中國學科發展戰略：航太運輸系統（簡體書）

中國科學院編著的《中國學科發展戰略(航天運 輸系統)》： 航天運輸系統是執行往返于地球表面和空間軌道 之間、空間軌 道與軌道之間及地外天體著陸和返回運輸任務的運輸 工具的總稱， 包括載人飛船、載貨飛船、運載火箭、航天飛機、空 天飛機、應急 救生飛行器和各種輔助系統等。它是發展空間技術、 確保空間安全 的基礎，同時也是實現各類航天器快速部署、重構、 擴充和維護的 保障，更是大規模開發和利用空間資源的載體，是推 動人類社會進 步、促進新軍事變革的重要力量。
作為現代科學技術的結晶，航天運輸系統是現代 科學技術高度 的綜合集成。航天運輸系統的發展，使人類不再受限 于地球引力， 能夠直接進入空間或通過各種空間探測器獲取資料、 信息，為人類 認識宇宙空間自然現象、研究其內在規律提供了前所 未有的條件。
與航天運輸系統學科相關的分支學科，如空間物理學 、空間天文 學、空間化學、地質和空間微重力學科等，也相繼得 到了不同程度 的發展。
《中國學科發展戰略(航天運輸系統)》從國內外 航天運輸系統的發展現狀入手，分析國內外航天 運輸系統的發展趨勢，結合我國航天運輸系統學科的 發展現狀，提 出關于促進航天運輸系統學科發展的意見和建議。
一、國外航天運輸系統發展現狀 第二次世界大戰結束后，在德國V一2導彈技術的 基礎上，蘇聯 成功研制了本國的運載火箭，發射了世界上第一顆人 造衛星；美國 也成功研制了自己的火箭，并且第一個實現了人類登 上月球的夢 想。這個時期，航天運輸系統主要采用一次性運載火 箭和飛船，運 載能力從最早的幾十千克，發展到100噸以上，活動 范圍從近地軌 道拓展到月球乃至太陽系邊緣。根據航天發射記錄報 告網站 (www．spacelaunchreport．corn)的數據統計，截 至2012年11月31 日，世界共進行各類航天發射5200余次。其中，蘇聯 ／俄羅斯3100 余次，美國1500余次，歐洲231次，中國173次，日本 67次，印 度38次。
一次性運載火箭仍是目前人類進入空間的最主要 運輸手段。
同時，世界各國為探索廉價可靠的可重復使用運載器 技術，也開展 了大量技術攻關和試驗。
空間運輸航天運載器是航天運輸系統的重要組成 部分，為了拓 展航天運輸系統的軌道轉移運輸能力，世界各國積極 發展運載上面 級技術，增強運載火箭的任務適應性，至今已研制了 數十種各類上 面級，如美國的半人馬座G、德爾它4上面級，俄羅斯 的質子號D 級、“微風”上面級和“弗雷蓋特”(FREGAT)上面級 等。這些上 面級一般具有多次啟動變軌能力，可以進行多星分配 軌道部署，為 發展軌道轉移運輸系統奠定了堅實的技術基礎。
軌道轉移運輸飛行器具有多功能性、自主性、機 動性和靈活性 等特點，應用前景廣泛，引起了世界各航天大國的關 注。深空探測 軌道器源于人類探索宇宙奧秘的驅動，自1958年人類 首次探月活 動開始，國外已經開展了對月球、太陽系內行星及其 衛星、小行 星、彗星等天體的探測，主要集中在月球和火星。據 統計，截至 2011年8月，人類對地球以外的太陽系天體開展的探 測任務共約 226次，以探測月球為主的任務約為109次，探測火星 的任務約為 38次。典型的有蘇聯的“月球號”系列探測器、美國 的“火星全 球勘測者”、“奧德賽”和“火星勘測號”等。其中 有較多的深空飛 行器采用深空探測軌道器進行探測器的運輸。
