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近地轨道|2035：航天工程科技发展图景

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2035 年 ， 空间探索与利用进入新时代 ， 智能制造、新型材料、量子技术等的群体突破 ， 将极大地提升火箭、卫星等航天器的性能 ， 以新应用服务牵引的新型航天器将陆续出现 ， 进而全面提升人类进出空间、利用空间、探索空间的能力 。 通信、导航、遥感卫星与地面信息系统广泛互联融合 ， 形成空天地海一体化的广域信息网络 ， 面向全球提供精准、实时、无缝、泛在的空间信息综合服务 ， 载人探测走向火星等深空 ， 近地太空旅游渐成趋势 。 商业航天蓬勃发展 ， 卫星应用与信息技术深度融合 ， 将带动世界航天产业持续较快发展 ， “空间经济”成为信息化时代世界经济的重要组成部分 。
近地轨道运载能力达到百吨级 ， 航天发射成本大幅降低
重型运载火箭研制成功 ， 具备载人深空探索的能力 。 美国正在研制的SLS 重型运载火箭 ， 预计到2020 年底或2021 年初实现首飞 ， 后续将通过采用先进上面级和先进助推器逐步提升能力 ， 使近地轨道运载能力达到百吨级 。 俄罗斯计划以现有较成熟的RD-180 液氧煤油发动机和“能源”号重型火箭为基础 ， 研制“叶尼塞”和“顿河”超重型运载火箭 ， 预计在2030 年前实现首飞 ， 支撑载人登陆月球 ， 建设月球永久基地 。 可重复使用火箭和运载器技术得到推广 ， 能够显著降低发射成本；吸气组合动力技术得到突破 ， 将实现其在航天运输系统上的验证和初步应用 。 未来新一代运载火箭投入使用 ， 俄罗斯将逐渐使用安加拉号系列火箭和联盟5 号火箭替换现役运载火箭 ， 利用无毒无污染的推进剂替代现役大量采用有毒推进剂的运载火箭 。 欧洲逐步形成较为全面的火箭型谱 ， 实现完全自主进入空间的能力 ， 新一代阿里安6 型火箭的投入使用 ， 使欧洲在商业发射领域的竞争力得以保持 。
高效费比商业发射将改变世界发射服务格局 。 美国将继续推动商业航天公司的发展 ， 逐步将所有近地轨道运输任务交由商业公司 ， 并在未来深空探索活动中 ， 越来越多地借助商业公司的力量 。
空间基础设施步入融合服务新时期 ， 系统建设和服务水平换代升级
空间基础设施体系化、网络化建设是未来发展趋势 ， 通信、导航、遥感卫星相互融合 ， 实现信息获取、信息存储、信息传输和信息挖掘的跨域多层次自主融合 。 商业通信和遥感大规模星座完成部署与商业运行 ， 卫星应用向空天地海一体化统筹、多手段多维度全要素综合应用发展 ， 与新一代信息技术深度融合并面向全球提供精准、实时、无缝、泛在、智能的空间信息综合服务 。
多项通信卫星前沿与关键技术研发应用取得重大进展 ， 将大幅提高卫星通信系统效率 。 Q/V 频段资源从仅用于馈电链路开始逐渐应用于业务链路 ， 波束数量大大增加、频率复用能力增强 ， 将催生数十Tbit/s 的超大容量宽带通信卫星 ， 打造未来天基信息网络核心节点 。 空间激光通信稳定性、建联时长、传输速率等不断提升 ， 从传统的通信中继应用走向大规模星间链路组网应用 ， 成为构建天基信息骨干网的关键使能技术 。 载荷灵活性进一步提高 ， 在轨可编程类器件趋向成熟 ， 软件定义卫星开始大规模涌现 ， 支持各类卫星通信协议、功能的在轨重构和升级 。
