范嵬娜(北京空間科技信息研究所) 夏輝(國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局信息中心)
2012年5月,全球空間探索大會(huì)(GLEX)在美國(guó)華盛頓召開,世界各國(guó)或地區(qū)的航天機(jī)構(gòu)高級(jí)官員及探索部門的主管,政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、非政府組織的代表出席了此次會(huì)議,北京空間科技信息研究所派出兩人參會(huì)。這次會(huì)議在《全球探索路線圖》第一版修改過程中召開,是各參與國(guó)或地區(qū)政府機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界共同研討、協(xié)調(diào)的好機(jī)會(huì),是國(guó)際合作空間探索進(jìn)程中的一個(gè)重要里程碑。
早在2006年,14個(gè)國(guó)家或組織[美國(guó)、俄羅斯、歐洲航天局(ESA)、中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本、韓國(guó)、印度、烏克蘭、澳大利亞、加拿大]的航天機(jī)構(gòu)開展了關(guān)于全球合作空間探索的一系列討論,共同繪制太陽(yáng)系機(jī)器人和載人空間探索的愿景。2007年5月,14個(gè)國(guó)家或組織的航天機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了多國(guó)合作空間探索的頂層戰(zhàn)略—《全球探索戰(zhàn)略:合作框架》。之后根據(jù)該戰(zhàn)略要求,成立了國(guó)際空間探索協(xié)調(diào)組(ISECG)。通過這個(gè)機(jī)構(gòu),各航天機(jī)構(gòu)可以交換信息,促進(jìn)各自的探索計(jì)劃及合作的探索工作。2011年9月,ISECG 聯(lián)合12個(gè)國(guó)家或組織(不包括中國(guó))發(fā)布了《全球探索路線圖》,該路線圖規(guī)劃了未來25年通過國(guó)際合作人類持續(xù)探索月球、小行星和火星的路徑和方案,規(guī)定了探索目標(biāo)和目的、任務(wù)方案及探索準(zhǔn)備活動(dòng)的協(xié)調(diào)等,促進(jìn)了全球合作探索戰(zhàn)略的實(shí)施。
參與簽訂《全球探索路線圖》的12個(gè)國(guó)家或組織表達(dá)了一致的看法,那就是空間探索活動(dòng)可以為各參與國(guó)帶來諸多價(jià)值。
關(guān)于未來25年的空間探索活動(dòng),各參與方表示要積極參與,各主要航天國(guó)家也正在開發(fā)先進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng),認(rèn)為要分階段、分步驟地探索多個(gè)目的地,主要目的地包括月球、小行星和火星,可能還包括拉格朗日點(diǎn)等其他目的地。
各國(guó)達(dá)成一致,火星是長(zhǎng)期(25年)載人探索的最終目的地,各方認(rèn)為可以通過兩種途徑實(shí)現(xiàn):“小行星優(yōu)先”方案和“月球優(yōu)先”方案。
(1)“小行星優(yōu)先”方案的主要特點(diǎn)
· 利用“國(guó)際空間站”(ISS)增強(qiáng)探索能力;
· 利用商業(yè)/國(guó)際服務(wù)提供方獲得近地軌道進(jìn)入能力;
· 驗(yàn)證地月空間載人運(yùn)行的機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)未來衛(wèi)星在軌服務(wù)/部署等任務(wù);
未來25年全球探索路線圖
全球合作空間探索的共同目標(biāo)及目的
· 在地月空間拉格朗日L1點(diǎn)早期部署深空居住艙,允許在深空環(huán)境中驗(yàn)證居住及其他關(guān)鍵系統(tǒng);
· 逐步驗(yàn)證不需要地球定期供給鏈的載人生存能力;
· “技術(shù)牽引”計(jì)劃,如載人火星任務(wù)所要求的先進(jìn)推進(jìn)及大型空間發(fā)電技術(shù)等;
· 2次4名航天員參與的載人小行星任務(wù),之前有數(shù)次機(jī)器人探測(cè)任務(wù),可能訪問多個(gè)可能的目標(biāo)小行星來確定每個(gè)目標(biāo)小行星的風(fēng)險(xiǎn)及科學(xué)優(yōu)先級(jí)。
(2)“月球優(yōu)先”方案的主要特點(diǎn)
· 利用ISS增強(qiáng)探索能力;
