欒恩杰

（國家國防科技工業(yè)局 100037）

探索浩瀚宇宙 建設航天強國
——紀念中國深空探測12周年

The Rising China Space Heading for the Endless Universe

欒恩杰

（國家國防科技工業(yè)局 100037）

今年是中國航天創(chuàng)建60周年、中國開展深空探測12周年，又是“中國航天日”的設立元年，回顧這60年來幾代航天人的持續(xù)奮斗和取得的輝煌業(yè)績，心情無比興奮和激動，其情難以言表。

按照中華傳統(tǒng)文化，60年一甲子，12年一輪回。轉眼之間，作為我國深空探測起始標志的“嫦娥工程”已走過了12個年頭，我說今年是“嫦娥工程”的本命年?；仡?2年前，我們?yōu)椤版隙鸸こ獭绷㈨?、研制、發(fā)射工作的情景又清晰地浮現(xiàn)眼前，在此我想就深空探測立項的論證和實踐中的一些思考做一個記錄。

一 進入新千年的中國航天

1998年，我受國家派遣，與近50位航天戰(zhàn)線同志一起來到國務院新組建的國防科技工業(yè)委員會（簡稱科工委）任副主任，兼任國家航天局局長。根據(jù)當時國務院總理朱镕基同志的指示：新的科工委的職責是，負責國防科技工業(yè)的行業(yè)管理，具體指行業(yè)規(guī)劃、行業(yè)標準、行業(yè)監(jiān)督、行業(yè)法規(guī)和行業(yè)政策等方面。對行業(yè)發(fā)展而言，制定發(fā)展規(guī)劃是其重中之重。當時，科工委具體管理的航天部門是系統(tǒng)一司，有關國家航天局的工作也歸入該司，委里分工由我主管該司工作，我們討論和關注的中心議題就是中國航天怎樣面對新的世紀，以怎樣的姿態(tài)進入新的千年。我和系統(tǒng)一司司長郭寶柱及一司的同仁們經過反復思考、研究、籌劃，得到了如下4點基本認識：

1）要以開放的姿態(tài)面向21世紀，揭開中國航天神秘的面紗，展示出中國航天人大步邁入新世紀的風采；

2）要以改革的精神開創(chuàng)新的發(fā)展局面，以“大航天”拓展觀念，推動中國航天事業(yè)的進步和領域的擴展；

3）要以重大工程和重大項目為帶動，夯實中國航天技術的基礎建設和關鍵技術突破，提升我國在國際航天界的地位，并為科技發(fā)展和國民經濟建設服務；

4）要以履行國家航天行業(yè)主管部門的責任心的高度，籌劃國家航天發(fā)展的規(guī)劃目標和對外的國際合作方針與政策。

上述4點認識完整地反映在2000年發(fā)表的《中國的航天》白皮書（圖1）中，這是我國國防科技工業(yè)的首個白皮書，它的發(fā)表在國內外引起極大的反響。我們在白皮書中第一次將空間技術、空間應用和空間科學納入“大航天”范疇，表明中國航天已經從航天科技工業(yè)擴展到整個航天事業(yè)和航天產業(yè)，表明我們不僅僅籌劃空間技術（火箭、衛(wèi)星、地面、測發(fā)控等），而且也關注并服務于航天活動的應用，使航天為國民經濟、國防建設服務，發(fā)揮其作為國家戰(zhàn)略性產業(yè)的戰(zhàn)略作用。特別是在空間進入能力、空間平臺建設能力這兩個核心技術上實現(xiàn)系列化發(fā)展，在空間應用上形成“天地統(tǒng)籌的一體化應用體系”，以及啟動以月球探測為切入點的深空探測活動，帶動和牽引空間科學的進步。這些重要思路和理念在白皮書上都有明確表述和展望，集中起來就是我們所說的“211”工程計劃，即火箭、衛(wèi)星兩個型譜，一個空間應用，一個深空探測（參見圖 2）。白皮書發(fā)表后，國內外反響極其強烈，很多老同事、老專家、老領導打電話表示祝賀，并囑咐我們一定要做好、做細，不能放空炮，一定要實現(xiàn)這個目標。也有其他行業(yè)的同志們來電話，表示也期盼有一個相應的白皮書發(fā)表。

為了向國內國外宣傳好白皮書內容和“211”計劃，系統(tǒng)工程一司和科工委宣傳部門做了廣泛的宣傳和報道。

圖1 2000年《中國的航天》白皮書Fig.1 “China’s Space” white paper in 2000

圖2 “211”工程計劃示意圖Fig.2 Schematic diagram of “211” project

就深空探測而言，雖然白皮書已經寫上了，全國各界都知道了，但那時這項工程并沒有獲得國家立項，而討論立項問題又經過兩年多的時間（2000年發(fā)表白皮書，2002年10月才提交論證報告）。我們不得不擴大隊伍，增加論證依據(jù)，特別是回答火箭能力、探月的平臺能力和測發(fā)控能力，因為這是我們第一次到達近40萬km深空的航天任務，深空測控、軌道設計和平臺姿軌控技術都面臨關鍵的新要求和新考驗。航天科技集團、航天科工集團、電子科技集團及總裝備部、中國科學院等有關單位和專家的全力支持，使工程目標的實現(xiàn)得到了有效保證。在回答工程問題的同時，還要回答到月球去干什么，外國已經去過了中國人還去干什么等問題。對于這些問題，工業(yè)部門的同志是難以回答的，所以在論證中請來科學院的有關同志做了極大的努力，列出了我們可以并可能實現(xiàn)的科學目標（參見圖 3）。非但如此，科學院的同志們還承擔月球探測工程中與科學目標相適應的有效載荷與探測器的研制工作，以及為科學成果的應用研發(fā)應用系統(tǒng)。

