航天事业：人类探索浩瀚宇宙的不懈征程

□ 田 胜 朱华桥 陈 杰 张 瑾 王东伟



航天事业：人类探索浩瀚宇宙的不懈征程

□ 田 胜 朱华桥 陈 杰 张 瑾 王东伟

一部记录先驱者勇气与信念的历史

遨游太空、探索浩瀚的宇宙，是人类千百年来的美好愿望。但是在生产力和科学技术水平都很低下的时代，这种愿望只能停留在幻想阶段。直到20世纪50年代，第一颗人造地球卫星成功发射升空，开创了人类航天的新纪元，广阔无垠的宇宙太空，开始成为人类活动的新领域。从人类航天活动的历史来看，大体可以将人类探索太空的活动分为三个阶段。

第一阶段为14世纪至19世纪末。在这一阶段，一些勇敢的先驱者对飞天等活动进行了早期的探索，而经典力学和早期天体理论则为后人开展宇宙航行奠定了基础。14世纪末，中国明朝万户借助火箭推力进行的飞天试验虽然以失败而告终，但他可以称得上是人类航天史上第一个用火箭作动力飞行的人。16世纪，意大利科学家伽利略对重力、速度、加速度等运动概念进行了详尽研究；17世纪，德国天文学家开普勒发现了行星运动的三大定律，揭示了天体运行的自然规律，英国科学家牛顿提出了著名的“万有引力定律”，解决了天体运动的动力学问题。至此，经典力学和早期天体理论为开展宇宙航行奠定了坚实基础。

第二阶段为20世纪初至50年代。这一阶段是现代航天理论形成和现代航天飞行初创时期。在这一时期，涌现出了许多勇于探索的航天先驱者，其代表人物有俄罗斯的齐奥尔科夫斯基、美国的戈达德，以及德国的奥伯特等。

齐奥尔科夫斯基一生从事利用火箭技术进行航天飞行的研究，1903年，他发表了著名的齐奥尔科夫斯基公式，随后又相继发表了两篇重要论文，奠定了火箭和液体火箭发动机的理论基础。他提出了用火箭自带氧化剂和燃烧剂作为飞行动力，并采用多级火箭形式以期达到所需的速度，为现代宇宙航行指出了一条可行之路。

戈达德在1910年开始进行近代火箭的研究工作。1919年，他提出火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7.9km/s的速度才能克服地球引力。他认识到液体推进剂火箭具有极大的潜力，并于1926年成功进行了世界首枚液体火箭试飞。

1923年，奥伯特在《飞向星际空间的火箭》一书中确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够的推力，便能绕地球轨道飞行。1942年，德国在第二次世界大战中制造了V-2液体导弹，利用液体火箭将弹头发射到三百多公里之外，这也可以看作为基于现代工业意义上的首次航天飞行。

第三阶段主要是指1957年至今人类航天活动近60年的发展历程。1957 年10月4日，苏联利用弹道导弹改装而成的运载火箭，成功发射了人类首颗人造地球卫星，开辟了人类探索外层空间活动的新时代。

半个多世纪以来，世界各国发射的各种航天器数以千计；人类登上了月球，并在近地轨道空间建立了长期稳定运行的载人空间站；无人着陆器登上了火星和金星，并对太阳系中原“九大行星”全部进行了探测；数以千计的人造地球卫星、载人飞船和宇宙探测器“观天”“测地”所探测传输的信息，极大地丰富了人类的知识宝库，使我们对人类赖以生存的地球及其近地空间，对太阳系乃至上百亿光年之遥的整个宇宙空间的奥秘有了更深刻、更直观的了解；航天技术对人类文明、科技进步、经济发展、生产和生活方式等产生了巨大而深远的影响。

大国展示实力的重要舞台

多年来，航天技术的飞速发展和取得的一系列成果，为促进国家经济社会发展、提高人民生活水平发挥了举足轻重的作用，也正因为如此，世界各主要国家均高度重视航天的发展，不断加大对航天的投入，推动着世界航天技术不断向前发展。