· 利用商業(yè)/國(guó)際服務(wù)提供方獲得近地軌道進(jìn)入能力;
· 2010-2020年計(jì)劃進(jìn)行大量的機(jī)器人月球探測(cè)任務(wù),提供詳細(xì)的科學(xué)和原位研究信息;
· 早期部署中型和大型貨物著陸器,最終作為載人著陸系統(tǒng)的一部分,同時(shí)部署載人尺寸的月球車底架以促進(jìn)機(jī)器人探索能力;
· 4名航天員參與的5次長(zhǎng)期任務(wù),探索月球極區(qū)域,具有長(zhǎng)距離的表面移動(dòng)性,驗(yàn)證火星探索需要的能力;
· “技術(shù)牽引”計(jì)劃,開發(fā)長(zhǎng)距離表面移動(dòng)能力、灰塵管理和減緩技術(shù)、行星表面居住、精確著陸及先進(jìn)的表面發(fā)電(如有要求)等技術(shù);
· 有限、但適應(yīng)性強(qiáng)的載人月球活動(dòng),可以擴(kuò)展實(shí)施額外的探索任務(wù),或者實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)期應(yīng)用。
以火星為長(zhǎng)期目標(biāo)的中長(zhǎng)期空間探索活動(dòng)周期長(zhǎng)、規(guī)模大,技術(shù)復(fù)雜,耗資巨大,美、俄、歐等國(guó)家或地區(qū)多次強(qiáng)調(diào),沒有任何一個(gè)國(guó)家可以完全有能力、有財(cái)力來掌握所有空間探索相關(guān)的能力,無法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期探索的宏偉目標(biāo),國(guó)際合作是必然選擇,是發(fā)展趨勢(shì)。
在任何探索任務(wù)中,載人和機(jī)器人協(xié)同工作都是必要的,機(jī)器人任務(wù)包括主要用于滿足科學(xué)目標(biāo)的機(jī)器人任務(wù)、為載人任務(wù)作準(zhǔn)備的機(jī)器人任務(wù)以及同載人探測(cè)器一起發(fā)射的機(jī)器人系統(tǒng)。
各目的地探索活動(dòng)的目標(biāo)及挑戰(zhàn)
“小行星優(yōu)先”方案
對(duì)于參與全球探索路線圖的許多航天機(jī)構(gòu)來說,開發(fā)機(jī)器人探測(cè)技術(shù)具有很高的優(yōu)先權(quán)。這是由于探索需求有助于促進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的革新,使相關(guān)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)受益。未來10年的載人航天活動(dòng)將集中在近地軌道及開發(fā)探索能力上,機(jī)器人探測(cè)任務(wù)將促進(jìn)我們對(duì)太陽(yáng)系的了解,并為載人探索任務(wù)作準(zhǔn)備。
(1)“月球優(yōu)先”和“小行星優(yōu)先”兩方案都要具備的系統(tǒng)及能力
· 美國(guó)航空航天局(NASA)的“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS):能夠運(yùn)送貨物或人員從地球到達(dá)目標(biāo)軌道的重型運(yùn)載火箭;
· NASA的“多用途乘員飛行器”(MPCV):能夠運(yùn)送乘員到達(dá)探索目的地并返回地球的載人航天器;
·俄羅斯的“新一代空間運(yùn)載火箭”(NGSLV):能夠運(yùn)送貨物或人員從地球到達(dá)目標(biāo)軌道的重型運(yùn)載火箭;
· 俄羅斯的新一代飛船:能夠運(yùn)送乘員到達(dá)探索目的地并返回地球的載人航天器;
· 低溫推進(jìn)級(jí)(CPS):使用傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、低溫發(fā)電機(jī)等向體系部件提供速度增量(△V)的空間級(jí),包括推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移的能力;
· 服務(wù)支持系統(tǒng):能夠使航天員和機(jī)器人維護(hù)在軌系統(tǒng)并組裝大型部件能力的系統(tǒng)和工具,包括艙外活動(dòng)服;
· 商業(yè)乘員運(yùn)輸器:能夠?qū)⒑教靻T運(yùn)送至近地軌道的商業(yè)系統(tǒng);
“月球優(yōu)先”方案
· 商業(yè)貨物運(yùn)輸器:能夠?qū)⒇浳镞\(yùn)送至近地軌道的商業(yè)系統(tǒng)。
