航天科学技术

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航天科学技术学科发展研究报告2007(简本)

2008年03月11日

 

中国宇航学会

  一、引言

  航天科学技术是一门探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性科学技术。航天科学技术既是现代科学技术的结晶,又对现代科学技术的整体进步和体系结构起到巨大的带动和更新作用。

  我国航天科学技术经过50多年的发展,已广泛应用到国民经济、国防建设、文化教育和科学研究的众多领域,极大地增强了我国的经济实力、科技实力、国防实力和民族凝聚力。2003-2007年是中国航天科学技术快速发展的时期,取得了重大进展。长征系列运载火箭连续成功超过60次,面向未来30至50年发展的新一代运载火箭研制取得一系列重大成果;应用卫星实现系列化、平台化发展,可靠性和使用寿命明显提高;神舟五号、神舟六号载人航天飞行任务圆满完成;首次月球探测工程取得圆满成功;圆满完成了“神舟”飞船和绕月探测卫星、各种地球轨道卫星的发射和测控任务;分系统技术和支撑性技术各专业领域进展顺利。

  本报告重点关注我国航天科学技术在2003-2007年期间的最新进展,比较我国航天科学技术与国外先进国家之间的差距,明确我国航天科学技术2008-2009年发展目标,对我国航天科学技术未来长期发展目标和任务进行展望。

  二、 2003-2007年我国航天科学技术各专业领域进展

  (一)航天运载器技术

  长征火箭的可靠性和运载性能以及发射能力得到进一步提高;神舟五号和六号载人飞船完成了载人航天器技术的突破;成功发射嫦娥一号卫星的长三甲火箭使火箭飞行可靠性优于设计指标;新一代运载火箭明确了主要技术指标;对重复使用运载器发展途径和初步总体方案进行了探索性研究;首次实现了垂直组装、垂直测试、垂直整体运输和远距离自动控制的“三垂一远”测试发射模式。

  (二)航天器技术

  研制成功了多系列的航天器,基本覆盖了各种类型的应用卫星、载人飞船和月球探测卫星;大容量、长寿命通信卫星的总体设计技术、载人飞船总体设计技术、月球探测卫星总体设计技术取得突破;开发和完善了系列卫星的公用平台;以高度集成化为代表的微小卫星技术取得了快速发展。

  (三)载人航天器技术

  在载人飞船研制、运载火箭可靠性、逃逸与应急救生、出舱活动、空间交会对接等方面,攻克了一系列关键技术,拥有了满足载人飞行要求的、具有中国特色的载人飞船。神舟五号和神舟六号载人飞船已经获得圆满成功,神舟七号飞船正在研制当中。

  (四)月球探测器技术

  在轨道设计技术、热控制技术、制导、导航、控制(GNC)技术、测控数传技术、定向天线技术以及其他一些关键技术上取得重大突破,圆满地保证了我国首次月球探测工程的顺利实施,嫦娥一号探月卫星已成功地发回月球表面图像。

  (五)航天发射与测控技术

  首次采用“三垂”方式发射“神舟”飞船;成功研制大型活动发射平台;大容量低温推进剂运输与贮存技术、低温加注远程测试与控制技术等技术取得突破,新一代运载火箭发射技术研究进展顺利;载人航天器和地球轨道卫星测控技术、月球探测器及深空探测测控技术、天基测控技术、航天器轨道测量与确定技术进步明显,已经形成技术总体水平达到了世界先进行列的航天测控网络体系。

  (六)分系统技术及支撑性技术

  1.空气动力学与飞行力学

  气动设计和防热设计保障了载人飞船的成功;高超声速技术研究成果可望具体应用;对高速飞行器可压缩流的形成机理等前沿性基础空气动力学问题进行了研究;航迹优化、多学科设计优化、飞行器的超低空飞行的碰地概率等试验设计、无人飞行器的建模与数学仿真等建模与计算机仿真等研究取得了较大的进展。

