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包为民院士:全球航天运输革命时代正在到来

2020-06-12 10:47

以下文章来源于中国科讯 ,作者包为民



包为民


发展地月空间有重大意义


      众所周知,人类开发地月空间源于自身生存发展的需要。人类越来越依赖太空技术开发,以解决当前所面临的一些问题。在未来相当长的一段时间里,地月空间将成为人类发展的重要战略空间,也将发挥更重要的作用。目前,太空领域已成为全球几大科技强国在21 世纪竞争的主要疆域,也成为争先抢占的战略制高点。


      地球是人类的摇篮,但人类不会永远睡着在摇篮里,人必将走向太空,去探究我们从哪里来, 我们往哪里去。地月空间也将成为继海陆空之后又一空间,发展地月空间的重大战略意义在于有利于解决地球资源的短缺问题,可促进人类的文明可持续发展,将推动人类文明发展进入一个新的阶段。


      地月空间有着丰富的能源、矿物及轨道资源。该领域的开发能够形成一系列新型产业,而且可带动科技、经济、社会的健康和快速发展。


      我国已经具备加快推动地域空间开发的基础和良好环境。经过60 年的发展,中国航天已经迈入航天大国行列——十九大报告中明确提出要建设科技强国、航天强国的战略目标。


      当前我国正在大力推进“中国制造2025”、互联网+、人工智能等战略,为开发地月空间提供了良好的发展机遇。在国家政策的大力支持下, 我国的航天技术进入快速发展期,成为推动国民经济发展新动能的态势也初现端倪。


      那么,开发地月空间有哪些重要意义?首先, 月球拥有的资源对于人类而言非常重要。据初步估计,月球拥有71 万5 千吨氦3 资源、200 亿吨水等资源,近地小行星拥有13700 种矿产、3000 种工业矿产、300 种稀有矿产,矿产量是地球的1000 倍,探索地月空间资源,能从根本上解决地球资源短缺的问题。


      其次,开发地月空间能够推动人类命运共同体的建设。地月空间的开发主要依靠国家的投入, 必将推动各国在科技领域里的合作共赢,为构建人类命运共同体创造了良好的平台。第三,开发地月空间能够推动社会主义现代化强国建设和中华民族的伟大复兴。第四,开发地月空间可以推动相关产业的融合、协同及绿色发展。


      开发地月空间到底有什么经济价值?其经济性主要从三个方面分析:一是直接效益,二是间接效益,三是影子效益。依据经济模型,我们团队利用不同的样本、不同的数据,对地月空间的经济性做了一些评估。


      预计到2050 年,地月空间经济所有细分产业的总产值将达到93 万亿元,而且可以解决能源、污染等问题,并提供产业转型的新途径,满足人类增长的物质和文化需求,惠及普通大众等。同时,还将有助于制天权能力的提升,未来战争中掌握“天”权的一方必将赢得战争的主动, 月球很有可能成为具有未来军事战略意义的制高点。美国总统特朗普于今年3 月签发了重返月球计划,并以月球为跳板登陆火星;ESA 提出利用3D 打印技术建造月球村,实现月球移民。


发展高可靠、低成本的航班化空间运输系统


      按照本世纪建设科技强国的战略目标,应当开展高可靠、低成本航班化空间运输系统的研究。近期完成相关基础研究,突破关键技术,建立试用系统;中期将建成高可靠、低成本的运输系统以满足国家航天的任务和商业化运营需求,并推动航天产业经济化的快速发展。


      我们设想的航班化运输系统由1 小时全球抵达运输系统、天地往返运输、空间转移运输系统三部分组成。该系统具有高可靠与低成本,能够满足我们未来进出空间的需求,并促进航天产业的快速发展。


       1 小时全球到达的运输系统主要任务是负责人/ 货往返地球表面与亚轨道间的高超声速运输, 特点为航班化、高安全、高可靠、低成本、通用化和智能化,并且可重复使用运载火箭和高超声速技术。这种技术可以实现一小时四十分钟从美国西海岸到达上海,如果这种运输系统能投入运营,将对全球的运输发生革命性的变化。

