韩国航天科技发展动因、现状与未来走向

李曼玉, 赵 宇

(广西民族大学 东盟学院, 南宁 530004)

2022年6月21日,韩国首枚自主研发的运载火箭“世界”号从位于全罗南道高兴郡的罗老航天中心发射升空,飞行13 min后,将5颗卫星送入预定太阳同步轨道,发射任务取得圆满成功,至此,韩国成为第7个1 t以上实用卫星发射国。

1 韩国推进航天科技发展的动因分析

韩国航天科技发展始于20世纪90年代。1992年韩国发射了第一颗人造卫星——“我们的星1号”,并在1996年出台首个航天发展规划。紧接着在2007、2011、2018年,先后出台航天开发振兴基本计划。近年来,韩国在航天领域接连抛出大动作。其中,值得一提的标志性事件是2021年5月韩美商定终止《韩美导弹指南》,并宣布在探月工程和卫星导航领域开展深入合作。同年6月,韩国国家太空委员会通过《卫星通信技术发展战略》《微型卫星开发方案》《第三次太空开发基本计划修订案》等战略文件,明确了2022—2027年太空发展重点和实现途径。此外,韩国还“升格”国家太空委员会,委员长一职由总理出任,此举将有助于从国家层面统合技术链和资金链,进一步推进韩国航天科技发展。对于韩国加速推进航天科技发展的原因需从国际、地区和国内3方面进行全面分析。

从国际方面看,大国竞逐太空“赛道”,空间地缘政治迭起。1957年苏联成功发射第一颗卫星后,太空成为美苏争霸的重要领域,地缘政治也相应增加了太空这一新维度。冷战时期的“美苏太空竞赛”推动了世界范围的航天技术发展和宇宙空间探索。冷战后,随着航天技术的扩散与应用,越来越多的国家、实体开始迈向太空,太空格局呈现多极化趋势[1]。相关国家在太空的激烈博弈,实质是国际地缘政治在太空领域的延伸,而科技——航天技术也相应成为政治权力的一种体现。作为“中等强国”,韩国在世界政治、经济领域都占据着重要位置,面对美国完成对组建太空部队的立法,中国加速推进全球定位系统(GPS)的建立和空间站的建设,要想在新的地缘政治领域继续保有一定影响力、保持政治自主性,就需要韩国加速发展航天事业,不断推进宇宙开发。

从地区层面看,朝鲜试射导弹,威胁韩国国土安全,半岛局势紧张。二战产生的问题在冷战结束后仍未得到解决。随着朝鲜核武器的开发,朝核问题成为当前主要国际事件之一。2009年朝鲜退出六方会谈加快核武器的开发,在多次朝美会谈没有达成有关共识的背景下持续进行火星-14和火星-15型洲际弹道导弹(ICBM)试验,并加速推进第六次核试验,使得朝鲜军事威胁加剧,半岛安全危机加重[2]。韩国与美国虽为军事同盟,对朝鲜的地面监控信息多来自美日方面,但受到导弹控制制度(MTCR)、《韩美导弹方针》对导弹开发的限制,其自身的监测、防御能力相对较弱。对处于半岛局势紧张、周边航天大国林立的韩国来说,想要在解决半岛问题上获得更大主动性、主导力,在美日安全合作中形成更具战略意义的同盟关系,需要借助航天科技发展推动其太空、军事能力得到更高、更自主地发展。

从国家层面看,航天产业潜力巨大、作用明显,将推动韩国经济进一步增长。韩国以经济立国,其政治稳定、国家发展依赖于企业发展带来的经济利益。近年来,世界经济竞争形势明显,以通信、半导体、人工智能为主的新一代科技产业创造出新的经济增长点[3]。面对现行经济压力,韩国政府、企业迫切需要挖掘潜力巨大的新产业保持其经济实力与地位。据摩根士丹利早前发布的预测报告,世界航天产业市场规模到2040年将达1.1万亿美元,这一前景对韩国构成了巨大的吸引力,此外航天科技发展将为其他产业提供信息支援,实现多种高附加值。以韩国卫星导航系统(KPS)为例,该系统建成后,可以提供卫星通信、地面观测、交通导航、广播等多种多样的服务。与此同时,“世界”号运载火箭的成功发射为韩国自主研发的人造卫星打开了“宇宙通路”,增强了其在6G通信领域的竞争力,为国内企业开拓太空经济提振了信心。

