吴季：人类探索空间的最新技术进展|人造卫星|卫星|发射场|探测器|航天器|飞行器

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吴季，研究员，中国空间科学学会理事长，中国科学院国家空间科学中心原主任，国际宇航科学院（IAA）院士，电子与电气工程师协会（IEEE）会士，卢森堡政府“空间资源”国际咨询委员会委员，阿联酋航天局国际咨询委员会委员。曾任中国科学院空间科学先导专项负责人、空间科学卫星工程常务副总指挥，国际空间研究委员会（COSPAR）副主席，地球空间双星计划应用系统总设计师，中俄联合探测火星计划——萤火一号首席科学家，嫦娥一号、三号有效载荷总指挥等。

1957年10月4日，苏联成功发射人类首颗人造卫星，标志着人类进入空间时代，而人类探索空间的步伐从未停止，本文将对运载、卫星与探测器、测控通信、发射和回收领域的技术前沿进行简要介绍。

火箭技术

迄今，人类制造的最大火箭是NASA在20世纪60年代研制的土星五号运载火箭，其高度为111m（约36层楼高），起飞重量达2800t。土星五号运载火箭是目前人类航天的极限。

土星五号运载火箭

航天飞机作为可重复利用的载人航天器，可以像运载火箭一样把人造卫星等航天器送入空间，可以像载人飞船一样在轨道上运行，还可以像滑翔机一样在大气层中滑翔着陆。美国是唯一以航天飞机成功完成载人任务的国家，其航天飞机包括哥伦比亚号（返回时解体）、挑战者号（发射后爆炸）、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号。2011年，航天飞机全部退役。

美国空间探索技术公司（SpaceX）设计制造了可重复使用的商业火箭猎鹰九号，是首枚实现可控陆地和海上垂直着陆回收的火箭。

未来，火箭燃料将更安全环保，无毒，无污染。中国的长征五号、长征七号系列运载火箭就使用了无毒无污染的液氧煤油和液氢液氧推进剂。

重型火箭是提高进入深空能力的必要途径。NASA分三个阶段提升空间发射系统运载能力，最终将研制近地轨道运载能力130t的Block 2型火箭。

固体火箭发射系统的优点是快速响应、可移动发射。固体运载火箭除了可以陆基发射以外，还适用于海基发射和空基发射。

进入空间需要很高的成本。国际商业发射中，小型运载发射报价一般为每千克5000～10000美元（SpaceX公司）。但这个价格仍然很高，无法满足很多应用的需求。目前进入空间的最低报价，中国为每千克5万元；在实现可重复使用以后，目标是降至每千克2万～3万元。

火箭进入空间的技术和能力主要局限在重量和成本方面。

卫星与探测器技术

随着空间技术的不断发展，一方面，卫星性能更高、功能更强，使人类具备了前所未有的空间应用能力；另一方面，卫星更轻、更小、更智能，卫星生产也可以做到规模化，卫星的应用效能也不断增强。

迄今，人类制造的由运载火箭发射的、最大的人造卫星为欧洲空间局（European Space Agency，ESA）的欧洲环境卫星（Environmental Satellite，Envisat）。它的太阳帆板和雷达展开前可达10m高。星上展开伸杆最长的卫星是磁层顶到极光全球探测卫星成像器（Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration，IMAGE），柔性伸杆后长达504m。最小的卫星则是已经标准化的立方星（Cubesat）。它由一个或多个10cm×10cm×10cm的立方体组成。目前有个仍在设计中的计划，即斯蒂芬·霍金曾经参与的、由美国突破基金会赞助的突破摄星
（Breakthrough Starshot）计划，正在研发名为“星片”（Starchip）的光帆飞行器，将由位于月球上的大功率激光器对其加速，力求达到1/5光速（约6×104km/s）的速度航行，用大约20年的时间飞抵半人马座α星开展探测。约4年后，地球上可以收到其传回的信息。

根据任务需求，卫星技术的前沿变化很大。制造越来越小、越来越智能化的卫星成为新的发展方向，特别是具有智能编队（即由分散的卫星群形成更大规模）功能的智能化设计。

除了运行于地球轨道上的各种卫星以外，前往月球、火星、金星及太阳系其他天体的各种探测器也是空间技术发展的新方向。它们的探测目标除了科学研究以外，还包括对太阳系资源的利用及对威胁地球的近地小天体的识别和防卫。其中涉及的创新技术包括行星际航行、地外天体着陆和起飞、样品采集和返回地球、地外天体巡视和深入表面以下的探测，以及就地样品分析和利用技术等。

测控通信技术

测控技术是对航天飞行目标进行跟踪、测量和控制的综合技术。测控系统由控制中心、测控站和专用通信网组成。测控技术将向具备连续的轨道覆盖能力、定轨精度从米向厘米等方向发展。

通信技术主要是指将飞行器上的大量数据传送到地面上的技术。从地球近地轨道上将数据传回地球的速率，由于激光通信技术的发展，将很快突破交换带宽（Gbps）的通信速率。

测控通信技术目前正在向深空领域发展。在深空中测控通信的困难除了速率方面以外，最主要的就是长距离带来的时延。对于地月之间的通信，延时将达到约1.3s，而对于地火之间的通信延时，根据地球和火星轨道的变化，延时将达到3～20min。下图为中国科学院上海天文台65m口径天马射电望远镜。

上海天文台天马射电望远镜

发射和回收场技术

未来航天发射将向多样化方向发展，其中地面固定发射场仍将是载人航天发射及大型、重型运载火箭发射的唯一方式；海上发射和空中发射作为补充，并将得到新的发展。

对于载人航天，涉及航天员的发射场必须具有服务航天员的能力，包括训练、医护、隔离和相关技术支持。因此，具有载人航天发射能力的国家都将载人航天发射场固定在一个专用的发射场。

每个发射场的选址和设计，都需要考虑一级火箭的落区安全问题。由于地球的自转是自西向东，为了借助地球自转带来的动力，除了极轨卫星可以选择向南和向北发射以外，带有倾角的卫星轨道的发射一般都选择向东发射，以节省燃料。因此，为了保证落区的安全，发射场通常选择在大陆的东海岸。这样就可以使一级火箭的残骸落在公海区域。

无人的返回式任务，如微重力科学和空间生命科学实验卫星及载人航天任务的返回场，一般都选择地域广阔的平原地区。这是因为在回收过程中，降落伞打开之后，由于气象条件的不确定性，对落点的预估会出现很大误差。因此，空旷无人的大草原或沙漠地区就是最好的选择。但是，为了尽快找到返回舱获得回收样品及迎接航天员，回收场必须建设相应的技术设施，服务于回收物和人的特殊需求。下图为实践十号卫星返回舱成功回收的现场图。