1961年4月12日，蘇聯航天員加加林乘東方號（Vostok）飛船實現了人類第一次環(huán)繞地球的低軌道飛行，揭開了世界載人航天活動的序幕。1992年9月21日，我國載人航天工程正式立項。筆者在《科技導報》1993年7期發(fā)表了《發(fā)展載人航天的經驗教訓》一文。文章指出32年的載人航天活動，既有成功的經驗，也有深刻的教訓。總結這些經驗教訓，無疑對今后的載人航天活動有十分重要的意義。文章總結了已取得較多共識的6條經驗教訓：①人與自動化系統(tǒng)的結合是開發(fā)空間資源的必由之路。②發(fā)展載人航天既要考慮提高國家的威望，又要有明確的科學試驗、技術發(fā)展和應用的目的。③必須高度重視載人航天系統(tǒng)的可靠性和安全性。④降低空間運輸系統(tǒng)的運輸費用和提高其使用性能，已成為有效開發(fā)空間資源的重要前提。⑤國際合作已成為發(fā)展載人航天的必然趨勢。⑥必須不斷發(fā)展先進的大型工程的管理技術。
在這之后，筆者將自己撰寫的有關空天飛機的幾篇論文寄給了錢學森先生，錢老在回信中首先說：“7月20日的信和大作9篇都收到，十分感謝！昨在《科技導報》1993年7期又見您的《發(fā)展載人航天的經驗教訓》，所談6點我都同意。我認為人們尤其應該重視遙現技術和遙操作技術，以免付出人長期在天上‘受罪’的巨大代價。我希望我國的航天事業(yè)能后來居上，勝人一籌！”錢老的回信，大大鼓勵了筆者繼續(xù)跟蹤世界載人航天的進展并進行研究。近30年來，世界載人航天進展很快，也產生了許多變化。雖然30年前我們總結的載人航天的經驗教訓仍然正確，但是載人航天中的許多新的進展仍然引發(fā)我們再思考。
月球、火星是未來載人航天的目的地
未來30年，人類將從地球軌道飛向月球和火星。首先，人類將重返月球。2019年5月23日，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了《飛向月球：NASA月球探索戰(zhàn)略計劃》。美國重返月球計劃取名為“阿耳忒彌斯”（Artemis），它將分兩階段實施。第一個階段的目標是要執(zhí)行“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）與“獵戶座”（Orion）飛船集成的無人飛行測試（阿耳忒彌斯-1任務），再執(zhí)行“獵戶座”飛船載人繞月飛行測試（阿耳忒彌斯-2任務），然后執(zhí)行載人登月（阿耳忒彌斯-3任務）。在此期間，NASA還將與美國工業(yè)界合作，為快速重返“月球開發(fā)月球軌道門戶”（Gateway）部件、無人商業(yè)月球著陸器和載人月球著陸系統(tǒng)，并為其提供商業(yè)運載火箭發(fā)射服務。第二個階段的目標是具備在月球軌道及其表面的持續(xù)探索能力，為完成載人火星任務打下基礎。“門戶”將作為深空前哨站和繞月燃料補給站，并作為未來前往火星的中轉站。
2015年10月8日，NASA公布了《火星之旅：開拓太空探索新篇章》。載人火星探測有重要的科學意義，它將為人類揭示宇宙起源、地球的起源和生命的起源提供重要依據，除此以外，許多無人探測火星的結果表明，火星是太陽系內各方面條件最接近于地球的一顆行星，也是人類唯一在現有能力下可以達到的、備用的棲息地。最后，在人類探索火星的過程當中，開發(fā)的一系列技術也必將用于改造地球上的沙漠的荒涼地帶，為地球上的人類造福。
2016年9月28日，在墨西哥舉辦的第67屆國際宇航大會上，美國太空探索技術（SpaceX公司）創(chuàng)始人埃隆·馬斯克作了“讓人類變成多星球物種”的主題演講，并推出了用于人類殖民火星的“星際運輸系統(tǒng)”（ITS）,最后定名為“星艦”（StarShip）計劃，提出了最早要在2025建年實現載人登陸火星，更長遠的計劃是實現人類向火星移民。目前，埃隆·馬斯克正在加緊研制“星艦”系統(tǒng)。