遥感领域以提升综合能力为主 ， 实现多源、多手段、多平台的数据融合 ， 大幅度提高三维建模、目标识别和精细化遥感等能力 ， 实现可重构成像技术 。 卫星系统将呈现“大、小两极化发展态势” ， 大卫星综合能力更加强大 ， 具备甚高可见光和红外分辨率、高图像定位精度和很强的敏捷能力 ， 可实现多种成像模式；小卫星星座系统实现数十乃至数百颗卫星组网 ， 将时间分辨率提高到分钟至小时级 ， 为大数据分析提供了不间断的数据源 。
卫星导航系统向更高精度、抗毁顽存、功能多样、持续自主导航方向发展 。 采用激光冷却技术的离子钟、原子钟进入在轨验证阶段 ， 导航定位服务进入全面分米级时代 。 空间原子钟技术的进步 ， 特别是小型化的发展有效推动了空间导航、通信体系的融合 。 随着X 射线脉冲星导航、红外星图定轨定姿、高精度星敏感器等技术的应用 ， 卫星导航系统有望实现完全自主导航 。 卫星导航系统全面具备导航功能和信号的在轨重构与升级能力 ， 可依据军事与民用需求或任务、环境需要 ， 实现导航功能、导航信号与功率等的调整、升级或重构 ， 全面提升服务能力 。
月球探测进入载人探索阶段 ， 火星探测尝试无人采样返回
深空探测向以典型天体无人取样返回为里程碑的综合性探测和以载人火星探测为终极目标的深度探测阶段迈进 。 月球和火星将持续作为重点探索目标 ， 月球探测进入资源利用与载人探索阶段 ， 俄罗斯、日本、韩国等国推进无人月球采样返回任务 ， 商业公司开始实施月球资源勘探活动 ， 美国和俄罗斯联合开展的“深空之门”月球空间站基本建成；火星探测开始尝试无人采样返回活动 ， 日本的“火星卫星探测”和俄罗斯的新“福布斯- 土壤”任务将进行火星卫星的采样返回 ， 美国开展载人飞船的无人火星探索之旅 ， 为载人火星探测奠定了基础 。 木星系统及太阳系其他天体的探索也将不断深入 ， 美国的“欧罗巴快帆”、欧洲的“木星冰卫星探测器”等任务将重点探测木星卫星的生命痕迹及宜居性 ， 同时商业小行星开采任务进入实施阶段 。
探测器向小型化、低功耗、轻质量、自主性和高可靠通信等方向发展 ， 并催生新型空间推进技术的应用；月球通信中继系统逐步建设成型；深空电源技术研制出用于大型机器人和载人巡视器的高功率、长寿命燃料电池 ， 太阳电池阵列功率进一步提升至兆瓦级；针对未来火星载人探测需求 ， 研发大质量载荷火星着陆及上升返回技术 。 此外 ， 美国、俄罗斯、中国都将研发用于将航天员送往近地轨道、月球并返回地球的新一代载人飞船 ， 亚轨道、近地轨道的太空旅行日趋完善 。 其中 ， 美国国家航空航天局提出的实现载人火星探索长远目标所需关键系统见表1 。
近地轨道|2035：航天工程科技发展图景
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表1实现载人火星探索长远目标所需关键系统
在轨加注、维修维护实现业务化应用 ， 商业服务模式初步形成
在轨服务与维护技术将变革航天器研制模式 ， 卫星由不可维修、一次性使用向可维修、综合应用方向发展 ， 全球新一代卫星普遍采用可维性设计和标准接口 。 在轨服务与维护由模块更换排除故障和在轨加注延长寿命 ， 向在轨构建大型系统等更高层次发展 。 空间机器人由第一代的平台与机械臂相对独立 ， 到第二代的平台与机械臂协调控制 ， 发展至第三代的一体化空间智能机器人 。 美国、欧洲等国家（地区）具备在轨延寿、在轨补加、在轨维修升级、大碎片移除等技术能力 ， 拟建成初步轨道服务设施 ， 形成商业服务能力 。
本文摘编自:《中国工程科技2035发展战略·航天与海洋领域报告》
来源：科学人文在线


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