除了嫦娥五號、天問一號,2020年中國航天還有哪些高光時刻?

2020年,人類面臨了眾多前所未有的巨大挑戰,在超難模式下,中國航天不斷創造奇跡,又迎來了厚積薄發的一年,在新型火箭首飛、衛星導航系統、月球與深空探測與商業航天等領域取得了重大成就。
今年是中國航天的超級2020,這些高光時刻值得銘記。

01

嫦娥五號,完美完成中國航天史上最復雜任務

2004年,嫦娥探月工程正式啟動,計劃通過「繞、落、回」三步走發展戰略全方位研究月球。目前已有嫦娥一號、二號、三號、四號、鵲橋號、五號T1試驗器等完成任務,完整突破了環繞和着陸兩大月球探索使命,實現了人類首次軟着陸月球背後和巡視的壯舉。

2020年11月24日嫦娥五號發射成功,挑戰月球采樣返回,時隔44年(1976年蘇聯月球24號),它將為人類再次帶回月球樣品。

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嫦娥五號的任務流程高度復雜,是無人探月的極致。圖片來源:作者改編。

嫦娥五號探測器組合體總重達8.2噸,採用軌道器/返回器/着陸器/上升器聯合的方式探測月球,是人類無人探月史上最復雜最重的探測器。

2020年12月17日,嫦娥五號成功返回,最終收獲了1731克樣本,超過了蘇聯三次無人采樣任務采樣總重量(301克)。在經歷了11個重大階段和關鍵步驟後,中國終於告別了僅有美國阿波羅登月計劃贈送的1克月球樣本的歷史,並全面掌握了無人地月往返系列技術。

不僅如此,嫦娥五號實現了中國航天五大首次技術突破:

地外天體自動采樣封裝;

地外天體起飛並精準入軌;

月球軌道無人交會對接;

攜帶月球樣本高速(近11.2千米/秒的第二宇宙速度)返回地球;

建立中國月球樣品的存儲、分析和研究系統。

02

北斗系統全面建成,精準時空盡在手中

2020年6月23日,北斗衛星導航系統第55顆衛星搭乘長征三號乙運載火箭從西昌衛星發射中心成功升空。北斗系統,歷時26年研發,經歷了三代系統、共計發射了59顆衛星,終於完成全部組網星座發射任務,正式建成!

在理論上,衛星導航系統能無限量為用戶提供全球覆蓋、全天候、全天時的高精度定位與授時服務,事關國家安全、經濟建設和科學研究等重要領域,是任何一個大國必須掌握的核心競爭力。

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北斗系統採用三種軌道,重點服務亞太地區。圖片來源:北斗辦。

整個北斗建設過程分成了三步走策略,對應北斗一號、二號和三號系統。其中,一號主要為試驗系統;二號為區域服務系統;三號為最終定型的全球服務並帶有區域增強的系統。

北斗三號系統的30顆衛星包括3顆為GEO(靜止地球同步軌道)衛星,3顆為IGSO(傾斜地球同步軌道)衛星,24顆為MEO(中遠地球軌道)衛星,是人類現有導航衛星系統中最獨特創新的設計,能通過高軌衛星導航和短報文功能重點為亞太地區提供更高質量的服務。

03

天問一號,下一站火星!

屈原曾在長詩《天問》中發出了「九天之際,安放安屬?」和「日月安屬,列星安陳?」的曠世之問,其中「熒惑」(火星)始終是中國古人們最關心的行星之一。歷時走入現代,火星不僅是人類研究行星科學和太陽系演化史的核心參照,也是人類未來走向深空的突破目標。

為此,中國航天正式啟動了行星探測計劃——「天問」。執行第一站任務的就是去往火星的天問一號。2020年7月23日,天問一號搭乘長征五號遙四火箭,從文昌航天發射場成功升空,開啟前往火星數億千米的旅程。

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天問一號在深空中發回的中國最遠自拍。圖片來源:國家航天局。

它將在這次任務中挑戰在火星「繞」(環繞)、「着」(降落軟着陸)、「巡」(移動巡視)三大工程目標。組合體攜帶13項科學儀器,計劃對火星進行全方位研究,是近幾十年來人類火星探測技術復雜度之最,將打破人類探測火星新紀錄。

目前,天問一號已經完成了多次軌道修正、深空機動、星上載荷和儀器測試、太空自拍等復雜操作,預計在2月10日抵達火星附近開始制動,將在2021年農歷新年為14億中國人獻上超級新年禮物。