由此可見，人類有望在21世紀30年代登陸火星。但是他提出的建立火星城市的設想估計要有一個漫長的過程。
空間站是載人航天的基礎設施
世界載人航天發(fā)展出現了新的目的地，必將影響到目前載人空間站的任務。無疑，低地球軌道（LEO）的空間站最初是作為低軌道太空微重力科學技術實驗室，現在仍然擔負著這項任務，但它必定也是要研究人在未來的月球、火星環(huán)境下人的適應性的。目前的航天運輸系統(tǒng)將人類送至火星的時間至少要半年以上，為此，空間站是研究人類長期在太空環(huán)境中生存能力的最好的基礎設施。
與此同時，在原有的低地球軌道空間站的基礎上，人類逐步認識到建設月球軌道空間站和火星軌道空間站的必要性。
由美國、俄羅斯、日本、加拿大和歐洲等在1998年開始共同建造“國際空間站”（ISS），到2011年2月組裝工作全部結束。ISS的組成部分主要有：美國的長達108.6m的主桁架、居住艙、實驗艙和太陽能電池陣，日本的實驗艙，歐洲航天局（ESA）的哥倫布軌道設施，加拿大的移動服務系統(tǒng),俄羅斯的功能艙、服務艙、研究艙和太陽能電池陣等。ISS原定的任務是進行在低地球軌道的有人照料的太空科學技術試驗。過去的20年，ISS獲得了豐富的科研成果，包括太空技術開發(fā)、物理學與生物學的微重力研究、人體生理學研究、地球科學與教育等。其中最引人注目的成果是：證明了普通細菌在太空飛行期間會增強致病的能力，但改變細菌生長環(huán)境可以控制其毒性；演示了將藥物輸入人體內目標部位的新方法。然而，由于ISS耗資巨大，加上建設周期太長，維修任務因部件老化而更加繁重，從而使其建成之時就面臨窘境。
ISS做的最多的研究是測試惡劣的太空環(huán)境對人體、生物和材料的影響，這對今后的載人深空探索具有重要價值。首先，ISS是完成載人火星任務而必須的試驗基地。人去火星需要半年以上的時間，因此可以利用ISS試驗航天員在太空的長期生活和工作能力。其次，ISS可以試驗未來載人訪問月球、火星與建設基地必須掌握的技術，包括太空3D打印技術和天基太陽能技術等。
2022年，中國空間站即將建成，與ISS相比，中國空間站起步較晚，但具有后發(fā)技術優(yōu)勢。為實現建造空間站的目標, 中國空間站在構型布局上進行了精心設計，以保證空間站具備更強大的科學和應用能力。中國空間站還采用了許多創(chuàng)新技術，如：30%以上的光電轉化效率的太陽能技術、高比沖電推進技術、高閉合度環(huán)控生保技術等?？梢哉f，中國空間站的能力處于國際前列。中國空間站可以進行廣泛的太空技術試驗和微動力環(huán)境下的多種科學技術試驗，此外還提供了對地觀測和天文觀測的能力。中國空間站還有變重力的設施，以模擬月球和火星的重力環(huán)境。因此，中國空間站是一種多用途載人航天基礎設施。
商業(yè)化是發(fā)展載人航天的必經之路
早期，大國都把載人航天作為國家的頭等大事。美國和俄羅斯發(fā)展載人航天，也是由太空競賽所啟動。因此，這兩個國家都采用了由政府領導的舉國體制。以美國為例，“阿波羅”（Apollo）計劃每年花費了美國國內生產總值將近4.5%的資金，雖然贏得了載人登月的勝利，但從1973年以來，美國人再也沒有重返月球。此后，由政府主導的航天飛機計劃也遠未達到降低運輸費用的目的。
1986年，“挑戰(zhàn)者”和2003年“哥倫比亞”航天飛機的爆炸解體，都有7名航天員罹難，讓美國載人航天承受巨大的挫折。