       天地往返运输的任务是负责地面与地球轨道空间之间的人/货往返的运输,其特点为航班化、高可靠、低成本、通用化、重复使用、智能化和快速发射等。


       未来从地面到地球轨道空间的运输量非常大,必须降低成本提高航班化的发射,以及提高我们进入空间的能力和运输能力。可重复使用的运载火箭高超声波技术,以及升力体式的可重复使用运载器加高超声速技术,是我们未来要解决的很重要的两个方向。


聚焦地月空间经济区


       地月空间经济区是指人类探索、开发和利用地月空间资源所从事的创造和提供价值与收益的研发、生产、制造、实验和服务活动。高可靠低成本的航班化运输系统是开发地月空间的基础。地月空间经济区的主体任务范围包括近地空间、月球引力空间、地月转移空间,以及以此为基础更远深空的拓展任务范围,全面实施空间科学、空间技术和空间应用。


       地月空间经济区的硬软件设施可以简述为“一个经济区、三大体系、十一大系统”,三大体系由航班化地月空间运输体系、空间资源探测与开发体系、空间基础设施体系组成。地月空间经济区与当前重大工程有衔接性,如正在开展的载人航天、月球探测、北斗、高分辨率对地系统等都将在地月空间经济区中得到应用和全面推广。我国正在开展论证的在轨服务与维护系统、天地一体化信息系统等重大工程所攻关的技术和工程本身也都将在地月空间经济区中得到应用和全面推广。


      一方面,地月空间经济区作为各类重大工程的统一应用场景,能够将这些重大工程作用充分发挥,创造巨大的应用空间和价值,另一方面,通过地月空间经济区的建设,能够将当前和未来一段时间内的相关的重大工程实施统筹规划和资源优化配置,使国家投入更加优化合理和反馈于国家社会经济科技民生等发展。


       地月空间经济区的发展路线图为,近期完成航班化地月空间运输体系涉及到的核心基础问题研究和关键技术攻关,完成地月空间经济区运营管理模式、政策和法律的制订,全面启动空间资源探测与开发体系和空间基础设施体系重大基础问题研究和关键技术攻关,具备开展地月空间经济区软硬件在轨建设的条件。


      中期全面完成航班化地月空间运输体系建设,完善运营管理模式及政策法律,基本完成空间资源探测与开发体系和部分空间基础设施体系在轨建设、部署与初步运营,全面形成地月空间经济区基础产业,形成部分应用产业和开发与利用产业,经济规模达到19万亿元。


       远期,全面完成地月空间经济区的软硬件基础设施全面建设,运营管理、政策、法律完善,地月空间经济区实现全面运营,三大类型产业全面形成,产业链闭环完善,经济效益显著,经济规模达到93万亿元,全面促进我国经济社会科技民生的发展。


夯实内功 迎接太空经济时代


       目前,我国航班化航天运输系统面临众多新的技术挑战,包括新型飞行器总体设计技术、新型动力与能源技术、新型控制技术、新型结构技术、新型防热技术、新型材料与制造技术等。


       世界航天已进入大规模进出空间和地月空间经济新时代,“航天运输革命时代”也正在到来,当前进出空间成本高昂,未来必须要有设计理念上的改变,以适应未来航班化、低成本、大规模进出空间的需求。


       重复使用航天器是大幅降低航天运输系统成本的重要途径,像飞机一样实现重复使用和航班化运营,可以从根本上解决当前航天运输系统一次性使用带来的费用高昂问题,航班化航天运输系统是适应未来航天新时代的重要选择和支撑。未来的重复使用应具有环境可设计、可控制性,由当前的环境对抗型设计向环境适应型和利用型设计转变。这需要我们突破现有航天器的设计理念、设计方法,适应地月空间发展对航天器的新要求。高可靠低成本航班化航天运输系统的研制是我国航天运输技术发展的重要契机,我们应抓住机会,迎接挑战,主动走向地月空间,共同迎接地月经济的新时代。


作者系中国科学院院士、中国航天科技集团公司科技委主任、中国高科技产业化研究会理事长。

(肖琳芬整理,转自Aerospace China期刊2019年第四期)


本文内容见《高科技与产业化》杂志2019年12月号 第二届中国高科技产业化高峰会议专刊

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