推进火箭发动机。同时,需要开发高比强度/?比刚度的材料以及相应的先进结构设计制造技术。这两大技术是提高运载器效率、降低航天器重量的关键。


    二是要开发资源循环利用率更高的环境控制与生命保障技术,研发地外行星原位资源开发和利用技术,大幅降低从地球出发携带补给的需求,最终建立不需要从地球持续补给、包括受控生态系统在内的基地,实现生活物质、能源(电力和推进剂等)的就地取材和地外行星资源的开发利用,为长期有人居住的月球和火星基地建设及运行提供有力支撑。


    三是要研发太空先进制造技术。以3D打印技术为代表的先进制造技术在太空有着广泛的应用前景,是航天器在轨维修、功能扩展和地外行星载人基地建造的一种充满希望的解决方案。


    四是要更好地解决人在太空长期生活的医学问题,保障人在太空辐射、微重力/?低重力条件健康生活和高效工作。



    编辑:李一凡






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