可重復使用航天運載器是降低航天運輸成本的有 效手段，是未 來航天發展的必然趨勢。自航天飛機投入使用以來， 研制可重復使 用運載器一直是航天領域的熱點，各主要航天研發機 構紛紛開展相 應的研究計劃和技術驗證。
在人類太空活動日益頻繁的今天，一個國家擁有 一個國際性的 航天發射場，在政治、經濟、科技方面都將獲得巨大 的戰略利益。
世界上主要航天大國為了占領國際航天市場，適應新 型航天運載 器、運載火箭發展的需要，改建或新建了一些航天發 射中心，在提 高發射效率、縮短發射周期、降低發射成本、保證發 射安全等方面 有了很大的進步，使航天發射中心朝現代化、大型化 方向發展。
二、國外航天運輸系統發展趨勢 各主要航天國家十分注重航天運輸系統發展的頂 層謀劃和戰略 管理，紛紛出臺目標宏偉、規劃長遠的航天運輸系統 發展戰略與規 劃，持續加大航天運輸領域的投入，以重大工程或重 大計劃的實施 帶動空間技術和相關高技術領域快速發展。目前國外 航天運輸系統 的發展主要呈現以下趨勢。
(1)一次性運載火箭技術仍將占據航天運載技術 的絕對主導地 位，并在不斷改進。
美國、俄羅斯、歐盟、日本等主要航天國家和組 織都建立了比 較完整的運載火箭型譜，基本完成了更新換代。各航 天大國目前所 使用的新型運載火箭一般采用大直徑芯級，使用無毒 推進劑，近地 軌道最大運載能力均超過20噸，地球同步轉移軌道最 大運載能力 達到10噸級。
主要航天國家新研制火箭在不斷提高運載能力的 同時，強調降 低成本，提高可靠性和發射成功率。眾多新型運載火 箭的研制成 功，也導致國際發射市場的競爭更為激烈，除了傳統 的性能、價格 競爭外，發射服務的快速、周到、高標準和高可靠性 也成為競爭的 重點。
(2)深空探測和大規模空間設施建設任務，對重 型運載火箭和 空間組裝技術的發展提出迫切需求。
各航天大國紛紛制訂深空探測規劃，美國計劃 2025年登陸火 星，俄羅斯制訂了204．0年前的航天發展計劃，目標 是在2025年以 前派遣宇航員登上月球，這些規劃的實施對重型運載 火箭研制提出 了需求。總體看來，未來重型運載火箭的研究和空間 組裝火箭的技 術都會得到充分應用，尤其是在載人登月之后的載人 深空探測任 務中。
(3)發展實現空間系統快速部署的運載工具，小 型運載火箭 技術是重點。
快速發射火箭的研究目前主要集中于美俄兩國， 在役型號多是 在戰略導彈基礎上改裝研制的。新研制的小型運載火 箭則多以液體 火箭為主，發射平臺以陸基和空基機動為主。這種火 箭同時需要具 備低成本、高可靠性、機動能力強、操作簡單等特點 。
(4)作為運載火箭在空間運輸的必要補充，上面 級、空間轉移 飛行器等空間運輸航天運載器也在獨立發展。
運載火箭上面級、空間轉移飛行器是航天運輸系 統的基本組成 之一，其研制強調提高任務適應性和可靠性。低溫高 能、長期留軌 是其主要的發展方向。
由于它們具有軌道機動、離軌、再入等功能，可 以滿足不同任 務的發射需求，不僅可機動部署衛星，未來還能提供 在軌維修和 服務。
(5)雖然航天飛機已經退役，但可重復使用運載 器的研制仍然 是重要發展方向，其關鍵技術的突破是重點。
與一次性運載火箭相比，研制可重復使用運載器 的技術難度要 大得多，要解決推進(火箭動力和吸氣動力)、結構與 防熱、自主 導航與控制、自動化健康監控、進場著陸、發射操作 等方面的關鍵 技術，總體方案必須要與同階段的關鍵技術發展水平 相匹配，需要 按照循序漸進的原則確定關鍵技術的攻關途徑。