正是在全國大力支援、支持，特別是在黨中央和國務院的堅定決策下，“嫦娥工程”于2004年得到批準。

圖3 “嫦娥工程”的科學目標Fig.3 The scientific objectives of the Chang’e project

從2000年發(fā)表白皮書至今已過去16年了，當我們回首并盤點白皮書提出的發(fā)展目標時，我們可以寬慰的是，當時的形勢分析和決策是完全準確的，國務院決定發(fā)表《中國的航天》白皮書是非常正確的。我們航天人沒有辜負黨和祖國的期望和信任，沒有辜負政府各部門和全國各界的支持。為實現(xiàn)所確定的目標，所有參與工作的同志奉獻了他們的智慧和力量，他們的貢獻是應當載入我國深空探測史的，他們默默無聞地實踐著、奉獻于祖國的深空探測事業(yè)。我們應當向他們致敬，其中包括許多航天界的老領導和老前輩，老同事和老戰(zhàn)友。我可以代表他們說：航天人說話是算數(shù)的，我們沒有放空炮。

無毒無污染的大火箭是“211”計劃中運載火箭型譜的重頭戲，現(xiàn)在已經完成研制階段，目前正在海南發(fā)射場準備進行發(fā)射階段的考核。

大平臺的代表“東方紅4號”已經完成研制，并在國內、國外的衛(wèi)星上得到實現(xiàn)。

應用衛(wèi)星和衛(wèi)星應用得到了發(fā)展，天地統(tǒng)籌的一體化建設得到規(guī)劃認可。今天，我們的衛(wèi)星應用得到巨大進步，正在“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展中發(fā)揮其作用。

以月球探測為切入點的“嫦娥工程”已經勝利完成前兩期任務，2017年將在新的海南發(fā)射場，用新的“長征5號”火箭（圖 4）發(fā)射我國首個月球采樣返回探測器“嫦娥5號”。這個中國航天的“三新集結號”已經吹響。

圖4 海南發(fā)射場遠眺及“長征5號”運載火箭Fig.4 Overlooking Hainan launch site and the Long March 5 launch vehicle

二 深空首役“月球探測”

自從“嫦娥1號”（圖 5）衛(wèi)星進入發(fā)射場，人們的目光就聚焦在那里，從進場、測試、發(fā)射、入軌以及各調相軌道的實現(xiàn)，從中途修正到月球捕獲形成繞月軌道器，從完成繞月探測任務到實施受控撞月并準確落到預定目標點，整個過程一直受到世人之矚目，公開報道、現(xiàn)場直播、數(shù)據(jù)與圖示即時公布，其開放程度是繼1990年我國第一次承擔外星發(fā)射服務（“亞洲1號”衛(wèi)星）之后最高的，而且任務實施與國家重要媒體互相配合，其宣傳力度、工程進展狀況的透明度是空前的，客觀上是一次豐富多彩的重大科技工程與廣泛的科學普及活動緊密結合的成功實踐。一時間，“嫦娥1號”“嫦娥工程”“月球探測”成為新聞報道中的常見詞匯，“變軌”“發(fā)動機關機”“捕獲”“環(huán)繞軌道周期”“繞、落、回”等成了大眾通曉的基本概念。中小學生積極參與到探月熱潮之中，大學生們對工程所涉及的技術抱有更大的熱情。北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學等高校舉辦專題報告會、研討會、科學論壇，中國科協(xié)還邀請港、澳、臺科學家座談，體現(xiàn)了國人對科技發(fā)展的關注和熱情及對中國航天事業(yè)的支持和鼓勵！

作為一個重大工程的領導群體，首先關注的是工程的技術路線。技術路線選擇得如何，決定著工程的實施難度和取得成功的把握程度。根據(jù)當時已經具備的條件，概括起來可以這樣描述“嫦娥工程”的技術路線：“采用成熟的技術、花費較低的成本，以集成創(chuàng)新實現(xiàn)我國首次探月活動；以工程目標實現(xiàn)為主、科學目標為輔，走出中國深空探索的第一步；在工程研制中以衛(wèi)星系統(tǒng)為主線，以測發(fā)控為重點，適度建設基礎設施。”簡言之：“成熟技術、有限目標、突破關鍵、確保成功?！?/p>

圖5 研制中的“嫦娥1號”月球衛(wèi)星Fig.5 Chang’e-1 lunar satellite in development

現(xiàn)在來看，我們所以能在僅僅4年時間、20億元投入的情況下，獲得“嫦娥1號”工程的圓滿成功，這條技術路線的確定是適合當時整體狀況的。

有的同志認為，將“嫦娥工程”簡練地歸納為“繞、落、回”是創(chuàng)新，我看不能這樣講，因為在我們之前國際上已經開展了一百多次探測活動，歸納起來大致可以分為飛越、撞擊、環(huán)繞、降落、返回、有人登月，其中：飛越月球10次、環(huán)繞月球38次、撞擊月球10次、降落月球27次、返回16次、其他試驗性探測活動4次、有航天員參與的載人探月活動9次。在一百多次探月活動中成功59次。按其進行的順序是飛越、撞擊、環(huán)繞、載人試驗性返回、降落、月面返回、載人登月及返回，這個過程并不是充分必要的順序安排。

從降低工程風險，先易后難來看，先行進行撞擊試驗是有其合理性的，因為在進行撞擊試驗的時候，如果未能實現(xiàn)撞月，可能出現(xiàn)的過程有兩種：一是飛越，二是環(huán)繞，而這兩個過程并不是失敗性的結果。如果將飛越或環(huán)繞確定為目標，它若出現(xiàn)撞擊的現(xiàn)象，則是一個失敗的結局。權衡這個關系，我認為前蘇聯(lián)將撞擊試驗作為探月的首選目標是一個合理的選擇。我對中國探月的第一步也傾向于先進行撞擊月球的試驗，這是比較簡單和比較容易實現(xiàn)的選擇。大家可能還記得我當時講的話“我們一定要去月球，就是在月球上放一個鐵塊子，寫上‘中國造’，也是成功的”，因為它展示了我們的一個能力！