(2)“小行星優(yōu)先”方案需具備的獨(dú)特系統(tǒng)及能力
· 深空居住艙:具有深空環(huán)境所要求的先進(jìn)能力和系統(tǒng)的在軌居住艙;
· 先進(jìn)在軌推進(jìn)級(jí):利用先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的在軌級(jí),如電能和核能推進(jìn);
· 空間目的地系統(tǒng):使人類能夠有效到達(dá)目的地的系統(tǒng)。
(3)“月球優(yōu)先”方案需具備的獨(dú)特系統(tǒng)及能力
· 月球貨物下降級(jí):用于運(yùn)送最高為8t的貨物到達(dá)月球表面的系統(tǒng);
· 月球上升級(jí):與大型下降級(jí)組成組合體,用于運(yùn)送乘員往返月球表面;
· 表面部件:能夠使人類有效考察目的地表面目標(biāo)的系統(tǒng);
· 1噸級(jí)的貨物著陸器:用于運(yùn)送最高為1t的貨物到達(dá)月球表面的系統(tǒng)。
(1)火星長(zhǎng)期任務(wù)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)
①輻射防護(hù)技術(shù)和措施;②分系統(tǒng)可靠性和在軌維修能力;③大型有效載荷的進(jìn)入、下降及著陸;④本地資源的應(yīng)用,如氧氣、水和甲烷;⑤先進(jìn)的在軌推進(jìn)技術(shù);⑥低溫液體(H2、O2、CH4、Xe)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和管理;⑦表面移動(dòng)性,包括常規(guī)的艙外活動(dòng)能力。
(2)“小行星優(yōu)先”方案需驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)
· 近地軌道區(qū)域:①進(jìn)一步驗(yàn)證在軌長(zhǎng)期居住能力;②分系統(tǒng)的高可靠性、適應(yīng)性以及保證最低級(jí)別的維修;③進(jìn)一步驗(yàn)證艙外活動(dòng)和機(jī)器人能力;④低溫液體的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和管理技術(shù);⑤火星任務(wù)運(yùn)行概念的模擬。
· 地月空間區(qū)域:①在適當(dāng)?shù)妮椛洵h(huán)境中長(zhǎng)期居住的能力;②輻射防護(hù)及措施技術(shù);③近地軌道以遠(yuǎn)再入速度驗(yàn)證;④系統(tǒng)的自主交付和部署能力;⑤分系統(tǒng)的高可靠性、適應(yīng)性以及保證最低級(jí)別的維修,在軌生活不具備持續(xù)的供給鏈;⑥低溫液體的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和管理技術(shù);⑦近地小行星任務(wù)運(yùn)行概念的模擬。
· 近地小行星區(qū)域:①驗(yàn)證長(zhǎng)期的在軌居住能力;②先進(jìn)在軌推進(jìn)系統(tǒng)的驗(yàn)證;③低溫液體的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和管理技術(shù);④系統(tǒng)的自主交付和部署能力;⑤分系統(tǒng)的高可靠性、適應(yīng)性以及保證最低級(jí)別的維修,在軌生活不具備持續(xù)的供給鏈;⑥火星任務(wù)運(yùn)輸運(yùn)行概念的驗(yàn)證。
(3)“月球優(yōu)先”方案需驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù):
· 近地軌道區(qū)域:①進(jìn)一步驗(yàn)證在軌長(zhǎng)期居住能力;②分系統(tǒng)的高可靠性、適應(yīng)性以及保證最低級(jí)別的維修;③進(jìn)一步驗(yàn)證艙外活動(dòng)和機(jī)器人能力;④低溫液體的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和管理技術(shù);⑤運(yùn)行概念的模擬。
· 月球區(qū)域:①表面居住能力;②火星表面探索方案、運(yùn)行和技術(shù):長(zhǎng)期的可移動(dòng)性、自主部署;③在灰塵環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行的能力和技術(shù);④近地軌道以遠(yuǎn)再入速度的驗(yàn)證;⑤如可獲得,利用月球表面先進(jìn)的能源;⑥極端的表面移動(dòng)性;⑦魯棒、定期的艙外活動(dòng)能力;⑧精確地著陸和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。
