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2017年世界航天发展重要进展与趋势

时间:2018年03月02日 信息来源:卫星应用 点击: 【字体:

2017年,世界主要国家和地区为应对空间安全新挑战,积极调整航天发展战略,着力提升进入空间、利用空间和控制空间能力,航天前沿技术不断取得新突破。

一、若干重要动向

1.战略与政策

(1)美国重建国家航天委员会

6月30日,美国总统特朗普发布行政令,要求重建国家航天委员会。美国曾分别于1958-1973年及1989-1993年设立国家航天委员会。此次时隔24年后,再次设立国家航天委员会,是美国航天体制调整改革的一项重大举措。此次重组的国家航天委员会主席由副总统彭斯担任。委员会的主要职责包括:一是制定统一的国家航天战略和政策,对国家航天活动实施顶层牵引,确保军民商航天发展与国家总体战略和目标一致;二是监督协调国家航天政策的实施;三是协调航天重大事务,促进军、民、商航天管理部门的密切合作与协同,解决政府机构在航天领域的重大政策分歧。美国重组国家航天委员会,将军民商航天活动统管提升到国家战略层面,通过统筹协调政策规划、合理调配资源,将确保美国在航天领域的优势地位。

(2)美总统特朗普签署首份航天政策指令

12月11日,美国总统特朗普签署其上任后首个“航天政策指令”,正式提出将重返月球确定为美国国家航天目标,指示美国国家航空航天局(NASA)广泛联合商业和国际力量实施载人重返月球,以及后续火星及以远探索活动。特朗普政府虽尚未公布“重返月球”计划的具体预算和时间安排,但大致上仍将以地月空间作为跳板,更务实聚焦聚焦“深空门廊”月球轨道空间站等载人地月空间探测活动,以满足未来载人探索火星的远景目标。总体来看,与奥巴马取消的旨在重返月球的“星座计划”相比,此次“重返月球”计划具备较好的科学技术条件,更加切实可行。美国有望通过牵头实施该计划,打造以美国为首的国际登月联盟,继续保持太空探索的领导地位。

(3)英国航天局发布《2017-2018年发展计划》

8月24日,英国航天局发布《2017-2018年发展计划》,突出强调国家航天政策原则、未来两年行动计划以及优先发展事项。发展计划明确了英国航天发展的重点领域:一是发布航天增长战略,确定如何实现国家航天政策目标,并将充分吸收工业界意见建议;二是调整航天局管理制度,在保护太空环境、规避政府管理风险前提下,推动航天工业稳定、快速、可持续发展;三是发布小卫星发射计划,推动英国商业航天发展;四是加强对英国政府重大民用航天科学、创新和研发计划实施过程的监管。

2.进入空间

(1)美国SpaceX公司实现火箭一子级和“龙”飞船复用

3月31日,美国太空探索技术公司(SpaceX)利用“猎鹰-9”火箭将 “欧洲通信卫星-10”送入地球同步转移轨道。此次发射中,猎鹰9号火箭使用了2016年4月回收的火箭一子级,并再次成功回收。这是人类首次使用回收的“二手”火箭子级发射卫星,也使猎鹰9号火箭成为全球第一种可重复使用的轨道任务火箭。

6月4日,SpaceX公司猎鹰9号火箭搭载“龙”飞船发射。此次任务所用“龙”飞船的增压舱曾在2014年9月执行过国际空间站(ISS)货运补给任务,这是人类历史上首次实现飞船的重复使用,将为Space X公司降低太空货运成本,发展可重复使用载人飞船以及开展深空探索任务提供重要技术支撑。

12月15日,SpaceX的二手猎鹰9号火箭将“龙”飞船送入太空,执行为ISS运输物资的任务。此次发射的火箭和飞船都属于二次利用。SpaceX此前从未同时发射过“二手”火箭和飞船,也从未用“三手”火箭执行过NASA的物资运输任务。但同此前的多次发射一样,SpaceX成功将其一级火箭回收。