运载火箭

运载火箭是人类进入空间的主要运输工具，2011年美国航天飞机退役后，运载火箭是各国进入空间的唯一运载工具。经过60多年的发展，运载火箭技术已经十分成熟。

美国

美国于1958年2月首次成功发射运载火箭“丘诺”-1号，60多年来，美国先后研制了10余个系列上百种型号的运载火箭。

大中型运载火箭。美国现役大中型火箭主要是“德尔它”-4和“宇宙神”-5两大系列以及私人公司研制的“猎鹰”-9和“安塔瑞斯”火箭。其中，“德尔它”-4和“宇宙神”-5两大系列承担了美国绝大多数大中型载荷的发射。“德尔它”-4系列包括5种型号，低地球轨道（LEO）运载能力覆盖9.1t－23t，地球转移轨道（GTO）运载能力覆盖4.2t－13.1t，其中“德尔它”-4H是世界现役运载能力最大的运载火箭。

小型运载火箭。美国现役小型运载火箭主要包括“飞马座”系列、“金牛座”系列和“米诺陶”系列等固体小火箭，LEO运载能力覆盖430kg－1460kg。

重型运载火箭。当前美国正在研制新一代重型运载火箭，以满足未来载人深空探测的需要。为了实现载人登陆火星和载人登月，NASA于2011年开始新型重型运载火箭“航天发射系统”（SLS）的研制。计划在2017年、2025年和2030年前后分别实现LEO运载能力70t、105t和130t构型的重型运载火箭首飞。此外，美国太空探索技术公司（SpaceX）在成功研制“猎鹰”-9大型火箭的基础上，以降低进入空间成本为重要目标，开始研制LEO运载能力53t的重型液体运载火箭。

俄罗斯

1957年10月，苏联发射了人类首枚运载火箭“卫星”号；迄今，苏联/俄罗斯已经研制了“东方”号、“联盟”号、“旋风”号、“宇宙”号、“质子”号、“天顶”号等多个系列的运载火箭。目前，“质子”号、“联盟”号和“天顶”号系列仍是俄罗斯进入空间的主要运输工具。

大中型运载火箭。俄罗斯现役大中型火箭主要包括“联盟”号、“质子”号系列以及与乌克兰等多国合作生产的“天顶”-3SL和“天顶”-3SLB。目前在役的“联盟”号火箭最新型号“联盟”-2号的LEO运载能力达8.2t，“联盟”-2号/“佛雷盖特”G T O运载能力3t。现役“质子”-M火箭的LEO运载能力达21.5t，“质子”-M/“微风”-M火箭GTO运载能力达6.2t。

小型运载火箭。俄罗斯现役小型火箭主要有“宇宙”-3M及通过改装退役洲际弹道导弹形成的“隆声”号、“第聂伯”号、“波浪”号和“静海”号等液体火箭和“起跑”号固体火箭等。其中，“第聂伯”号LEO运载能力达3.7t，“隆声”号达1.9t，其他型号运载能力更低一些。

当前，俄罗斯正在实施运载火箭换代计划，并按模块化、组合化、系列化设计思想开发新一代“安加拉”系列运载火箭，包括轻型、中型和大型多种型号，运载能力可覆盖俄现役所有火箭的能力范围。

欧洲

欧空局于1979年12月成功发射“阿里安”-1火箭，此后相继研制了“阿里安”-2、“阿里安”-3、“阿里安”-4系列运载火箭，1996年“阿里安”-5基本型（“阿里安”-5G）投入使用，此后通过改进形成“阿里安”-5G+、5GS、5ES和5ECA等型号。现役“阿里安”-5ES 的LEO运载能力达21t，“阿里安”-5ECA 的GTO运载能力10.5t。

2011年俄欧合作研制的“联盟”-ST火箭成功在法属圭亚那库鲁航天发射中心首飞，2012年欧洲自行研制的小型“织女星”固体运载火箭成功首飞，解决了欧空局发射中小载荷能力不足的问题。

