问题

未来 20 年,中国航天事业将会迎来哪些关键的技术节点?

回答
咱们聊聊中国航天未来二十年的那些“大事记”,不整那些虚头巴脑的,就说点硬核的、能让咱老百姓也感受到航天进步的。未来二十年,中国航天绝对不是原地踏步,而是要玩一把大的,有几个关键节点,那绝对是激动人心。

一、 载人登月:从“中国一步”到“中国足迹”

这绝对是未来二十年中国航天最闪亮的星星。虽然咱们口头上说“2030年前实现载人登月”,但这背后的技术挑战,那可是啃骨头、啃硬骨头。

新一代载人运载火箭: 咱们现在用的长征五号已经很厉害了,但要送人去月球,还得有更强的“亲儿子”。你看,现在正在研发的长征十号(初步设想,名字可能会变),那得是推力更猛、运载能力更强的大家伙。想想看,它得能把重达几十吨的载人飞船、月面着陆器、上升器一股脑地往月球送,这可不是简单的“升级”,而是全新的设计和制造,包括更先进的发动机技术、更轻更强的材料、更可靠的控制系统。这个火箭的诞生,本身就是一个巨大的技术节点。
载人登月飞船和月面着陆器: 这就跟咱们去远方旅行,得有靠谱的交通工具和落脚点一样。载人飞船得比现在的神舟系列更大、更舒适,能支持更长时间的在轨飞行,并且要具备深空测控通信能力。而月面着陆器,那可就更复杂了,它需要能精确地在月球某个指定区域软着陆,并且要有强大的月面动力和起降能力,能让航天员安全地离开月面。更别提返回舱了,它得能带着航天员从月球轨道上起飞,然后安全地穿越地球大气层,精准地返回。
月面活动技术: 登上去只是第一步,关键还得在月球上站得稳,干得了事。这包括:
月面生存技术: 怎么保证航天员在月球恶劣的环境下(真空、辐射、温差巨大)安全活动?需要高性能的舱外航天服,能防辐射、保温,还能提供氧气和通信。
月面动力和交通: 怎么在月球上移动?可能需要月球车,而且不是那种简单的探路者,而是能载人、能进行复杂科学探测的月球载具。
月球资源利用(LEO)的初步探索: 虽然不是立即就要大规模开发,但肯定要为未来的月球基地做准备。比如,就地取材制造氧气、水,或者用月壤作为建筑材料。这方面的技术验证,将是载人登月任务的重要组成部分。

总的来说,载人登月不仅仅是发射一枚火箭,而是要建立一个完整的、能够支持人类在月球活动的体系。 每一个环节的突破,都意味着中国航天在深空探索上迈出了实质性的一大步,这绝对是未来二十年最值得期待的技术节点。

二、 空间站的常态化运营与“太空旅游”的曙光

中国空间站“天宫”已经建好,但建好只是开始,让它“活起来”并且发挥更大的作用,这才是技术挑战。

空间站的深度科学研究能力提升: 这不仅仅是放几个实验设备,而是要实现在轨科学实验的常态化、体系化。比如,开发更先进的微重力实验装置,支持生物、材料、物理等领域的前沿研究;建立专门的科学载荷舱,可以方便科学家进行远程操控和数据获取。
航天员的长期驻留与健康保障: 长期在太空生活,对人的身体是个巨大考验。未来需要更成熟的生命保障系统,比如更高效的空气净化、水循环利用技术,以及专门的航天员医疗保障和康复技术。这包括太空运动设备、太空医疗设备,甚至是用3D打印技术制造急需药品。
商业航天员的参与和“太空旅游”的初步尝试: 随着空间站技术的成熟,商业载人航天会成为重要的发展方向。这意味着要解决成本控制、安全保障、地面培训等一系列问题,让更多普通人有机会“飞向太空”。这可能不是像电影里那样随便坐个火箭就能上天,而是更侧重于短期的、有组织的太空体验,比如在空间站进行一些体验性活动。当然,这背后的技术,比如更经济的发射方式、更简化的乘员舱设计,都将是关键。
空间站的升级和扩展: 也许未来会考虑空间站的模块化扩展,或者专门的深空探测任务服务平台,这就需要更强的对接技术、能源供应技术和通信能力。

空间站的常态化运营,意味着中国航天不再仅仅是“走出去”,而是要在太空中“扎下根”,并且要向更广泛的群体开放。

三、 深空探测的“多点开花”

