崛起的航天大国

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  约在14世纪末期,明朝一个名叫万户的士大夫做出了惊人的举动。他在一把椅子上绑了47个自制的火箭,自己坐上去,双手拿着一只大风筝。他设想的是利用火箭的推力飞上天空,然后利用风筝平稳着陆。这是中国航天史上的第一个探路人。从那时起,中华民族探究空天的步伐一刻也没有停止,就像嫦娥奔月的传说,总是连接着我们与太空的誓约。
  自1956新中国航天事业起步以来,梦想逐渐成为现实。而今“嫦娥”终于“落”月,随之落定的,还有中国作为世界航天大国的历史地位。这是中国航天的新高度,也是中国梦想的新起点。从嫦娥登月到未来空间站的建设,从憧憬中的载人探月到火星探测,中华民族的梦想必将写在更加高远的太空。
  卫星上天——中国航天第一步
  新中国的航天事业起步于1956年。这一年的10月6日,中国第一所火箭导弹研究机构——国防部第五研究院正式宣布成立,标志着中国航天事业从此走上世界的舞台。当人类第一颗人造地球卫星于1957年进入太空后,钱学森等科学家积极倡议中国开展人造卫星的研究工作,毛泽东同志次年在党的八大二次会议上郑重提出:“我们也要搞人造卫星。”
  根据这一战略考虑,中国科学院把研制发射人造卫星列为1958年第一次重点任务,揭开了中国向太空进军的序幕。广大科技工作者奋发图强,埋头苦干,克服困难,完全依靠自己的力量,踏上了征服太空之路。当时受到“大跃进”影响,曾提出过研制高能推进剂运载火箭、发射重型卫星和要在1959年国庆节将中国的第一颗卫星送入太空的设想。但这种设想脱离了中国的经济实力、科技水平和工业基础,因而缺乏实现的可能。
  1959年1月21日,中国科学院党组传达邓小平同志指示:卫星1960年至1961年不放,与国力不相称。据此,调整任务部署,提出“以探空火箭练兵、空间物理探测打基础、不断探索卫星发展方向,筹建空间环境模拟试验室,研究地面跟踪接收设备”的具体方针。通过贯彻这一方针,中国在火箭技术、航天器技术、有效载荷技术、姿态控制技术、轨道设计和发射技术的研究和试验,以及人才的培养和训练等都取得了很大的进展。
  1960年2月,中国自行设计制造的试验型液体燃料探空火箭首次发射成功,9月,探空火箭发射成功。1965年9月,中国科学院组建卫星设计院,提出第一颗人造地球卫星“东方红一号”的设计方案。1970年4月24日,“东方红一号”从酒泉卫星发射中心顺利升空,使中国成为继苏联、美国、法国和日本之后,第五个完全依靠自己的力量成功发射卫星的国家。
  “东方红一号”卫星为近似球形的72面体,重173千克,直径约1米,采用自旋姿态稳定方式,转速为120转/分,外壳表面由按温度控制要求经过处理的铝合金为材料,球状的主体上共有四条二米多长的鞭状超短波天线,底部有连接运载火箭用的分离环。卫星飞行轨道为近地点439公里、远地点2384公里、轨道平面和地球赤道平面为倾角68.5度的近地椭圆轨道,运行地球一圈周期为114分钟。“东方红一号”的主要任务是进行卫星技术试验、探测电离层和大气层密度。这颗卫星不仅达到了设计要求,而且重量超过了前4个国家第一颗卫星重量的总和。“东方红一号”的升空,在全世界引起了巨大的轰动,极大地提高了中国在世界上的威望。卫星设计工作寿命20天(实际工作寿命28天),期间把遥测参数和各种太空探测资料传回地面,并以20兆赫的频率持续发射《东方红》音乐,至1970年5月14日停止发射信号。
  “东方红一号”卫星,反映着当时我国的经济、科技、社会和军事能力发展水平,是国家综合国力的重要标志,也是影响国际关系格局的重要因素,对于增强民族自豪感和凝聚力具有重要作用。“东方红一号”卫星上天,在许多国家引起了强烈反响,国外纷纷发表评论指出,这颗卫星发射成功,“体现了中国一直在依靠自己的力量为人类的幸福和进步进行宇宙开发”,“表明中国的科学技术和工业进步达到新高度”,“是中国科学技术和工艺方面取得的突出成就”,“中国掌握了先进火箭技术和制造出大型火箭的技能”。
  从那时起,“严肃认真,一丝不苟,稳妥可靠,万无一失”等指示,就成为了我国航天科技工作者的座右铭。
  卫星回收——航天大国新起点
  通常,卫星发射入轨之后,就在太空执行任务,并不需要返回地面。如通信、导航、气象卫星都是如此。但是有的卫星却需要回到地面,如侦察卫星获得的情报、科学实验卫星携带的实验品等。这就是返回式卫星。研制返回式卫星是航天发展史上的一个重要突破。
  中国返回式卫星的研制工作始于1966年。在攻克了卫星姿态控制技术、卫星再入防热技术和卫星回收技术等一道道难关后,1975年11月26日,第一颗返回式卫星终于由“长征二号”运载火箭发射成功。它在轨道上运行了3天,11月29日按预定时间返回了祖国大地。