当前，欧空局已着手改进现有进入空间的能力，在“阿里安”-5火箭的基础上研制“阿里安”-5ME，其GTO运载能力11.5t，替代现役的“阿里安”-5ECA和“阿里安”-5ES，预计2018年投入使用；此外，“阿里安”-6火箭研制工作已启动，初步方案为GTO运载能力3－6.5t，预计2020年～2025年间投入使用。

日本

日本1970年2月发射了本国首枚L-4S多级固体火箭，此后陆续研制了L系列、M系列、N系列和H系列运载火箭。目前在役的是H-2A系列和H-2B液体火箭以及“艾普西龙”固体火箭。其中，H-2A/H-2B均采用了大推力液氧/液氢发动机技术、捆绑固体助推器技术，H-2B火箭具备LEO轨道16.5t、GTO轨道8t的运载能力。在小型固体火箭方面，2013年首飞的“艾普西龙”LEO运载能力达1.2t。为满足2020年后的航天发射需要，目前日本正在积极发展新一代H-3运载火箭。

印度

印度1980年7月发射了本国首枚运载火箭，先后研制了卫星运载火箭（SLV）、加大推力卫星运载火箭（ASLV）、极地轨道卫星运载火箭（PSLA）和地球同步轨道卫星运载火箭（GSLV）系列运载火箭。现役火箭为PSLA系列和GSLV两个系列。

PSLV系列采用四级串联加捆绑结构，主要用于向极地轨道发射遥感卫星，LEO运载能力达3.2t，太阳同步轨道（SSO）运载能力2t，具备多星发射能力。GSLV系列火箭是在PSLV火箭基础上改进而来，主要用于向地球同步轨道发射卫星，也可执行近地轨道发射任务。

当前，印度正在实施第三代地球同步轨道卫星运载火箭（GSLVMK3）发展计划，该型火箭LEO运载能力和GTO运载能力分别达10t和4t，将采用自主研制的低温上面级。

中国

经过60年的发展，中国已成功研制10余种型号的“长征”系列运载火箭，以及“快舟”小型固体运载火箭，运载火箭的可靠性、安全性达到世界先进水平。中国“长征”系列运载火箭经历了从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星、从末级一次启动到多次启动、从发射卫星到载人飞船的技术跨越，具备近地轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道、地月转移轨道等多种轨道的发射能力，近地轨道运载能力达到9.5t，地球同步转移轨道运载能力达到5.5t，入轨精度处于国际先进水平，能够满足不同用户的多种需求。

中国已研制成功的“长征”系列运载火箭包括“长征一号”“长征二号”“长征二号丙”“长征二号丁”“长征号二E”“长征二号F”“长征三号”“长征三号甲”“长征三号乙”“长征三号丙”“长征四号甲”“长征四号乙”、“长征四号丙”共13型运载火箭，其中“长征一号”“长征二号”“长征二号E”“长征三号”“长征四号甲”已退役。

目前，中国正在发展以“长征五号”“长征六号”“长征七号”“快舟”等为代表的新一代运载火箭，并拓展上面级技术的应用，使运载火箭具备把卫星直接送入目标轨道和轨道多星布置能力，提升运载效率。

人造地球卫星

从1957年10月人类发射首颗人造地球卫星以来，卫星技术快速发展，形成了通信、导航、遥感、科学与技术试验等各类卫星系统，近几年全球每年发射约80－110颗卫星；人造卫星已经在各国国家安全、经济建设和社会发展中发挥了重要作用。

通信广播卫星。1958年，美国发射世界第一颗通信卫星——“斯科尔”卫星，首次通过卫星实现了语音通信。自那以来，通信卫星不断发展，得到广泛应用。美国是世界上通信卫星发展最为全面、技术水平最高、应用最为广泛的国家，目前已形成全面的卫星通信应用体系，业务涵盖固定通信、移动通信、广播、数据中继等类别；频段上覆盖甚高频（VHF）、L、S、C、Ku、Ka等全谱段。欧洲已建立相对完备的通信卫星系列，政府在通信卫星体系形成过程中发挥了重要作用。美欧在轨各类通信卫星主要有三、四两代，其先进的第三代卫星寿命普遍在12年以上，功率达到10kW；第四代卫星寿命普遍在15年以上，功率达到15－20kW。