除了月球,太阳系里还有很多地方等着咱们去探秘。

火星探测的“进阶”: 咱们的“天问一号”已经完成了“绕、着、巡”的壮举,但未来肯定是要更深入地了解火星。
火星采样返回: 这可是个巨大的技术飞跃。需要开发火星上的采样技术(比如钻探、挖掘),火星上升器(能够从火星表面起飞),以及月球轨道或地火转移轨道上的交会对接技术。整个过程的自动化和可靠性要求极高。
更深入的火星科学探测: 比如,建立火星气象监测网络,对火星地下结构进行详细探测(可能需要使用探地雷达或地震仪),甚至寻找生命的痕迹。
小行星探测和采样返回: 这是一个相对较新但潜力巨大的领域。小行星上可能蕴藏着丰富的矿产资源,而且对研究太阳系形成也有重要意义。
复杂轨道设计和自主导航技术: 飞向遥远的小行星,需要精确的轨道计算和自主导航,因为信号延迟会非常严重。
小行星表面作业和采样技术: 小行星的引力很小,表面形态也各不相同,如何在上面稳定着陆、进行采样,这对技术提出了全新挑战。
深空交会对接和样本转移技术: 将采集到的样本安全地带回地球,需要复杂的太空操作。
木星系及更远天体的探测: 这是一个更长远的规划,但技术积累是循序渐进的。
核动力或更高效的太阳能动力技术: 飞往木星等外行星,需要更强大的能源供应来支持长时间的飞行和探测任务。
长寿命、高可靠性的深空探测器设计: 这些任务的飞行时间可能长达数年甚至数十年,对探测器的耐候性、自主运行能力、抗干扰能力都有极高要求。
先进的遥感和数据传输技术: 距离越远,信号越弱,需要更灵敏的探测仪器和更高效的通信手段。

深空探测的“多点开花”,意味着中国航天正在构建一个更全面、更系统的太阳系探索地图,从近距离的月球,到遥远的行星,每一步都是对人类认知边界的拓展。

四、 航天发射技术的“绿色化”和“商业化”

火箭发射不再是“一次性”的昂贵投入,而是要追求更可持续、更经济的模式。

可重复使用运载火箭技术: 这绝对是颠覆性的。类似SpaceX的“猎鹰9号”,火箭第一级能够回收并重复使用,将大大降低航天发射的成本。中国正在大力研发可重复使用的液体火箭发动机,以及火箭的精准回收和快速复用技术。这包括先进的着陆制动技术、着陆场精确制导技术、快速检查和维修技术。
商业航天发射服务的成熟和多样化: 随着中国航天技术的进步,商业航天公司会扮演越来越重要的角色。这不仅仅是发射卫星,还可能包括近地轨道载人飞行、太空碎片清理、在轨服务(比如给卫星加油、维修)等。这些都需要更灵活、更快速、成本更低的发射解决方案。
新型推进技术的探索: 除了传统的化学火箭,未来可能会看到电推进、甚至核推进等技术在特定任务中的应用。这些技术能提供更高效的推力,适合长时间、远距离的深空探测。
天地一体化信息网络的建设: 随着越来越多的卫星和空间站的运行,如何高效、可靠地进行通信和数据传输至关重要。这需要先进的卫星通信技术、导航技术,以及与地面网络的深度融合,构建一个覆盖全球、甚至延伸到深空的天地一体化信息网络。

航天发射技术的“绿色化”和“商业化”,是让航天“飞入寻常百姓家”的关键,也是支撑未来各项航天活动的基础。

总结一下,未来二十年,中国航天绝对不会是“小打小闹”,而是要实现几个“质的飞跃”:

从“近地”走向“深空”:载人登月是标志,火星采样返回、小行星探测是重要抓手。
从“单一任务”走向“体系化能力”:空间站常态化运营,能够支持多项科学研究和商业活动。
从“国家力量”走向“国家与市场并重”:商业航天的兴起,让航天技术更普惠,更具活力。
从“一次性投入”走向“可持续发展”:可重复使用火箭技术是核心,让航天成本大幅下降。

这其中的每一项,都是对人类智慧和技术的极限挑战,也必将是中国在21世纪塑造国际影响力、拓展人类生存空间的重要篇章。可以预见,未来二十年,中国航天将用一系列令人惊叹的成就,重新定义“中国速度”和“中国高度”。