· 近地小行星區(qū)域:①驗(yàn)證長(zhǎng)期的在軌居住能力;②驗(yàn)證先進(jìn)的在軌推進(jìn)系統(tǒng);③低溫液體的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和管理技術(shù);④系統(tǒng)的自主交付和部署能力;⑤分系統(tǒng)的高可靠性、適應(yīng)性以及保證最低級(jí)別的維修,在軌生活不具備持續(xù)的供給鏈;⑥火星任務(wù)運(yùn)輸運(yùn)行概念的驗(yàn)證。
(1)利用ISS為空間探索服務(wù)
ISS在探索準(zhǔn)備過程中起著基本的作用,ISS上基本的技術(shù)和運(yùn)行驗(yàn)證包括:①高可靠的居住和生保系統(tǒng);②人體健康和工作能力;③驗(yàn)證探索能力;④促進(jìn)通信和空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力;⑤運(yùn)行概念和技術(shù)。
(2)機(jī)器人任務(wù)
機(jī)器人探測(cè)任務(wù)通常是載人探索任務(wù)的先驅(qū)任務(wù),如阿波羅計(jì)劃中的“勘測(cè)者”、“月球軌道器”等機(jī)器人先驅(qū)任務(wù)為載人月球任務(wù)提供了月球環(huán)境、限制條件等信息,同時(shí)這些機(jī)器人任務(wù)為后續(xù)的載人探索和科學(xué)考察任務(wù)識(shí)別了潛在的風(fēng)險(xiǎn),并確定了計(jì)劃到達(dá)區(qū)域的特點(diǎn)。同樣,近些年也發(fā)射了幾個(gè)火星探測(cè)任務(wù),包括遙感軌道器、著陸器和火星漫游車等,這些任務(wù)獲取了有關(guān)火星表面和大氣環(huán)境關(guān)鍵的數(shù)據(jù),將指導(dǎo)探索系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行概念。
2010-2020年10年間將實(shí)行數(shù)次機(jī)器人探測(cè)任務(wù),將為了解月球、小行星、火星及其衛(wèi)星作出重要貢獻(xiàn)。同時(shí),機(jī)器人探測(cè)與未來載人活動(dòng)的持續(xù)協(xié)調(diào)開展,既有利于將人類文明擴(kuò)展至近地軌道以遠(yuǎn),又可以使人類更好地了解宇宙。
(3)先進(jìn)技術(shù)開發(fā)
在全球空間探索活動(dòng)中,技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)領(lǐng)域被劃分為14個(gè),參與各方共同開發(fā)相關(guān)技術(shù):
· 發(fā)射推進(jìn)系統(tǒng)(美、俄、歐、日、英、韓、烏克蘭參與);
· 空間推進(jìn)技術(shù)(美、俄、歐、日、英、法、意參與);
· 空間能量存儲(chǔ)(美、俄、歐、日、英、意、德參與);
· 機(jī)器人、遠(yuǎn)程機(jī)器人和自主系統(tǒng)(美、俄、加拿大、歐、日、英、法、德、韓參與);
· 通信和導(dǎo)航(美、俄、加拿大、歐、日、意、法、德、韓、烏克蘭參與);
· 人體健康、生命保障和居住系統(tǒng)(美、俄、加拿大、歐、日、意、法、德、韓、英參與);
· 載人探索目的地系統(tǒng)(美、俄、加拿大、歐、日、德、英參與);
· 科學(xué)儀器、觀測(cè)和傳感器系統(tǒng)(美、俄、加拿大、歐、日、意、德、韓、英、烏克蘭參與);
· 再入、下降和著陸系統(tǒng)(美、俄、加拿大、歐、日、意、法、德、英參與);
· 納技術(shù)(美和歐參與);
· 模擬、仿真、信息技術(shù)和處理(美、俄、歐、日、法、德、英參與);
· 材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造(美、俄、加拿大、歐、日、意、烏克蘭參與);
· 地面和發(fā)射系統(tǒng)處理(美、俄、烏克蘭參與);
· 熱管理系統(tǒng)(美、俄、歐、日、意、法參與)。
(4)開發(fā)新的空間系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施
NASA研制的用于探索月球表面的機(jī)器人
北京空間科技信息研究所派出兩人參加全球空間探索大會(huì)
