载人航天的未来,美国深空探测战略的发展与演

日期:2019-11-05编辑作者:威尼斯在线平台

原标题:载人航天的未来:月球火星小行星

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深空探测是指“对大于等于地月距离的天体开展的探测活动”,一般不包括地球轨道的空间探测。而在美国航空航天局的空间探测发展规划和计划中,则统一简称为“空间探测”。 美国深空探测的发展历程可分为三个阶段,即:20世纪中期,包括20世纪50年代中期至70年代末期; 20世纪后期,包括20世纪80年代初期至21世纪开始; 21世纪初期,包括21世纪10年代中期至30年代中期。 一、美国20世纪中期的深空探测发展战略 1. 战略形成背景 美苏处于冷战状态,全面展开激烈竞争,尤其是太空竞争 20世纪40年代第二次世界大战结束后形成了以美苏各自为首的两大阵营,开始了长达40余年的冷战。美苏两国在政治、军事、科学、技术等方面展开了一场全面竞争。由于航天技术对于一个国家的政治、军事和科技具有举足轻重的标志性作用,是国家实力的象征。因此,美苏在冷战状态的背景下,从50年代起在载人航天和月球探测领域展开了一场争霸世界的太空竞争。50年代美国先后研制并发射了“水星”、“双子星座”和阿波罗飞船,与前苏联展开了一场针锋相对的争夺战。当时的美国航空航天局局长弗莱彻说:“美国不争当航天第一是不可想象的,那就意味着美国在政治、经济、军事上也屈居第二或第三。” 前苏联在太空竞争初期处于领先地位,对美国形成巨大压力 20世纪50年代,前苏联不仅抢先发射了人类第一颗人造地球卫星,而且在深空探测领域第一个成功发射月球探测器“月球”1号,60年代初又首次成功实现载人航天。它在此期间发射的月球探测器数量也超过了美国。因此,在世界深空探测活动初期前苏联居于领先地位,这对处于两霸相争状态的美国而言无疑形成巨大而紧迫的压力。正是在这种背景下,当时的美国总统肯尼迪才在美国国会两派不相上下的争论中最终下定决心开展庞大的载人登月工程。 **世界航天技术方兴未艾,深空探测备受关注 20世纪中期是世界航天技术大发展并取得辉煌成绩的高峰时期,尤其是美苏和欧洲,在火箭、导弹、地球卫星、载人航天和空间运输方面都获得了迅速的发展,这促进了对地球以外深空的奥秘进行探测的兴趣与关注,同时也具备了相应的技术与经济基础。而地球的卫星月球自然成为首选目标,并进而延伸到太阳系的其他行星。2. 主要发展战略 美国20世纪中期深空探测发展战略的主要特征是:为达到美苏太空竞赛的政治需要,以阿波罗载人登月计划为主线,争夺世界霸主地位,推动本国技术与产业发展,同时进行了无人行星探测的探索。 美国以成功实现载人登月取得了美苏太空竞赛此阶段的最终胜利,凝聚了美国民族精神 20世纪中期,美国的航天事业以载人登月为奋斗目标,被誉为美国的“阿波罗时代”,是美国20世纪载人航天和深空探测的重要里程碑。 1961年,肯尼迪在称为“紧迫的国家需要”的演讲中正式宣布了“阿波罗载人登月计划”。该计划规模庞大,历时长久,耗资巨大,倾国而动。自1961年至1972年12月第6次载人登月成功后结束,前后历时11年,共进行17次飞行,包括6次无人亚轨道飞行和近地轨道飞行,1次载人近地轨道飞行,3次载人月球轨道飞行,7次载人登月飞行。 阿波罗载人登月计划的成功实施使美国在与前苏联的太空竞争中取得了最终胜利。同时,这一宏大的航天计划的顺利实现向世界证明了美国的国力,激发了美国人的爱国热情,收到潜力无穷的凝聚人心的效果。 