21世纪的航天技术
2012-8-11 8:59:06更新 来源:本站原创 作者:佚名 


  资源枯竭、环境恶化、人口激增,是当今人类面临的三大全球性问题。而航天技术可能成为解决上述问题的重要手段。开发空间太阳能和月球上的氦—3,可使能源危机大大缓解;建立全球卫星观测系统,能真正认识全球环境变化的规律,从而找到切实可行的对策;地球能容纳的人口是有限的(80~110亿),人类迟早会提出向太空扩展生存的议题。可以预计,随着世界航天技术发展的范围和规模越来越大,它将成为越来越多国家高新技术发展的重点领域,并逐步转向产业化。迎接挑战的航天运输在航天运输领域,21世纪初仍以提高运载能力和可靠性、简化操作程序和降低发射成本为目标,进一步改进现有的一次性运载火箭。最典型的就是美国现正研制的“改进型一次运载火箭”(EELV)。该系列火箭的运载能力在1.1吨~2.1吨,发射成本比现有火箭低50%(采用基于商用硬件的推力器模块等技术)。如能按计划研制成功,则将于2001年后开始陆续投入使用(中型先发射,重型2005年发射),届时EELV可取代美国“大力神”、“ 宇宙神”和“德尔他”等多个系列火箭。美国还在为21世纪研制可重复使用运载器,旨在降低天地往返成本。在众多方案中,最有名的当属X—33/冒险星,因为该计划已在实施,定于2003年开始试验。它采用“线性气塞式发动机”、全复合材料、防热金属瓦等新技术,因而可以单级入轨,从而能大大降低发射费用的成本。其发射费用仅为目前的1/10。“线性气塞式发动机”的优点是可自动适应飞行过程中不断变化的大气压力,所以效率极高。不过其研制风险也极大,是名副其实的“冒险星”。美国2001年3月宣布,由于x-33/冒险星研制进程一再推迟,所以取消这一计划,并考虑新的方案。

  目前,美国旋转火箭公司正研制一种名叫“罗坦”的全重复使用单级入轨火箭。据说它可载2人,也能把近地轨道有效载荷的发射价格降至现在的1/10,并定于2002年开始发射。“罗坦”火箭设计十分独特,它垂直起飞,在把有效载荷送入近地轨道后,调头返回,并打开直升机式的螺旋桨叶减速着陆。卫星越来越大越来越小21世纪的人造地球卫星将向越来越大和越来越小两个方向发展:一方面,综合型高功率大型卫星平台最终将演变成一种新型航天器———空间平台;另一方面,小卫星(500~1000公斤,造价2000~5000万美元)、超小型卫星(100~500公斤,造价500万美元)、微型卫星(10~100公斤,造价100~400万美元)、甚至纳米卫星(小于10公斤,造价不到100万美元)越来越受到重视,现已有人提出芯片卫星方案。空间平台与人造地球卫星的不同点是有人照料、定期在轨维修和更换仪器、可加注燃料和补给品,因而寿命长、用途广。而小型卫星具有研制周期短、体积小、性能好、可靠性强、发射灵活和不易被摧毁等一系列优点,尤其是由小卫星组成的星座,其功能使不少大型卫星也甘拜下风。不过要使微型卫星、纳米卫星于21世纪初投入实用,还需攻克集成公用模块技术(IUM)和微电子机电集成系统(MEMS)等难关。人造地球卫星将加快更新换代的速度和进一步扩大应用范围。静止轨道通信卫星将以大功率、长寿命和高频段为主,卫星平台将实现模块化、集成化和系列化,并广泛采用超大型天线、多点波束、功率按需分配和星上处理等新技术,以实现卫星宽带、高速率通信。发展Ka或更高频段(Q、V)高速率宽带低高轨道星座系统,构筑太空信息高速公路,将成为21世纪的热点,因为它比光纤通信成本低,建造容易,是信息时代的主力军。卫星激光通信则能大大加速全球太空信息高速公路的建成。遥感卫星将向三个方向发展:研制大型综合系统,多种遥感器同时利用,对地球的环境、资源、海洋和气象等全面观测;研制分布式小型遥感卫星星座,同时获得时空分辨均高的地球图像;研制小型高分辨率商业遥感卫星,满足各种用户需要。导航卫星在国民经济中的应用将更为普及,并不断采用新技术来提高定位精度和扩散卫星功能(例如兼有通信功能)。

