前景广阔的中国航天事业——简析《2011年中国的航天》白皮书

□ 东方星

2011年12月29日，我国发表了《2011年中国的航天》白皮书，在国内外产生了广泛影响。尤其是其非常公开透明地展示了中国未来5年的航天规划，使全世界看到了中国航天的前景。

《2011年中国的航天》是根据中国国情并综合研究世界航天发展趋势，把稳步发展与跨越式前进有机结合而描绘出来的。其涉及面宽、范围广，对中国航天发展进行了统筹考虑、科学部署。

进一步提升进入空间的能力

白皮书中提到，在今后5年内实现长征五号、长征六号和长征七号首飞，开展重型运载火箭专项论证和关键技术预先研究。一个国家进入空间的能力在很大程度上决定了其空间活动能力以及空间应用水平。例如，长征五号火箭近地轨道运载能力为25吨，这就为我国建造空间站提供了重要支持，因为从世界空间站的发展来看，空间站单个舱段为20吨左右最佳，所以要发射空间站舱段必须拥有大推力火箭。

资源三号卫星在轨飞行示意图

具有“无毒、无污染、低成本、高可靠、适应性强、安全性好”特点的长征五号新一代运载火箭，其基本型为带助推的两级火箭：芯一级采用2台推力各约50吨的氢氧发动机并联组成；助推器根据需要采用120吨推力液氧煤油发动机数台；芯二级采用2台推力各约8吨的氢氧发动机并联组成，它由长征三号甲第3级氢氧发动机改进而成；整流罩直径5.2米，长18米。长征五号近地轨道运载能力覆盖1.5～25吨，地球同步转移轨道运载能力覆盖1.5～14吨。

白皮书指出，我国正开展载人登月前期方案论证，而研制重型火箭对于未来载人登月甚至载人登火星具有重要意义。由于载人登月飞船一般需在50吨以上，而且其奔月时的初速度要求为每秒10.9千米，因此必须拥有重型运载火箭才行，如要进行载人登火星更是如此。当年美苏竞争载人登月时苏联之所以败给美国，最重要的原因就是苏联N1型重型火箭4次发射失败。

未来的长征五号系列运载火箭

我国著名火箭专家龙乐豪院士等专家透露，我国发展重型运载火箭的初步方案是：在动力选型方面，拟基于液氧煤油发动机、液氢液氧发动机和固体发动机来构建我国的重型运载火箭，其中上面级发动机选择氢氧发动机，地面起飞动力选择全液氧煤油或者固体助推+氢氧芯级，起飞推力达到5000吨级；在构型选择方面，拟采用两级半构型，这在一定程度上能够兼顾火箭运载效率优化，另一方面能够通过二级一次点火和两次点火的不同选择，适应不同的目标轨道；在直径选择方面，由于长细比过大的火箭不利于控制，所以初步确定重型运载火箭的长细比不超过12，计算结果表明重型运载火箭的直径不应小于9米。

根据前期载人登月论证工作的初步结果，我国载人登月拟采用两步走的战略实施，第一步是在2025年前，利用现有火箭技术，发展近地轨道运载能力50吨级超大型运载火箭，尽快实现2～3人的月球探测活动；第二步是在2030以后，发展基于大直径、大推力发动机技术的重型运载火箭，实施3人以上的月球探测和开发活动。经过计算，重型运载火箭具备将50吨级的有效载荷送入奔月轨道的能力，结合前期论证结果可知，采用重型运载火箭具备一次发射将3人以上有效载荷送上月球，并从月球安全返回的能力。重型运载火箭还可用于无人火星探测、载人登陆火星和建造空间太阳能电站等。

重点建设空间基础设施

白皮书强调，我国重点建设由对地观测、通信广播、导航定位等卫星组成的空间基础设施框架，进一步完善地面系统建设和卫星应用服务体系，初步形成长期、连续、稳定的业务服务能力，扩大应用规模，更好地满足应用需求，促进我国战略性新兴产业的发展。