2 韩国航天科技的发展现状

根据2018年《第三次宇宙开发振兴基本计划》,卫星开发、运载火箭项目占全体预算的大部分。同时,随着月球探测事业的启动,宇宙探测领域比重相对增加。据此,韩国航天科技发展主要表现在各类卫星和运载火箭的研发上。

2.1 卫星领域

韩国虽然在1992年就发射了卫星,但真正意义上的研发起步是在1994年综合科学技术审议会上通过阿里郎卫星(多功能实用卫星)开发事业的推进决议后开始的。截至2020年3月韩国共发射卫星21颗(不包括民用、军用卫星),10颗静止轨道卫星和10颗非静止轨道卫星。根据韩国航空航天研究院(KARI)数据,到2021年6月,有8颗卫星在运行中,9颗卫星在开发中(表1)。人造卫星按用途的不同可分为通信卫星、导航卫星、军用卫星、对地观测和天文观测卫星等,在其发射的各类卫星中,用于观测的卫星居多。

表1 韩国卫星开发现状

阿里郎系列卫星是多功能应用卫星,作为低轨观测卫星可用于地理信息系统、海洋观测、地面观测、灾难监控及环境监测。自1999年成功发射1号以来,在国内主导下陆续研发并成功发射了2号、3号、5号、3A号卫星。目前运行的5号卫星是首颗搭载合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)的卫星,共计7种运行模式,可提供更高分辨率、高质量的影像。3A号卫星不仅是高性能光学卫星,还是韩国首颗搭载红外线传感器的卫星。通过高性能光学传感器可以获取0.55米级高分辨率光学图像,也可以通过红外传感器感知从地表反射的辐射热进行成像,3A号的成功开发,让韩国进入了可以昼夜观测地球的红外线传感器搭载卫星拥有国行列。预备发射的6号卫星将安装亚米级影像雷达(SAR),7号卫星将开发0.3 m以下的超高分辨率光学有效载荷,有望拥有与海外尖端卫星相当的光学卫星开发技术。

静止轨道卫星——千里眼系列,是根据韩国静止轨道卫星供给需要和宇宙开发工作具体实践路线图中关于确保大中型静止轨道卫星技术的要求推进的。千里眼卫星1号搭载气象、海洋、通信3个有效载荷,在36 000 km高度的静止轨道上执行卫星通信、海洋观测和气象观测复合任务。用于执行气象任务的气象搭载体可对亚太地区、韩半岛周边等地区进行长期观测。海洋观测搭载体以韩半岛为中心,白天可以每隔1 h对2 500 km×2 500 km的区域进行观测。通信搭载体由2个直径1.1 m的反射板天线和3个Ka波段通信中继器通道组成,在静止轨道上进行了通信试验、广播服务。2A号卫星是气象观测卫星,与1号卫星相比可以实现彩色成像,通道数是1号卫星的3倍,成像分辨率是其4倍,观测全球只需10 min、观测朝鲜半岛只需 2 min,观测速度比1号卫星快了18倍。2B号卫星是世界上第一颗装有环境有效载荷的静止卫星,这是世界上首颗在静止轨道上观测可吸入颗粒物等空气大气污染物浓度的卫星。同时,内置海洋有效载荷,分辨率比1号高4倍,通过精确监测海啸区等海洋环境,实现对海洋领土的系统化管理和利用[4]。

KARI还研发了科学技术系列卫星、新一代中小型卫星。科学技术卫星3号完成了韩国首次获得银河系红外线影像、开发验证宇宙核心技术及培养人才等任务,于2015年结束任务。新一代小型卫星是为实现小型化、模块化、标准化、低功耗而研制的百公斤级微型卫星,1号卫星于2018年成功发射,执行科学任务和宇宙核心技术验证。新一代中型卫星是以产业化为前提着手开发的,已发射的1号卫星是500 kg级、分辨率0.5 m级的精密地面观测中型卫星,执行为国土资源管理、灾难灾害监测、国家空间信息等提供精密影像的任务。

