2022年11月12日10時03分,在海南文昌海岸,伴隨著點火后的一縷白煙,長征七號運載火箭托舉天舟五號貨運飛船****升空,為空間站的宇航員們送去一份約6噸的“快遞包裹”。這也是中國空間站建成前的最后一艘“貨船”。****約10分鐘后,船箭成功分離并進入預定軌道。隨后,僅用2個小時,天舟五號便實現了與空間站天和核心艙后向對接口的順利對接,創造了航天器最快交會對接的世界紀錄。而在此前的2017年9月12日,我國利用天舟一號開展與天宮二號空間實驗室快速交會對接在軌試驗用了6.5小時,成為當時世界上第3個掌握近地快速交會對接的國家。從6.5小時到2小時,天舟五號實現了“太空貨運專列”到“太空貨運高鐵”的華麗升級。
圖源:中國載人航天工程網
2小時“中國速度”背后天舟五號為全密封貨運飛船,是世界現役貨物運輸能力最大、在軌支持能力最全面的貨運飛船,此次它裝載了神舟十五號3名航天員6個月的在軌駐留消耗品、推進劑、應用實(試)驗裝置等物資,還搭載了“澳門學生科普衛星一號”、宇航用氫氧燃料電池、空間寬能譜高能粒子探測載荷等試驗項目,并且帶了一枚CAS-10“希望4號”(XW-4)立方衛星到空間站,預計將在12月初釋放到預定軌道。本次任務是中國航天器首次具備2小時自主快速交會對接能力,創造了世界最快交會對接紀錄。所謂交會對接是指兩個航天器在空間軌道上會合并連接成一個整體的技術,類似于我們在地面上將兩塊積木插在一起,可是在太空里插積木并不容易。對接時,需要兩個航天器通過發動機噴氣來改變航天器的運動速度大小或方向,從而變換軌道,到達同一軌道上。快速交會對接并不是航天器的飛行速度變快了,而是軌道控制的流程變短了。此前,“天舟二號”到“天舟四號”貨運飛船都需要經歷6次變軌,然后到達離空間站大概50公里左右的瞄準點。接下來,它們逐漸逼近,不斷地確認位置關系,調整姿態和速度,最終追上目標飛行器完成對接。對比之下,天舟五號貨運飛船只需要經過2次變軌便可輕松完成這一過程。天舟五號貨運飛船的對接目標達80噸量級,這也是中國首次在空間站有人駐留的情況下實施貨運飛船快速交會對接。萬一遇到故障情況,航天員有能力遙控操作貨運飛船對接,提高了對接的可靠性。
圖源:中國載人航天工程網隨著天舟五號貨運飛船運來的物資抵達太空站,提供足夠的保障,神舟十五號載人飛船也將****,3位航天員將與目前正在浩瀚太空“出差”的神舟十四號航天員實現“太空會師”。屆時,中國空間站將首次實現6名中國航天員在軌駐留,迎來“滿員”。至此,中國太空交會對接技術從最初44小時縮短到2小時,而航天員駐留的時間則從13天增加到6個月,這也意味著中國航天又一次開啟新的征程。
全球航空航天加速度中國又一次取得矚目成就的背后,是全球航天航空產業的快速發展。縱覽全球,航天航空經濟已成為一國經濟的重要組成部分,與之相伴隨的,更多的商業組織參與到這個領域來,推動航天航空進入新征程。我國國務院于2014年出臺了《關于創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》,首次提出鼓勵民間資本參與國家民用空間基礎設施建設;鼓勵民間資本研制、****和運營商業遙感衛星,提供市場化、專業化服務;引導民間資本參與衛星導航地面應用系統建設。政策帶動下,我國商業航天事業也隨之發展,到目前為止已形成初步生態。據不完全統計,截至2021年底,已注冊商業航天相關企業數量已有200家左右。海外商業航天也在如火如荼展開。其中,美國商人馬斯克創立的SpaceX無疑最具代表性。值得關注的是,在包括SpaceX在內的美國商業公司的帶動下,一場名為“太空旅游”的商業活動正讓航天航空與普通人更接近。就在2021年,英國億萬富翁理查德·布蘭森和亞馬遜創始人杰夫·貝索斯先后進行了“太空旅游”。其中,2021年7月11日,理查德·布蘭森搭乘旗下公司維珍銀河的飛船,率先實現了太空旅游,成為亞軌道商業飛行領域第一位搭乘自家飛行器前往太空邊緣的企業創始人。9天后的7月20日上午9時,貝索斯搭乘旗下公司藍色起源的飛船“新謝潑德號”進行了該公司的首次載人飛行。鋼鐵俠馬斯克雖然在當時還沒有進行太空旅游的明確計劃,但他也曾提到過,將來某一天會坐著SpaceX的飛船上火星。
圖源:SpaceX
航空探索,火箭先行無論是帶著國家任務的航天****,還是能滿足普通民眾飛天夢想的太空旅游,人類對太空的探索正帶動以火箭****為代表的航天航空技術的發展。以SpaceX為例,數據顯示,該公司在2020年完成了26次****,在2021年創紀錄地完成了31次任務。到了2022年,SpaceX的****清單共有52次****計劃。在不久前,馬斯克曾表示,SpaceX的目標是在2023年完成100次****任務。不過,火箭行業不是一個環境友好的行業,尤其是超氧化物和高氯酸鹽等有毒化學物質和大量太空垃圾,都會對地外空間造成不小的污染。針對污染最大的火箭燃料,目前有四種主要的不同路線:固體、液氧煤油、液氧甲烷、液氧液氫。此前常用的四氧化二氮與偏二甲肼,由于污染量較大,正在逐步減少中,走向無毒無污染已成為大趨勢,比如長征七號、長征八號、SpaceX ****的獵鷹九號均使用液氧煤油燃料,SpaceX 研發的 Starship 則在使用液氧甲烷。在2016年,Space X研發的“獵鷹”9號火箭在****成功之后實現海上回收,標志著可回收火箭技術的重大突破,可回收重復利用火箭成為航天運載領域的熱點。如今獵鷹 9 號已成為商業****進入地球軌道的主力火箭,得到了商業、科學和國防領域人員的高度信任。據悉,為了使火箭行業走向環境友好,微軟聯合創始人比爾·蓋茨(Bill Gates)所創立的清潔技術基金 Breakthrough Energy Ventures 曾在去年領投一輪 6500 萬美元的融資,以支持位于美國華盛頓州肯特市的斯托克太空(Stoke Space)公司開發新型完全可重復使用的火箭。中國曾參與長征一號火箭研制的老專家韓厚健也曾指出,可回收重復使用是火箭運載技術發展的趨勢,未來10年到20年內,可能是一次性火箭、部分重復使用火箭和重復使用火箭并舉的時代。
圖源:unsplash“可回收火箭”作為航天航空領域的一項突破性技術,在2016年入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術”。縱觀過去20年的“全球十大突破性技術”,航天領域的發展促進了能源和材料領域的技術變革,新型的材料也在航天器上大放異彩。比如太陽能電池最早被安裝在人造衛星上,航空航天領域的巨額資金投入使得太陽能電池技術快速發展。在能源危機后的幾十年時間里,科研人員在太陽能電池領域不斷進行技術革新,取得了許多突破性的進展,發展了一系列新型太陽能光伏電池。“太陽能熱光伏電池”也在2017年入選“全球十大突破性技術”。從可回收火箭到太陽能熱光伏電池,從超級星座衛星到超高精度定位,對航天航空領域相關技術的發展趨勢進行精準而成功的預測,在過去的二十年中屢見不鮮。
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