  返回式卫星与其它卫星的主要区别之一是,需要从空间轨道重新回到地面,掌握返回技术是其成功的法宝,这也是一道世界难题,就是在今天掌握它的国家也寥寥无几。为此,美国曾耗费了12颗卫星失败的高昂代价,苏联也同样支付了13颗卫星的学费,而中国则少得多。为使航天器安全返回并准时定点着陆,必须要掌握返回控制和制导、再入防热、回收和着陆三项关键技术。
  首先,卫星返回之前先要调整飞行状态,即脱离原来的运行轨道。卫星脱离原有轨道的速度叫做“再入速度”。再入速度与地平线所形成的俯角称为“再入角”。卫星重返大地对再入角的要求十分严格,一般须在3至5度。火箭的点火时间、推力方向、推力大小与时间长短都会影响到再入速度和再入角的准确度。这就要求有灵敏而可靠的火箭制动(反推力)发动机。
  其次,卫星在降落过程中,会磨擦生热。尤其是当它降到离地面60到70千米时,会与大气层磨擦产生大量的热能,使其表面发生燃烧。这就需要卫星有特殊的耐高温材料。
  再次,卫星返回地面需要很长的运行区间,必须不间断地对卫星进行精确测量和全程跟踪,并根据实测轨道参数对卫星的程序控制数据进行必要的控制和管理,为此就要建立更大范围、更多功能的地面测控网。   最后,卫星降落到离地10至20千米时,必须使用降落伞来再次降低速度。降落伞的打开必须非常准时,否则卫星就不能够安全着陆。卫星降落后,还必须能够准确标示出自己的位置,以便于地面人员寻找。由此可见,卫星回收的一系列程序中都包含复杂的技术问题,难度是很大的。
  一箭多星——经济与军事意义并重
  “一箭多星”是用一枚运载火箭同时或先后将数颗卫星送入地球轨道的发射技术。这种发射方式能充分利用运载火箭的运载能力,降低卫星发射成本,使相关联的多颗卫星保持密切配合。
  最早实现“一箭多星”的国家是美国。1960年,美国首次用一枚火箭发射了两颗卫星,1961年又实现了一箭三星,接着,前苏联多次用一枚火箭发射8颗卫星,后来欧洲航天局也掌握了这种发射技术。
  1981年9月20日,中国成功地运用了“一箭多星”技术进行航天发射。清晨5时28分40秒,中国运载火箭携带着“实践”2号、“实践”2号甲和“实践”2号乙三颗卫星,从发射台上起飞。三颗卫星离开运载火箭后,分别顺利进入预定的地球轨道,在太空遨游,执行太空探测任务。
  中国继美俄之后成为第三个独立掌握“一箭多星”发射技术的国家。“一箭多星”的发射成功,标志着运载火箭能力的提高,标志着发射技术和火箭与卫星分离技术上的新突破。
  如何才能用一枚火箭发射多颗卫星呢?一种是把几颗卫星一次送入一个相同的轨道上。第二种是分次分批释放卫星,使各颗卫星分别进入不同的轨道。
  “一箭多星”有很多好处。一方面是争取更大的国际商业发射份额。许多国家能够制造卫星,有发射卫星的需求,但没有研发和运营运载火箭的能力。所以,发射成本较低、安全系数较高的相关国家就能赢得更好的口碑,更具吸引力。另一方面,通过多次“一箭多星”的发射活动,能够发展自身的大推力火箭技术,包括星箭分离、卫星控制,以及整个航天发射测控系统等多方面的技术。最重要的是,能在“一箭多星”的基础上完善分导式多弹头的技术,这在军事方面有着极其重要的战略意义。
  2013年11月21日,在俄罗斯俄奥伦堡州的亚斯内发射基地,一枚“第聂伯号”运载火箭发射成功,并将其携带的32颗多国各种用途卫星送入既定轨道。这一举措让美国“弥诺陶洛斯”火箭创造的“一箭29星”的世界纪录仅仅维持了两天。
  目前,世界上掌握“一箭多星”发射技术的只有美国、俄罗斯、欧盟、中国及印度。这项先进的发射技术不仅具有颇丰的商业价值,其背后更有着深远的军事战略意义。
  地球同步——“静止”的飞跃
  “北斗”卫星导航试验系统(也称“双星定位导航系统”)为我国“九五”列项,其工程代号取名为“北斗一号”,其方案于1983年提出。我国的“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划为:第一步是试验阶段,即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务,为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验,研制一些地面应用基础设施设备等;第二步是到2012年,计划发射10多颗卫星,建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统;第三步是到2020年,建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。