  2.航天推进技术

  在液体火箭发动机技术方面,“长征”系列一级和助推级、二级发动机的主要关键技术已基本突破;在固体火箭发动机方面,深圳新闻资讯 ,各类发动机的研制工作取得突破性进展;在轨、姿控发动机技术方面,已形成32个品种的发动机系列型谱。

  3.航天制导、导航与控制技术

  独立开发的载人航天器制导、导航、控制技术达到了国际先进水平;高精度变轨控制技术、三体定向控制方法等技术在首次月球探测工程中均获得成功;已突破数项新型卫星控制关键技术;运载火箭制导与控制技术的理论研究和惯性制导技术获得较大进展。

  4.航天电子技术

  在空间目标探测、跟踪与识别方面,相控阵雷达、单脉冲雷达的研制都取得了长足的进展;在空间有效载荷方面,突破了有效载荷高可靠、长寿命等有效载荷关键技术;在空间微电子和空间计算机方面,有的技术已达到国际先进水平;在空间传感器及机电组件方面,在小型化、低功耗上获得长足的进步。

  5.航天材料技术

  重点突破了特种金属材料、高温材料、高能固体推进剂材料等动力系统材料关键技术;研制并应用了高强轻质金属材料等轻质化结构材料;研制成功两种低密度热防护材料;建立了完整的新型材料环境模拟试验等技术手段。

  6.航天制造工艺技术

  建立了关键零部件设计制造一体化系统等快速响应制造技术;形成了高精度加工技术系统等精密超精密加工技术;开发了离子束加工工艺与设备等特种加工技术;具备了熔模精铸工艺技术等热加工和精密成形技术能力; TIG自动焊接技术等先进连接技术已开始广泛应用;表面防热涂层工艺技术已取得突破性进展;整机级互联和系统级互联等电气互联技术已进入应用研究阶段。

  7.航天质量和可靠性技术

  制定了一系列质量管理体系标准;逐步形成了具有中国航天特色的产品保证模式;实行元器件“五统一”管理;一些关键可靠性工程技术的创新研究与应用方面实现了重大突破;制定了安全性分析与风险评价标准。

  三、 航天科学技术的国内外差距分析

  (一)近年来世界航天技术总体发展态势

  主要航天国家先后出台航天长期发展规划,增加经费投入;美国、欧洲、日本等完成大型火箭升级换代,各国相继推出新型火箭研制计划,并加速发展小型运载火箭;应用卫星进展较大,新型对地观测卫星升空,通信卫星升级换代,三大系统导航定位卫星太空争艳;美俄开辟载人航天运输系统发展的新途径,并加紧建设国际空间站;深空探测取得重要成果,月球和火星探测将长期成为深空探测活动的重点,行星探测也将取得新的进展。

  (二)国内外航天技术主要差距

  1.航天运载器技术

  现役运载火箭运载能力不足、发射准备周期长、任务适应性差;缺乏满足未来载人登月、深空探测等航天任务要求的运载火箭;运载火箭产业化进程缓慢。

  2.航天器技术

  应用卫星在种类、容量、寿命、承载能力、优化、集成化水平上还有待进一步提高;飞行器的编队飞行和组网技术的研究才刚开始;缺乏长寿命载人航天器和深空探测飞行器技术;空间飞行器总体设计能力有待提高。

  3.载人航天器技术

  尚未掌握航天员舱外活动技术和空间交会对接技术;没有发展可重复使用运载器技术的计划;长期自主飞行、短期有人照料的空间实验室的技术储备存在较大差距。

  4.月球探测器技术

  嫦娥一号的科学目标和工作轨道与国际上同类任务基本相同,同时又各有特色;嫦娥一号的各主要指标和技术水平都达到了国际上同类月球探测器的水平。

  5.航天发射与测控技术

  最大运载能力低于国外先进的航天大国;大型运载器运输技术的研究尚处于起步阶段;发射平台安全性较差;低温推进剂的生产、贮运和加注技术仍有待提高;载人航天器、地球轨道卫星、深空探测的测控技术,以及天基测控系统、高精度轨道测量与确定技术、航天信息传输技术等还需加大攻关力度。