其实早在20世纪50年代,美国就为实现载人登月的宏伟计划而研制了无人月球探测器,从1958年8月率先进行了无人月球探测,至1968年4月阿波罗载人环月飞行前共发射34次无人探测器,其中包括5个“先驱者”、9个“徘徊者”、4个月球号、6个“勘测者”、2个“探险者”、5个“月球轨道器”以及3个无人绕月飞行试验的阿波罗飞船(用以探测月球表面,为阿波罗载人登月飞船选择月面降落区)。利用深空探测推动了技术与产业的发展 阿波罗登月计划的成功实施为美国以后的载人航天计划奠定了雄厚的技术基础,特别是在航天制导与控制以及电子技术等领域取得了很多成果,推动了美国的技术创新,促进了新兴高技术产业的兴起。美国在阿波罗飞船研制和登月期间,国民收入翻了一番,而在该计划完成后的一段时间,国民收入再翻一番,这其中航天技术向国民经济部门的转移无疑做出了重大贡献。威尼斯在线平台 ,为显示领先地位,美国启动了对太阳系各大行星和太阳的探测 为了美苏太空竞争的需要和在深空科学探测领域的争雄,美国在开展阿波罗载人登月计划的同时,开始迈向比月球更远的空间,开展对太阳系中的火星、金星、木星、土星、天王星和海王星的探测以及太阳监测。20世纪60~70年代,美国实施了水手号系列、火星号和海盗号系列的无人火星探测计划,3个水手号和2个金星先驱者的无人金星探测计划,先驱者11号和旅行者1号的无人木星/土星飞越探测计划,旅行者2号的木星/土星/天王星/海王星探测以及太阳神1、2号的太阳探测。开始探索深空探测技术,但总体水平尚处于“初级阶段” 值得注意的是,在此阶段美国的深空探测虽然取得了举世瞩目的成就,但是由于时间过于仓促,技术发展并不十分成熟,加上缺乏实际经验,致使发射与探测失败率较高,总体技术水平尚处于“初级阶段”。二、美国20世纪后期的深空探测发展战略 1. 战略形成背景 对庞大的阿波罗登月计划进行战略反思,科学任务也需要深入研究 阿波罗计划原计划发射20次,但仅发射了17次就宣告结束。其后,美国对这项耗资高达250亿美元的庞大计划进行了相当一段时间的冷静反思,国内也出现了一些非议。一篇评价阿波罗计划的文章指出:“由政治原因发起的阿波罗计划成功地达到了它的政治目的,但是阿波罗计划完成后,为登月而研制的部件对美国其它航天计划的适用性极为有限”。另一篇调研报告更指出:“强烈希望我们的另一个载人计划不是另一个‘阿波罗’——只是一次性的突击飞行或是政治上的特技表演”。1988年美国航天政策委员会在向总统的建议中指出:“载人航天是取得航天领先地位的必要因素,但是载人计划不能在技术、科学和应用方面削弱其它重要的民用航天计划,而且要在持续的基础上稳步发展,量力而行”。 另一方面,阿波罗计划所取得的许多科学探测数据也需要进行深入分析研究,不能使数百亿美元的代价白花,因此需要冷静下来一段时间。载人航天与空间探测转向近地轨道,影响深空探测活动的开展 20世纪70年代,在美苏太空竞争依然延续的背景下,美国的空间探测已逐渐由载人登月转向近地轨道载人航天器的争夺。首先,美国从70年代起竭尽全力发展具有创新精神的重复使用航天飞机;同时,也开始发展空间站,早于1973年就利用剩余的土星5火箭和飞船硬件发射了试验性的“天空实验室”,继而于80年代克林顿时代又设计了自由号和“阿尔法”空间站,最后于90年代因经费预算太大而被迫进行国际空间站建设。但这两项都是耗资巨大的工程,NASA在1970~1989年间已为航天飞机拨款近400亿美元,又在1994~2000年间为国际空间站拨款132.5亿美元。由于发生这样的重大战略转移,深空探测显然缺乏经济与技术的支持。冷战状态逐渐结束,太空竞争不再是两强之争 20世纪80年代,前苏联勃列日涅夫时代结束,戈尔巴乔夫实施改革,90年代后前苏联解体,局势动荡,国力剧降,经济拮据,不能再继续像过去那样以每年100亿美元的投资去发展航天事业,致使航天事业开始走下坡路。尽管俄罗斯还具有相当的导弹与航天技术实力,但在深空探测领域已不再是与美国旗鼓相当的竞争对手了。