蘇聯(lián)從1958年9月23日到1959年9月12日首次撞月成功，歷時一年，失敗5次，其中火箭故障引起的失敗3次，因控制系統(tǒng)引起的2次，其中一次是沒有擊中月球，變成了飛越，從距月球約6 000 km處掠過，另一次是因制導系統(tǒng)故障，未能進入奔月軌道。圖 6是蘇聯(lián)1959年12月發(fā)射的“月球2號”，正是這個航天器首次成功實現(xiàn)了撞月。

圖6 蘇聯(lián)“月球2號”月球探測器Fig.6 The Moon 2 launched by the Soviet Union

相比當時的蘇聯(lián)，我們的運載火箭技術是成熟的，控制系統(tǒng)的能力對完成探月目標而言也是充分的，所以在論證我國探月工程時我曾講過：“目前核心任務是驗證我們的工程能力和實現(xiàn)工程目標?！蹦菚r，在我的思考中還沒有完整地建立“科學目標”這一需求，因為還沒有證明我們是否有能力完成奔月這一新的宏偉計劃。實現(xiàn)工程目標首先要保證火箭技術的可靠性，當時“長三乙”火箭已經研制成功，采用“長三乙”將增加我們工程的實施可行性，減少有效載荷的質量壓力，但因“長三乙”發(fā)射次數(shù)太少，尚沒有得到實際工程應用的更充分的可靠性驗證，所以我們選擇了比較成熟的“長三甲”火箭（參見圖 7）。

同樣，在“嫦娥1號”平臺的選擇上也是以成熟的平臺技術“東方紅3號”衛(wèi)星平臺（參見圖 8）為基礎，結合我國其他平臺的優(yōu)點，使平臺的可靠性以其技術的成熟性得到保證。

對于我們不熟悉的科學目標，則請科學院的同志們提出意見，他們比較集中的傾向性意見是：先進行環(huán)繞探測獲得對月表的基本科學認識，然后在月表就位探測，以對月表的地質進行適度的研究；希望能從月球取回一些物質在地球上開展分析。這個科學目標的提出是對我前面提到的以撞擊開始的否定，我支持這種否定，這是一個向更高水平躍升的否定，但關鍵的問題是，我們的技術水平和工程能力能否滿足實現(xiàn)這個“科學目標”的要求，這是工程領導必須審慎決策的問題。我們應當選擇有一定把握實現(xiàn)的科學目標。如果沒有科學目標的支持，工程意義大打折扣，所以這個問題不容回避。如果為了實現(xiàn)科學目標不顧當時的能力而倉促決策，將會為后續(xù)工程實現(xiàn)帶來難以克服的困難，甚至會使工程“流產”。所以“嫦娥工程”“繞、落、回”這三步走的目標是在充分論證和各方面技術充分權衡的支持下確定的。

圖7 “長征3號甲”運載火箭Fig.7 The Long March 3 A launch vehicle

圖8 “嫦娥1號”選擇“東方紅3號”衛(wèi)星平臺Fig.8 Chang’e-1 selected the DFH-3 satellite platform

“繞、落、回”三個字簡明地表述了我們探月的三步走，雖然它并不是什么創(chuàng)造，也不是什么創(chuàng)新，是別人在100多次探月活動中走過的路子，但我們確定的這三步走并不是簡單的重復，在技術上要超過飛越和撞擊這兩步，直接進入環(huán)繞探測，這對探測過程而言是一個技術上的跨越。科學目標的確定，要服務于科學家的需求，但我們工業(yè)部門在接受這個目標的時候，就表明要為完成這個目標做出巨大的努力。在蘇美探月歷程中，蘇聯(lián)飛越8次、美國2次，這10次飛越任務，失敗了4次，部分成功3次，只有3次是圓滿完成的，而在飛越任務中有5次是試驗從月球返回的技術。我們在缺少工程前期的先導性試驗的基礎上，實現(xiàn)“繞、落、回”的目的必定會遇到技術、基礎、試驗、隊伍、管理等諸多問題，也為工程研制過程中遇到的測控難題埋下了伏筆。

技術路線的確定是一項工程最重要的決策，每一位工程領導者，都必須慎重權衡，我們在確定“嫦娥工程”的技術路線和“繞、落、回”三步走的過程中，絕不是領導小組一拍即定的。我們反復地征集各關鍵系統(tǒng)的意見，沒有航天科技集團公司一院、五院、八院，總裝測發(fā)控系統(tǒng)部門及科學院的有效載荷研制部門和應用系統(tǒng)的認真研究，就不會、也不可能定下“繞、落、回”這三步棋，特別是工程兩總系統(tǒng)能團結一致、共同決策、共同攻關，為一個統(tǒng)一的目標共同努力，是全體隊伍能統(tǒng)一意志、頑強攻關的重要保證。

我在回顧這段歷程的時候，特別將技術路線的確定作為一個重點。就是想把這個關鍵的問題，放到一個關鍵的地位去認識它。反觀我們有些工程沒能實現(xiàn)目標，或者半途下馬或者更改目標要求甚至更改原定的方向，就是因為在技術路線的確定上沒有吸納各方面的建議和意見，沒有將工程立足在成熟技術保證的基礎上。