  6.航天分系统与支撑性技术

  (1)空气动力学与飞行力学。地面模拟设备风洞、现代测试技术、虚拟风洞试验技术、数值模拟能力等仍有差距;对空天飞行器、新概念飞行器等缺乏系统、深入的研究。

  (2)航天推进技术。航天主推进系统的单管推力小、性能低;可重复使用航天运输动力系统离研制目标还有差距;对超燃冲压发动机和组合循环发动机仅进行了方案研究和部分原理性试验;固体火箭发动机技术攻关仍需加强。

  (3)航天制导、导航与控制技术。载人航天器GNC关键技术与美、俄差距较大;月球探测器GNC技术已经有了一定的基础;深空探测GNC技术还在前期研究阶段;卫星控制技术、控制系统的冗余设计水平还有一定差距。

  (4)航天电子技术。空间目标的探测、跟踪与识别缺乏统一的管理机构;空间有效载荷、空间微电子、空间计算机技术在许多关键技术上与国外差距较大;空间传感器及机电组件在性能指标等方面存在较大差距。

  (5)航天材料技术。关键材料性能有待进一步提高;材料的基础研究工作薄弱;材料的研究领域与满足未来新型航天技术发展的要求有一定差距;尚未建立完善的航天材料评价和考核技术平台。

  (6)航天制造工艺。快速响应制造技术、特种加工技术、精密超精密加工技术存在较大差距;热加工和精密成形技术、先进连接技术、表面工程技术、电气互联技术的研究还需进一步加强。

  (7)航天质量与可靠性。质量工程技术应用化研究不够;绩效管理模式和质量工程技术系统的前瞻性研究与创新还在探索之中。

  四、 2008-2009年我国航天科学技术发展目标

  (一)航天运载器技术

  推进长征运载火箭可靠性增长计划;简化运载火箭发射流程;改进长征二号F运载火箭;尽快研制新一代运载火箭和新型液体小运载火箭;对重复使用运载器进行跟踪性研究。

  (二)航天器技术

  对超高分辨率对地观测技术、空间通信技术、北斗二号区域导航定位系统、新技术试验卫星开展重点研究;突破月球软着陆、自动巡视勘察及相关技术;开展平台技术的研究。

  (三)载人航天器技术

  掌握航天员舱外活动技术;发展空间飞行器交会对接技术;开展空间实验室和空间站技术研究。

  (四)月球探测器技术

  开展工程总体方案设计与优化、月球软着陆技术、月面巡视技术、月球探测器星上测控通信技术和综合电子技术等与月球软着陆探测器和巡视器相关的关键技术攻关。

  (五)航天发射与测控技术

  解决大型运载火箭的运输、大型活动发射平台等关键技术问题;研究采用低温推进剂和机动发射方式的小运载器的发射技术;加强测控通信体制建设;建设综合测控信息网;开展高码率数传调制/解调技术、测控信息安全技术、测控通信设备的研究。

  (六)航天分系统技术与支撑性技术

  1.空气动力学与飞行力学

  发展数值模拟技术和气动布局优化设计方法;加强内流空气动力学以及内外流一体化、复杂外形热环境预测等研究;推进飞行器的航迹工程;开展伺服气动弹性稳定性、特殊制导规律与飞行精度、飞行力学综合性等问题的研究。

  2.航天推进技术

  完善新一代无毒、无污染大型运载火箭发动机的设计;开展重型火箭、探月工程软着陆变推力发动机、上面级发动机等关键技术的研究;进行空间对接技术、在轨加注等载人航天关键技术概念研究。

  3.航天制导、导航与控制技术

  开展宇航员出舱行走、航天器交会对接、高精度高稳定度复杂卫星等制导、导航与控制技术研究;开展月球软着陆导航敏感器、月球巡视探测器技术等关键技术研究。

  4.航天电子技术

  开展空间目标探测、跟踪与识别的关键技术研究;推动空间有效载荷的关键技术研究;开展空间计算机关键技术的攻关;发展MEMS传感器和智能化机电组件等空间传感器及机电组件。

