科学大家|中国航天日:盘点我国精彩纷呈的航天技术

科学大家|中国航天日:盘点我国精彩纷呈的航天技术
2018年04月24日 09:14 新浪科技

  出品 | 新浪科技《科学大家》

  撰文 | 庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家,神舟传媒公司首席科学传播顾问,卫星应用产业协会首席专家,中国首次太空授课专家团队组成员

  中国航天日,是为了纪念中国航天事业成就,发扬中国航天精神而设立的一个纪念日。2018年4月24日是我国第三个“中国航天日”,今年也是中国空间技术研究院和中国航天员中心成立50周年,从1970年到2018年4月10日,我国“长征”系列火箭共进行了271次发射,先后把近400个航天器送入轨道,并在载人航天、深空探测、导航定位、对地观测、通信广播、空间科学与技术试验等领域取得了显著效益。

  通往天路的云梯:火箭

  人造卫星、宇宙飞船等航天器是开发太空资源的利器,但它们都要通过运载火箭的发射才能进入太空翱翔。因此,我国一直在积极研制各种运载火箭。

  按动力学科划分,运载火箭一般分为化学能火箭、电火箭、核火箭、光子火箭和太阳能火箭等。至今所有航天发射都是用化学能火箭。

  化学能火箭又可以分为液体和固体火箭。前者性能高、推力大,被广泛使用;后者使用时很灵活方便,多用于助推、分离和发射小型航天器。

  在实际应用中,一般采用多级火箭,并有三种组合形式,即串联、并联和混合形式。串联式火箭结构紧凑、气动阻力小、发射简单;并联式火箭发射时所有的发动机可以同时点火,故推力大,但发射设备复杂,费用高;串联式和并联式同时使用的叫混合式火箭,它兼有上述两种方式各自的优点,因而被广泛采用。

  目前,运载火箭的发射大致有三种方式:从地面发射;从空中发射,从海上发射。

  几十年来,通过几代中国火箭人的不懈努力,我国“长征”系列火箭走过了从常温推进到低温推进、从串联到捆绑、从“一箭一星”到“一箭多星”、从发射人造卫星到发射载人飞船和空间探测器的历程,具备了发射低、中、高不同轨道,不同类型航天器的能力,基本能够满足不同用户的需求。

  我国长征2号子系列火箭用于发射低轨道航天器,长征3号子系列火箭用于发射高轨道航天器,长征4号子系列火箭用于发射极轨道航天器。其中的长征2号F是我国唯一的载人运载火箭,主要特点就是可靠性高。它已成功发射了6艘载人飞船,成功率100%。

中国长征5号运载火箭运抵海南中国长征5号运载火箭运抵海南

  近年,我国又发射了长征5号、6号、7号、11号新一代大中小型运载火箭,使我国运载火箭运载能力上了一个大台阶。其中的长征5号是我国新一代大型运载火箭,被昵称为“胖五”,因为它的直径比别的火箭粗,该近地轨道运载能力达25吨,综合性能指标达到国际上主流运载火箭水平。

  我国还掌握了“太空摆渡车”——运载火箭的上面级技术。它可多次启动,工作时间长,能先后把不同“乘客”送到不同目的地,大大增强运载火箭的任务适应性。

  长征5号、7号都在新建的海南文昌航天发射场发射。该发射场地缘优势明显:有射向范围宽的优势;火箭航区、残骸落区安全性好;具备低纬度的优势;可以通过海运将火箭运过来;其年发射能力可达10~12发。

  人造卫星当空舞

  目前,人造地球卫星的数量和种类最多,用途最广。它包括试验卫星、科学卫星和应用卫星3类,我国都可独自研制、发射和应用。

  试验卫星用于太空试验航天新技术、新概念、新材料等,是航天技术发展的开路先锋。我国已发射过多颗“实践”系列试验卫星。2016年又发射世界首颗“脉冲星试验卫星”;2018年还发射了张衡1号电磁监测试验卫星。

张衡1号电磁监测试验卫星张衡1号电磁监测试验卫星
世界首颗量子科学实验卫星(简称“量子卫星”)发射升空世界首颗量子科学实验卫星(简称“量子卫星”)发射升空

  科学卫星能摆脱大气层和地球引力等影响,深入而广泛地开展在地面上难以进行的科学研究。我国在2015年发射的“悟空”暗物质粒子探测卫星具有国际先进水平;2016年入轨的实践10号是单次搭载空间实验项目最多的卫星;同年升空的世界首颗墨子号量子科学实验卫星取得重要成果;2017年发射的“慧眼”硬X射线调制望远镜可实现世界最高灵敏度和最好空间分辨率的硬X射线巡天。