俄罗斯通信卫星发展相对滞后，目前主要有“快讯”“亚马尔”“射线”等系列。近年，俄罗斯通过与欧洲合作，通信卫星整体水平有了较大的提升。此外，俄罗斯还计划在2020年前发射39颗新一代固定、移动、广播通信卫星，覆盖俄罗斯全境。

日本业务型通信卫星主要由美国制造，技术先进，最新一代属于欧美第三、四代技术水平，而通过发展一系列工程试验卫星，日本的通信卫星技术已逐步跻身世界先进行列。

印度长期重视通信卫星技术的发展，通过自主研发及与西方合作，其通信卫星技术获得较大提升，新一代通信卫星平均设计寿命达到12年。

通信广播卫星是中国发展较早的卫星系列。自1984年发射“东方红二号”试验通信卫星起，先后发射了“东方红二号A”实用通信卫星、“东方红三号”通信卫星、“东方红四号”通信卫星、“天链一号”数据中继卫星、“中星十号”通信卫星等，形成了业务涉及固定、中继和直播，频率覆盖S、C、Ku、Ka的通信卫星系列，可向亚、非、欧等国家和地区用户提供通信、广播电视、数据传输、数字宽带多媒体等业务服务。

导航定位卫星。20世纪60年代，人类开始利用卫星导航系统服务于经济社会发展各个领域。导航卫星系统用于向用户提供连续可用的高精度定位、导航与授时信号，多年来在人类社会生活的各个领域发挥着越来越重要的作用。

20世纪90年代，美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的“格洛纳斯”（GLONASS）两大卫星导航定位系统先后投入运行，为卫星导航定位系统的应用建立了新的里程碑。美国GPS具备全天候、全天时提供高精度全球定位、导航和授时服务的能力，可提供标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。俄罗斯GLONASS系统已经发展了三代，第一代卫星已经全部退役，目前在轨工作的为26颗第二代“格洛纳斯”-M卫星和1颗第三代“格洛纳斯”-K卫星，可提供全球导航、定位与授时服务。除美国的GPS和俄罗斯的GLONASS外，目前，欧洲正在建设“伽利略”全球导航卫星系统，印度正在建设区域导航卫星系统，日本正在建设“准天顶”卫星导航系统。

20世纪90年代，中国全面启动了“北斗”卫星导航系统的研制，按照“质量、安全、应用、效益”的总要求，坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，提出了从试验系统到区域系统再到全球系统的“三步走”发展思路。第一步，建设“北斗”卫星导航试验系统 ，实现从无到有，为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，同时开展相关地面应用基础设施设备的研制；第二步，到2012年前后建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航系统，实现区域服务能力；第三步，到2020年前后，建成由5颗地球静止轨道卫星和30余颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，真正实现全球覆盖，形成全球无源服务能力。

对地观测卫星。20世纪60年代，人类开启了从空间进行对地观测的新时代。时至今日，人类对地观测活动已进入一体化综合观测阶段，在国防安全、气象、海洋、国土资源调查、环保、减灾等领域发挥着越来越重要的作用。

美国是对地观测领域的领先国家，从上世纪70年代发展Landsat系列民用陆地卫星开始，已经陆续发射了军事、环境、大气海洋等对地观测卫星系列，并通过国际合作促进了全球遥感应用的发展。美国在上世纪80年开始探索对地观测商业化，目前已成为全球商业遥感发展最好的国家，以数字地球（DigitalGlobe）公司为代表的商业公司极具全球影响力。