(2)印度进行“一箭104星”发射

2月,印度“极轨卫星运载火箭”(PSLV)搭载104颗卫星从萨提斯达瓦航天中心发射,打破俄罗斯“第聂伯”火箭“一箭37星”发射纪录,创下运载火箭单次发射卫星数量世界记录。此次发射中,印度引进国外标准化多星分配器,解决了百颗纳卫星与火箭的接口适配问题,同时还提升了上面级星箭分离和调姿控制能力,确保每颗卫星独立分离、有序入轨,标志着印度在多卫星集成、星箭分离等关键技术方面已渐趋成熟。印度利用“极轨卫星运载火箭”低价格、高可靠、可“一箭多星”发射的特点,快速拓展微纳卫星商业发射市场业务,有望进一步提升商业卫星发射市场的份额。

(3)美国首次公开展示可发射卫星的巨型运载机

5月31日,美国平流层发射系统公司首次公开展示正在研制的可发射卫星的巨型运载机——“平流层发射”飞机。该机将携载飞马座-XL火箭,火箭将在空中点火并发射中型有效载荷至太空。“平流层发射”飞机是世界上最大的飞机,装有6台波音747客机发动机,翼展超过117m,有望在一次飞行中发射多达3枚火箭。该机可携带运载火箭至适宜空域执行任务,摆脱气象及其他因素对发射场的影响。“平流层发射”飞机采用的技术方案可增加小卫星发射的灵活性,契合美国国防部快速响应需求。

3.利用空间

(1)美国陆军部署“红隼眼IIM”侦察纳卫星

10月24日,美国陆军在ISS部署一颗“红隼眼IIM”侦察纳卫星。该卫星重约50kg,预计在轨寿命1年;星上主要载荷是商业现货的中分辨率光电相机,采用聚焦模式时分辨率为1.5m,成像区域3×5km。“红隼眼IIM”最主要的特点:一是低成本,该卫星成本仅为200万美元,远比传统的大型侦察卫星造价低廉;二是快速响应,原来地面士兵需要至少数小时、数周甚至更长时间才能获得所需要的卫星图像,而现在地面士兵可利用笔记本电脑直接指挥和控制“红隼眼IIM”卫星,可在几分钟内获得所需要卫星图像。未来美军计划构建“红隼眼IIM”纳卫星星座,可使前线作战人员通过手持式设备或笔记本电脑获取持续的情报监视侦察数据,大幅提高战场士兵的态势感知能力。

(2)美国部署新一代气象卫星

11月18日,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)新一代气象卫星——联合极轨卫星系统(JPSS)首颗卫星JPSS-1发射升空。JPSS系统包括4颗卫星,另外三颗卫星JPSS-2、JPSS-3和JPSS-4将分别于2021年、2026年和2031年发射。

JPSS-1卫星装载有多种先进仪器,包括微波探测仪、可见光红外成像辐射仪套件、交叉跟踪红外探测器、臭氧监测和廓线装置以及云与地球辐射能量系统等。JPSS-1卫星正式运行后,将每天绕地球飞行14圈,搜集地球大气、陆地和海洋的各种信息。卫星数据将支持各领域环境监测应用,包括天气分析和预报、气候研究和预报、全球海平面温度测量、大气温度和湿度探测、海洋动态研究、火山喷发观测、森林火灾探测、全球植被分析、搜救工作等。该卫星将显著提升天气预报的精确度,有望提前7天预报极端天气事件,并为中期预报奠定基础。

(3)中国台湾地区部署首颗自主研制的卫星

8月25日,台湾地区福卫5号光学遥感卫星成功发射,取代已退役的福卫2号(原“中华卫星二号”)卫星。卫星发射质量约530kg,携带主有效载荷为遥感相机,次有效载荷为先进电离层探测器,全色分辨率2m,多光谱分辨率4m。此前台湾地区已部署的卫星均与美国联合研制,“福卫五号”是台湾地区自主研制的首颗卫星,实现了卫星总体设计,关键部件生产以及总装测试的重大突破,但性能与美欧成熟产品存在一定差距,且部分分系统及关键器件由境外企业提供。卫星在轨测试期间出现成像模糊问题,表明其平台及成像载荷研制能力仍有待提升。

