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两种颠覆性的空间技术

冯杰

2018年07月05日 12:00

王海名 张伟
《光明日报》( 2018年07月05日 13版)

空间技术是指探索、开发和利用空间的综合性工程技术体系。几十年来,空间技术发展日新月异,创造了人类历史上一个又一个激动人心的工程技术奇迹并已经成为规模宏大的产业。空间技术融汇了材料、化工、能源、电子、通信和信息技术等领域的最新高精尖技术,并不断孕育出颠覆性技术,其中微小卫星技术和可重复使用火箭技术是空间技术领域颠覆性技术的典型代表。

微小卫星技术

微小卫星是指质量在500千克以下的卫星。21世纪以来,微小卫星技术日趋成熟,呈现轻量化、小型化、低成本以及高功能密度和高性价比等优势,已经成为空间系统的重要组成部分,在遥感、通信、导航、空间科学、新技术演示验证以及教育培训等诸多领域得到了广泛应用。

主要航天国家为在小卫星技术领域取得领先优势,均制定了相关研究计划和项目。美国白宫科技政策办公室于2016年10月公布了“驾驭小卫星革命”倡议,拟促进并支持政府和私人将小卫星用于遥感、通信、科学和空间探索等活动。欧盟理事会在其2016年发布的《欧洲空间战略》中,也将开发小卫星星座视为其在未来10年必须重点开发的技术之一。

作为微小卫星发展的主要方向之一,近年来发展迅猛的立方体卫星已经从最初的开发目标——小型空间技术教育平台,发展成为空间领域的一种颠覆性技术——具有相对较低的开发成本和低成本快速响应发射等优势,在商用、国土和国家安全等领域发挥了越来越重要的作用。实用化立方体卫星技术曾入选《科学》杂志2014年度十大科技进展,相关技术进展多次入选美国航空航天局年度亮点成就。美国国家科学院2016年5月发布《利用立方体卫星开展科学研究》报告,指出几乎所有的空间科学研究领域都可能受益于颠覆性的立方体卫星技术,未来可望利用立方体卫星开展大量科学研究。

随着微小卫星的市场商业运作不断扩大和资本的涌入,商用微小卫星正在不断崛起,涌现出大量新兴商业小卫星公司。市场繁荣也激发了以研制大卫星为主要业务的传统航天公司对小卫星的关注力度,如波音、雷神等公司也开始关注小卫星的研制。

欧洲咨询公司的研究结果表明,航天领域和整个航天生态系统正在发生变革,未来10年(2017年-2026年)预计将发射约6200颗小卫星,市场价值预计达300亿美元,几乎是过去10年的四倍。

我国也大力提倡微小卫星的市场商业运作。2014年11月,国务院发布60号文件,鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星,提供市场化、专业化服务。中国小卫星领域经过多年的发展,已具备较好的研发基础和技术积累,在市场驱动和国家政策的引导下,很多企业和组织已经发布了各自的小卫星星座计划。中国航天科技集团计划在2022年前后建成“16+4+4+X”商业遥感卫星系统;2015年10月,中国航天科工集团启动“福星计划”,计划用156颗卫星构建一个地轨通信卫星星座,形成可覆盖全球的天基互联网;北京信威集团公司计划在2019年初步建成自主可控、可持续发展的星座通信系统,可覆盖全球除南北极之外的任何角落;2015年10月,“吉林1号”在酒泉成功发射,这是我国自主研发的第一个商用遥感小卫星星座,预计到2020年前将部署60颗卫星。

可重复使用火箭技术

可重复使用火箭是指能够重复使用、穿过大气层、往返于地球表面和空间之间运送有效载荷的运载火箭。可重复使用火箭通过多次发射回收,均摊了相关费用,有效降低了单位有效载荷的发射成本,因此研制可重复使用火箭一直是航天领域的关注热点。

近年来,一些私营航天企业在可重复使用火箭技术研发方面表现活跃。

美国太空探索技术公司(SpaceX)是运载火箭回收和重复使用技术的开拓者。SpaceX公司的“猎鹰9号”火箭可在发射后由上面级将卫星等载荷送入预定轨道,一级火箭则在与上面级分离后重新调整为直立状态返回着陆。

2017年3月,SpaceX实现了人类历史上运载火箭第一级的首次重复使用,是运载火箭重复使用技术发展史上的重要里程碑。美国“蓝色起源”公司的亚轨道火箭“新谢泼德号”可将用于观光的载人舱发射至距地面100千米左右的亚轨道,同一枚火箭已重复发射和返回5次。

美国“联合发射联盟”公司于2015年4月公布“火神”火箭的发动机舱单独回收方案,2016年4月提出在太空中重复使用“火神”火箭上面级的方案。

欧洲空中客车公司于2015年6月公布利用外形与无人飞机相似的模块回收火箭高价值部件的方案。

俄罗斯国家航天集团公司也提出将于2018年评估本国可重复使用运载火箭的前景,为2035年前俄罗斯运载火箭系统发展提供技术建议和计划草案。

尽管目前可重复使用火箭存在有效载荷能力下降、制造和保养成本上升、安全性和可靠性尚待验证等问题,但其未来发展前景仍被广泛看好。SpaceX公司预计重复使用一级火箭可使整个火箭成本降低30%以上;联合发射联盟公司称其单独回收发动机舱的技术可将一级火箭成本降低90%;空中客车公司称其自主飞行返回火箭模块系统可使整个火箭发射总成本降低20%~30%。

除了对空间技术本身的推动,可重复使用火箭研究还有利于激发航天领域的创新活力。可重复使用火箭展现出的大幅降低航天发射成本的潜力以及SpaceX近期回收一级火箭的成功,已促使各国航天发射商通过调整组织结构、采用新技术等手段降低发射成本,并不约而同地将SpaceX的“猎鹰9号”火箭作为价格对比标杆。

2016年11月,国务院发布《2016中国的航天》白皮书,指出开展天地往返可重复使用运输系统技术研究是未来五年的主要任务。中国科学院编纂的《中国学科发展战略——航天运输系统》中提出,可重复使用是降低航天运输成本的有效手段之一,也是未来航天发展的必然趋势之一。

中国航天科技集团2017年透露,我国可重复使用航天运载器研制正处于攻关阶段,已开展可重复使用运载器总体技术等关键技术的攻关研究,预计在2020年左右将完成首飞,并将实现10天10次发射、单位有效载荷发射成本降低至现有一次性运载火箭的五分之一的目标,成为几乎与美国同时完成重复使用运载器自主研制的国家。

(作者:王海名,系中国科学院科技战略咨询研究院助理研究员;张伟,系中国科学院空间应用工程与技术中心研究员)


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2018年07月05日 10:05
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