路線確定之后，隊伍建設是決定因素。我們集中了我國航天界的頂級專家組成兩總系統(tǒng)，孫家棟院士為總設計師，火箭專家龍樂豪、測控專家陳炳忠、衛(wèi)星專家葉培建、有效載荷專家姜景山，他們既是行業(yè)專家，也是各專業(yè)有威望的決策者，這就有了工程各系統(tǒng)并行工作的技術保證。在遇到地月傳輸信道余量不足的時候，各方盡力盡責，都為總體目標的實現(xiàn)而努力。當時的方針就是“按住西安，補充測控”。即衛(wèi)星不能再降低一個分貝，余量由測控補充大口徑接收天線來實現(xiàn)。衛(wèi)星發(fā)送和地面接收兩個系統(tǒng)攜手，按時完成技術攻關和條件建設，保證了“嫦娥1號”的成功。

在諸多科學目標的實現(xiàn)條件保障方面，我們的著重點在相機的研制，即“科學目標，以月全圖為主”，壓力加到了西安光機所，觀測相機總師趙葆常，帶領他的團隊圓滿完成任務。當在科學院地面測控大廳的顯示大屏上實時傳下來第一條帶月球的清晰影像時，趙總與全場的同志們熱淚盈眶。我們兩眼含著淚水，雙手緊緊地握著。圖 9是最后完成的全月影像圖。

圖9 “嫦娥1號”獲得的全月影像圖Fig.9 Chang’e-1 obtained the full Lunar image map

國防科工委作為工程責任部門，成立了由各任務承擔單位組成的領導小組，先后由張云川主任、張慶偉主任任組長。“嫦娥1號”成功后，黨中央、國務院和中央軍委在人民大會堂召開慶祝大會，胡錦濤總書記為工程題詞“嫦娥”，溫家寶總理的“高水平、高質量、高效率”完成嫦娥工程的指示，都極大地鞭策、鼓舞著我們。在“嫦娥2號”“嫦娥3號”成功后，又在人民大會堂召開慶祝會，習近平總書記做出重要指示。這是黨和祖國給予中國航天人的最大榮譽，是我們所有參研參試人員、全國各行各業(yè)支持我們的同志們共同的榮譽，是黨的光榮和祖國的光榮。

經過近10年努力，我國已開辟了深空探測這一航天新領域；已經形成深空探測的一支完整配套的隊伍，建設了可以初步滿足深空探測任務要求的基礎理論、技術和工程體系。

在各有關部門、研究院所、高等院校的支持下，成立了中國宇航學會下的深空探測技術專業(yè)委員會；創(chuàng)辦了一份學術期刊《深空探測學報》。

目前，首要任務是要做好“嫦娥5號”的任務，使“繞、落、回”三步走的目標得到全面實現(xiàn)！

三 深空探測，走向未來

“十八大”以來，深化改革深入人心，各行各業(yè)全面貫徹“十八大”戰(zhàn)略部署，大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新、產業(yè)轉型、調整結構逐步深入。我國“十三五”發(fā)展規(guī)劃已經發(fā)布，我有幸作為國家“十三五”規(guī)劃的專家組成員，參與其中的學習、討論、修改完善，使我學習到很多東西。對國家發(fā)展的前途充滿信心，倍受鼓舞，同時也深感其難度很大，方方面面的困難極多。針對國防科技工業(yè)的發(fā)展，諸如空間進入能力和重型運載火箭、空間基礎設施、空間應用、遙感應用、國際合作、強化基礎建設等方面受到廣泛關注和重視。

“十三五”發(fā)展規(guī)劃的提出是我國現(xiàn)代化建設進入經濟、社會、科學、技術全面發(fā)展，民生、環(huán)境，文化、文明協(xié)調推進的新時期，在這個新時期、新形勢面前，我們科技工作者要以創(chuàng)新的思維理念，創(chuàng)新驅動的前沿意識和決勝的國防目標審視我們的計劃和部署。

就深空探測而言，在10年探月的實踐基礎上，在工程目標和科學目標的確定上要有對先進技術的跟蹤和系統(tǒng)集成的成果，也要有獨立自主的開拓和先進技術的創(chuàng)新。就科學目標而言，不能滿足于一般性的普通考察，而是要在人類未知領域有所探索，這就需要科學家和工程師的密切配合。美國LIGO引力波的發(fā)現(xiàn)，就是工程師和科學家合作的典范。

經過多次反復論證，我國行星探測已經起步。火星被確定為中國深空行星探測的第一站，這顆紅色星球（在塵暴期呈火-黃色）像太空中的一團火光，在召喚著我們、等待著我們。美國人去了，歐洲人去了，印度人去了，中國人也準備好了，我們的火星探索之旅即將起航！

現(xiàn)在的問題是，在向深空出發(fā)之前，我們應當做好哪些準備工作？作為一個“工程”去實施，我們應當完成哪些必要條件的準備（也即“系統(tǒng)工程”中的“必要條件說明”）？我認為有以下幾個方面的準備是我們必須完成的。

1.成熟的火箭能力

進入空間的能力是航天強國的重要標志，經過近20年的研制，我國大型火箭技術獲得突破性進展，以無毒、無污染、大推力為標志的我國新一代“長征5號”系列火箭正式進入發(fā)射考核階段，以“長征5號”主發(fā)動機為動力系統(tǒng)的“長征7號”首飛成功，2017年將以“長征5號”為運載，實施“嫦娥5號”的飛行任務。

“長征5號”的近地軌道能力可達25 t，這為我們深空探測活動的開展提供了基礎性的進入空間能力的保證。以火星探測能力論，如果探測器5 t量級，則“長征5號”火箭的特征能量C3在8～15 km2/s2。有了“長征5號”的運載能力保障，也就為我國深空探測鋪就了一條天路。