  由于应用卫星直接为国计民生和国防建设等服务,所以效益最高。它分为通信卫星、遥感卫星和导航卫星3种。

  通信卫星已成为现代通信的重要手段。它主要通过转发无线电信号来实现各种通信,具有通信距离远、容量大、质量好、可靠性高和灵活机动等优点,效益也很可观。通信卫星不受地理条件限制,对地面设施依赖程度较低,在重大灾害和战争情况下,比其他方式更安全可靠,有时甚至是唯一应急通信手段。

  我国已研制和发射了采用东方红2号、3号、4号卫星平台的3代固定通信卫星,其中采用东方红4号卫星平台的卫星最先进,可装载近50台转发器。

  我国还发射了4颗采用东方红3号卫星平台的第一代数据中继卫星天链1号,使我国测控覆盖率接近100%,并能提供百兆以上的高数据传输速率。

  2016年,我国首颗移动通信卫星——天通1号01星升空。它可以为车辆、飞机、船舶和个人等移动用户提供语音、数据等通信服务。

2016年4月6日1时38分,我国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星,在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射升空,进入预定轨道,图为实践十号卫星在轨模拟图。新华社发(中科院供图)  2016年4月6日1时38分,我国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星,在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射升空,进入预定轨道,图为实践十号卫星在轨模拟图。新华社发(中科院供图)

  我国首颗高通量通信卫星实践13号于2017年入轨,它采用了Ka频段、激光通信和电推进等先进技术,通信容量是我国此前在轨通信卫星容量的总和。

  号称“千里眼”的遥感卫星是一种利用卫星上所装载的遥感器对地球表面和低层大气进行光学或电子探测以获取有关信息的应用卫星。遥感卫星又叫对地观测卫星,根据用途又分为气象、陆地和海洋卫星等多种,它们的主要区别在于时间、空间和光谱分辨率及谱段不同,因而用途不一。

  在陆地卫星方面,我国先后发射了返回式卫星、资源卫星、高分卫星和商用卫星等,其中2016年发射的高分4号是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星;2016年开始发射的高景1号分辨率高达0.5米。

  气象卫星的最大特点是具有很短的覆盖周期,大大提高了天气预报的准确率,没漏过一次台风预报,主要用于探测和监视全球大气状况。它广泛应用于船舶航行、灾害监测和冰情预报等众多非气象领域。

2016年12月11日,搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。图:“风云四号”气象卫星  2016年12月11日,搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。图:“风云四号”气象卫星

  我国是世界第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家,极轨气象卫星用于长期天气预报,静止气象卫星用于短期天气预报。目前在轨工作的第二代极轨气象卫星风云3号 、第二代静止气象卫星风云4号都达到了世界先进水平。2016年,还发射了我国首颗 “碳卫星”,旨在为全球学者开展碳排放和气候变化提供重要支撑。

  用海洋卫星能经济地对大面积海域进行实时、同步、连续地监测,更好地保护海洋和开发海洋资源。我国现已发射了2颗海洋1号水色卫星和1颗海洋2号海洋动力环境卫星。

  目前,卫星导航是最先进的成熟导航技术,已广泛用于交通运输、气象、渔业、林业、电信、水利、测绘等许多领域,产生了显著的经济和社会效益。因此,我国很重视卫星导航系统的建设。截至2018年3月30日,我国已发射了31颗“北斗”导航卫星,其中后8颗是用于建造“北斗”全球导航卫星星座的北斗3号导航卫星,卫星性能大幅提升。“北斗”全球卫星导航系统将于2020年建成,定位精度为2.5~5米,每次可发送1000个汉字的短信。

  “北斗”全球卫星导航系统有一些美国、俄罗斯和欧洲全球卫星导航系统不具备的性能和特点,例如,该卫星系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

  欲与天公试比高

中国航天员中国航天员

  载人航天是航天技术向更高阶段的发展,可以完成更复杂的太空开发工作。我国载人航天工程采用 “三步走”的发展战略。

2005年10月12日9时0分0秒,神舟六号在酒泉卫星发射中心升空。2005年10月12日9时0分0秒,神舟六号在酒泉卫星发射中心升空。

  第一步是研制载人飞船,把航天员送入太空,并在完成预定任务后安全返回地面,实现我国载人航天的历史性突破,掌握载人航天的最基本技术。这一步通过2003年和2005年先后发射的神舟5号、6号载人飞船圆满完成。