  日前,《青岛市卫星导航产业发展规划(2013—2020)》制定出台。根据规划,青岛将打造北斗卫星导航的示范应用城市,力争到2015年产值超过20亿元,到2020年超过100亿元。同期,湖南岳阳、甘肃兰州等地也相继推出北斗卫星导航产业应用规划。这一系列消息均表明,作为全球四大卫星导航系统之一的北斗卫星导航系统,从2011年12月27日起提供连续导航定位与授时服务以来,已正式进入快速应用阶段。
  北斗卫星导航系统的成功,在中国航天史上可谓浓墨重彩的一笔。从技术上分析,为其提供核心支撑的地球同步轨道卫星是最大的飞跃。
  地球同步轨道又称24小时轨道,卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期(23小时56分4秒),且方向亦与之一致,卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同,当轨道与赤道平面重合时叫做地球静止轨道,即卫星与地面的位置相对保持不变。
  倾角为零的圆形地球同步轨道称为地球静止轨道,因为在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空,相对于地球表面是静止的。这种轨道卫星的地面高度约为3.6万千米。它的覆盖范围很广,利用均布在地球赤道上的3颗这样的卫星就可以实现除南北极很小一部分地区外的全球通信。
  要将同步卫星发射到同步轨道上,却是相当困难和复杂的。因为受火箭运载能力的限制和发射场一般不处于赤道上的影响,多数的运载火箭不能将卫星直接送到同步轨道上,必须分为三个阶段才能入轨。
  1984年4月8日,我国用新型“长征3号”运载火箭将试验通信卫星“东方红2号”送入赤道上空的静止轨道运行,不仅成为世界上第三个掌握氢氧发动机技术的国家,而且也是世界上第五个独立发射地球静止轨道卫星的国家。
  2000年10月31日凌晨,中国自行研制的第一颗导航定位卫星——“北斗导航试验卫星”在西昌卫星发射中心发射升空,顺利进入预定轨道,使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域,产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。
  2007年4月14日4时11分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功将一颗北斗导航卫星送入太空。约14分钟后,星箭分离。西安卫星测控中心传来的数据表明,卫星准确进入预定轨道。此举标志着北斗卫星导航系统正式开始组网。此后五年间,我国陆续将15颗组网卫星发射升空。在2012年10月25日发射的第16颗北斗导航卫星进入预定轨道后,我国二代北斗导航工程的最后一颗卫星组网成功,至此,我国北斗导航工程区域组网顺利完成。   载入航天——“飞天”梦圆
  1970年“东方红一号”发射成功后不久,时任国防部五院院长的钱学森向中央提出中国应该发展载人航天,并提交发展中国载人航天事业的报告,得到毛泽东亲笔批示同意。这是中国载人航天的起源点。
  进入80年代后,中国的空间技术取得了长足的发展,具备了返回式卫星、气象卫星、资源卫星、通信卫星等各种应用卫星的研制和发射能力。特别是1975年,中国成功地发射并回收了第一颗返回式卫星,为中国开展载人航天技术的研究打下了坚实的基础。
  1992年1月,中国政府批准载人航天工程正式上马,并命名为“921工程”。在“921工程”的七大系统中,核心是载人飞船,载人飞船则由中国空间技术研究院为主来进行研制。“921工程”正式上马时中央就提出了“争8保9”的奋斗目标,即1998年要在技术上有一个大的突破,1999年要争取飞船上天。
  1999年11月20日,中国第一艘无人试验飞船“神舟”一号飞船在酒泉起飞,21小时后在内蒙古中部回收场成功着陆,圆满完成“处女之行”。这次飞行成功为中国载人飞船上天打下非常坚实的基础。2001年1月10日,中国在酒泉卫星发射中心成功发射了“神舟”二号飞船。2002年3月25日,中国在酒泉卫星发射中心成功发射了“神舟”三号飞船。同年12月30日,中国在酒泉卫星发射中心成功发射“神舟”四号无人飞船。
  2003年10月15日9时9分50秒,我国自行研制的第一艘载人飞船神舟五号发射升空,将航天员杨利伟送入太空。大约21个小时后,即16日6时23分,神舟五号飞船在环绕地球14圈之后,成功着陆。这标志我国首次载人航天飞行获得圆满成功。从此,中国成为世界上第三个独立掌握载人航天飞行技术的国家。