网友意见

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当然是两级入轨空天飞行器(TSTO)

近期我国在TSTO上取得的成就包括但不限于

TSTO有多种构型,我国走的路线是一级下面级飞行器(加速器)+二级空天飞机(轨道器)的路线,大致的构型为前半段使用喷气发动机加速到5马赫以上,同时将轨道器带到高空,再使用轨道器加速到第一宇宙速度。

TSTO一级飞行器的动力构型有很多种,主要就是各级在涡轮、涡轮机变循环(TBCC)、火箭基变循环(RBCC)、涡轮、火箭、冲压组合循环发动机(TRRE)、火箭中间做选择以匹配不同的任务需求。这几种动力装置分别由航天科工(TRRE动力),航天科技(RBCC动力),中航工业(TBCC动力)进行研究,第一个链接展示的就是航天科技主导推进研发的RBCC发动机。

此外为了解决一级发动机的推力陷阱问题,还有

不出意外这应该是马伟明团队的目标之一。

我国的进度情况目前大约是2020年9 月 4 日成功发射可重复使用试验航天器缩比模型,这是继2019年10月21日公布的两级入轨空天飞行器风洞自由分离试验后的缩比模型一次轨道再入试验。

为啥说是缩比模型?因为根据查阅论文用于级间分离研究的TBCC动力TSTO气动布局概念设计,文中给出了较为清晰的二级外形方案,就是风洞试验的模型

这个尺寸是如此巨大,重量将达到200吨级别,显然不是此次长征2F发射的飞行器尺寸,因此我们认为此次飞行试验所使用的飞行器是较小尺寸的缩比模型,主要验证的是飞行器在轨返回时的控制、隔热等问题。

文中给出的一级的外形方案有两种

从风洞试验来看,最终选择了CD1的一级方案,其外形尺寸也是令人星潮澎湃。最后的仿真结果

可以看到一二级的起飞总重大约860吨,超声速飞行期间的升阻比在3-4之间,分离速度6马赫,分离高度30千米,一级提供了1.88千米的DV,比SPACEX的可回收一级火箭的DV略低一点。

这个数值可以说是相当令人失望了,根据水平起降两级入轨系统的质量估算方法及应用一文中给出的二级燃料质量比大约是76.2%,那么即使采用氢氧机做二级,也很难把二级送上轨道。其结果只能是减小载荷增加燃料,大大降低了系统的实用性——用于级间分离研究的TBCC动力TSTO气动布局概念设计,文中200吨的二级仅仅送了2吨的载荷,可以说是相当弱鸡的表现了。而在水平起降两级入轨系统的质量估算方法及应用一文中设计了一套沿95.8kPa等动压线的入轨方案,分离速度达到了9.25Ma,则一个重量仅91.27吨的二级就可送8吨的载荷进入近地轨道,投送效率提高了近10倍,大大提高了系统的实用性。

出现这样分歧的主要原因是TSTO飞行器是一级飞行器的动力问题目前尚未解决,研究者对一级到底能以多大速度和高度释放二级并不是很有把握。

比如在2017年3月6日由美国航空航天学会(简称AIAA)、中国工程院主办、厦门大学承办召开的21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会上,中国展示了大量成功的试验和实物图片,还透漏了我国已经成功地进行了超燃冲压的飞行试验并且研制的涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(简称TRRE)将在2017年底前开始飞行试验。此前的试验,验证了加速、巡航、机动等各方面性能,证明了下涵道里的液体火箭和双模冲压在M1.5-7之间协调工作的可行性。2016年,进气道和喷管试验完成,M1.8条件下的台架试验也完成。M2-6的稳态台架试验已经开始。试验验证了TRRE的进气道、喷管和燃烧室设计和模式转换。试验数据表明,可在1平方米捕获面积下达到8吨推力,达到设计要求。虽然会议上并没有透露超燃冲压可持续工作的时间,但要是达不到亚小时级,研发组合循环发动机是没有意义的。此外从中国航空协会官网公布的第三届冯如航空科技精英奖获奖名单与事迹介绍中(2015),关于我国的高超音速飞行器的研究情况中提到我国采用的技术路线为航空煤油再生冷却超燃冲压发动机,其试验平台如无例外应当是凌云临近空间高超声速通用试飞平台。