神舟十号宇航员与观众打招呼,太空授课神舟十号宇航员与观众打招呼,太空授课

  第二步是突破和掌握航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术,然后发射空间实验室和货运飞船。这一步通过2008年神舟7号航天员翟志刚太空行走拉开了序幕。2011年发射的天宫1号目标飞行器与后来升空的神舟8号、9号、10号飞船分别进行交会对接,使我国成为世界第3个掌握交会对接技术的国家。

2016年10月19日3时31分,神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功,这是神舟十一号飞船与天宫二号组合体飞行模拟画面(摄于北京航天飞行控制中心大屏幕)  2016年10月19日3时31分,神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功,这是神舟十一号飞船与天宫二号组合体飞行模拟画面(摄于北京航天飞行控制中心大屏幕)

  2016年天宫2号空间实验室入轨,它先后与神舟11号载人飞船和天舟1号货运飞船交会对接,验证了航天员中期在轨驻留技术、在轨加注技术和未来空间站的部分新技术,并进行了较大规模的科学实验。

  至今,我国已把11名航天员送入了太空,其中包括2名女航天员。另外,景海鹏成为3上太空的航天员。

2017年04月20日,我国首艘货运飞船天舟一号,在我国文昌航天发射场发射成功。图为天舟一号2017年04月20日,我国首艘货运飞船天舟一号,在我国文昌航天发射场发射成功。图为天舟一号

  天舟1号是世界目前现役货运飞船中载货量最大的货运飞船,每次可以运送6.5吨货物,载货比(即货物重量占整个飞船的总重量的比例,是考核货运飞船的主要指标,载货比数值越高,说明运载效率越高)较高,达到了0.48,该数值超越欧洲、日本等国家的现役货运飞船,处于国际领先水平。

  第三步是将在2022年建成长期载人的大型空间站。它由1个核心舱和2个实验舱对接而成,每个舱都是20吨级,将开展大规模、长期有人照料的空间应用活动。

  此后,我国还有望开展载人登月和商业载人航天活动。

  嫦娥工程揭奥秘

  深空探测能够帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,认识空间现象和地球自然系统之间的关系,并为人类今后开拓更为广阔的疆域打下基础。

  我国的深空探测是从月球探测开始的,这是因为月球是离地球最近的一个星球,又蕴含着丰富的资源和能源,所以从技术性、科学性和经济性等方面讲,在深空探测领域先探测月球是符合科学规律的。

  我国的月球探测工程又叫嫦娥工程,分为“绕、落、回”三个发展阶段实施。

2007年10月24日18时05分,搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射。图为嫦娥一号  2007年10月24日18时05分,搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射。图为嫦娥一号

  第一阶段为绕月探测,即发射绕月探测器,对月球进行全球普查。它原定通过嫦娥1号、2号绕月探测器完成,其中嫦娥2号是嫦娥1号的备份。后来由于2007年发射的嫦娥1号表现出色,嫦娥2号改为第二阶段的技术先导星。

  第二阶段为落月探测,即发射落月探测器,对月球进行区域性详查。

  2010年10月1日18时59分57秒,搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射升空。  2010年10月1日18时59分57秒,搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射升空。

  2010年,先发射了嫦娥2号,对6种新技术进行了试验验证,对未来的预选着陆区进行高分辨率成像,获得更加丰富和准确的探测数据,深化了对月球的科学认知。

嫦娥三号嫦娥三号

  2013年,嫦娥3号落月探测器成功在月面软着陆,首次实现了我国对地球以外天体的软着陆,使我国成为世界第3个掌握落月探测技术的国家。嫦娥3号由着陆器和玉兔号月球车组成,它们携带了3种在世界上首次应用的科学探测设备,取得了重大成果。

  2018年,我国将发射嫦娥4号中继卫星和落月探测器。它们将首次实现人类探测器造访月球背面的壮举,获得一批重大的原创性科学研究成果。

  第三阶段为采样返回探测,即发射采样返回器到月表特定区域软着陆并采样返回,对月球进行区域性精查。我国有望在2019年发射嫦娥5号月球采样返回探测器,带回2公斤样品。 为此,我国在2014年先发射了嫦娥5号试验器,突破了航天器以第2宇宙速度返回地球的这一关键技术。

  2020年,我国将发射首个火星探测器,一次完成对火星的“绕、落、巡”3项任务,这在世界上是首次。此后,我国拟探测小行星、木星等。

  探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。从“一箭一星”到“一箭多星”、从长征一号小型运载火箭到长征五号新一代大型运载火箭,从东方红一号卫星到多种试验、科学和应用卫星,从神舟载人飞船到天宫空间实验室、天舟货运飞船,从嫦娥一号绕月探测到嫦娥三号落月探测,在迈向世界航天强国星辰大海的征途中,中国航天人始终如一,带领着中国航天事业走向新高度!

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