1961年4月12日,，蘇聯(lián)航天員加加林乘東方號（Vostok）飛船實現(xiàn)了人類第一次環(huán)繞地球的低軌道飛行，揭開了世界載人航天活動的序幕,。1992年9月21日,，我國載人航天工程正式立項。筆者在《科技導報》1993年7期發(fā)表了《發(fā)展載人航天的經(jīng)驗教訓》一文,。文章指出32年的載人航天活動,，既有成功的經(jīng)驗，也有深刻的教訓,?？偨Y這些經(jīng)驗教訓，無疑對今后的載人航天活動有十分重要的意義,。文章總結了已取得較多共識的6條經(jīng)驗教訓：①人與自動化系統(tǒng)的結合是開發(fā)空間資源的必由之路,。②發(fā)展載人航天既要考慮提高國家的威望，又要有明確的科學試驗,、技術發(fā)展和應用的目的,。③必須高度重視載人航天系統(tǒng)的可靠性和安全性。④降低空間運輸系統(tǒng)的運輸費用和提高其使用性能,，已成為有效開發(fā)空間資源的重要前提,。⑤國際合作已成為發(fā)展載人航天的必然趨勢。⑥必須不斷發(fā)展先進的大型工程的管理技術,。
在這之后,，筆者將自己撰寫的有關空天飛機的幾篇論文寄給了錢學森先生，錢老在回信中首先說：“7月20日的信和大作9篇都收到,，十分感謝,！昨在《科技導報》1993年7期又見您的《發(fā)展載人航天的經(jīng)驗教訓》，所談6點我都同意,。我認為人們尤其應該重視遙現(xiàn)技術和遙操作技術,，以免付出人長期在天上‘受罪’的巨大代價。我希望我國的航天事業(yè)能后來居上,，勝人一籌,！”錢老的回信，大大鼓勵了筆者繼續(xù)跟蹤世界載人航天的進展并進行研究。近30年來,，世界載人航天進展很快,，也產(chǎn)生了許多變化。雖然30年前我們總結的載人航天的經(jīng)驗教訓仍然正確,，但是載人航天中的許多新的進展仍然引發(fā)我們再思考,。
月球、火星是未來載人航天的目的地
未來30年,，人類將從地球軌道飛向月球和火星,。首先，人類將重返月球,。2019年5月23日,，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了《飛向月球：NASA月球探索戰(zhàn)略計劃》。美國重返月球計劃取名為“阿耳忒彌斯”（Artemis）,，它將分兩階段實施,。第一個階段的目標是要執(zhí)行“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）與“獵戶座”（Orion）飛船集成的無人飛行測試（阿耳忒彌斯-1任務），再執(zhí)行“獵戶座”飛船載人繞月飛行測試（阿耳忒彌斯-2任務）,，然后執(zhí)行載人登月（阿耳忒彌斯-3任務）,。在此期間，NASA還將與美國工業(yè)界合作,，為快速重返“月球開發(fā)月球軌道門戶”（Gateway）部件,、無人商業(yè)月球著陸器和載人月球著陸系統(tǒng)，并為其提供商業(yè)運載火箭發(fā)射服務,。第二個階段的目標是具備在月球軌道及其表面的持續(xù)探索能力,，為完成載人火星任務打下基礎,?！伴T戶”將作為深空前哨站和繞月燃料補給站，并作為未來前往火星的中轉站,。
2015年10月8日,，NASA公布了《火星之旅：開拓太空探索新篇章》。載人火星探測有重要的科學意義,，它將為人類揭示宇宙起源,、地球的起源和生命的起源提供重要依據(jù)，除此以外,，許多無人探測火星的結果表明,，火星是太陽系內(nèi)各方面條件最接近于地球的一顆行星，也是人類唯一在現(xiàn)有能力下可以達到的,、備用的棲息地,。最后，在人類探索火星的過程當中，開發(fā)的一系列技術也必將用于改造地球上的沙漠的荒涼地帶,，為地球上的人類造福,。
2016年9月28日，在墨西哥舉辦的第67屆國際宇航大會上,，美國太空探索技術（SpaceX公司）創(chuàng)始人埃隆·馬斯克作了“讓人類變成多星球物種”的主題演講,，并推出了用于人類殖民火星的“星際運輸系統(tǒng)”（ITS）,最后定名為“星艦”（StarShip）計劃，提出了最早要在2025建年實現(xiàn)載人登陸火星,，更長遠的計劃是實現(xiàn)人類向火星移民,。目前，埃隆·馬斯克正在加緊研制“星艦”系統(tǒng),。
由此可見,，人類有望在21世紀30年代登陸火星。但是他提出的建立火星城市的設想估計要有一個漫長的過程,。
空間站是載人航天的基礎設施
世界載人航天發(fā)展出現(xiàn)了新的目的地,，必將影響到目前載人空間站的任務。無疑,，低地球軌道（LEO）的空間站最初是作為低軌道太空微重力科學技術實驗室,，現(xiàn)在仍然擔負著這項任務，但它必定也是要研究人在未來的月球,、火星環(huán)境下人的適應性的,。目前的航天運輸系統(tǒng)將人類送至火星的時間至少要半年以上，為此,，空間站是研究人類長期在太空環(huán)境中生存能力的最好的基礎設施,。