新的空間系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施包括:重型運(yùn)載火箭;具有行星際間返回速度的乘員運(yùn)輸能力;可運(yùn)輸關(guān)鍵系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施到達(dá)深空的足夠大的空間推進(jìn)級(jí);服務(wù)和支持系統(tǒng),包括艙外活動(dòng)和機(jī)器人系統(tǒng)。
(5)模擬活動(dòng)
美國(guó)、加拿大等幾個(gè)國(guó)家在獨(dú)立開展或合作開展模擬活動(dòng)。這些活動(dòng)不僅可以模擬環(huán)境來試驗(yàn)探索技術(shù)、概念系統(tǒng)及其互操作性,以及探索運(yùn)行的概念。也可以為公眾參與提供重要的機(jī)會(huì)。各航天機(jī)構(gòu)可以共享他們的規(guī)劃和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),促進(jìn)探索的準(zhǔn)備活動(dòng)。
(1)多國(guó)合作探索是載人深空探索的發(fā)展趨勢(shì)
2007年《全球探索戰(zhàn)略:合作框架》的簽訂以及2011年《全球探索路線圖》的公布,使多國(guó)合作載人探索的意向、途徑和方案更加清晰。以火星為長(zhǎng)期目標(biāo)的載人深空探索活動(dòng)技術(shù)復(fù)雜,耗資巨大,任何國(guó)家都無法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)該宏偉目標(biāo),多國(guó)合作是必然選擇,是發(fā)展趨勢(shì)。
(2)該全球合作探索活動(dòng)實(shí)為美國(guó)主導(dǎo),旨在建立新的空間聯(lián)盟
雖然ISECG秘書處設(shè)在ESA,《全球探索路線圖》也是由NASA和ESA共同領(lǐng)導(dǎo)制定,但由于美國(guó)在載人航天技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位,歐洲也沒有全面掌握載人探索的核心能力,顯然多國(guó)合作探索的目標(biāo)和方案都是以美國(guó)為主導(dǎo)制定的。不難看出,無論是合作框架還是路線圖,語(yǔ)氣和做法都充分體現(xiàn)了美國(guó)的意圖,是與其之前反復(fù)強(qiáng)調(diào)的空間新秩序相一致的。因此,全球探索戰(zhàn)略也是美國(guó)建立空間新秩序,構(gòu)建新的空間聯(lián)盟,保持其航天領(lǐng)導(dǎo)地位的措施之一。
(3)中國(guó)在“全球合作空間探索”活動(dòng)中地位孤立,需積極應(yīng)對(duì)
2007年《全球探索戰(zhàn)略:合作框架》的簽訂是有中國(guó)參與的,但2011年公布的《全球探索路線圖》中12個(gè)參與國(guó)卻沒有包括中國(guó)。美國(guó)2011年初的《美國(guó)國(guó)家安全空間戰(zhàn)略》將中國(guó)說成是不負(fù)責(zé)任的國(guó)家。2011年的國(guó)務(wù)院文件和2012年出臺(tái)的1248號(hào)報(bào)告,對(duì)中國(guó)航天技術(shù)出口全面封鎖。同時(shí)《全球探索路線圖》中指出,要依據(jù)“信任機(jī)制”逐漸吸納新的參與者,這是否意味著意在排斥中國(guó),孤立中國(guó)?
面對(duì)美國(guó)有意孤立中國(guó)的情況,中國(guó)應(yīng)積極應(yīng)對(duì),建議采取以下措施:一是加強(qiáng)多部門協(xié)調(diào),擬定我國(guó)空間探索領(lǐng)域中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃,并開展相關(guān)配套政策研究,加強(qiáng)載人航天和空間探測(cè)的協(xié)同發(fā)展,指導(dǎo)我國(guó)載人航天和空間探測(cè)可持續(xù)發(fā)展;二是發(fā)布我國(guó)空間探索領(lǐng)域中長(zhǎng)期規(guī)劃,增加透明度和信任度,樹立我國(guó)作為負(fù)責(zé)任大國(guó)的形象,為開展國(guó)際合作創(chuàng)建更好的政治環(huán)境;三是制訂國(guó)際合作的政策和策略,協(xié)調(diào)中美、中俄、中歐以及與亞洲國(guó)家的航天合作,尤其在空間探索領(lǐng)域,積極努力參與全球空間探索活動(dòng)的協(xié)調(diào)和討論,利用國(guó)外先進(jìn)技術(shù),加速我國(guó)空間探索領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。