(4)日本首颗军用通信卫星发射升空

1月24日,日本发射首颗军事通信卫星——X频段防卫通信卫星(DSN-2,也称“煌-2”)。该卫星将携带X频段通信有效载荷,用于中继信息并服务日本自卫队的指挥与控制网络。DSN-2卫星是日本防卫省正在研发的三颗X频段中继卫星之一。“防卫通信卫星”星座建成后,可与分布在日本全国各地的陆、海、空自卫队和远离日本本土派有驻军的各个岛屿,以及派遣到国外的维和部队和携带便携式终端的人员保持通信联系,为其提供各种通信服务及作战情报支持。

(5)日本初步建成“准天顶卫星导航”系统

2017年,日本共发射了3颗“准天顶卫星导航”系统卫星,使该系统卫星数量达到4颗,初步完成该系统组网部署。“准天顶卫星导航”系统现阶段拟由4颗卫星组网,其中3颗卫星位于倾斜地球同步轨道,1颗卫星位于地球静止轨道。“准天顶卫星导航”系统旨在增强美GPS系统信号和传输日本的导航信号,计划2018年开始提供服务。日本政府还考虑为“准天顶卫星系统”增加3颗卫星,计划2023财年建成由7颗卫星组成的“准天顶卫星系统”星座,将进一步减少对美国GPS系统的依赖,为实现独立导航定位奠定基础。

4.空间对抗

(1)美军积极加强军事航天力量建设

为适应太空已成为重要作战域的现实,美军正采取多项重大举措,积极推动军事航天部队建设。

一是制定“太空作战架构”。美空军航天司令部已制定“太空作战架构”(SWC),用于指导美军未来太空力量体系发展。SWC架构主要包括:太空体系构想、太空作战概念(涵盖战略指挥与控制、空间态势感知及预警、一体化作战概念)、太空任务部队、弹性太空体系、体系灵活性等多个方面。

二是设立负责太空作战的副参谋长。美空军计划在空军参谋部新设立一个负责太空事务的副参谋长。该职务将由中将担任,一方面将承担顾问职能,就美军太空力量建设问题为美空军部长和参谋长提供咨询建议;另一方面行使监管职能,协调美军太空力量建设,减少美军太空力量建设存在的条块分割,优化决策流程,实现太空部队的高效组织、训练和装备配备。

三是调整空军航天司令部司令职能。空军航天司令部司令将兼任战略司令部下的太空联合力量职能司令部司令,直接向战略司令部汇报太空力量建设情况。其主要职责是负责太空作战指挥、新型太空装备需求制定、监管陆军太空与导弹系统司令部、太空作战人员训练等。两大司令部司令由一人兼任,将实现美军太空作战指挥和力量建设的集中统一领导。

(2)美军首次开展“太空旗帜”太空战模拟演习

4月17-21日,美空军举行首次“太空旗帜”演习。“太空旗帜”演习将借鉴“红旗”军演中战斗机飞行员对抗的模式,将太空作战人员分为两队进行对抗,由第527太空进攻中队模拟敌方对美太空系统的攻击,受训太空作战人员在计算机仿真的太空作战环境中训练和创新太空作战战技战术。“太空旗帜”演习是美国继“施里弗”太空战演习后,开展的新型太空战演习,将进一步丰富美国太空战演练体系。

(3)美国发射ORS-5卫星填补太空态势感知能力缺口

8月25日,美国空军使用米诺陶-4火箭将作战响应空间-5(ORS-5)卫星发射升空,进入赤道上空600km左右轨道,执行对地球同步轨道目标扫描探测的任务。ORS-5卫星携带有光学传感器,每天可从近地轨道向高轨道扫描探测15次。美军现在使用1颗“天基太空监视系统”(SBSS)卫星和4颗“地球同步轨道太空监视”(GSSAP)卫星,对地球同步轨道目标进行探测。SBSS在低轨扫描高轨,GSSAP可对地球同步轨道目标进行巡视探测,特征描述。前者在轨寿命至2017年年底,后者探测范围小,不能探测整个地球同步轨道内的活动。SBSS后继星座预计2021年才能发射,ORS-5卫星将填补未来数年可能出现的能力缺口。