  5.航天材料技术

  航天材料体系系列化研究和应用研究平台建设初具规模;突破新材料的研制关键技术和工程应用关键技术;突破跨学科重大基础研究。

  6.航天制造工艺

  应用柔性集成制造技术等快速响应制造技术;开展精密超精密加工技术和先进连接技术研究;提高表面工程技术水平;开展立体与高密度组装技术等电气互联技术的研究。

  7.质量与可靠性

  完善航天型号产品保证技术与规范体系;提高质量工程技术的创新能力;建立计算机集成质量管理系统和产品安全性认证机制体制;研究航天产品系统级可靠性优化设计方法。

  五、我国航天科学技术未来发展展望

  我国全面建设小康社会的宏伟目标和党的十七大提出建设创新型国家的战略目标。在这种背景下,新时期国家安全、经济社会发展和科学技术进步对航天科学技术提出了更高的要求,也为航天科学技术实现跨越式发展带来了新机遇。为此,我国在航天十一五规划中,进一步明确提出了我国航天科学技术未来发展的主要目标和任务:发展新一代大型运载火箭技术,提高进入空间的能力;开发高可靠、大容量通信卫星技术,实现通信卫星型谱化;发展新型遥感卫星技术,提高对地观测的能力;分阶段发展导航定位卫星系统,形成自主实用的卫星导航定位能力;继续实施载人航天后续工程,实现驻留空间的能力;实施月球探测二、三期计划,提高空间科学研究与深空探测能力;进一步发展航天发射与测控技术;提高分系统技术和支撑性技术发展水平。

  为达成上述目标和任务,我们必须把国家发展需求的牵引力与航天科学技术发展的推动力紧密结合在一起,在我国航天技术在未来发展的过程中,采取以下措施:注重航天科学技术发展的顶层设计和统筹规划,实现可持续发展;实施重大工程,带动自主创新和航天科技水平整体跃升;扩大航天科学技术的应用范围,提高业务服务和产业能力;加强基础技术研究,增强原始创新能力;增进国际交流与合作,提高国际竞争力;加强政府对航天科技事业的集中统一管理,调动各方积极因素。只要贯彻落实了以上措施,我国航天科学技术发展的未来将会更加美好。

Space Science and Technology

  After more than 50 years’ development, China’s space science and technology has been applied extensively in many fields, such as national economy, national defense construction, culture, education, and scientific research, and resulted in huge economic and social benefits and exerted a widespread and profound influence on human society and life.

  During the period of 2003-2007, China’s space science and technology has developed rapidly and made significant progress. In the respect of space launcher technology, the Long March series launch vehicles have made more than 100 flights with over 60 consecutive successes, it ranks among the first-class launch vehicles in the world; and the development of the new generation of launch vehicles for the coming 30 to 50 years has made a series of great breakthroughs. In the respect of spacecraft technology, the applied satellites have realized the development based on serialization and common bus with significantly improved reliability and operation lifetime. In the respect of manned spacecraft technology, both Shenzhou-5 and Shenzhou-6 manned spaceflight missions have got complete success; China becomes the third country in the world that has the capability to carry out manned spaceflight independently. In the respect of lunar probe technology, the complete success of China’s first lunar mission marks that China has entered the national club with capability of deep space exploration. In the respect of space launch and TT&C technology, China has successfully carried out the launch and TT&C missions for Shenzhou spaceships, lunar orbiter and various satellites in Earth orbits, provided a strong support for the development of Chinese space industry. In the respect of subsystem and supporting technologies, technologies including vehicle guidance and control, space propulsion, aerodynamics and flight mechanics, space manufacturing process, space materials, and space quality and reliability have been developed smoothly, and laid a solid foundation for the overall development of Chinese space science and technology.