在这种形势下,美国已基本不存在利用载人航天和深空探测进行政治争斗的动力,反而在许多航天技术领域美俄还开展了各种合作,如1993年两国签署了空间合作联合公报,扩大联合载人空间飞行,并组合两国的空间站和美国航天飞机,直至90年代后期俄罗斯直接参加国际空间站的建设。2. 主要发展战略 美国在20世纪后期深空探测发展战略的主要特征是:在美苏载人航天与空间探测的争霸转向地球轨道的背景下,调整深空探测战略,放缓步伐,停止载人探测,开展深入的无人行星探测,注重小天体探测。停止载人深空探测,但是雄心并未泯灭 20世纪70年代中期以后,美国对阿波罗计划进行了总结和反思,对深空探测发展战略进行了重大调整,在以后长达20年的时间内从未再提载人深空探测。但是美国并未放弃载人深空探测的欲望。1989年7月20日,美国总统布什在庆祝阿波罗登月20周年大会上又提出新的“空间探索倡议”,要在21世纪10年代重新登陆月球并建立月球基地,进而在20年代实现载人登陆火星。随即NASA提出“载人探索月球、火星90天研究报告”,美国国家研究委员会也对此作出评审报告。但是此举预计将耗资高达4000亿美元,而且存在一系列技术难题,例如为支持月球和火星前哨基地就需要研制分别可运送68t和136t有效载荷的重型火箭,而且每年要发射3~13次。因此这一倡议遭到多方反对,只能成为泡影。长期未进行月球探测,潜心深入研究向更高科学目标迈进 美国通过阿波罗计划获得了大量科学探测数据,通过对这些数据的研究取得了许多成果,加深了人类对月球的实际了解与认识,促进了对地月系统起源与演化的研究。但在之后的20多年中,美国没有再对月球进行探测,导致出现了月球探测的“沉寂期”。直到1994年,美国发射了克莱门蒂娜月球轨道器,绘制月球数字地形图,竟意外发现了月球南极存在水的证据,从而燃起了重新探测月球的愿望,并于1998年发射了“月球勘探者”轨道器,但是未能如愿。不过,这给21世纪重返月球的高潮埋下了重要而宝贵的伏笔。重点转向更远深空的无人探测,开始小天体的探测 在此阶段,美国在深空探测领域转向更远深空的无人探测,探测重点逐步转向其它行星的深入探测,尤其是行星的表面巡视。美国从20世纪90年代发射了火星探测器“火星全球勘测者”和“火星探路者”,并开始探索设计与研制勇气号和机遇号火星车、“火星侦察轨道器”等,并发射了尤里塞斯太阳极轨探测器。与此同时,美国还相继发射了一些小行星和彗星探测器,如“近地小行星交会”探测器、深空1号小行星探测器和星尘号彗星探测器等。探测技术水平不断提高 在此阶段,美国深空探测的技术水平不断提高,探测器采用了很多新的关键技术,发射与探测成功率也不断上升。如美国使深空探测技术与先进的航天飞机技术相结合,在80年代末,利用航天飞机成功发射了“麦哲伦”金星轨道器和“伽利略”木星轨道器。三、美国21世纪初期的深空探测发展战略 1. 战略形成背景 航天飞机和国际空间站计划受挫,寻求新的太空发展出路 美国在阿波罗登月计划后实施的重大载人航天工程,包括航天飞机计划、重复使用运载器计划和国际空间站计划,尽管耗资巨大,但均未取得预期成果。其中6架航天飞机损失两架;重复使用运载器计划因技术和经费问题一再延迟甚至取消;国际空间站计划经费严重超支,计划进度一拖再拖,成为美国的一个沉重负担。尤其是2003年哥伦比亚号航天飞机的失事,不仅给美国载人航天计划带来危机,也给政府带来巨大压力。哥伦比亚号事故调查委员会在其调查报告中直言不讳地批评说,自1961年约翰·肯尼迪总统提出10年内将美国人送上月球以来的30多年中,美国在载人航天领域一直未能制订出清晰的国家战略目标。进入21世纪,美国政府面临着如何继续实施载人太空计划的难题,需要对下一步太空发展目标做出重大抉择。