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包為民院士:全球航天運輸革命時代正在到來

2020-06-12 10:47

以下文章來源于中國科訊 ,作者包為民



包為民


發展地月空間有重大意義


      眾所周知,人類開發地月空間源于自身生存發展的需要。人類越來越依賴太空技術開發,以解決當前所面臨的一些問題。在未來相當長的一段時間里,地月空間將成為人類發展的重要戰略空間,也將發揮更重要的作用。目前,太空領域已成為全球幾大科技強國在21 世紀競爭的主要疆域,也成為爭先搶占的戰略制高點。


      地球是人類的搖籃,但人類不會永遠睡著在搖籃里,人必將走向太空,去探究我們從哪里來, 我們往哪里去。地月空間也將成為繼海陸空之后又一空間,發展地月空間的重大戰略意義在于有利于解決地球資源的短缺問題,可促進人類的文明可持續發展,將推動人類文明發展進入一個新的階段。


      地月空間有著豐富的能源、礦物及軌道資源。該領域的開發能夠形成一系列新型產業,而且可帶動科技、經濟、社會的健康和快速發展。


      我國已經具備加快推動地域空間開發的基礎和良好環境。經過60 年的發展,中國航天已經邁入航天大國行列——十九大報告中明確提出要建設科技強國、航天強國的戰略目標。


      當前我國正在大力推進“中國制造2025”、互聯網+、人工智能等戰略,為開發地月空間提供了良好的發展機遇。在國家政策的大力支持下, 我國的航天技術進入快速發展期,成為推動國民經濟發展新動能的態勢也初現端倪。


      那么,開發地月空間有哪些重要意義?首先, 月球擁有的資源對于人類而言非常重要。據初步估計,月球擁有71 萬5 千噸氦3 資源、200 億噸水等資源,近地小行星擁有13700 種礦產、3000 種工業礦產、300 種稀有礦產,礦產量是地球的1000 倍,探索地月空間資源,能從根本上解決地球資源短缺的問題。


      其次,開發地月空間能夠推動人類命運共同體的建設。地月空間的開發主要依靠國家的投入, 必將推動各國在科技領域里的合作共贏,為構建人類命運共同體創造了良好的平臺。第三,開發地月空間能夠推動社會主義現代化強國建設和中華民族的偉大復興。第四,開發地月空間可以推動相關產業的融合、協同及綠色發展。


      開發地月空間到底有什么經濟價值?其經濟性主要從三個方面分析:一是直接效益,二是間接效益,三是影子效益。依據經濟模型,我們團隊利用不同的樣本、不同的數據,對地月空間的經濟性做了一些評估。


      預計到2050 年,地月空間經濟所有細分產業的總產值將達到93 萬億元,而且可以解決能源、污染等問題,并提供產業轉型的新途徑,滿足人類增長的物質和文化需求,惠及普通大眾等。同時,還將有助于制天權能力的提升,未來戰爭中掌握“天”權的一方必將贏得戰爭的主動, 月球很有可能成為具有未來軍事戰略意義的制高點。美國總統特朗普于今年3 月簽發了重返月球計劃,并以月球為跳板登陸火星;ESA 提出利用3D 打印技術建造月球村,實現月球移民。


發展高可靠、低成本的航班化空間運輸系統


      按照本世紀建設科技強國的戰略目標,應當開展高可靠、低成本航班化空間運輸系統的研究。近期完成相關基礎研究,突破關鍵技術,建立試用系統;中期將建成高可靠、低成本的運輸系統以滿足國家航天的任務和商業化運營需求,并推動航天產業經濟化的快速發展。


      我們設想的航班化運輸系統由1 小時全球抵達運輸系統、天地往返運輸、空間轉移運輸系統三部分組成。該系統具有高可靠與低成本,能夠滿足我們未來進出空間的需求,并促進航天產業的快速發展。


       1 小時全球到達的運輸系統主要任務是負責人/ 貨往返地球表面與亞軌道間的高超聲速運輸, 特點為航班化、高安全、高可靠、低成本、通用化和智能化,并且可重復使用運載火箭和高超聲速技術。這種技術可以實現一小時四十分鐘從美國西海岸到達上海,如果這種運輸系統能投入運營,將對全球的運輸發生革命性的變化。