  21世纪卫星应用的商业化和军事化趋势会进一步加强。比如,军事航天的任务将由目前的空间支援(发射和部署航天器)、力量增强(侦察、通信、导航等),转为空间控制(保护己方航天系统、破坏敌方航天系统)和力量运用(从空中攻击地球),使空间从支援地球上陆、海、空部队作战的辅助战场,变成由地球上陆、海、空部队支援的主战场。21世纪初,美国将部署可预警战略和战术导弹的SBIRS导弹预警卫星、8X侦察卫星、先进EHF通信卫星等一系列新型军用卫星。有报告认为,到2025年,大部分战争可能不是攻占领土,甚至不发生在地球表面,而是发生在太空或信息空间。谁能控制太空或信息,谁就能取得优势。载人航天四步走未来的载人航天将分四步走。
  ———2005~2006年建造成 “阿尔法”国际空间站,使7名航天员在上面长期工作。此后第二代国际空间站“ 贝塔”计划将起动,它建成后将作为更长期的宇宙飞行的中转站。
  ———建立空间基地。除具有空间站的全部功能外,基地还能对其它航天器进行加注燃料、维修更换仪器等在轨服务。它配有轨道机动飞行器、轨道转移飞行器等,其中维修服务站是重要设施之一,站上有移动服务系统、各种维修工具,可用来装配大型空间结构,充分发挥人的作用。基地上还可建空间工厂,生产特殊材料和药品等,使载人航天进入真正的应用阶段。
  ———建立月球基地。月球上蕴藏着丰富的资源,尤其是有地球上没有的核燃料氦-3,如用它取代核聚变中的氘,不仅能解决能源危机,还可减少核污染几十倍。据分析,月球上氦-3的蕴藏量达100万吨,其总能量相当于地球上有史以来开发的所有矿物燃料的10倍。仅数十吨氦-3核聚变所产生的能量就可以满足地球21世纪需要的全部电能。月球引力只及地球的1/6,又没有大气,用月球作行星际航天基地和天文观测站十分理想。在月球上建造太阳能发电站,发电效率极高。日本已提出把月球发电作为21世纪的新产业,并设想用微波技术把电送回地球。建立月球基地后,人们还能开发和利用月面资源,制造航天器的推进剂等。理想中的月球基地需要有宽敞的密闭环境,保持其内部有地面上一样的温度、压力和空气成份。在密闭环境内,人类和动物、植物共生在一起,氧气、水和食物互相循环转换,不需外界补给。美国、日本、欧空局、俄罗斯等都制定了有关的长远计划。
  ———载人火星飞行。火星是与地球最近似且距地球最近的1颗行星,研究它对认识地球本身和整个太阳系都有重要意义,尤其是对揭开生命的起源和演化很有帮助。载人火星飞行的关键技术是载人火星飞船生命保障系统的再生循环技术。另外还要搞清在飞往火星的漫长旅途中(1年半),半长期失重对人体的生理影响,长期寂寞和孤独对航天员心理的影响等。21世纪的载人飞船将是多功能、可重复使用的,而且返回地球的落点精度在100米以内。
  空间天文探测新世纪的空间天文探测主要包括4个方面:一是研究日地关系,弄清太阳为什么变化和怎样变化的?地球与行星是怎样响应的?对人类有何影响?二是探索太阳系,确定太阳系是如何形成的?生命的起源是什么?行星在整个历史中经历了哪些变化?三是了解宇宙的结构和演变,探索宇宙中物质和能量的循环。四是分析宇宙的起源,弄清星系、恒星和行星系统是怎样形成的。所有的天文卫星和无人宇宙探测器都将围绕这4个方面来研制,其中行星探测的研制将遵循“更快、更好、更省”的方针,2004年到达土星的“卡西尼”土星探测器是最后1个大型探测器。
  21世纪天文探测的重点是“主攻”日地关系,因为太阳释放的巨大能量和物质对日地空间及地球环境有着直接而强烈的影响,对航天技术的发展关系密切。另外,多卫星同时探测的规模会越来越大。例如,为了弄清太阳的变化及其对人类的影响,美欧将发射16颗太阳观测卫星,其中6颗监测太阳变化,5颗监测地球空间对太阳变化的响应,另5颗探测太阳风和4颗行星的大气状态。多星同时观测,可了解地球空间环境的时空变化,因此这些天文卫星有高轨道的(满足时间分辨率要求),也有低轨道的(满足空间分辨率要求)。  为了迎接新世纪,美国于1998年10月24日成功发射了深空1号探测器,从而拉开了其“新千年”计划的序幕。今后还将发射深空2号、3号等空间探测器。“新千年”计划的目的是进一步落实“更快、更好、更省”的发展方针,研制一批小型、低成本、自主工作的航天器,以满足21世纪初在外空建立真正的无人探测研究基地的需要。在深空1号头两年的飞行中,对用于未来飞行的12项新技术进行了试验,其中最重要的就是试验离子推进系统,目的是为21世纪进行深空探测做准备。它是第一个依靠自主导航系统飞行的探测器。  (作者单位:中国空间技术研究院)

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