兵器等专场
航天科学技术
2014年04月01日

一、引言

  外层空间是人类共同的财富,探索外层空间是人类共同的追求。21世纪以来,人类步入了探索与开发利用外层空间的新纪元,随着经济社会发展需求的日益迫切,越来越多的国家积极参与航天活动。航天科学技术已经成为现代社会最具影响力的高技术之一,并极大地促进了生产力的发展和人类文明进步。

  我国政府一直把航天事业作为国家整体发展战略的重要组成部分,始终坚持为了和平目的探索和利用外层空间。经过多年发展,特别是近年来的快速发展,我国航天事业取得了以载人航天、月球探测等为代表的一系列举世瞩目的成就,在若干重要技术领域跻身世界先进行列。

二、本学科近年的最新研究进展

  航天科学技术是一门探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性科学技术,是开展航天活动的重要物质技术基础。

  2008年以来,以重大科技专项工程为牵引,我国航天科学技术获得了快速发展。月球探测工程顺利实施、“嫦娥一号”成功实现“精确变轨、成功绕月”的预定目标、“嫦娥二号”成功开展环绕拉格朗日L2点、飞越图塔蒂斯小行星等多项拓展性试验标志着我国已经跨入具有深空探测能力的国家行列。载人航天工程取得新进展,成功研制并发射了神舟七号飞船、神舟八号飞船、神舟九号飞船、神舟十号飞船和天宫一号目标飞行器共5艘载人航天器,并且取得了航天员出舱活动、自动和载人交会对接等里程碑性的重大突破,标志着我国已经实现了载人航天工程第二步第一阶段的战略目标。“北斗”卫星导航区域系统建设顺利完成,正式向亚太地区提供连续无源定位、导航、授时等服务。高分辨率对地观测系统重大科技专项全面启动实施,系统首颗卫星——“高分一号”卫星成功发射。“长征”系列运载火箭共完成70次发射任务,把航天器成功送入预定轨道,运载火箭可靠性显著增强,型谱进一步完善,高密度发射能力明显提高,新一代运载火箭工程研制取得重大进展。

  人造地球卫星基本形成了气象、海洋、资源、通信广播、导航定位、空间科学、技术试验等卫星系列和环境减灾卫星星座,性能和业务服务能力明显提升。其中,风云三号卫星性能达到世界先进水平并成功实现业务化运行;海洋动力环境卫星具备全天候、全天时的微波观测能力;“天链一号”系列数据中继卫星的成功发射,使中国初步具备天基数据传输能力和对航天器的天基测控服务能力;多颗“实践”系列卫星和微小卫星的成功发射,为空间环境探测、空间科学实验和新技术验证提供了支撑平台;航天产品高可靠、长寿命工程稳步推进,卫星设计寿命明显提高,业务服务能力得到了进一步提升。

  航天技术应用水平和效益大幅提高。“风云”系列卫星实现了对台风、雨涝、森林火灾、干旱、沙尘暴等灾害的有效监测;海洋卫星对海冰、海温、风场等的预报精度和灾害性海况的监测时效显著提高;资源卫星广泛应用于国土、农业、林业、矿产等资源的监测与管理以及城市规划;环境与灾害监测预报小卫星星座为重大自然灾害救援提供了支撑;通信广播卫星应用初具规模,在广播电视传输、远程医疗、远程教育、抢险救灾、重大突发事件处置等方面发挥了重要作用;导航定位卫星应用步入产业化发展轨道,“北斗”卫星导航系统已在交通运输、海洋渔业、通信授时和减灾救灾等领域得到初步应用。

  此外,制导与测控技术、航天推进技术、航天发射与测控、航天材料技术、航天医学、航天空气动力学、航天制造工艺技术、航天电子信息技术、航天质量与可靠性技术、航天计量与测量技术、航天试验技术等诸多专业技术领域进展显著,为我国航天科学技术的整体发展奠定了坚实的基础。

三、本学科国内外研究进展比较

  在看到成绩的同时还必须清醒地认识到,与先进国家相比,我国在航天科学技术发展上还存在一定的差距。主要体现在以下几方面:

  (1)航天运载器技术方面。现有运载火箭运载能力和快速响应能力较低,不能满足大型有效载荷以及各类小卫星快速、廉价进入空间的要求。

  (2)航天器技术方面。遥感卫星新型观测手段缺乏;通信卫星平台在有效载荷功率输出、有效载荷重量、有效载荷干比重等重要指标上差距显著。

  (3)载人航天器技术方面。载人天地往返运输系统飞船乘员人数少且不能重复使用,载人空间服务技术尚属空白;载人登月技术能力和储备还存在差距。

  (4)深空探测技术方面。以美国为代表的西方国家已经基本具备了到达太阳系内绝大部分区域的能力,而我国深空探测的对象仍主要聚焦于月球,其它探测器尚停留在论证和预研阶段。

  (5)航天发射与测控技术方面。基础技术的研究应用有待深化,发射平台单一;专业化的搜救与回收保障体系尚未形成;Ka频段测控等测控关键技术有待突破。

  (6)航天空气动力学方面。综合分析能力和集成创新能力欠缺,对学科认知的深度、广度与先进国家存在较大差距。

  (7)航天推进技术方面。液体发动机推力量级小,推质比低,比冲低;固体火箭发动机系列化、产品化发展格局尚未形成;吸气式发动机关键技术尚未完全突破;核推进、太阳帆等特种推进技术尚处于跟踪分析阶段。

  (8)航天制导、导航与控制技术方面。尚未掌握月球轨道交会对接技术;星座/编队飞行制导与控制技术差距较大。

  (9)航天电子技术方面。空间有效载荷、空间计算机与微电子、空间机电组件、航天通信技术、航天电源等与国外均有较大差距。

  (10)航天材料技术方面。纳米复合材料、杂化复合材料以及基于物理化学效应的智能复合材料的研究欠缺;高强、中高模碳纤维复合材料的研究和应用不足。

  (11)航天制造工艺方面。快速响应制造技术、精密超精密加工技术、特种加工技术、热加工和精密成形技术、先进连接技术、表面工程技术、电气互联技术等都存在较大差距。

  (12)航天质量与可靠性方面。数字化背景下的质量管理刚刚起步;可靠性基础理论研究与应用存在一定差距。

  (13)航天应用产业发展方面。我国卫星导航、卫星通信、卫星遥感等产业在全球所占比重仍然较小。

  (14)航天试验技术方面。无论是强度试验、结构动力学试验、力学环境试验、热环境试验,还是磁试验、可靠性试验、虚拟试验,与国外先进水平相比仍存在较大差距。

  (15)航天计量与测试技术方面。电源输出阻抗、微波毫米波小功率校准技术、星载辐射计地面定标技术、太赫兹电脉冲产生与测量技术、卫星双向时间比对技术等急需突破。

  (16)航天医学工程方面。需要尽快验证完善长期空间驻留的航天员医学监督和医学保障体系,提高航天服的活动功能、系统安全可靠性和出舱活动时间,建立具有一定规模且相对集中的受控生态生保系统研究基地。

四、本学科发展趋势及展望

  面向未来,中国航天事业将遵循既定的宗旨,坚持“科学发展、自主发展、和平发展、创新发展、开放发展”的基本原则,推动空间技术、空间应用、空间科学全面协调发展。当前及未来一段时期,我国航天科学技术发展的重点方向如下:

  (1)航天运载器技术方面。完成新一代运载火箭的首飞,实现运载火箭能力升级;推进重型运载火箭研制,满足未来载人登月和深空探测需求;加强航天运载器的大直径箭体结构设计、制造与试验、大推力发动机、火箭在轨组装、先进测试发射、运载火箭重复使用、故障诊断与健康检测以及上面级等关键技术的研究。

  (2)航天器技术方面。开展新一代遥感卫星系统验证,形成以高分辨率数据为核心的观测能力;完成区域移动通信卫星系统的建设,提升移动通信业务能力;启动东五平台工程化研制;围绕服务范围拓展、服务精度提升、新技术开发应用等开展研究和试验验证工作,建成北斗全球导航卫星系统;研制发射硬X射线调制望远镜卫星;启动量子科学实验和暗物质探测等科学卫星系列研制。