  2005年10月12日至17日,神舟六号飞船实现了两人五天的太空飞行,迈开了从航天大国走向航天强国的新步伐;2008年9月27日,中国航天员翟志刚从神舟七号飞船上进行了太空行走,中国成为世界上第三个航天员能从本国自主研制的航天器上独立进行太空行走的国家。2011年11月1日,神州八号无人飞船发射成功,与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空间交会对接。2012年6月16日,神舟九号搭载景海鹏、刘旺与中国首位女航天员刘洋升空,并首次实施载人空间交会对接。2013年6月11日,神舟十号发射升空,在轨飞行15天,并首次开展航天员太空授课活动。
  “神舟”飞天,太空漫步,入住“天宫”……中华民族的千年梦想,随着神舟飞船的每一次升空一一成真。回首中国载人航天的辉煌历程,恰似一场华美的太空舞蹈,背后却凝结着无数航天人的辛勤汗水。从无人到有人,从一人到多人,从一天到多天,从首次进入太空到出舱行走再到交会对接、访问在轨飞行器……中国人的“太空舞步”越跳越远,精彩连连。从神舟一号到神舟十号,中国载人航天接连取得历史性突破,靠着勇攀高峰的创新勇气,中华民族正把一个个实现梦想的伟大跨越,标记在浩瀚太空。
  探月工程——嫦娥赴约
  1998年,原国防科工委正式开始规划论证月球探测工程,并开展先期科技攻关。2004年1月,绕月探测工程立项;2月,绕月探测工程命名为“嫦娥工程”。和卫星导航系统一样,“嫦娥工程”也按照“三步走”的战略实施,即“绕、落、回”。
  绕月探测工程,由嫦娥一号卫星承担。2007年10月24日,嫦娥一号发射成功,随后,来自嫦娥一号的一段语音和《歌唱祖国》歌曲从月球轨道传回,中国首次月球探测工程第一幅月面图像通过新华社传到了世界各地。2008年11月12日,由嫦娥一号拍摄数据制作完成的“中国第一幅全月球影像图”公布。这是世界上已公布的月球影像图中最完整的一幅影像。
  “绕月”任务圆满完成后,进入探月工程二期“落月”阶段,“落月”主要任务由嫦娥三号承担。嫦娥二号由嫦娥一号“备份星”转为嫦娥三号“先导星”。
  2010年10月1日,长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心把嫦娥二号卫星成功送入太空。完成设计使用寿命后,2011年8月25日,嫦娥二号在世界上首次实现从月球轨道出发,受控准确进入日地拉格朗日L2点的环绕轨道。目前,已成为我国首个人造太阳系小行星的嫦娥二号,与地球间距离突破6000万公里,并继续向更远深空“长征”。
  在“嫦娥一号”卫星成功发射的时候,法国《欧洲时报》发表社论说,“嫦娥奔月”将一个完整的“中国梦”呈现给世界。“嫦娥二号”的成功发射,让世人看到了一个古老民族在现代化的征途上,不再沉迷流传千年的奔月神话,而是勇于实现源于现代文明的探月计划。
  2013年12月2日1时30分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭,成功将嫦娥三号探测器发射升空。14日21时11分,嫦娥三号探测器在月球表面预选着陆区域成功着陆,次日4时35分,“玉兔号”巡视器与嫦娥三号成功分离,顺利驶抵月球表面,并开展一系列就位探测和巡视勘察活动。这标志我国已成为世界上第三个实现地外天体软着陆的国家。
  2013年12月16日,国务院新闻办公室举行发布会介绍探月工程嫦娥三号任务有关情况,国防科工局新司发言人吴志坚表示,嫦娥三号实现了我国航天领域的“七大创新”,任务的圆满成功标志着我国探月工程“绕、落、回”第二步战略目标的全面实现。嫦娥三号任务成功后,探月工程将转入三期,主要目标是实现无人自动采样返回。从目前了解的情况看,执行这一任务的嫦娥五号研制进展顺利,预计于2017年前后完成研制并择机发射。
  结语
  1965年的仲夏,中国第一颗人造卫星发射升空,十年前的深秋,乘坐神舟五号飞船环绕地球飞行的杨利伟,第一次将五星红旗展示于茫茫太空。十年后的冬夜,随着嫦娥三号探测器在月面成功互拍,全球观众通过电视直播看到了五星红旗在地外天体上的第一次“留影”。
  数十年间,中国航天从距地几百公里的太空稳健走向38万公里外的深空,同时,载人航天“三步走”行程已经过半,2020年前后有望建成的空间站已经出现在美国科幻大片中……中国的航天活动始终按照自己的计划节点、按照自己的技术和经济实力脚踏实地的向前,向前。
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