除此以外,韩国还有民用通信卫星木槿花系列、军用卫星ANASIS-Ⅱ。木槿花卫星用于韩国卫星通信和卫星广播业务,1989年政府指定韩国KTSAT 公司作为国内卫星运营商负责该卫星的研发和管理,目前木槿花系列卫星已覆盖亚洲、非洲、欧洲等地区。木槿花5号作为第一颗军民两用卫星,为韩国军队提供了范围更广、安全性更高的通信服务,但该卫星受太阳黑子活动影响寿命变短,于是韩国购买了第一颗专用军事通信卫星ANASIS-Ⅱ。ANASIS-Ⅱ数据传输容量是现有通信卫星的2倍以上,提高了在攻击下的通信维持能力。

2.2 火箭技术

KARI在20世纪80年代后期开始火箭开发相关研究,目前已成功发射6枚火箭(表2)。1993年完成一级固体推进科学火箭(KSR-Ⅰ)的开发,接着研制两级固体推进科学火箭——中型科学火箭(KSR-Ⅱ),2002年成功发射国内第一个液体推进科学火箭(KSR-Ⅲ)。“罗老”号发射前韩国研制并发射了3枚科学火箭,其中KSR-Ⅲ是国内第一个液体推进科学火箭。科学火箭的研究与开发确保了运载火箭的设计和制造能力。由于航天火箭技术与弹道导弹的研制相通,因此在许多航天先进国家将其作为国家战略资产进行管理,技术转移受到严格控制,韩国航天火箭研制初期几乎没能获得海外合作,发展速度较慢。

表2 韩国火箭发射情况

资料来源:韩国航空航天研究院网站。

航天运载火箭是重要的航天资产,航天器只有被投射到太空时才有价值[5]。韩国航天发展初期,卫星发射依靠苏联的运载火箭,发射进程受政治、经济、运输等多种因素影响。因此,研制本国独立的运载火箭是韩国发展航天的重要部署。在1996年公布的《中长期国家太空发展规划》中韩国提出2010年研制出太空运载火箭的目标。但当时韩国自主研发运载火箭的能力有限,需要通过与航天发达国家合作,韩国最终选定正因苏联解体而面临经济问题的俄罗斯作为合作对象[6]。2013年“罗老”号终于在经历两次失败后成功发射,在215.0 s分离整流罩,231.3 s完成分离,395.0 s在预定高度点火,最后在540.0 s分离卫星,成功将重100 kg的罗老科学卫星送入近地轨道。

这次合作韩国亲历运载火箭研发到发射的全过程,由此获得了相当于“罗老”号开发事业预算几倍的价值,为自主研发运载火箭奠定了基础。但与俄罗斯的合作并非一帆风顺,这更加坚定了韩国自主开发的运载火箭的信念。以“罗老”号开发技术和经验为基础,韩国着手开发1.5 t级低轨道实用卫星运载火箭“世界”号。开发的第一阶段,成功建立推进发动机试验设施,完成7 t液体发动机的燃烧试验。第二阶段成功发射测试火箭(1级/75 t液体发动机)。之后,又成功实施应用集群技术将4台75 t发动机组合成一体的综合燃烧试验。“世界”号在第一次发射失败后,于2022年6月进行第二次发射,用时15 min 45 s成功将总重1.8 t的性能验证卫星和立方体卫星送入700 km预定轨道。

韩国虽然在较短时间内完成自主研发运载火箭的目标,但韩国的运载火箭无论是从发动机技术还是运载能力方面都与航天强国有较大差距,在韩国未来航天科技发展需依赖韩国型运载火箭的背景下,韩国的火箭开发仍有较长的路要走。