各國在發展可重復使用運載器的過程中非常重視 飛行演示驗 證，通過飛行試驗來驗證總體方案的可行性和關鍵技 術，并積累設 計數據。針對暴露出來的問題，進一步完善設計，降 低技術風險和 投資風險，有利于全尺寸樣機的工程研制。
(6)注重航天人才隊伍建設。
航天產業對鞏固國防安全、增強國家科技和經濟 實力具有舉足 輕重的作用，也因此被世界主要航天強國列為戰略性 產業之一，予 以重點發展。航天產業具有技術含量高、人才培養周 期長等特點， 而且產業發展需要大量高素質人才的支撐。為適應這 一需求，各國 政府及其航天科技工業都紛紛采取措施，以求更多、 更快、更好地 培養人才，減少人才流失，鞏固航天工業的技術實力 和地位。
三、我國航天運輸系統的發展現狀 我國一次性運載火箭技術起步于20世紀50年代。
1970年4 月24日，我國采用“長征一號”運載火箭發射了“東 方紅一號，， 衛星，標志著我國正式擁有了自己的運載火箭。自50 年代以來， 我國的長征系列運載火箭實現了從常溫推進劑到低溫 推進劑、從串 聯到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發射衛星到發 射載人飛船和 月球探測器的跨越式發展，形成了相對完備的運載火 箭型譜，具備 開展中小規模的低、中、高不同軌道有效載荷發射的 能力。
我國的空間運輸航天運載器是隨著運載火箭上面 級的技術發展 而不斷發展的。我國已成功研制了“長征二號丙’’ ／FP上面級、 “長征二號丙”／FP上面級，完成7次成功發射，將2 顆模擬星和 12顆“銥星”送入預定軌道。我國為發射中國科學院 雙星在“長 征二號丙”／SM火箭的基礎上研制了專門的固體主動 力上面級。
此外，還研制了同樣以固體為主動力的“長征二號丙 ”／SMA運載 火箭。
通過上面級研制，我國在運載器所處的空間環境 和運載器在軌 長時間工作等方面具備了一定的研究基礎，在空間熱 環境控制技 術、空間粒子防護技術、電氣系統重構技術等方面取 得了一定的研 究進展。
從神舟一號飛船開始到天宮一號目標飛行器，中 國天地往返航 天技術走的是一條快速穩健而又有自身特色的發展道 路。多年來我 國也在不斷地跟蹤國外可重復使用運載器的發展，并 開展了部分關 鍵技術的研究工作。當前，我國重復使用技術發展尚 處于起步 階段。
航天技術是一個國家、一個民族綜合實力的重要 體現。西方發 達國家對中國在航天技術領域實行了嚴厲的封鎖政策 。要在這個領 域躋身世界先進行列，必須依靠自主創新，掌握核心 技術，擁有自 主知識產權。在這個尖端領域，一代又一代的航天人 艱苦奮斗，攻 克一道又一道世界難題，把自己的衛星送入不同的軌 道，讓東方紅 的樂曲響徹天際；把自己的航天員送入太空，讓千年 的飛天夢想今 朝成真；把自己的探測器送上月球，讓深空也變得不 再遙不可及。
四、我國航天運輸系統的學科發展建議 我國航天運輸系統距航天強國還有一定的差距， 各方面的資源 條件有限，要以科學發展觀來制訂和落實航天運輸系 統發展規劃， 開展航天運輸系統學科建設，從支撐航天運輸系統發 展的軟硬件環 境建設條件出發，重點研究相關行業政策、重點領域 、人才培養、 經費投入、基礎平臺、管理體制等核心要素，保障和 促進我國航天 運輸系統的持續、健康發展。對我國航天運輸系統學 科的整體發 展，提出以下發展建議。