我国将研制发射立体测绘卫星、环境与灾害监测雷达卫星等新型对地观测卫星。2012年1月9日升空的资源三号卫星是中国第一颗自主研制的民用高分辨率立体测绘卫星。通过立体观测，可以为国土资源、农业、林业等领域提供服务，资源三号将填补中国立体测图这一领域的空白。该卫星采用经适应性改进的资源二号卫星平台，配置4台相机：1台地面分辨率优于2.5米的正视全色TDI CCD相机；2台地面分辨率优于4米的前视、后视全色TDI CCD相机；1台地面分辨率优于10米的正视多光谱相机。卫星具有侧摆功能，可对地球南北纬84度以内的地区实现无缝影像覆盖，每59天实现对我国领土和全球范围的一次影像覆盖，在特殊情况下，能够在5天之内对同一地点进行重访拍摄。其影像分辨率及测图精度为国内第一。资源三号卫星集测绘和资源调查功能于一体，主要用于生产中国1:5万基础地理信息产品，以及 1:2.5万等更大比例尺地图的修测和更新，开展国土资源调查与监测，为防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通和国防建设等领域提供有效的服务。资源三号于2012年1月11日成功传回第一批影像数据，影像覆盖黑龙江、吉林、辽宁、山东、江苏、浙江、福建等地区，共约21万平方千米。中国国家测绘地理信息局已经快速完成对首批影像的加工处理，制作出高质量影像产品，并成功应用于自主知识产权在线地图服务网站——天地图(www.tianditu.cn)。

2012年发射的环境-1C（即环境与灾害监测雷达卫星）是我国首颗民用雷达卫星，使用可折叠式网状抛物面天线，天线将在卫星入轨后展开。其星载雷达具有条带和扫描两种工作模式，单视模式空间分辨率可到5米，4视模式空间分辨率为20米，提供的合成孔径雷达图像以多视模式为主。

白皮书表示，我国将发展移动通信业务卫星，研制更大容量、更大功率的新一代地球静止轨道通信广播卫星平台。这对我国经济建设、国家安全、社会进步和科学繁荣等都会带来显著的效益。

例如，发展移动通信业务卫星可向各种用户，尤其是紧急救援的用户以及处于远离城市的用户提供实时话音、数据等多种服务，这对于减灾、探险、旅游、公安、运输等许多领域具有重要作用。移动通信业务卫星覆盖区域广，其不受地理障碍约束和用户运动限制等优势使光纤通信望尘莫及，用途越来越广。

我国目前使用的东方红四号大型静止轨道卫星平台，有效载荷承载能力595千克，可提供有效载荷功率8千瓦，设计寿命15年。我国还将研制更先进的东方红五号平台，它拟使用电推进技术等多项新技术，有效载荷承载能力1200～1500千克，可提供有效载荷功率15～20千瓦，将大大提高卫星的应用能力和范围。

中国空间实验室示意图

现在，美国、欧洲和日本发射了“哈勃”空间望远镜等多种天文卫星，这种卫星最大的优点是可以不受大气层的影响，进行全波段天文观测，但我国目前还没有。白皮书透露，我国将研制发射“硬X射线调制望远镜卫星”，它将是我国第1颗天文卫星，将有力地促进我国空间天文学的研究。

据中国科学院高能物理研究所卢方军研究员介绍，“硬X射线调制望远镜”是国际上已知计划中唯一一台既可以实现宽波段、高灵敏度X射线成像巡天又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱的空间X射线天文观测设备。与已有和研制中的硬X射线望远镜比较，“硬X射线调制望远镜”在全天巡天的灵敏度和高计数率观测的时变研究方面具有明显优势，使得中国有可能在黑洞的寻找和高精度观测这两个方面取得突破性的重大成果，是透视宇宙的眼睛。

“硬X射线调制望远镜”采用分舱室式设计，有效载荷位于卫星上部，服务舱以资源二号卫星平台为基础，位于卫星下部。卫星总质量2700千克，将运行在高度550千米、倾角43°的近地圆轨道，设计寿命4年。其主要有效载荷包括高能X射线望远镜、中能X射线望远镜和低能X射线望远镜。由于不同能量的X射线辐射起源于天体上不同的物理过程，这些望远镜在不同的波段同时观测一个天体，可以对天体的活动给出更全面和准确的诊断。