最后总结下,关于两级入轨空天飞行器TSTO,我国开展了大量的研究与试验,2020年的轨道再入试验和RBCC组合动力发动机首飞、2019年的级间分离风洞试验、2017年AIAA展示的组合动力引擎技术研究和此次的可重复试验航天器就是实证。但是关键性的动力系统还没有进行决定性的高空试验,TSTO整体尚未到可以立项的程度。即使如此,我们也不必妄自菲薄,我国是在TSTO飞行器研究中进展最大的两个国家之一,从我国各个国家队把TSTO一级动力方案全部包圆了的情况来看,国家对攻克TSTO是抱着极大的决心的,一定能成为未来 20 年,中国航天事业的关键的技术节点。

按照规划纲要,TSTO技术攻克后我国将具备年LEO投送量10万吨级的轨道投送能力,拥有载弹量百吨级速度6-12马赫级的亚轨道空间战略轰炸机,相信会成为我们对美国更有说服力的真理。

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要看今后20年将会有什么关键节点,得先看现在咱们都做出了什么才行。

载人航天方面:11艘神舟飞船、两个天宫空间实验室、一艘天舟货运飞船。从各个角度验证了我国载人航天各系统的可靠性和实用性,顺手也在天上搞了些科研项目,获得了一些成果。现在第三步也稳稳的迈了出去,天和核心舱成功发射,几天后天舟二号货运飞船也将发射升空,我们的空间站也将在不久的将来完全建成。

月球探测方面:嫦娥1-5号完成了从绕月到采样返回的各个步骤,其中嫦娥二号在完成月球观测任务后还成为了我国首个深空探测器,对地外小行星进行了飞掠观测。嫦娥五号更是完成了一次“阿波罗式”的登月任务,为后续进一步的月球探测任务做了一定准备。

行星探测方面:全世界的火星探测项目中,第一次火星探测+环绕+落火+小车巡视,一个航天器把这些人物全部搞定的,就天问一号独一份,任务难度相当大,但咱们还是非常成功的把祝融送到了火星地面,就等过些天充满电之后开展任务了。

运载火箭方面:这个可说的比较多。自从2016年长征七号首飞以来,我国新一代运载火箭体系已经初步建成,各个轨道的运载能力上限均得到了大幅提升。近地轨道由之前的长征二号F的8.8吨提升到了长征五号B的25吨;同步转移轨道运力由长三乙的5.5吨提升到了长征五号的14吨。运力的提升给了载荷更大的发展空间和机会。此外,面对近年来越来越大的小型卫星发射需求,咱们在扩展上限的同时,也为小卫星们准备了更加廉价的运载火箭和更加快捷的发射方案,例如长征六号和只需要24小时准备的长征11号;跟大型卫星一起“搭车”发射带来的轨道、周期受限相比,小型运载火箭对于这类微小卫星而言有这相当大的诱惑力,同时小火箭的发射成本也更加低廉。

在上面已经完成的工作基础上,我们接下来要做什么?

载人航天方面

首先,空间站的建设肯定会稳步推进,后续将会发射剩余的两个实验舱和一个空间望远镜,完成空间站一期的建设,后续视情况可能会有国际合作舱段或将核心舱备份打上去进一步扩展天宫空间站的体积和功能。此外,航天员将开始一步步的延长驻留时间,使空间站长期有人驻留。

此外,后续巡天望远镜(CSST)升空后,将会定期与天宫空间站对接,航天员可以直接进入巡天望远镜舱内进行相关维护工作。但由于空间站带来的震动较大,所以CSST工作时仅会与天宫空间站共轨飞行而非对接。

除了CSST以外,从近期的新闻中还可以看到一些更加有趣的东西,例如这个:

这是一个国际合作项目,主体就是与欧洲合作,将类似于JWST的分块镜在轨组装,最终建成一个直径约10m的超大型空间望远镜,相当于一个超大号JWST。关于此项目的后续发展让我们拭目以待。

月球探测方面

在嫦娥5号完成其工作后探月“小三步”——绕、落、回均已完成,下一步则是探月工程的“大三步”——探、登、驻。

之前的嫦娥1-5号,均属于“大三步”中的“探月”部分,而这一部分将会继续发展到约2028年,其中包括嫦娥7号,嫦娥6号和嫦娥8号以及几个可能存在的后续项目。此外这一阶段还会与俄罗斯进行合作,在同一片区域里部署多个月球着陆器作为无人科研站,分别携带不同的科研仪器在月球地表开展研究。