5.空间探测

(1)美俄计划联合建造月球轨道空间站

9月27日,NASA与俄罗斯国家航天集团公司在第68届国际宇航大会上签署协议,俄罗斯将加入美国领导建造的月球轨道空间站——“深空门廊”(DSG)计划,为未来的月球探测、载人登陆月球、月球资源开发及探索火星提供帮助。

根据美国提出的建设规划,DSG各部分将从2023年开始发射,2026年完成初步建设。DSG重约40t,规模将小于目前的ISS,可支持4名航天员进驻;使用寿命数十年,能进入不同轨道,执行多种任务,如对月表探测、登月,还可以机动到椭圆形月球轨道。俄罗斯参与后,可利用本国的重型运载火箭提供货物与人员运输服务,还可以提供登陆月球的着陆器系统。

(2)“卡西尼”土星环绕探测器结束在轨运行

9月15日,美国“卡西尼”土星环绕探测器按计划坠入土星大气,结束近20年在轨运行。2016年底,NASA开始设计“卡西尼”最后的运行轨道——“环-掠轨道”,多次近距离飞越土星主环边缘,最后俯冲进入土星大气;2017年9月11日,“卡西尼”在距离土卫六119049km处飞越,受其引力影响进入新轨道,并开展新的探测任务;9月15日,“卡西尼”实时传输土星大气原位探测数据,最终在北纬9.4°、西经53°再入大气层,直至失去联系。“卡西尼•惠更斯”是美国和欧洲联合研制的土星探测器,由NASA 负责研制“卡西尼”轨道器,欧洲航天局负责研制“惠更斯”着陆器,总经费32.6亿美元。

6.前沿技术

(1)美国研发“膜航天器”创新太空碎片移除新手段

4月,美国航空航天公司提出的“膜航天器”概念获得NASA“创新先进概念”计划资助,开展第二阶段研究,深化概念并确定关键技术。“膜航天器”为边长约1m的正方形,主体结构为聚合物薄膜,厚度不到头发丝的一半,质量不足50g。该航天器采用薄膜太阳能电池供电,电池面积占航天器表面积的75%;能收缩变形,其控制系统采用分布式传感器,获取局部变形后的形状参数;采用GPS进行导航和定位。“膜航天器”是一种超轻超薄、可变形的新概念航天器,不仅可为太空碎片移除提供低成本解决方案,而且具有深空探测和太空攻防应用潜力。

(2)日本首次利用小型卫星验证量子通信

7月11日,日本信息通信研究机构宣布首次使用一颗名为“苏格拉底”(SOCRATES)的超小型卫星成功进行量子通信实验,在卫星和位于东京都小金井市的一个地面站之间成功进行了光子单位的信息传送。

SOCRATES卫星重50kg,搭载一个重6kg的小型量子通信传输装置,在600kg高的轨道上以7km/s的速度高速移动,并以1000万比特/s的速率向地面站发送光信号。地面站一边接收一个个光子一边将信号复原。日本信息通信研究机构称,这一研究表明,原本需要大型卫星的量子通信现在也可以用更低成本的小型卫星来实现,这使超远距离、高保密性卫星通信网研究向前迈进了一大步。

(3)美国开发出以水为工质的立方星推进系统

8月,在NASA资助下,美国普渡大学研制出以水为工质的微型推力器——“薄膜蒸发微机电系统可调阵列”(FEMTA),有望突破制约立方星广泛应用的姿轨控瓶颈,提升立方星执行复杂任务的能力。该系统主要由毛细管、喷管和加热器三部分组成。毛细管直径约10μm,水在毛细管中的表面张力、压强、温度和毛细管直径之间满足一定的平衡关系。当调节毛细管末端的加热器时,水的温度会改变,从而打破上述平衡,改变水的压强并将水变成水蒸气。