而与此同时,美国经济与科技水平的发展也为重返月球提供了新的基础。在新一轮太空竞赛中不甘落后,在深空探测领域继续保持霸主地位 进入21世纪前后,世界各国掀起了一股深空探测和载人航天热,除美国外,欧洲、俄罗斯、日本、中国、印度等国家和地区均提出或实施了月球和火星等空间探测计划,已经开始新一轮的太空竞赛。不同于20世纪冷战时期以政治因素为主的“太空战”,这一轮竞赛是在新的高度上既有合作又有竞争的新的角逐。目前,美国在空间技术方面仍然是世界上唯一的超级大国,它必然要继续保持其在航天领域的霸主地位。2004年美国总统宣布“空间探索新构想”之后,一些分析家认为,美国新太空计划隐含着保持航天领先和世界航天霸主地位,甚至控制太空的深层目的。NASA局长格里芬就曾明确表示:“美国一定要在太空探索中保持自己的领先地位”,“太空总要被探索、被开发,如果我们不干别人也会干。我们当然希望全人类和我们一起参与,但绝不希望只有别人而没有我们。”在空间的探索、开发和利用上,谁先到达,谁先开发,谁先得利,美国自然要占有先机,以求获得最大的优势与利益。因此,在冷战结束后“一霸多强”的格局下,不同利益集团或国家在空间探测领域进行的政治、技术和经济的较量呈现出多样化、实用化和竞争与合作并存的新态势。政治斗争和经济发展需要打“航天牌”,深空探测和载人航天正好是两把利剑 21世纪的美国面临恐怖主义袭击和“反恐”战争所带来的负面影响,加之经济的衰退,必须在政治和经济上取得新的突破,而航天事业的发展正好成为一剂良好的强心剂。美国多届领导人正是依靠打“航天牌”来提升人气,吸引纳税人的支持,历史上支持航天大项目的总统,往往获得更多的民众支持;反对航天大项目的总统,往往遭到批评与指责。而深空探测和载人航天正好是重整旗鼓、显示威力的两把利剑。为了寻求水和生命存在的证据,对月球和行星探测抱有强烈希望 长期以来,美国一直想继续实现在60年代“阿波罗时代”未曾达到的月球和火星科学探测目标;20世纪90年代美国又发现了在月球上存在水的痕迹,更加强了重返月球的愿望;此外,对太阳系其他天体是否可能存在生命也心存疑虑,打算进行深入探测,以求发现奇迹。2. 主要发展战略 美国21世纪初期深空探测发展战略的主要特征是:在“一霸多强”和新一轮太空竞赛的背景下,以重返月球和载人登陆火星为主线,全面探索深空奥秘和开发利用空间资源,维持世界霸主地位,倡导开展国际合作。美国在新世纪的空间探测发展战略——“探索精神的复兴:美国空间探索远景规划” 2004年1月14日,美国总统布什发布了新的国家空间计划总统令——“探索精神的复兴:美国空间探索远景规划”。实际上,这正是美国在新世纪的空间探测发展战略,为美国的空间探测描绘出新的前景蓝图。该构想的基本目的是“通过有力的空间计划推进美国的科学、安全和经济发展”。基本目标是:①实施一项探索太阳系及更远空间的持续和经济上可负担的载人与机器人计划;②扩大人类在整个太阳系的存在范围,首先于2020年前实现载人月球返回,为载人探索火星及更远目的地作好准备;③开发新的技术、知识并建立基础结构,以探索和支持有关载人探索的目的地的决心;④促进在探索中的国际和商业参与,以增进科学、安全和经济效益。主要内容是在2020年前重返月球,随后深入太阳系进行探测,最终将人类送往火星或更远的深空。新世纪的深空探测将综合考虑美国在政治、科学、技术和经济利益等方面的需求 美国希望通过深空探测得到的利益是多方面的,主要包括下列需求: ①政治目的:航天事业在美国的政治生活中具有独特的地位,开展深空探测将使美国继续保持世界航天霸主地位,提升综合实力,取得的成就能够提高美国政治家的威望。 ②科学目标:研究太阳系起源与演化,探索生命起源和类地天体的奥秘,获得有关整个宇宙的新知识等。深空探测将使美国在最大范围内在世界空间科学领域占据领先地位。 ③技术带动:与阿波罗登月计划对美国技术及产业的巨大影响一样,新的深空探测计划也将带动一大群新技术的研发与利用。 ④经济利益:深空探测不仅可以使美国通过探索与开发空间资源获得直接经济利益,而且可以带动一大批相关产业的发展。深空探测的各项计划与工程将为产业界特别是大型航天企业带来巨大的利益,增加许多航天承包合同;宏伟的太空计划还可以为美国创造成千上万的就业机会。美国重返月球的6个基本理由之一就是“经济扩展”。 ⑤社会效益:载人登月和登陆火星等宏伟蓝图将引起美国民众的积极响应,收到凝聚人心的效果。同时,各种深空探测计划的实施将激励美国青少年对航天工程与科学的热爱。重点探测目标是重返月球和登陆火星,完成20世纪未竟事业 在美国“空间探索新构想”的指引下,NASA也提出新的“空间探测计划”,对载人航天进行重新定位,制定了“重返月球计划”,并计划下一步探测火星和进入更远的空间。重视空间探索研究,确定探索太阳系、寻找地外生命和类地天体的发展方向 美国将空间探索重新作为人类空间飞行计划的重点,制订了总体计划,目标包括:开展天基地球研究,认识太阳及其影响,增加有关太阳系历史、地外生命存在的可能性和探索空间面临的灾害和资源的知识,发现宇宙的起源、结构、演化和命运,并寻找类地世界。仍采取从机器人探测到载人探测的发展途径,但是更加重视前期技术的开发与验证 在NASA的“空间探索计划”中,确定了新一轮的从机器人探测到载人探测的发展路线。但是,21世纪的重返月球不同于20世纪的载人登月,任务要求和技术水平均大大提高;而且火星探测也需要采用一系列更为先进的关键技术。因此,美国在新一代深空探测器和运载器的研制中,十分重视做好前期技术开发与验证工作。在NASA的“空间探索计划”中专门制定了“探索技术开发计划”,包括13个领域的21个重点项目,开发那些将使NASA能够进行未来载人和机器人任务、降低任务的风险与成本的新技术。重视人在外星空间的长期居留,广泛开展月球和火星工作站及基地建设研究 在美国新世纪的深空探测计划中,近期将广泛开展对月球前哨站及其表面系统、月球基地和火星基地的探索研究,尤其是发展新型着陆器和表面巡视探测器。这说明21世纪美国深空探测的最终着眼点是放在建立月球和火星基地上。加强国际合作,分担计划经费 2006年,NASA征询了13个国家的1000多位专家的意见,制订了“全球探测战略”,并公布了建造月球基地的初步情况。2007年13国航天局长签订了“全球探测战略”框架协议。该战略设立了6个主题,即:人类文明、科学知识、探测合作伙伴、全球合作伙伴、经济扩展、公众承诺。 由此可见,尽管美国在深空探测领域已远远走在世界的前面,但也已经开始认识到空间探测是全人类的事业,绝非一两个国家可以独揽大局、承担一切的,需要联合全世界的力量共同完成,因而把“全球深空探测”放在了一个相当的高度,寻找国际合作伙伴。这样做可以分担风险,共享成果,相对减少美国付出的巨额经费,而由世界各国共同承担。四、美国深空探测战略演变的综合分析 通过对美国20世纪和21世纪深空探测三个阶段发展战略的对比分析,可以看出发生了以下一些重要转变。从主要考虑政治因素向综合考虑政治、科学、技术和经济利益发展 20世纪尤其是中期美国的深空探测更多考虑的是政治因素,科学技术和经济效益仅处于非常次要的地位,载人登月不惜工本,虽然取得了里程碑式的胜利,但是也付出了巨大的代价,遭到了本国人的批评。21世纪的重返月球和更加宏伟的探测计划,已经十分冷静地全面权衡美国整个政治、科技与经济利益,不再片面追求得到多少“全球第一”。美国希望通过开展深空探测获得实际的多方面综合利益,从而提高美国的综合国力与威望。