2.3 宇宙探测与航天中心

韩国首次提及包括月球在内的宇宙探测计划是2007年发表的《第一次宇宙开发振兴基本计划》的详细实践计划中。当时的宇宙开发是以地球观测为主的卫星开发和“罗老”号运载火箭研制。2010年韩国开始着手进行月球探测用轨道器和着陆器的概念设计,2016年正式启动一期工程。2022年“赏月”号在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地,由SpaceX公司猎鹰9号发射升空。在高度约703 km处与运载火箭分离,约92 min后成功与地面站首次通信,各项设备温度位于正常值范围内,可确认“赏月”号已正常运转。根据原定任务,“赏月”号将于今年12月中旬进入月球轨道,并于同月末进入月球上空100 km的任务轨道,从2023年1月开始执行为期1年多的探测任务。除NASA有效载荷(ShadowCam)外,“赏月”号还搭载了5个由韩国研究机构和学术界直接开发的科学有效载荷(高分辨率相机、广域偏振相机、磁场计、伽马射线光谱仪、太空互联网验证器),将执行测量磁场、伽马射线、验证空间互联网技术等多项科学任务。通过“赏月”号的开发,韩国确保了深空导航所需的弹道月球转移技术(BLT)的轨道运行能力,国产化了大容量高推力推进系统,为未来全面的宇宙探索奠定了必要的基础。此外,此次与美国联合执行探月行动,有望使韩国探月能力得到世界认可。

航天器成功入轨需要搭乘运载火箭,运载火箭的成功发射离不开地面发射场的基础运作。建设一个承载将航天运载火箭从地面发射到外层空间全部任务的发射场对国家发展航天事业至关重要。进行火箭发射的地点、基础设施和设备通常被称为发射场或航天中心。建设航天中心在选址方面要考虑诸多因素,韩国目前仅有罗老航天中心可承载火箭发射任务。罗老航天中心位于全罗南道高兴郡,主要设施包括发射台、发射控制楼、发射体综合组装楼、卫星试验楼、固体发动机楼、追踪雷达楼、光学装备楼、济州追踪所、宇宙科学馆等。考虑到地形,以及安全性和环境方面等,罗老航天中心最大限度地利用了现有地形。但根据航天大国的航天中心选址条件进行综合分析,当前罗老航天中心的发射场存在若干局限性。由于发射方向的限制,其还不能够将航天器投射到各类轨道上,这使得验证和保护独立的航天技术变得困难。同时,由于无法确保足够的安全区域,每次发射都可能与周边国家就侵犯领空和领海发生政治和军事争议。

总体而言,韩国的航天科技发展在近年得到较大提升,虽然起步晚但发展迅速,已建设相对完备的航天设施,具有自主研发、本土发射的基本条件。但与先发展起来的航天大国相比,韩国航天科技还须有长足的进步和发展。

3 韩国航天科技的未来走向

加速推进航天事业发展,开发多样化、实用型航天项目,是韩国航天科技未来的发展方向。根据宇宙开发促进工作委员会发布的2022年《宇宙开发振兴实施计划(草案)》,韩国2022年投资7 340亿韩元用于宇宙开发的各项活动,较2021年增长约18.9%。与此同时,韩国将同时开展包括运载火箭、卫星研发和太空探索在内的三大航天任务,这在韩国航天发展史上是第一次。另据韩国科学技术信息通讯部消息,韩国计划从2022年开始到 2031年,研发共计170余颗以公共服务为目的的人造卫星,并将为此进行40余次国产运载火箭的发射,开启未来10年航天事业加速发展的新蓝图。航天事业加速发展的同时,其航天项目开发更加多样,更重实用。2018年制定的《第三次宇宙开发振兴基本计划》已明确提出以“提高人民的安全和生活质量”为最终目标,调整了提高国家地位和经济发展的计划目标。考虑到了对太空的持续挑战,也考虑到了为人民安全和生活质量做出实际贡献与太空发展现实之间的协调。传统的卫星、运载火箭研发依旧是韩国未来航天事业的中心,但同时韩国还将开启韩国卫星导航系统(KPS)、探月、小行星探测等多个项目。航天事业的发展,更重要的是要有实用性,以KPS为例,今年起韩国将投资3.72万亿韩元建成该系统,这将是韩国航天产业史上投资规模最大的项目。系统建成后,厘米级高精度定位、导航和视觉信息将成为自动驾驶汽车等第四次产业革命成果的重要基础。值得一提的是,《第三次宇宙开发振兴基本计划》中提出,韩国在对比发达国家与发展中国家发展后,认定不仅要进行与发展中国家一样的实际利益性航天活动,还要考虑东北亚的地缘政治位置等战略技术获取方面。未来国防空间资产也将被投射到轨道上。例如,425军用侦察卫星将在2025年前投射到低轨道。韩国运载火箭发射成功之后,韩国军方准备以此进行实验,希望可以推进韩国导弹技术的进步。如果这样的实验获得圆满成功,那么未来韩国监测卫星到位后,韩国进行全面监控和反制的能力将大大提升。