與此同時，在原有的低地球軌道空間站的基礎上,，人類逐步認識到建設月球軌道空間站和火星軌道空間站的必要性,。
由美國、俄羅斯,、日本,、加拿大和歐洲等在1998年開始共同建造“國際空間站”（ISS），到2011年2月組裝工作全部結束,。ISS的組成部分主要有：美國的長達108.6m的主桁架,、居住艙、實驗艙和太陽能電池陣,，日本的實驗艙,，歐洲航天局（ESA）的哥倫布軌道設施，加拿大的移動服務系統(tǒng),俄羅斯的功能艙,、服務艙,、研究艙和太陽能電池陣等,。ISS原定的任務是進行在低地球軌道的有人照料的太空科學技術試驗。過去的20年,，ISS獲得了豐富的科研成果,，包括太空技術開發(fā)、物理學與生物學的微重力研究,、人體生理學研究,、地球科學與教育等。其中最引人注目的成果是：證明了普通細菌在太空飛行期間會增強致病的能力,，但改變細菌生長環(huán)境可以控制其毒性,；演示了將藥物輸入人體內(nèi)目標部位的新方法。然而,，由于ISS耗資巨大,，加上建設周期太長，維修任務因部件老化而更加繁重,，從而使其建成之時就面臨窘境,。
ISS做的最多的研究是測試惡劣的太空環(huán)境對人體、生物和材料的影響,，這對今后的載人深空探索具有重要價值,。首先，ISS是完成載人火星任務而必須的試驗基地,。人去火星需要半年以上的時間,，因此可以利用ISS試驗航天員在太空的長期生活和工作能力。其次,，ISS可以試驗未來載人訪問月球,、火星與建設基地必須掌握的技術，包括太空3D打印技術和天基太陽能技術等,。
2022年,，中國空間站即將建成，與ISS相比,，中國空間站起步較晚,，但具有后發(fā)技術優(yōu)勢,。為實現(xiàn)建造空間站的目標, 中國空間站在構型布局上進行了精心設計,，以保證空間站具備更強大的科學和應用能力。中國空間站還采用了許多創(chuàng)新技術,，如：30%以上的光電轉化效率的太陽能技術,、高比沖電推進技術、高閉合度環(huán)控生保技術等,?？梢哉f，中國空間站的能力處于國際前列。中國空間站可以進行廣泛的太空技術試驗和微動力環(huán)境下的多種科學技術試驗,，此外還提供了對地觀測和天文觀測的能力,。中國空間站還有變重力的設施，以模擬月球和火星的重力環(huán)境,。因此,，中國空間站是一種多用途載人航天基礎設施。
商業(yè)化是發(fā)展載人航天的必經(jīng)之路
早期,，大國都把載人航天作為國家的頭等大事,。美國和俄羅斯發(fā)展載人航天，也是由太空競賽所啟動,。因此,，這兩個國家都采用了由政府領導的舉國體制。以美國為例,，“阿波羅”（Apollo）計劃每年花費了美國國內(nèi)生產(chǎn)總值將近4.5%的資金,，雖然贏得了載人登月的勝利，但從1973年以來,，美國人再也沒有重返月球,。此后，由政府主導的航天飛機計劃也遠未達到降低運輸費用的目的,。
1986年,，“挑戰(zhàn)者”和2003年“哥倫比亞”航天飛機的爆炸解體，都有7名航天員罹難,，讓美國載人航天承受巨大的挫折,。
NASA早在2008年就啟動了“商業(yè)軌道運輸服務（COTS）”項目，旨在為ISS發(fā)展商業(yè)補給服務,，這種模式又很快推進到載人運輸領域,。
在承擔NASA合同的幾家公司中，表現(xiàn)最突出的是由埃隆·馬斯克在2002年創(chuàng)建SpaceX公司,。公司研制的獵鷹-9（Falcon-9）可回收式中型運載火箭進展順利,，既可靠又便宜。2012年5月22日,，公司向ISS發(fā)射了史上第一艘用于商業(yè)運貨的“龍”（Dragon）飛船,。2020年5月30日，公司使用獵鷹-9火箭把載有兩名航天員的“載人龍”（Crew Dragon）飛船成功送入ISS,。這次發(fā)射是在美國航天飛機退役后,，首次利用美國自己的飛船實施的載人發(fā)射,目前已完成了多次載人任務和商業(yè)太空旅游。
美國載人航天的商業(yè)化正在從航天運輸系統(tǒng)擴展到空間站和重返月球等領域,。2019年6 月7日,，NASA發(fā)布了ISS商業(yè)化計劃,，商業(yè)化的首要途徑是太空旅游。NASA將允許每年讓兩名私人航天員造訪空間站,，每人駐站時間不超過30天,。其次就是提出ISS貨物往返運輸和站上服務的定價方案。增加商業(yè)化的試驗項目,，不僅可以增加收入,，還可孕育一批具有產(chǎn)業(yè)前景的項目，讓其在市場競爭當中脫穎而出,。最后,，NASA還鼓勵商業(yè)公司自己建設商業(yè)空間站。NASA認為,，ISS商業(yè)化的經(jīng)驗必將有助于未來載人深空探測和太空資源的開發(fā),。