FEMTA以安全易得的水为工质,与目前立方星可用的冷气推力器相比,比冲高20倍,有望大幅提升立方星姿轨控能力;质量、体积、功耗低2个数量级,可大幅减小立方星推进系统质量和体积占比,降低立方星有效载荷搭载门槛,提高立方星功能密度。水推力器有望以较低成本赋予立方星较强的姿轨控能力,推动立方星实用化,提高立方星在航天装备体系中的地位和作用。

二、重要趋势

1.美国太空探索从低地球轨道和深空探索并举转向深空探索为主

奥巴马政府于2010年提出“21世纪空间探索战略”,将“开发应用国际空间站和积极进行无人太空探索”作为NASA两大基本任务。但由于预算及技术原因,“并重”的发展途径面临越来越大压力,特朗普在竞选时就表示将把NASA从低地球轨道任务中解放出来,更加关注深空探索,而地球科学任务应由其他机构完成。NASA 在2017年5月公布了2018财年预算,相比2017财年已将地球科学领域的经费削减1.02亿美元,结束了4个地球科学任务,以使NASA更加关注核心的深空探索任务。2017年3月发布的《NASA过渡授权法案》提出,将载人登陆火星及更远空间探索作为长远目标;10月,美国国家航天委员会宣布,美国将“重返月球”,明确将月球作为载人登陆火星及更远探测的“垫脚石”。上述动向表明,NASA未来将重点开展深空探索任务,低地球轨道探索任务将主要由商业机构完成。

2.美国积极备战太空战

针对太空正在加速成为战场的现实,美军采取多项举措全方位备战太空战。在军事航天力量建设上,美国空军设立负责太空事务的副参谋长,谋划建设独立的军事航天部队。在体系建设上,美国空军正在制定太空作战架构,以谋划美军太空力量发展目标、太空作战概念、太空任务部队、弹性太空体系、力量灵活性等多方面。在作战演练方面,继“施里弗”太空战演习后,2017年美国首次开展“太空旗帜”演习,进一步丰富了美国太空战演练体系。

3.航天领域国际合作日益深化

航天领域高投入、高风险及全球化特点日益凸显,推动航天领域的国际合作进一步深化,合作形式和内容日益多样化。NASA与俄罗斯国家航天集团公司签署协议,计划联合建造月球轨道空间站——深空之门计划。NASA已与俄罗斯航天国家公司就月球-25、26和28探测器任务合作事宜进行会谈。美国战略司令部于9月20-29日与英、法、德、日、澳大利亚等盟国举行第四次太空态势感知演习“全球哨兵2017”,对盟国太空态势感知装备进行一体化指挥与控制测试。

4.航天前沿技术转化应用速度加快

2017年,一大批航天前沿技术取得突破,推动航天技术水平整体跃升。一是新型航天动力技术取得新突破。美国能源部与NASA即将开始对电功率约1kW的小型核裂变反应堆系统进行验证,为“千瓦级动力”核裂变反应堆第一阶段建造奠定基础,未来将为深空探索提供更多技术途径。美国开发出以水为工质的立方星推力器,可大幅降低立方星推进系统质量和体积占比,提高立方星功能密度。二是新概念航天器研发取得新进展。美国航空航天公司提出的“膜航天器”概念进入第二阶段研究。三是3D打印技术在航天领域应用进一步拓展。美国航空喷气•洛克达因公司研制的3D打印火箭发动机成功进行点火试验。该发动机采用3D打印技术制造喷注器组件、燃烧室以及喉管-喷管部分,大幅简化发动机结构,研制生产时间仅7个月,制造成本也较传统发动机更低。从2015年至今,欧洲泰勒斯-阿莱尼亚航天公司已将79个由3D打印制造的金属结构部件和350个聚合物管件送入太空。



(作者:方勇)
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