“硬X射线调制望远镜”在轨运行示意图

2010年珠海航展上展出的中国探月工程模型

中国空间站实验舱Ⅰ示意图

中国空间站核心舱示意图

卢方军研究员透露，“硬X射线调制望远镜”是我国第一颗空间天文卫星，采用了低噪声、高能量分辨率X射线探测技术、Si-PIN探测器和读出专用集成电路技术、硬X射线探测器技术等多项国际先进水平的载荷技术，在卫星背景型号研究期间，取得多项创新性技术成果，显著提升了我国的空间探测能力。

实施一批重大航天科技专项

白皮书介绍，我国载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、二代导航系统将取得重大阶段性成果，带动相关科学技术的发展，为国家科学技术的整体进步作出新的贡献。

我国将在今后5年内发射空间实验室、载人飞船和货运飞船，突破和掌握航天员中期驻留、再生式生命保障及推进剂补加等空间站关键技术，开展一定规模的空间应用。这些都是为空间站建设进行技术准备，因为空间站犹如在宇宙的海洋中傲游的航天母舰，虽然用途广泛，但需要各种配套设施的支持。

空间实验室是建立长久性空间站的重要一环，以突破和验证空间站关键技术为主要任务目标，以“短期有人照料、长期自主运行”为主要工作模式。我国空间实验室发展构想具有如下主要特征：通过一次性携带的物资，可实现少批量、短时间航天员在轨驻留，一般不具备长期载人能力；一般没有在轨补给和补加功能，寿命较短；规模小，不具有可扩展性；能进行空间站关键技术验证试验，可开展一定规模的空间应用。

未来的空间实验室将主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。其后的另一空间实验室将主要完成验证再生生保关键技术试验、航天员中期在轨驻留、货运飞船在轨试验等，还将开展部分空间科学和航天医学试验。

我国还将以空间实验室为基础，研制比俄罗斯“进步”系列货运飞船更先进的货运飞船，最大直径约3.35米，发射质量13吨，一次运货能力达6吨，是“进步”货运飞船的3倍。

2020年前后建成的我国第一个载人空间站起点很高，是多舱式空间站，采用积木式构型，由1个核心舱和2个实验舱组成，并可同时对接载人飞船和货运飞船后，总质量80吨。它们在核心舱统一调度下协同工作，完成空间站承担的各项任务。

我国载人空间站的核心舱含节点舱、生活控制舱和资源舱，全长约18.1米，最大直径约4.2米，发射质量20～22吨。其主要任务包括为航天员提供居住环境，支持航天员的长期在轨驻留，支持飞船和扩展模块对接停靠并开展少量的空间应用实验，是空间站的管理和控制中心。

实验舱具备独立飞行功能，与核心舱对接后形成组合体，可开展长期在轨驻留的空间应用和新技术试验，并对核心舱平台功能予以备份和增强。其中实验舱I全长约14.4米，最大直径约4.2米，发射质量约20～22吨，兼有组合体控制与应用实验功能。实验舱Ⅱ体积、尺寸、质量与实验舱I相同，以应用实验任务为主。

虽然与123吨的“和平”号和423吨的国际空间站相比，我国空间站规模相对较小，但从建造成本和应用效益的角度综合分析，这是一个符合中国国情和实际需要的理性选择。我国既不贪大求全，但又规模适度，因此有望取得较高的工程应用效益。

白皮书重申，我国将继续按照“绕、落、回”三步走的发展思路，推进月球探测工程建设。其实，这三步走的每一步都是对前一步的深化，并为下一步奠定基础。从“绕、落、回”的科学目标看，它们有明显的递进关系：“绕”就是进行全球性、整体性与综合普查；“落”就是进行区域性精细就位分析；“回”就是取样品返回地面后进行精准分析。

白皮书表示，未来5年，中国将在空间科学、卫星应用、载人航天、测控通信、商业发射、整星出口、人员交流等8个领域开展国际航天交流与合作。国际航天合作是未来航天发展的趋势，尤其是特大航天工程的实施，通过国际合作可以相互取长补短、资源共享、减轻压力、多方共赢。

2010年珠海航展上展出的中国空间站模型