从两霸竞赛向欲争全球独霸、既“坚持竞争”又“利用合作”发展 20世纪在世界深空探测与载人航天舞台上曾上演过美苏“两强争霸”的大戏,而21世纪的世界航天领域已经呈现“一霸多强”的局面。美国由于实力雄厚而到处伸手,独霸全球,俄罗斯虽然在深空探测领域实力犹存但已难以与之抗衡,而欧洲和日本则在此领域显露身手,中国、印度等也开始崭露头角。在此新的竞争形势下,美国深空探测转向既竞争又合作的“双赢”发展战略。一方面美国在深空探测各领域摆出领头羊的姿态,经常采取先发制人的手法,抢先抛出有关战略和规划,开展多种研究、研制和发射活动,力争继续保持其霸主地位;另一方面则倡导“全球探测”、“国际合作”,既平衡了各种深空探测力量,又可以分担风险与经费,还可以共享科学成果。从月球探测向火星、整个太阳系或更远空间探测发展 美国20世纪中期从“载人登月”高起点起步,后期则陷入长期的探月低潮,直到21世纪又以“重返月球”为新的起点,不仅要以新的技术重新实现载人登月,而且还把目光放在火星、小天体、整个太阳系以及更远的探测目标上,其长远发展战略转向“全方位探测”。战略目标主要可分为三步:实现载人登月并建立月球前哨站和月球基地,在此基础上实现机器人火星探测和载人火星登陆并建立火星基地,进一步实现整个太阳系和更远深空的探测。从只求实现“载人上天”向“人类在太空长期生活和工作”发展 20世纪的NASA重视人类的太空飞行,认为它标志着美国国家的卓越,推动着美国科学技术的进步。载人登月、航天飞机首次成功升空和国际空间站的运行与研究成果都已被载入人类空间探测的史册,实现了人在太空的长期生活和工作,但是其人员数量十分有限,而且只是在近地轨道上,并未实现人类在月球或深空长期居留。21世纪,NASA逐渐转向系统地研究人类在深空长期生活和工作的能力,力求延长人类在深空的活动时间,进一步建立月球、火星基地,实现人类长期居住的愿望。例如,目前载人深空探测研究的重点之一就是首先在月球上建立“月球前哨站”。从大张旗鼓追求轰动效应的“冒险”、“冒进”向脚踏实地开发技术的循序渐进发展 20世纪中期美国在深空探测战略上追求“全球震撼”的轰动效应,以显示美国的强大无比。而21世纪的美国已经变得更加实际与明智,在战略上十分注重循序渐进,从继承已有技术开始,限期开发一些未来深空探测所必要的共用技术和新技术。如目前NASA着重于开发可供深空探测广泛应用的技术,包括推进、能源、计算机通信信息技术**等,认为“这些技术对NASA的深空探测任务起到杠杆作用”。□

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在57年的发展历程中,从载人飞船到空间站,世界载人航天取得了巨大的成就:

➤掌握了空间大结构组合体的装配和应用技术,使人在轨驻留成为常态(乘组轮换);

➤实现了载人登月;

➤验证了可重复使用载人航天系统的研制和使用技术;

➤完成了大规模的空间科研和试验计划;

➤验证了人造地球卫星的维护和维修技术;

➤创建了国际一体化航天飞行地面保障设施;

➤保障了非职业航天员的太空之行;

➤开展了空间国际合作。

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国际空间站

我们为半个多世纪的巨大成就而自豪,但在探索宇宙的征途中,一切才刚刚起步。正如著名学者和作家阿瑟·克拉克说的那样,“航天纪元才刚刚开始”。

未来载人航天几个主要的发展方向包括:

➤保障人进入近地空间,进一步开发近地空间的潜力;

➤开发月球,开发近月空间(建立月球基地);

➤向小行星和拉格朗日点飞行(走向深空的第一步);

➤飞向火星(人登陆火星并建立火星基地)。

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