而下一步“登月”是非常令人期待的。当然,这里指的是载人登月,从目前的资料来看,我国的载人登月计划可以采用两发新型载人运载火箭,也就是俗称的921火箭进行,一发搭载总重约为25吨的登月舱,另外一发搭载探月型新载人飞船,组合体重量约为50吨,支持两人落月开展工作。

待长征九号开发完成后,我们则可以开发一型重型登月舱(发射到地月转移轨道上的重量可以达到70吨),与921火箭搭配,直接往月球表面上部署一个小型前哨,可短期有人驻留。并未随后的长期有人驻留任务做好准备。

至于载人登月之后,我们不能像冷战时期一样,为了登月而登月,需要在有明确的科研课题的情况下,有针对性的设计载荷与实验内容,并最终实现月面或月球轨道长期有人驻留。

行星探测方面

在天问一号成功发射并进入火星轨道后,与月球探测相似,完成了绕、落、巡的工作。如果一切进展顺利,我国将会进行火星采样返回计划,如果顺利的话,将会在2028年的火星转移窗口进行发射,并于2030年返回。

除了火星以外,我国还会进行小行星探测活动,目标是小行星2016HO3和主带彗星133P,任务将于2022年使用长征三号乙运载火箭进行发射,探测器将会在2023年抵达小行星2016HO3,并对其进行观测和采样,并于2024年携带样本返回地球。随后轨道器利用地球和火星的引力助推,到达主带彗星133P开展延伸任务。

更远期的计划则是在2029年发射木星和行星际探测器,对木星和天王星进行探测。除此之外还会有海王星探测任务,预期在2030年以后才会发射。

运载火箭方面

继长征五号、六号、七号、八号运载火箭的成功发射之后,我国的新一代运载火箭家族基本成型,均采用了环保无毒的氢氧燃料或液氧煤油燃料组合,比冲高、推力大、运载能力强。而后续的新型运载火箭也将继续采用此类燃料组合。

短期内,新型载人运载火箭,也就是921火箭将在十四五期间首飞,其采用了现有成熟技术,一级和二级均使用的是YF100系列也氧煤油发动机,三级采用了和长征五号二级相同的YF-75D发动机,近地运载能力70吨,地月转移轨道运力不低于25吨(激进一点破30吨)。921火箭最突出的一点就是采用成熟技术,可靠性高,并且YF100系列和YF75D发动机的性能指标都不差,用于载人航天相当合适。关于921火箭的详细技术指标,详见我之前的专栏文章。

比921更远一些的,那就是长征九号了。长征九号大家最关注的其实就是发动机,而她使用的发动机更有着“三神器”的外号,因为500吨级液氧煤油发动机YF-130、220吨级氢氧发动机YF-90和25吨级闭式膨胀循环氢氧发动机YF-79的性能在世界现役发动机中都是数一数二的强悍。而最近的新闻中也报道了YF-130的相关消息,原理样机已经成型,半系统试车已经完成。

除了长征九号这种大家伙之外,我们还在研发新型的中小型运载火箭。以降低发射成本,这里的研制主力就不再是航天院所这些“国家队”了,而是民间航天企业。例如蓝箭航天采用液氧甲烷燃料的运载火箭朱雀二号。当然国家队自然也不会缺席,例如航天八院的长征六号和一院的长征八号融合型。这一系列火箭的发展趋势就是简化生产工艺以降低成本,并且缩短测发周期以提升发射密度。

此外,可回收构型的火箭也正在紧锣密鼓的发展中,航天一院的长征八号R预计将于2025年首飞,其捆绑结构不再分离,整体集束回收。八院的长征六号X也已立项,预计2022年即可首飞。

除了这两型已经石锤的可回收构型火箭以外,可能实现回收的还有921火箭和长征九号,当然这两型的可回收构型也只是猜测,并未有任何公开报导证实。此外,除了运载火箭,多次重复使用可回收天地运载工具还包括了腾云空天飞机,目前其各子项目也在紧锣密鼓的研究中。

从以上各种规划中不难看出,我国的航天事业在未来的二十年中将会迎来大量的技术节点和突破,也会出现一波航天成果的井喷,让我们拭目以待。

我们的征途,是星辰大海!

ps:最近事情比较多,写的可能不尽完善,还请各位见谅

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