先進航天國家在進入空間能力方面，包括從地球進入外層空間以及在外空進行姿軌控和機動飛行的能力也在加快發(fā)展。人類以空間探測和載人空間活動為牽引的重型運載技術、空間推進技術進入快速發(fā)展時期。

1）重型運載技術方面。俄羅斯在化學推進系統(tǒng)的研發(fā)上一直處于國際先進水平，液氧-煤油發(fā)動機保持著領先地位，其200 t級（RD-191）、400 t級（RD-180）、800 t級（RD-171M）（參見圖 10）及低成本液體發(fā)動機的研制具有重大優(yōu)勢。為滿足載人登月和探火任務，俄羅斯曾提出發(fā)展80～130 t級運載能力的重型運載火箭的愿景，在RD-171M的基礎上開展新型大推力液氧-煤油發(fā)動機的研究，同時開展液氧-甲烷（300 t級）發(fā)動機的設計和研發(fā)。

圖10 俄羅斯RD-171M液氧煤油發(fā)動機，海平面推力約7 260 kNFig.10 The Russian RD-171M liquid oxygen kerosene engine, sea level thrust of about 7 260 kN

為了實現(xiàn)載人探火目標，美國NASA啟動了重型運載火箭“空間發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的研制計劃，第一步采用4臺RS-25液體發(fā)動機（參見圖 11）和捆綁2臺5段式大型固體助推器（FSB），達到近地軌道（LEO）70 t運載能力；第二步通過采用新型探索上面級（EUS）等措施，實現(xiàn)105 t運載能力；第三步通過增加芯級發(fā)動機數(shù)量、采用先進捆綁助推器等措施，達到130 t運載能力。圖 12為美國正在開發(fā)的“空間發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭系列。

美國新興航天企業(yè)SpaceX公司在現(xiàn)役“獵鷹-9”火箭基礎上，通過捆綁兩臺通用助推器（每臺裝9個海平面推力620 kN的“隼-1D”發(fā)動機），使火箭起飛推力超過1 700 t，可實現(xiàn)54 t的LEO運載能力。該公司目前正在研發(fā)推力約235 t的“猛禽”（Raptor）液體發(fā)動機，啟動了800 t級“隼-2”發(fā)動機的論證。

圖11 美國RS-25氫氧發(fā)動機，海平面推力約1 860 kNFig.11 The American RS-25 hydrogen and oxygen engines, sea-level thrust of about 1 860 kN

用于進入空間的大型固體發(fā)動機得到快速發(fā)展，6月底美國進行了迄今推力最強大的五段式固體助推器（FSB）的地面靜態(tài)試驗，該大型固體發(fā)動機裝藥約630 t，平均推力約1 600 t，將用于美國“空間發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭（參見圖 12）的固體捆綁助推器。歐空局利用固體發(fā)動機研制了“織女星”運載火箭，其固體發(fā)動機（P80）直徑3 m，裝藥88 t，質量比達0.92以上。固體分段式發(fā)動機可以實現(xiàn)大推力、大裝藥量、大質量比，已成為國外發(fā)展進入空間能力的重要選擇。

此外，航天運載器的重復使用也成為研發(fā)的熱門課題?；鸺破鞯拇怪逼痫w垂直降落、垂直起飛水平降落、海上平臺回收，以及從空中平臺發(fā)射火箭等都受到高度關注。

針對未來天地往返運輸系統(tǒng)和太空擺渡的可控、可達性保證，高超發(fā)動機、變推力發(fā)動機也受到技術先進國家的極大重視，美國已突破亞燃沖壓發(fā)動機技術，超燃發(fā)動機正在加緊研發(fā)并取得重要突破。英國正在為“云霄塔”研制“協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機”（SABRE），并引入氦作預冷解決高超熱防護技術。SABRE具有吸氣式推進和火箭推進兩種工作模式，既可在大氣層內工作也可在大氣層外工作，目前英國已突破該發(fā)動機預冷器熱交換器等一批關鍵技術。

2）先進的空間推進技術方面。先進航天國家加大電推進與核動力技術的研發(fā)，美國NASA提出采用功率150～200 kW的太陽能電推進系統(tǒng)執(zhí)行載人火星探測的貨物運輸任務，正在開發(fā)高功率的太陽能電推進系統(tǒng)。美國研制的變比沖磁等離子體火箭（VASIMR，參見圖 13）樣機VX-200比沖達5 000 s、功率200 kW，已進入地面驗證階段。美俄均啟動了空間核推進計劃，美國正在開展的“核低溫推進”項目，將研制功率500 MW的核熱推進系統(tǒng)。

圖12 美國正在開發(fā)的“空間發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭（資料來源：NASA官網）Fig.12 The “Space Launch System” heavy launch vehicles being developed by US (Source：NASA)

圖13 VASIMR發(fā)動機結構示意圖Fig.13 The structure diagram of the VASIMR engine

2.創(chuàng)新的工程目標、科學目標

我們?yōu)槭裁匆酵馓?？花錢在太空值得嗎？經常會有人問到這個問題，國外的同行們也會遇到同樣的問題。

人類是生活在地球上的智慧生物，人類的智慧表現(xiàn)在他們的思考，人類優(yōu)越于其他生物的地方在于有探索真理的追求。人類總在給自己出題目，也總是尋求答案，在這個真理的追求中開始認識自己的家園地球、太陽系，產生了謂之為“科學”的理論和用于改變人類生存過程、條件、環(huán)境的技術。人類還把他們的眼光投向于深邃的宇宙，探索宇宙的開始和可能的未來，將宇宙演化和太陽系的存在、地球和人類的文明聯(lián)系起來苦苦求索，試圖回答“我們從哪里來”“宇宙從哪里來”這樣的問題。