自主研发与国际合作并举。近年来,韩国不断加强自身航天技术独立性发展,大量培养航天人才,实现固体发动机燃烧、卫星零部件生产等核心技术的自主研发。以多功能实用卫星为例,其技术的国产化程度不断提高(表3),这也是韩国航天技术独立性发展的一个表现。新冠肺炎的流行在一定程度上造成韩国卫星制造关键零部件海外供应的中断,乌克兰危机的爆发又使俄罗斯与韩国合作的卫星发射计划几度推迟。诸多因素影响下韩国也意识到自主、独立研发的必要性和紧迫性。随着自主研发运载火箭的成功,提振了韩国发展航天事业的信心,在之后的研发中将更大程度验证其可靠性,以期实现更主动、独立的航天活动。虽然,韩国的自主研发能力在不断进步,但从其航天科技发展的现状来看,要想在当前航天水平较为发达的竞争环境中获得国际认可,大幅度推进其宇宙探测,节约研发成本,韩国仍需以航天发达国家为中心保持多边的国际合作。韩国此前一直依赖与俄罗斯的航天技术合作,俄罗斯以先进技术偿还贷款对韩国航天事业发展产生了重大影响。但在目前国际环境情况下,韩国与俄罗斯的合作可能会稍有停滞,而与美国以韩美同盟为基础的太空领域合作会不断加强。目前,韩国与美国国防方面合作比较紧密,2013年开始举办韩美国防空间合作会议(Space Cooperation Working Group,SCWG),旨在推进双边国防空间政策发展、航天人力训练和培养及交流、航天领域认识。2022年双方首次就“韩美空间政策联合研究”达成协议,以制定韩美同盟级别的空间政策,加强空间反应能力,应对日益增长的太空安全威胁。

表3 多功能实用卫星的技术国产化趋势 %

资料来源:《第三次宇宙开发振兴基本计划》(修改案)。

发挥民营企业作用,推动战略性航天产业发展。2013年底,韩国政府发布雄心勃勃的面向2040年的《航天发展中长期规划》,并首次出台了《航天技术产业化战略》。在这两个文件中再次确认航天技术及产业的战略性地位,明确指出,韩国政府将积极培育新兴战略性的航天产业发展。随着美国特斯拉等民营企业的蓬勃发展,韩国也在航天产业进入民营主导的“新太空时代”上达成共识,政府正在推进国内航天技术转移、建立民营企业运载火箭发射场等项目,提高国内民营企业的航天科技水平,帮助企业通过航天开发产生经济利润。与此同时,韩国企业也积极响应航天产业建设。韩国航空航天工业公司(KAI)目前正推动私人太空中心的建设,该项目将成为引领民间主导的航天工业化的转折点；致力于软件开发的韩软公司(Hancom)积极涉足卫星研发领域,计划5年内发射50颗以上人造卫星,构建群集卫星体系。KT SAT以新一代卫星技术开启440万亿韩元的航天工业时代,将作为过去50年来引领韩国卫星通信技术发展的代表航天公司振兴韩国航天工业。在政府的引领号召、企业的积极投入下,韩国企业在航天科技发展、航天事业进步的作用将越来越明显。