  (3)载人航天技术方面。适时开展新一代载人飞船的研究;突破和掌握载人空间长期飞行技术、乘员健康保障技术和低消耗环控生保技术;突破推进剂补加技术,满足空间站货物运输需求;结合新一代飞船的验证需求,实现一定规模的货物返回功能;通过空间机械臂的研制,积极推进空间机器人技术的发展。

  (4)深空探测技术方面。研制嫦娥三号着陆器和巡视器,突破无大气天体的软着陆、月面巡视、遥操作、地面大口径深空测控、月球表面长期生存等关键技术;研制嫦娥五号探测器系统,突破月球表面起飞、月球轨道交会对接、地球大气高速再入等关键技术;开展火星探测、小行星探测、太阳和其他行星探测等深空探测的技术研究。

  (5)航天制导、导航与控制技术方面。重点发展大型空间组合体控制与在轨维护技术、全天时全方位多形式交会对接技术、再入返回GNC技术;发展探月二期、三期和深空探测的GNC技术;突破行星大气减速及软着陆GNC技术、基于自主测量一体化敏感器的自主导航与控制技术;突破复杂卫星甚高精度控制技术、敏捷卫星控制技术、卫星自主导航与自主控制技术;突破运载火箭电气系统综合设计与集成技术、运载火箭测发控技术。

  (6)航天推进技术方面。改进现役长征系列火箭发动机;攻克整体式固体发动机、分段式固体发动机以及固液混合火箭发动机的关键技术;突破火箭基组合动力技术、复合预冷组合动力技术及相关的亚燃冲压、超燃冲压动力技术;发展基于核电的大功率霍尔电推进技术、氙离子推进技术、大推力磁等离子体推进技术。

  (7)发射与测控技术方面。发展测控和发射领域的总体设计、测试、发射、组织指挥、勤务保障、评估评定和基础支持等技术,以及测控领域的地球轨道航天器测控、月球与深空测控、测量与导航、空间信息网络、任务操作、测控安全等技术。

  (8)航天材料技术方面。建立由非/微烧蚀防热复合材料、高温热密封与温控材料等构成的临近空间材料系列;构建由轻质高效结构材料、柔性防隔热材料与结构功能一体化材料等组成的空间材料系列;提升由高性能铝合金、钛合金、铜合金及难熔合金构成的航天金属结构系列性能;开展高性能碳纤维、陶瓷纤维、大尺寸铝锂合金、特种粉体、橡胶等工程化制备研究。

  (9)航天医学技术方面。重点发展航天员健康保障、航天服工程、航天环境控制与生命保障、航天环境医学、航天医学基础等方面的技术;研究长期飞行中航天员健康监测和保障的医监医保技术、航天服工程的空间站舱外服技术;完善空间站再生生保系统功能;开展人因工程基础研究。

  (10)航天空气动力学技术方面。研究临近空间飞行热环境预测、热防护和热管理技术,热管理、热结构、热气动弹性相关的分析和试验技术以及气动力/热/结构一体化设计技术、高超声速飞行器飞行稳定特性和操纵控制特性技术、真实空气动力学特性计算和试验的模拟技术;完成高空、高超声速流场条件下的气动光学效应预测、航天空气动力学领域的测试、试验和检测。

  (11)航天制造工艺技术方面。突破数字化制造的共性关键技术和标准规范、数据资源等基础支撑技术;开展精密超精密加工的基本理论和工艺研究;加强特种加工技术机理的研究并实现工程化;发展高效、智能、自动化的先进焊接技术,机械化、柔性化、自动化的铆接技术,以及绿色、功能化的胶接技术;突破航天电气互联技术向更深层次发展的瓶颈。

  (12)航天电子信息技术方面。发展大型宽带有源相控阵雷达技术、W波段精密跟踪成像雷达技术、宽带目标成像与识别技术、数字化雷达与软件无线电技术、空间目标定轨与数据滤波技术;突破纳米级CMOS集成电路抗辐射加固技术、抗辐照大容量存储器技术、抗辐照DSP技术等;发展宽带信号处理及高速调制解调技术、通信卫星天线技术以及激光通信、太赫兹通信、量子通信等技术;加快下一代惯性器件原理探索与技术积累并向工程应用转化。