人類的智慧正在將我們的感知觸摸到物質的本源、宇宙的邊緣，引力波的提出和驗證又為人類觀測宇宙打開了一扇窗戶。如果說“硬X射線的輻射可以表征黑洞的存在”是造物主留給人類以探其容的“天窗”，人類為窺視這個天窗而設計的各類探測手段就是“天眼”，我們航天人則是為科學家探索宇宙在搭設“天梯”。

所以我們可以回答，為什么要開展深空探測：為了人類的求知、為了人類的真理追求、為了揭開宇宙的奧秘。航天正是為這些探索提供支撐，鋪設“通天路”！

中國行星探測的先鋒號將于2020年奔赴火星。2020年將是人類探測火星的“熱點活動年”，屆時美國將實施“火星2020”任務；歐洲和俄羅斯聯(lián)合發(fā)射火星著陸和巡視器，開展“火星生物學2020”任務；印度和法國開展“聯(lián)合火星環(huán)繞探測”；阿聯(lián)酋的“希望號”軌道器也將在2020年發(fā)射。

自1960年代的開始，人類實現(xiàn)了40余次火星探測活動，成功率近50%，具體情況參見圖 14。通過這近20次的成功，人類已對火星的地貌、地質、大氣層、土壤與巖石成分、內部結構、磁場和重力場諸多狀況有了一定的了解和掌握。

圖14 世界成功開展的重要火星探測任務及近期重大計劃Fig.14 The world’s successful Mars missions and recent major programs

在行星的探測任務中，重點主要放在對行星的“表、氣、土、水、磁、重”這六個方面的認識上，即重點獲得行星的表面特征（物質、地質）、大氣特征（組分、氣候與氣象）、水及痕象（有無水、水冰或水存在過的痕跡）、表面土壤（與著陸行星有關的地表風、塵暴、土壤塵埃、塵埃厚度密度、表∕淺層物質）、重力場（構建行星重力場模型）、磁特性（行星磁場、太陽風與極光、宇宙射線及空間環(huán)境等）。

有學者將人類探索火星的歷程分為三個階段：1960—1980年為第一高潮期；1981—1991年為平靜期；1992至今為第二高潮期。從人類探火的頻數(shù)上講，這個分期有道理，也符合事物發(fā)展的間歇式推進規(guī)律。若從科學和技術進步的時間順序看，我以為應將1960—1991年作為一個時期，即以“工程目標”的驗證和試驗為目的的技術能力實現(xiàn)期；1992—2010年，則可看做“科學目標”實現(xiàn)期；2010年以后進入“載人登火”目標期。

1）從1964年11月美國發(fā)射的 “水手4號”首次成功飛越火星，標志人類已有能力達到火星區(qū)域；1971年5月蘇聯(lián)發(fā)射的“火星3號”探測器首次著陸在火星，1971年11月美國發(fā)射的 “水手9號”首次環(huán)繞火星，表示人類已有能力進入火星軌道；1975年5美國發(fā)射的“海盜1號”首次實現(xiàn)軟著陸，表示了人類已有能力到達火星表面，機器人的足跡踏上火星。

這個時期的一系列活動都是以工程目標為主攻目標，以科學目標為牽引性目標。這點與我國探月活動確定的方針：“以工程目標實現(xiàn)為主”“科學目標為輔”是一致的，這也是世界各國的共同經歷。

2）從1992年開始，以“奧德賽”和“火星勘探軌道器”為標志的一系列環(huán)繞、落火、就位探測、火星車巡視探測，包括“火星快車”“機遇號”“勇氣號”“鳳凰號”和“好奇號”任務等，都有明確的科學目標，并且都是經過科學論證和選擇，在普查基礎上聚焦某些有限的重點科學研究項目進行探測。這時期的探測裝置表現(xiàn)為高的分辨率，為大氣、地表、亞表層、內部結構探測所需的各類傳感器、遙感器的研制；巡視器智能化水平、現(xiàn)場操作能力大幅度提高，所以我將這一段時期稱作“科學目標”的實現(xiàn)期，它是探測活動從以“工程目標為主”到以“科學目標”帶動工程目標的階段，以科學目標確定工程規(guī)模、載荷形式和運行狀態(tài)。

縱觀國際上這段時期科學目標的總牽引是生命科學，即回答“火星的生命痕跡，火星上水的存在與水的痕跡，生命起源；火星生存研究與探索、原位資源利用、生命保障和人居環(huán)境建設與保護等”。

3）從2010年美國政府提出“2030年載人火星探測遠景目標”為標志，人類對火星的探索進入了一個新的時期，向“實現(xiàn)載人登火”的目標進軍。

我國的行星探測先鋒號正是在這個時期啟動的。依據(jù)我國的空間進入能力和首次探火所必備的基本探測能力和測通能力，我們本可以在2013年實現(xiàn)火星探測，航天界的很多專家學者都力促2013年到達火星的目標，由于多種原因，當時沒能實現(xiàn)。但人類探索火星活動的第三個時期我們趕上了，我們不應失去這個機會。

當前我國的火星探測計劃確定的目標是“繞、落”一次完成，實現(xiàn)火星巡視探測，科學目標有創(chuàng)新、工程目標要可靠。為此，我們要以此次工程為牽引，突破關鍵技術，推動未來深空探索活動的發(fā)展。

3.關鍵技術突破

從深空探測任務需求出發(fā)，國外在相關的關鍵技術研發(fā)上已取得重大突破。

1）新能源系統(tǒng)。太陽能和核能在火星探測器上的應用已經較為成熟。美國“好奇號”火星巡視器采用以钚-238作為燃料的“多用途放射性同位素溫差發(fā)電器（MMRTG）”，可產生2 kW熱功率，用于熱控和發(fā)電。美國已開展裂變空間電站和外太空星體駐留核反應堆設計研發(fā)。我國也已采用同位素熱源用于“嫦娥工程”上。