       天地往返運輸的任務是負責地面與地球軌道空間之間的人/貨往返的運輸,其特點為航班化、高可靠、低成本、通用化、重復使用、智能化和快速發射等。


       未來從地面到地球軌道空間的運輸量非常大,必須降低成本提高航班化的發射,以及提高我們進入空間的能力和運輸能力??芍貜褪褂玫倪\載火箭高超聲波技術,以及升力體式的可重復使用運載器加高超聲速技術,是我們未來要解決的很重要的兩個方向。


聚焦地月空間經濟區


       地月空間經濟區是指人類探索、開發和利用地月空間資源所從事的創造和提供價值與收益的研發、生產、制造、實驗和服務活動。高可靠低成本的航班化運輸系統是開發地月空間的基礎。地月空間經濟區的主體任務范圍包括近地空間、月球引力空間、地月轉移空間,以及以此為基礎更遠深空的拓展任務范圍,全面實施空間科學、空間技術和空間應用。


       地月空間經濟區的硬軟件設施可以簡述為“一個經濟區、三大體系、十一大系統”,三大體系由航班化地月空間運輸體系、空間資源探測與開發體系、空間基礎設施體系組成。地月空間經濟區與當前重大工程有銜接性,如正在開展的載人航天、月球探測、北斗、高分辨率對地系統等都將在地月空間經濟區中得到應用和全面推廣。我國正在開展論證的在軌服務與維護系統、天地一體化信息系統等重大工程所攻關的技術和工程本身也都將在地月空間經濟區中得到應用和全面推廣。


      一方面,地月空間經濟區作為各類重大工程的統一應用場景,能夠將這些重大工程作用充分發揮,創造巨大的應用空間和價值,另一方面,通過地月空間經濟區的建設,能夠將當前和未來一段時間內的相關的重大工程實施統籌規劃和資源優化配置,使國家投入更加優化合理和反饋于國家社會經濟科技民生等發展。


       地月空間經濟區的發展路線圖為,近期完成航班化地月空間運輸體系涉及到的核心基礎問題研究和關鍵技術攻關,完成地月空間經濟區運營管理模式、政策和法律的制訂,全面啟動空間資源探測與開發體系和空間基礎設施體系重大基礎問題研究和關鍵技術攻關,具備開展地月空間經濟區軟硬件在軌建設的條件。


      中期全面完成航班化地月空間運輸體系建設,完善運營管理模式及政策法律,基本完成空間資源探測與開發體系和部分空間基礎設施體系在軌建設、部署與初步運營,全面形成地月空間經濟區基礎產業,形成部分應用產業和開發與利用產業,經濟規模達到19萬億元。


       遠期,全面完成地月空間經濟區的軟硬件基礎設施全面建設,運營管理、政策、法律完善,地月空間經濟區實現全面運營,三大類型產業全面形成,產業鏈閉環完善,經濟效益顯著,經濟規模達到93萬億元,全面促進我國經濟社會科技民生的發展。


夯實內功 迎接太空經濟時代


       目前,我國航班化航天運輸系統面臨眾多新的技術挑戰,包括新型飛行器總體設計技術、新型動力與能源技術、新型控制技術、新型結構技術、新型防熱技術、新型材料與制造技術等。


       世界航天已進入大規模進出空間和地月空間經濟新時代,“航天運輸革命時代”也正在到來,當前進出空間成本高昂,未來必須要有設計理念上的改變,以適應未來航班化、低成本、大規模進出空間的需求。


       重復使用航天器是大幅降低航天運輸系統成本的重要途徑,像飛機一樣實現重復使用和航班化運營,可以從根本上解決當前航天運輸系統一次性使用帶來的費用高昂問題,航班化航天運輸系統是適應未來航天新時代的重要選擇和支撐。未來的重復使用應具有環境可設計、可控制性,由當前的環境對抗型設計向環境適應型和利用型設計轉變。這需要我們突破現有航天器的設計理念、設計方法,適應地月空間發展對航天器的新要求。高可靠低成本航班化航天運輸系統的研制是我國航天運輸技術發展的重要契機,我們應抓住機會,迎接挑戰,主動走向地月空間,共同迎接地月經濟的新時代。


作者系中國科學院院士、中國航天科技集團公司科技委主任、中國高科技產業化研究會理事長。

(肖琳芬整理,轉自Aerospace China期刊2019年第四期)


本文內容見《高科技與產業化》雜志2019年12月號 第二屆中國高科技產業化高峰會議???/span>

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