继美国之后，欧洲在对地观测领域迅速崛起，发展了“斯波特”（SPOT）、ERS、Envisat等对地观测卫星。2001年，欧盟启动了以“哨兵”系列卫星为核心的“全球环境与安全监测”（哥白尼）计划，以期通过整合欧洲对地观测资源，推动地区对地观测数据的集成与共享，支持欧洲的可持续发展和全球管理。欧洲对地观测商业化也发展较快，以“公私合营（PPP）”模式推动了SPOT、“普莱亚”（Pleiades）、Cosmo-SkyMed、TerraSAR-X等卫星的商业化，形成了以ADS、E-geos为代表的商业化体系。

我国十分重视发展对地观测卫星，目前已经形成由气象、海洋、环境、资源4大系列卫星为核心的持续、稳定运行的对地观测系统，极大提升了数据自给率，完善了对地观测产业链。随着我国高分系统、测绘卫星等后续遥感卫星的逐步部署，我国将逐步建成完善的对地观测空间基础设施，全面服务国民经济社会各应用领域。当前，国内正大力推进对地观测商业化，以长光卫星公司、21世纪空间公司为代表的商业化公司已具备商业化服务能力，随着后续卫星的发射以及服务能力的提升，我国商业对地观测产业将逐步进入快速发展期。

载人航天

1961年4月12日，苏联成功地将人类首位航天员加加林送入外层空间，拉开了人类载人航天活动的序幕。迄今，主要航天国家已发射和运行了多种型号的载人飞船、航天飞机和空间站。

苏联/俄罗斯先后研制了“东方”号、“上升”号、“联盟”号等载人飞船，1967年以后只利用第三代飞船“联盟”号及其改进型号“联盟”-T、“联盟”-TM、“联盟”-TMA和“联盟”-TMA-M开展载人航天活动。为保持本国在载人航天领域的先进地位，2009年，俄罗斯决定研制下一代载人飞船，此项目被命名为“罗斯”（PPTS）。目前，俄新型载人飞船研制工作正在逐步推进，将有望于2017年开始试飞。相比于现有的“联盟”号飞船，新型飞船具有多重优势：能发射至国际空间站，能进行登月飞行，未来将代替“联盟”号进行作业。

美国1962年2月20日利用“水星”-6载人飞船首次将美国航天员送入空间，20世纪60年代先后研制了“水星”“双子星”和“阿波罗”号载人飞船，并利用“阿波罗”号载人飞船实现了载人登月的目标。2011年航天飞机退役以后，美国向“国际空间站”接送航天员的任务主要依靠俄罗斯的“联盟”号飞船。为尽快恢复本国独立的载人航天能力，近年，美国在积极开发先进技术的同时，稳步推进“猎户座”“龙”“追梦者”“太空船二号”等新型载人飞船的发展。2014年12月，美国“猎户座”飞船工程完成首次无人飞行试验，此次试验被称为“美国载人航天发展的新起点”。

欧洲、日本、印度目前不具备独立研制载人飞船的能力，但都启动了相关研究计划。欧洲将通过国际合作发展载人飞船技术，日本和印度将分别发展独立的载人飞船技术。

空间站是人类在轨长期驻留、开展空间科学试验与研究的大型空间设施。人类空间站的建设和运行经历了从单舱小型空间站到多舱大型空间站、从不进行物资与燃料补给到长期进行物资与燃料补给、从在轨运行1年至数年到在轨运行十数年甚至更长时间，建设规模和技术水平不断提高。目前，国外仅有俄罗斯和美国独立掌握了大型空间站建设技术。欧洲和日本则通过参与“国际空间站”计划，掌握了舱段设计、建设、运行和维护技术，与此相关的分系统技术，以及空间机器人、货运飞船等技术。

货运飞船是一种专门运送货物到达空间的航天器，是空间站的地面后勤保障系统。由于其主要用于为大型载人航天设施——空间站提供物资和燃料补给，因此尽管其不是载人航天器，货运飞船技术仍被纳入载人航天技术领域。