在核能的太空利用方面，我們應進行外太空環(huán)境保護的研究，特別要重視采樣返回樣本的“純潔性”和所在星體的“本底”保護。要研發(fā)無污染的太空能源。

2）進入下降和著陸技術（EDL）。進入地外行星、降落并著陸地外行星的技術統(tǒng)稱為EDL技術，這既是將其描述為一個整體過程、又是將其歸納為統(tǒng)一的設計任務。在EDL技術中，第一位的是控制技術。

從國際上看，針對有大氣層的目標行星，EDL一般經歷“形、傘、推、緩”四個階段，即首先是氣動外形減速，其制動的雙曲線的近拱點（也即制動后的橢圓近拱點）的選擇是要慎重的。過低，航天器會在目標星大氣層的減速下急劇下降，甚至會形成撞擊；過高，則起不到近拱點大氣減速作用。這個選擇既要在設計時確定，又要有能力進行自主管理。應在自主管理上下工夫，使其能達到精確的制導控制。在此，“傘”指用大氣制動的降落傘，“推”指反推火箭，“緩”指緩沖器。圖 15為美國“好奇號”火星巡視器的EDL示意圖。

圖15 美國“好奇號”火星巡視器EDL示意圖Fig.15 The EDL Schematic Diagram of US Curious mission

3）自主管理系統(tǒng)。對于深空運行的航天器，指揮人員很難做到及時操控管理，所以航天器本身應有中途的主動感知能力和管理系統(tǒng)以進行自主判斷和控制?？梢詫⒕哂羞@種能力的系統(tǒng)稱為“有自主管理能力”的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)必須具備下面的基本必要能力：自主定位定向、自主GNC、自主狀態(tài)感知、自主狀態(tài)控制、自主診斷分析、自主結構重組、自主能源管理、自主運行規(guī)劃。

具有這些自主功能的系統(tǒng)可以稱之為自主管理系統(tǒng)，其主要標志是自主運行規(guī)劃，因為其他各項自主功能是自主運行規(guī)劃的基礎和必要條件。

在自主管理系統(tǒng)開發(fā)上，要加強航天控制系統(tǒng)的基礎建設和原始創(chuàng)新的推動，特別是系統(tǒng)的仿真條件、仿真技術的基礎研究，在仿真建模和模型數(shù)據(jù)庫建設方面要發(fā)揮重點實驗室的作用。

4）深空環(huán)境適應技術。深空強烈的空間輻射、大溫差、小流星體、高真空、人造空間物碎片以及小行星、彗星及行星造成的軌道攝動等給深空探測帶來新的挑戰(zhàn)，開展深空探測必須解決這些問題。在地球磁場外，空間輻射可對電子設備和航天員形成極大威脅，需要解決強烈的空間輻射問題，開展保護、減輕電子設備和航天員損傷的技術。高輻射、超低溫、高溫差的環(huán)境對深空探測器采用的材料提出了新的挑戰(zhàn)，巡視器或太空艙采用的結構與材料、輕質可長期執(zhí)行任務的機械裝置等均要適應深空環(huán)境條件。深空探測活動周期長，需要解決如何應對長期性的空間環(huán)境問題。美國“朱諾號”探測器（參見圖 16）在太空中飛行歷時5年，于2016年7月4日才到達木星，在環(huán)繞木星的一年中它還要承受超強的宇宙射線的照射，這將是對其總體設計和防護功能的嚴峻考驗。

圖16 美國“朱諾號”木星探測器示意圖Fig.16 Schematic diagram of the US Juno Jupiter spacecraft

有人參與的太空探測活動，給我們提出了空間環(huán)境感知、空間環(huán)境條件與生命生存的適應性保障等技術挑戰(zhàn)，這些問題是我們必須首先認識并必須采取措施解決的。這些技術必然會對地球生物的輻射防護、地球生物圈的感知與保護具有重大意義。

除了上述關鍵技術，未來開展行星探測等任務還需要突破傳感器或遙感器（遙感探測幾乎需要全頻譜探測）、深空通信技術、表面上升技術、GNC技術、機器人技術、原位資源利用技術、航天員健康以及極端條件下的生存技術等。這些技術的開發(fā)和利用，與人們的未來生活息息相關。

此外，有關深空資源利用問題。雖然我并不認為NASA的“小行星采礦”是解決地球資源的一個出路，但這樣的設想?yún)s也不乏創(chuàng)意，也許在若干時代后它會成為現(xiàn)實?，F(xiàn)在可以看得到的利用太空微重力環(huán)境確實已經為“太空工廠”提供了廣闊的思考聯(lián)想和創(chuàng)造的時間和空間?！疤罩圃臁币苍S會在不遠的未來，在材料加工、藥品制造、晶體材料生成、太空特有環(huán)境的利用上成為人們新的選擇。NASA開展了“空間經濟學研究”，并寄希望從未來的空間制造業(yè)中獲利。

四 建設航天強國，任重道遠

2016年4月23日習近平總書記為首個航天日作出重要批示?！疤剿骱棋钪?，發(fā)展航天事業(yè)，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢?！边@是祖國的呼喚、黨的號召，是民族的期盼。“廣大航天科技工作者要牢牢抓住戰(zhàn)略機遇，堅持創(chuàng)新驅動發(fā)展，勇攀科技高峰，譜寫中國航天事業(yè)新篇章，為服務國家發(fā)展大局和增進人類福祉做出更大貢獻?！边@是習總書記下達的動員令和對中國航天發(fā)展的總要求、總目標。

李克強總理在4月23日作出重要批示，要求我們在大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新、激發(fā)全社會創(chuàng)新活力方面，繼續(xù)努力奮斗，為促進經濟社會發(fā)展，提升國家綜合實力作出新貢獻，讓“航天夢”助推“中國夢”早日實現(xiàn)。