  (13)质量与可靠性技术方面。开展零缺陷系统工程管理理论体系研究与推广;开展航天可靠性基础理论研究和工程应用;推动质量分析工具、信息系统开发和质量信息知识挖掘;加快数字化制造、异地协同设计和并行工程背景下质量管理研究,开展技术风险识别与分析方法以及航天产品化工程的研究与应用。

  (14)航天技术应用方面。推动“北斗”兼容型导航芯片组的产品化、系列化;加大国产VSAT卫星通信系统技术攻关和产品升级力度;开发遥感信息处理平台(RSIP2)、多源遥感数据处理软件以及各类新型小型化兼容接收终端产品;完成民用高分辨率对地观测系统、资源三号等型号数据处理系统建设。

  (15)航天计量与测量技术方面。发展电源母线监测技术与数据分析技术、基于电阻矩阵的航天器地线系统测量技术、航天用标准太阳电池搭载标定技术、特殊环境下计量校准技术、面向微电子机械系统的无线电参数计量技术、面向特殊军事装备的计量测试技术、真空溯源和量传技术。

  (15)航天试验技术方面。研究空间失重环境中的分离过程模拟技术、地面大气环境对分离参数影响的修正技术、分离部件安全回收的模拟技术;发展全频段动力学环境预示技术、多维振动试验技术、冲击环境试验模拟方法;研究高热、深冷环境下的薄膜测试技术和高温光纤、光学非接触式测试技术,突破高温应变测试技术、大型复杂结构空间变形测量技术。

Space Science and Technology

China’s space science and technology has been developing rapidly since 2008. Chang’e-1 successfully realized the predetermined targets of accurate orbit maneuver and successful lunar orbiting, and Chang’e-2 successfully carried out many extended experiments such as orbiting Lagrange point L2 and asteroid Toutatis fly-by. Shenzhou-7, 8, 9 and 10 spaceships and Tiangong-1 target vehicle have been successfully launched, and significant breakthroughs have been made in such areas as astronaut extravehicular activities (EVA) as well as automatic and manned rendezvous and docking. The regional Beidou Satellite Navigation System has been smoothly established and formally began to provide continuous passive positioning, navigation and timing services for the Asia-Pacific Region. The High-Resolution Earth Observation System, one of China’s major scientific and technical projects, has been initiated in a full scale. China’s Long March series launch vehicles have greatly improved their reliability and enhanced their intensive launch capability. China’s man-made satellites have basically formed satellite series including meteorological satellites, ocean satellites, resources satellites, communications and broadcasting satellites, navigation and positioning satellites, space science satellites and technical test satellites as well as the environment and disaster reduction satellite constellation. The benefits of space technology applications have been increased greatly. Moreover, both the subsystem technologies and supporting technologies have made significant progress, thus laying a solid foundation for the overall development of China’s space science and technology.

We must clearly recognize that the development of China’s space science and technology with so many achievements still has certain gaps compared with the advanced countries. In the future, China’s space science and technology will make breakthroughs focusing on the following areas.

China will develop heavy launch vehicle, reusable launcher and advanced upper stage; build the regional mobile communications satellite system and the global Beidou Satellite Navigation System; carry out research on technologies such as manned Earth-orbit transportation and long-duration manned spaceflight; make breakthroughs in technologies including soft landing on a celestial body without atmosphere and roving on lunar surface; carry out research on technologies such as complicated satellite high-accuracy autonomous control and satellite networking as well as guidance, navigation and control technology for launch vehicle; make breakthroughs in technologies such as liquid rocket engine, solid rocket motor, air-breathing engine and special propulsion; conduct research on technologies such as Earth-orbit spacecraft TT&C as well as lunar and deep space TT&C; develop near-space materials, space materials and metal materials; conduct research on space environment control and life support as well as space environment medicine; carry out research on technologies such as near-space aerodynamics, aerodynamic characteristic calculation and test simulation; develop technologies such as rapid response manufacturing technology, precision / ultra-precision machining and advanced connection; develop the technologies such as space target detection, tracking and identification, space computer and microelectronics; carry out research on zero-defect systems engineering management and basic theory of space reliability; develop satellite applications, new energy and new materials as well as space special technical equipment; make breakthroughs in technologies such as metrological calibration under the special environment; and develop the specialized technologies such as strength test and structural dynamics.