(1)統籌規劃，加強頂層設計。
隨著航天運輸系統的國際化和商業化等多元化發 展，世界航天 發射市場的競爭日趨加劇。要想在激烈的競爭中脫穎 而出，科學合 理地分配和利用人財物等資源，充分發揮航天運輸系 統在航天事業 中的作用，在競爭中占據優勢，必須努力提高核心競 爭力，而航天 運輸系統學科建設將推動航天運輸系統的快速發展。
進行學科建 設，首先要統籌策劃，從頂層謀劃布局，整體優化， 形成一套完整 的學科體系。
(2)不斷加強我國航天運輸學科的理論體系研究 ，優化我國航 天運輸系統學科的建設方案。
航天運輸系統學科的發展對中國的航天科學研究 具有重要的意 義。一門新學科的建立是一項艱巨的任務，在建設過 程中首先要考 慮開展理論體系研究。目前，我國航天運輸系統學科 的發展以未來 的航天重點工程為牽引，注重成果的工程應用，理論 體系研究相對 薄弱，學科下屬專業發展不平衡，制約了我國航天運 輸系統的全面 發展。其次要注重學科的交叉性和應用性的特點，充 分利用現有研 究基礎，不斷補充和完善航天運輸系統學科體系，加 強薄弱學科專 業和技術的發展力度，優化我國航天運輸系統學科的 建設方案，在 此基礎上，開展航天運輸系統重大專項論證和關鍵技 術預先研究， 支撐我國航天事業未來更好地發展。
(3)完善研究與教學培養體系，加強人才隊伍的 建設和培養。
科技人才是航天運輸系統學科自主創新和技術發 展的主體，建 設一支高素質的科技人才隊伍是提高航天運輸系統學 科競爭力的有 效途徑。航天運輸系統學科乃至航天事業要走科學發 展的道路，必 須將科技人才隊伍建設納入總體發展戰略，科學制定 科技人才隊伍 建設的目標任務和政策措施，認真研究相關政策措施 的協調性，注 重對領軍人才的培養和使用。
(4)重視預先研究，增強航天運輸系統學科領域 的創新能力。
現階段，我國航天運輸系統學科預先研究面臨很 多艱巨、繁重 的任務，必須要積極適應我國航天事業發展的新形勢 和新任務，緊 貼航天運輸運載器研制的實際，準確把握預先研究工 作的特點和規 律，加快國防科技創新體系的建設，為我國航天運輸 系統跨越式、 可持續發展提供有力保障。
(5)加強航天運輸系統學科的基礎技術問題研究 和基礎建設。
航天運輸系統學科的發展涉及多方面的基礎技術 ，也需要多方 面基礎建設的保障。基礎技術問題的研究，基礎建設 的發展，是保 障航天運輸系統學科發展的關鍵，因此必須加強統籌 規劃，合理促 進和加強航天運輸系統的基礎問題研究和基礎建設。
(6)探索創新管理模式，為航天運輸系統學科的 發展提供 動力。
探索創新人才管理模式，充分尊重科技創新規律 ，鼓勵大膽創 新，正視失敗，營造出對科技人才充分尊重、理解和 寬容的良好氛 圍；必須將學科發展與科技人才自身發展緊密聯系起 來，強化科技 人才的責任感和主人翁意識，使其能夠以更飽滿的熱 情投入科技創 新工作當中。 (7)建立航天運輸系統學科建設研究的長效機制 。
航天運輸系統學科是一門新興學科，也是一門應 用性、實踐 性、交叉性非常強的學科，一定要注重理論研究與工 程實踐的聯 系。航天運輸系統學科的建設，不是一朝一夕就可以 完成的工作， 需要大量的人力、物力和財力，可以通過建立航天運 輸系統學科建 設研究的長效機制，與高校溝通，探索產學研結合研 究，構建一個 科學完整的航天運輸系統學科體系。