目前，人类已经全面掌握了向大型空间设施提供物资补给、加注燃料和提升空间站轨道的能力。从1978年俄罗斯发射首艘货运飞船至今，货运飞船从运载能力2t多发展到7t多，可靠性不断提高，舱内容积包括加压舱容积都有了较大提高，并从一次性使用向重复使用方向发展。目前在役的货运飞船包括俄罗斯的“进步”-M-M、日本的“H2转移飞行器”（HTV）、美国的“天鹅座”和“龙”飞船等4种型号，欧空局的自主转移飞行器（ATV）已在2014年完成第五次飞行任务后退役。

中国载人航天工程始于1992年，采取“三步走”发展战略：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造载人空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。2013年，“神舟十号”载人飞船搭载着聂海胜、张晓光和王亚平3名航天员顺利升空，与“天宫一号”目标飞行器实施自动交会对接和手动交会对接，开展了载人天地往返运输系统的首次应用性飞行试验并取得圆满成功，标志着中国载人航天工程第二步战略目标取得重大阶段性胜利。

深空探测

从1958年美国发射第一个月球探测器“先锋0号”开始，人类迈向太阳系的深空探测活动至今已有近60年历史。人类对天体目标的探测，首先实现距离地球最近的月球探测，随后实现了距离地球较近的火星和金星探测，最后实现距离地球较远的木星、土星等行星、小行星和彗星等的探测。按照探测手段，主要采取了飞越、撞击、环绕、着陆与巡视、采样与返回等方式。

当前深空探测开展最多的是月球探测，美国、俄罗斯、欧洲、日本、中国、印度均成功发射过月球探测器；只有美国与欧洲成功进行了火星探测，其中美国已经成功在火星表面着陆，印度则是第一个成功将轨道器送往火星的亚洲国家。日本成功实施了人类历史上第一次小行星采样返回任务，“隼鸟-1号探测器成为世界上首个从Itokawa小行星采集样本返回地球的探测器。深空探测目前主要以无人探测为主，其中无人探测器绕月探测技术已被主要航天国家普遍掌握。目前，仅美国实现了对太阳系内重要天体的全面探测，掌握了各种探测手段，技术能力全面领先。

早在20世纪90年代初，中国就开始了月球探测工程的先期论证。2006年，中国将“载人航天与探月工程”明确为国家16个重大科技专项之一，并且确立了“绕”“落”“回”三步走的月球探测发展战略。

2014年10月24日，“再入返回飞行试验器”成功发射，这是中国探月工程三期一次重要的验证飞行试验，主要目的是突破和掌握从月球轨道采用半弹道跳跃式方式高速再入返回地球的关键技术，为“嫦娥五号”任务提供技术支持。“再入返回飞行试验器”飞行过程历时约8天，于11月1日返回内蒙古中部预定着陆区。这是中国首次迎来从遥远月球上空返回的航天器，标志着中国已经成为继美国和苏联之后世界上第三个成功回收探月飞行器的国家，中国完全掌握了航天器以接近第二宇宙速度高速再入返回的关键技术，实现了世界最高精度的开伞和着陆控制，为确保“嫦娥五号”月球采样返回任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。

由于航天技术和成果在促进经济社会发展、提高人民生活水平等方面发挥的作用日益凸显，全球越来越多的国家正在不断加入到发展航天的行列。据不完全统计，全球已有30多个国家成立了国家航天局或航天委员会。在这些国家中，约40个国家/地区具有运营人造卫星的能力，近20个国家参与了载人航天活动。

近年，在传统航天大国继续加大本国航天发展的同时，其他国家的航天能力也不断提高。韩国、以色列等已具备研制生产和运行先进卫星的技术和工业能力，实力不断增强；其他国家如阿根廷、南非、尼日利亚等都实施或启动了航天器研制计划，并具有运营卫星的能力；委内瑞拉、墨西哥、马来西亚、阿尔及利亚、哥伦比亚等也具备了运营人造卫星的能力。

在过去的千百年中，尤其是最近的50多年里，人类在发展航天、利用航天方面创造了辉煌的历史，展望未来，人类航天事业的明天将更加辉煌灿烂！

（作者单位为中国航天系统科学与工程研究院）