載人航天技術的突破取決于顛覆式創(chuàng)新
60年來，世界載人航天取得了許多成就,，但與人們的期望還有一定的差距,。載人航天技術與其他領域的前沿技術相比，發(fā)展速度并不快?，F(xiàn)如今,，摩爾定律在芯片領域仍然有效，而載人航天技術依賴的航天運輸系統(tǒng)主要取決于火箭技術,。60年來,，火箭的比沖只提高10%。目前,，載人航天技術的瓶頸仍然是航天運輸系統(tǒng)的能力不足和效費比低,。航空航天界十分期待使用組合式發(fā)動機的空天飛機，近年來,，雖然高超聲速吸氣式發(fā)動機獲得重大突破,，但是距離低成本的航班化運行還有很遠。另一方面,，使用火箭發(fā)動機的垂直起飛,、垂直降落的重復使用的航天運輸系統(tǒng)卻取得了很大的進展。目前,，SpaceX公司研制的“星艦”可能是一種性能最高,、費用最低的航天運輸系統(tǒng)。
SpaceX公司在航天領域取得的重大進展,，改變了世界航天的“游戲規(guī)則”,，開創(chuàng)了一種顛覆性創(chuàng)新模式,。它本身具有硅谷精神和“互聯(lián)網(wǎng)基因”,，通過應用互聯(lián)網(wǎng)的快速迭代思維,，讓傳統(tǒng)的航天系統(tǒng)工程注入新活力。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程主張在前期研制中要暴露盡可能多的風險,，以降低試錯成本,，因此，在前期研制上往往耗費很多時間和精力,。SpaceX公司更強調每一次完整迭代之后產(chǎn)生的“經(jīng)驗”,，包括基于更先進的工具和更優(yōu)化的供應鏈協(xié)作關系，這種走完多次“設計,、開發(fā),、測試”流程所需要的成本已經(jīng)大大低于20世紀的；而每一次經(jīng)歷之后產(chǎn)生的經(jīng)驗,，實際上都降低了項目的整體成本,。
對于未來的載人火星探測任務，運送人和貨物到火星的時間仍然在半年以上,，從而增加了許多不可預測的風險,。為此，我們必須開發(fā)利用化學能以外的能量,，包括核能和其他能量的航天運輸系統(tǒng),，在這方面的突破取決于航天界的顛覆式創(chuàng)新的能力，這種能力來自于基礎科學的發(fā)展和先進的教育制度,。
載人航天必須加強太空交通管理
為了保證載人航天活動的安全,，必須加強太空的交通管理。目前,，地球軌道上已經(jīng)有了大量的太空碎片,，一些反衛(wèi)星試驗也增加了太空碎片的數(shù)量，特別是隨著低地球軌道寬帶星座的發(fā)展,，低地球軌道的交通更加擁擠,。近年來,已經(jīng)發(fā)生了多次“星鏈”（Starlink）星座衛(wèi)星十分接近ISS和中國空間站的情景，從而敲響了空間站安全的警鐘,。
為了保障載人航天治動的安全,，要在聯(lián)合國框架下加太空環(huán)境治理體系建設。加強太空交通管理,，建設完善太空碎片監(jiān)測設施體系,、編目數(shù)據(jù)庫和預警服務系統(tǒng)，統(tǒng)籌做好航天器在軌維護,、碰撞規(guī)避控制,、太空碎片減緩等工作，確保太空載人系統(tǒng)安全穩(wěn)定有序運行,，以及太空活動,、資產(chǎn)和利益的安全,。
結束語
毫無疑問，人類必將迎來一個大航天時代,，將使人類的社會更加繁榮和昌盛,，但人類的美麗家園也正在面臨著巨大的風險，因此,，人類要進入一個地球以外可以生存的星球,。這里應該說明，人類進入太空也是為了更好地造福與保護地球,。人類向地球以外的移民也可能只是很少的一部分人,，因此，保護和造福我們的家園,，同樣是載人航天的重要使命,。
中國載人航天的發(fā)展已改變了世界載人航天的格局。中國載人航天基本上從世界載人航天第二個30 年起步,。從中央決策實施載人航天工程并確定“三步走”戰(zhàn)略至今,，已有30年，我國首先研制成功了載人飛船,，在突破了交會對接出艙活動等關鍵技術以后,，在2022年全面建成中國自己的空間站，世界載人航天進入了“雙空間站”時代,。
中國空間站在運行過程中,，如何保證其穩(wěn)定安全并達到預期的成果，還有許多挑戰(zhàn),。進一步,，中國航天還會向載人登月和載人火星探測前進，因此,，我們需要將未來的載人航天的發(fā)展和現(xiàn)在的空間站任務進行統(tǒng)一的規(guī)劃,。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<