04

高分專項建設收官,觀天測地明察秋毫

地球原本僅有一顆天然衛星,進入航天時代後,人類發射了上萬顆人造衛星,並通過這些衛星來了解地球的方方面面。

高分辨率對地觀測系統,是我國中長期科學和技術發展規劃綱要提出的重大專項之一,主要依靠衛星系統實現全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力。

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高分一號衛星。圖片來源:央視。

2020年12月6日,中國發射高分十四號衛星,從2013年4月26日發射高分一號至今,中國在7年內發射了十四個系列、二十餘顆衛星組成高分衛星網絡,它們分別分布在地球靜止軌道和太陽同步軌道。

歷時七年,高分衛星專項系統建設成功收官,它們幾乎覆蓋了航天領域所有對地觀測方式,如可見光、紅外、雷達等,為我國長期穩定地獲得高分辨率全球遙感信息提供重要保障,戰略意義明顯。

05

長征五號B火箭,重載力士托起天上宮闕

運載火箭是航天事業的基石,決定了一國航天發展的能力上限,長征五號是我國目前最強大的重型任務運載火箭。它將長征火箭家族近地軌道運力上限從8噸級提到25噸以上,能將東方紅五號平台這類大型載荷發射到高軌,能執行大型月球探測和火星探測任務等,是一個通用化、系列化、組合化的大型運載火箭平台。

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長征五號基本型和B型運載火箭對比圖。圖片來源:Memorian-QN。

中國最重要的航天工程之一,載人航天,起步於1992年,2021年將迎來最為關鍵的時刻——全面建造天宮空間站。為此,長征五號要專門定製一個型號,負責實施近地軌道20-25噸級重載任務,這就是長征五號B運載火箭。相較於長征五號,它採取一級半的「矮胖緊實」布局,採用更大的整流罩,重點服務於天宮空間站核心艙和實驗艙。

2020年5月5日,長征五號B運載火箭在文昌航天發射場成功首飛,為2021年全面開啟天宮空間站建設創造了條件。

06

新載人飛船,突破天宮走入深空

神舟飛船是載人航天工程的功勛飛船,採用三艙式(推進艙、軌道艙和返回艙)構型。中國航天人通過11次任務成功掌握了載人航天的各項核心技術。然而,面對未來「星辰大海」的載人探測夢想,它的不足也愈發明顯,例如僅能運送3名航天員、貨運能力有限、一次性使用、壽命較短、功能和拓展性有限,極有必要研究下一代載人飛船。

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世界三款現役載人飛船和四款在研載人飛船對比。圖片來源:Memorian-QN。

2020年5月5日,新載人飛船試驗船隨着長征五號B火箭成功首飛。它採用最新的兩艙式(推進艙、返回艙)布局,效率更高,技術更先進,容量更大、最多能搭載7名航天員、擁有較強載貨能力,在太空中使用壽命更長。

通過模塊化和通用化設計,它可以通過更換隔熱模塊實現多次低成本重復使用。群傘氣囊緩沖設計,也使得回收過程舒適性和安全性大幅提升。為適應不同任務需求,新載人飛船試驗船設計了大、小兩個版本。

飛船整體隔熱能力大幅提升,足以適應包括載人登月在內的載人深空探測計劃。這些優勢遠遠超過了神舟飛船的核心指標,也使得新載人飛船成為目前世界最先進的新一代載人飛船之一。

07

長征八號火箭,彌補空白期待回收

我國長征火箭家族目前處在從傳統的二/三/四系列火箭逐漸更新為五/六/七/八/十一等的過程中,尚存在一些不足,其中之一是在太陽同步軌道和極地軌道的運輸能力和性價比較低:一方面,主要負責的長征二/四很難實現中型以上(3噸)載荷發射,長征三號甲系列需要大幅改進(2020年首次通過改型突破了這種軌道)且未來空間有限;另一方面,用重載的長征五/七等發射成本過高,亦需要改型。

而國際同行已經開始布局使用火箭回收等技術進一步降低成本,並且計劃占領商業發射市場份額。這兩種軌道事關核心的遙感、資源、氣象、科研、低軌通信等衛星類型,任務眾多業務量大,我國亟需對應火箭彌補這些空白。

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首飛前的長征八號。圖片來源:航天科技集團。

2020年12月22日,長征八號在文昌航天發射場成功首飛。它主要依託長征七號和長征三號甲系列火箭技術,取長補短,採用模塊化設計理念,使用更加環保高效的液氧液氫和液氧煤油推進劑組合,定位於中型載荷發射。在運力方面,重點針對這兩種軌道實現不低於4.5噸的發射能力。

與此同時,長征八號將在未來逐漸驗證火箭可回收技術,並通過高可靠性、通用化、准備周期短、發射頻率高等設計,集中於高性價比的商業載荷發射任務,是長征火箭家族圖譜的重要支撐力量。