  While Chinese space science and technology has been developed rapidly, the world space science and technology is also made giant strides. It is necessary for us to have a specific and objective understanding of our own technical level and development targets through keeping abreast of the overall development trend of the world space science and technology and analyze the gaps between China and the advanced foreign countries in the various fields of space science and technology so as to realize the leap-forward development of Chinese space science and technology. At present, all the major space powers have worked out their long-term space development planning and increased their investment in space; the United States, Europe and Japan have completed the upgrading and replacement of their heavy launch vehicles, many countries have proposed new launch vehicle development programs and accelerated the development of small launch vehicles; the applied satellites have made great progress, for example, the new Earth observation satellites have been launched, the communications satellites have been upgraded or replaced by the new generation, and the navigation and positioning satellites of three navigation and positioning satellite systems are operating at their own orbits; the United States and Russia are opening up new ways for the development of manned space transportation system and speeding up the construction of the International Space Station (ISS). Significant achievements have been made in the field of deep space exploration, the moon and the Mars will be the long-term emphasis of deep space exploration activities in the future, and new progress will also be made in the planetary exploration. Compared with the advanced countries in the world, Chinese space science and technology still has a long way to go, whether it’s overall development level or its various specific technical fields.

  The period of 2008-2009 is critical for the development of Chinese space science and technology, we further define the main development targets in various technical fields for the coming two years according to the current situation of Chinese space science and technology and the future needs of the country. In the respect the space launcher technology, we should implement the reliability improvement program for the Long March launch vehicles, simplify the launch process, modify the LM-2F launch vehicle, and develop the new generation of launch vehicles and new small liquid launch vehicles as soon as possible. In the respect of spacecraft technology, we should lay emphasis on the super high-resolution Earth observation technology, space communications technology, Beidou-2 regional navigation, and positioning system, make breakthroughs in lunar soft landing, automatic roving survey, and the related technologies, and carry out the research on platform technology. In the respect of manned spacecraft technology, we should master the technology for astronaut Extra-Vehicular Activity (EVA), promote the rendezvous docking technology for space vehicles, and make research on space laboratory and space station. In the respect of lunar probe technology, we should solve the problems in key technologies, such as overall concept design and optimization, lunar soft landing technology, lunar roving technology, onboard TT&C communications technology for lunar exploration, and comprehensive electronic technology, which are related to the lunar soft land and rover. In the respect of space launch and TT&C technology, we should solve the problems in key technical area, such as the transportation of large launch vehicles and large mobile launch platform, carry out the research on the launch technology for small launchers with cryogenic propellant and mobile launch mode, strengthen the construction of TT&C communications system, build the integrated TT&C information network, and carry out the research on the modulated/demodulated technology for high-rate data transmission, TT&C information security technology, and TT&C communications equipment. Moreover, we also define the main development targets for space subsystems and supporting technologies in the next two years.

  In the light of Chinese strategic goals of building a well-off society in an all-round way and an innovation-oriented country, we make prospects for the future development of Chinese space science and technology, define the main targets and tasks in the future longer period, and propose the overall development way and measures for realizing the above mentioned targets and tasks. The main targets and tasks for the future development of Chinese space science and technology are following: developing new generation of heavy launch vehicles to enhance space access ability; expanding highly reliable large-capacity communications satellite technology to realize the satellite serialization; burgeoning new remote sensing technology to improve Chinese Earth observation ability; growing the navigation and positioning satellite system through different phases; forming Chinese independent operational satellite navigation and positioning ability; continuing the follow-on manned space program to realize the residence in space; carrying out the second and the third phases of Chinese lunar exploration program; enhancing Chinese capability of space scientific research and deep space exploration; developing further space launch and TT&C technology; and improving the development level of subsystem technology and supporting technology. In order to realize the above mentioned targets and tasks, we must combine the traction force of the national development needs with the motive force of the development of space science and technology closely and adopt the following measures in the future development of Chinese space science and technology, that is, laying emphasis on the top-level design and overall planning to realize the sustainable development, implementing major projects to promote the independent innovation, and increase the whole level of China’s space science and technology; expanding the application scope of space science and technology to improve Chinese ability of operational service and industrialization; intensifying the basic technical research to improve the original innovation ability; facilitating international exchanges and cooperation to enhance Chinese international competitiveness; strengthening the centralized and unified management for Chinese space industry by the government to make use every positive factors. By putting these measures into effect, Chinese space science and technology will have a bright future.

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