建設航天強國，我們首先要回答的問題是，在當代具有什么樣的條件或能力，才算是航天強國，我們應當在哪些方面去實踐并實現(xiàn)我們的航天強國夢。這是一個很復雜的問題，也是一個必須回答的問題。這里我就自己的初淺理解提出幾點思考，供研究。

我認為一個國家成為航天強國必須具備如下必要的基本能力：

1）強大的空間進入能力；

2）強大的科學、技術基礎和重大工程實現(xiàn)能力；

3）強大的研制、生產、試驗和驗證能力；

4）強大的人才隊伍和隊伍的創(chuàng)新能力；

5）強大的應用能力及與國民經濟、國防建設、民生發(fā)展的融合能力；

6）強大的空間基礎設施的構建能力，包括其保護、持續(xù)發(fā)展的領先能力；

7）比較充分地滿足社會發(fā)展所提出的需求的能力。

這里因篇幅所限不再展開，只是點出題目。

除了這七大能力之外，諸如國際合作能力、發(fā)展資金保證能力、基礎條件（元器件、材料）保障能力等都可以歸入上述能力之中。要在補短板上加大力度，要在卡脖子問題上下大工夫，集中力量，突破瓶頸，為我們的航天強國建設打開通道。

我們要安排好的第一項重要任務是做好發(fā)展規(guī)劃。實現(xiàn)航天強國的目標是一項重大的系統(tǒng)工程，而系統(tǒng)工程的開啟項就是需求分析和任務分解結構，所以要從社會進步的需求入手，確定發(fā)展方向和發(fā)展目標，確定行動安排。我有幸參加中國工程院組織的“中國工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目中“經濟預測與需求分析”專題的研究工作，現(xiàn)將我在研究中的一點體會，在這里提出來供參考。

從國家層面而言，航天工程科技的發(fā)展需求包括民生發(fā)展需求、科技推動需求、國防需求、新興產業(yè)推動和發(fā)展需求、空間科學與空間技術的需求、空間應用需求。在民生方面包括導航定位、遙感、通信，這些都是與人民生存和生活、環(huán)保息息相關的技術；國防方面包括未來戰(zhàn)場的信息化、智能化、網絡化，這些都離不開太空基礎設施的保障，甚至深遠海的信息，通信更要依賴于空間的鏈路保障；新興產業(yè)中的太空生物學、太空制藥、太空材料、太空農業(yè)、太空醫(yī)學等已經開始進入人類社會之中；空間科學的進步促進了太空天文學、空間物理學、太空宇宙學、空間地球科學、太空環(huán)境學、比較行星學、太空生命科學的創(chuàng)新和發(fā)展。

早在20年前我們就開始研究的“小行星附著”課題，現(xiàn)在已經得到了極大的發(fā)展，取得了諸多成果，這為人類探測、確定危害地球的小行星，并使其改變危害狀態(tài)的目的成為可能。

在未來深空探測活動中，要有獨特的創(chuàng)新思路，我們的工作不是對前人已進行的探索的某些重復，而是在前人尚未進行的活動或尚未到達的領域有所創(chuàng)新，為人類的認知做出我們的貢獻。

中國科學院近些年進行的空間科學探索及利用空間基礎進行的科學活動是極具創(chuàng)新性、前沿性的活動。8月16日，我國發(fā)射了“量子科學實驗衛(wèi)星”，這是我國科學家率先行動，它一定會在“量子密鑰生成”“遠距量子糾纏存在”“星地間量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)”上有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)展，對人類量子通信做出獨特的貢獻。我贊賞這樣的空間科學活動，即便沒有完全達到最圓滿的預想成果，也是值得支持和鼓勵的。一個沒有任何風險、一個完全可以預知的試驗，只能是一種驗證，絕不會是一個原始性創(chuàng)新。習近平總書記號召我們的青少年要“崇尚科學、探索未知”，要有“勇于創(chuàng)新的熱情”，正是對原始性創(chuàng)新的鼓勵和支持。

在規(guī)劃我國深空探測的發(fā)展路徑時，要密切關注國際發(fā)展動向，而且要有極大的國際合作熱情。我國是國際宇航聯(lián)合會的成員國，應積極投入其中的活動。太空屬于全人類，美國NASA科學家卡爾·薩根曾將地球描述為“碩大宇宙夜幕中的一個孤獨的圓點”，我們只是太空這個小點上的一員。

在規(guī)劃發(fā)展計劃時，要吸取國外同行已經取得的經驗和教訓，使我們的計劃既有繼承又有發(fā)展，既有補充也有創(chuàng)新。

在確定具體工程項目任務時，要充分利用我國的基礎條件，特別是發(fā)揮全國大協(xié)作的優(yōu)勢，做到科學上有所貢獻、技術上有突破性進步、工程上有各種資源的保證、資金上做到各方努力可承受；做到出成果、出人才、出效益，使我們的深空活動建立在可持續(xù)發(fā)展的基礎上。

火星探索的先鋒號任務已經確定，小行星、內行星、彗星及木星也將成為我們的探測目標。任務艱巨，前途光明，任重道遠。讓我們共同努力，實現(xiàn)偉大的強國夢！

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[責任編輯：高莎]

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2095-7777(2016)04-0295-12

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.001

欒恩杰.探索浩瀚宇宙 建設航天強國——紀念中國深空探測12周年[J].深空探測學報，2016，3（4）：295-306.

Reference format：Luan E J.The rising China space heading for the endless universe [J].Journal of Deep Space Exploration，2016，3（4）：295-306.

欒恩杰（1940- ），男，中國工程院院士。主要研究方向：自動控制，航天工程管理。

2016-09-26；

2016-10-26