08

長征十一號火箭,海上發射再創輝煌

長征系列火箭主要依託於各類四氧化二氮/偏二甲肼、液氧液氫、液氧煤油等純液體推進劑,固體推進劑的應用還有待開發。由於儲存時間長、准備周期極短,固體推進劑火箭主要在特殊情況時做應急使用。

從發射場的角度,海上發射無火箭殘骸落區問題、可移動、可靠近赤道,能最大限度利用地球自轉慣性,是各大國都會儲備的重要火箭發射技術。

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長征十一號會採取先冷發射彈出再點火的方式,從海上平台發射。圖片來源:光明日報。

純固體推進劑的長征十一號火箭填補了上述空白。乍一看它是個「小不點」,火箭長21米、直徑2米、重58噸,運力在0.5-0.7噸級別(太陽同步/低軌軌道),但它的戰略意義非常重要。

它的絕活在於能以很低成本執行小型載荷的一箭多星任務,並能夠適用於各種陸地固定發射場、移動發射場和海上發射場等環境。2020年,長征十一號在酒泉、西昌、黃海(移動平台)均進行了發射,其中依託海上平台為第二次發射,實現了一箭九星的壯舉。目前,長征十一號火箭共計發射十一次,成功了十一次!

09

嫦娥玉兔鵲橋,持續突破探月記錄

嫦娥系列月球任務,不僅以非常浪漫的「嫦娥」(軌道器和着陸器)、「玉兔」(巡視器)、「鵲橋」(嫦娥四號中繼星)和「廣寒宮」(嫦娥三號着陸地)等大家耳熟能詳的名字而著名,還以它們不斷實現的新紀錄而廣受國際科研界關注。

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嫦娥四號、玉兔二號和鵲橋號概念圖。圖片來源:國家航天局。

其中,嫦娥三號在2013年着陸月球,至今保持一定程度的工作狀態。2019年初,嫦娥四號和玉兔二號着陸月球背面,一直正常工作至今,完成了超過25個月球日夜(月球的一天約為地球上的28天)的工作。不僅如此,她們是人類唯一着陸月球背後的着陸器和巡視器。玉兔二號行駛距離超過600米,服務於它們的中繼衛星——鵲橋號也一直保持良好的工作狀態。

最新發射的嫦娥五號任務軌道器,在完成運送返回器和月球樣本到地球附近的任務後,又利用剩餘推進劑,繼續前往距離地球150萬千米的日地拉格朗日點。

嫦娥探月工程,取得了人類航天眾多新紀錄,而這些記錄每天都在更新。2020年的嫦娥探月,是人類航天近些年載入史冊的亮點之一。

10

商業航天,高歌猛進前途可期

進入21世紀後,商業航天開始崛起,成為60多年人類航天事業高速發展中的一大亮點,以Space X和藍色起源為代表的新秀甚至成為能攪動整個航天事業的「超級鲶魚」。中國作為航天大國,也孕育出了一批優秀的商業航天企業。

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「穀神星一號」火箭發射瞬間。圖片來源:星河動力。

2020年,依然是中國商業航天不斷突破的一年。星際榮耀、藍箭航天、星河動力、九天微星等企業獲得了數億乃至十餘億人民幣的巨額融資,不斷突破紀錄。

在業務領域,星河動力「穀神星一號」衛星首飛成功,且進入太陽同步軌道,長光衛星高分辨率對地觀測衛星星座進展迅速,銀河航天5G通信低軌衛星成功測試,天儀研究院等進入民用SAR衛星領域……更多的探索取得新進展。

在發展潛力方面,星際榮耀、藍箭航天等公司在不斷突破液氧甲烷火箭可復用發動機的試車進展,將於2021年首次發射液體推進劑火箭,也將是中國商業航天的重大進展。

總體看來,這是中國航天最好的一年,未來發展前景充滿希望。

2020年,有輝煌的成功,也有包括長征七號甲火箭首飛、長三乙火箭、快舟商業火箭發射失利等的不幸。航天從來不是一件容易的事情,當然,正是因為困難重重,我們才要更努力發展航天。

天可補,海可填,南山可移。日月既往,不可復追。這是悲喜交加的一年,但喜遠大於悲。2021年,天問一號將抵達火星、天宮空間站將全面開建、長征火箭家族將繼續擴容(長六甲等)、數型民營火箭和衛星也將有新突破,讓我們共同期待中國航天超級2021!

註:出品:科普中國;製作:太空精釀;監制:中國科學院計算機網絡信息中心。

來源:cnBeta