NASA早在2008年就啟動了“商業(yè)軌道運輸服務（COTS）”項目，旨在為ISS發(fā)展商業(yè)補給服務，這種模式又很快推進到載人運輸領域。
在承擔NASA合同的幾家公司中，表現最突出的是由埃隆·馬斯克在2002年創(chuàng)建SpaceX公司。公司研制的獵鷹-9（Falcon-9）可回收式中型運載火箭進展順利，既可靠又便宜。2012年5月22日，公司向ISS發(fā)射了史上第一艘用于商業(yè)運貨的“龍”（Dragon）飛船。2020年5月30日，公司使用獵鷹-9火箭把載有兩名航天員的“載人龍”（Crew Dragon）飛船成功送入ISS。這次發(fā)射是在美國航天飛機退役后，首次利用美國自己的飛船實施的載人發(fā)射,目前已完成了多次載人任務和商業(yè)太空旅游。
美國載人航天的商業(yè)化正在從航天運輸系統(tǒng)擴展到空間站和重返月球等領域。2019年6 月7日，NASA發(fā)布了ISS商業(yè)化計劃，商業(yè)化的首要途徑是太空旅游。NASA將允許每年讓兩名私人航天員造訪空間站，每人駐站時間不超過30天。其次就是提出ISS貨物往返運輸和站上服務的定價方案。增加商業(yè)化的試驗項目，不僅可以增加收入，還可孕育一批具有產業(yè)前景的項目，讓其在市場競爭當中脫穎而出。最后，NASA還鼓勵商業(yè)公司自己建設商業(yè)空間站。NASA認為，ISS商業(yè)化的經驗必將有助于未來載人深空探測和太空資源的開發(fā)。
載人航天技術的突破取決于顛覆式創(chuàng)新
60年來，世界載人航天取得了許多成就，但與人們的期望還有一定的差距。載人航天技術與其他領域的前沿技術相比，發(fā)展速度并不快。現如今，摩爾定律在芯片領域仍然有效，而載人航天技術依賴的航天運輸系統(tǒng)主要取決于火箭技術。60年來，火箭的比沖只提高10%。目前，載人航天技術的瓶頸仍然是航天運輸系統(tǒng)的能力不足和效費比低。航空航天界十分期待使用組合式發(fā)動機的空天飛機，近年來，雖然高超聲速吸氣式發(fā)動機獲得重大突破，但是距離低成本的航班化運行還有很遠。另一方面，使用火箭發(fā)動機的垂直起飛、垂直降落的重復使用的航天運輸系統(tǒng)卻取得了很大的進展。目前，SpaceX公司研制的“星艦”可能是一種性能最高、費用最低的航天運輸系統(tǒng)。
SpaceX公司在航天領域取得的重大進展，改變了世界航天的“游戲規(guī)則”，開創(chuàng)了一種顛覆性創(chuàng)新模式。它本身具有硅谷精神和“互聯網基因”，通過應用互聯網的快速迭代思維，讓傳統(tǒng)的航天系統(tǒng)工程注入新活力。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程主張在前期研制中要暴露盡可能多的風險，以降低試錯成本，因此，在前期研制上往往耗費很多時間和精力。SpaceX公司更強調每一次完整迭代之后產生的“經驗”，包括基于更先進的工具和更優(yōu)化的供應鏈協作關系，這種走完多次“設計、開發(fā)、測試”流程所需要的成本已經大大低于20世紀的；而每一次經歷之后產生的經驗，實際上都降低了項目的整體成本。
對于未來的載人火星探測任務，運送人和貨物到火星的時間仍然在半年以上，從而增加了許多不可預測的風險。為此，我們必須開發(fā)利用化學能以外的能量，包括核能和其他能量的航天運輸系統(tǒng)，在這方面的突破取決于航天界的顛覆式創(chuàng)新的能力，這種能力來自于基礎科學的發(fā)展和先進的教育制度。
載人航天必須加強太空交通管理
為了保證載人航天活動的安全，必須加強太空的交通管理。目前，地球軌道上已經有了大量的太空碎片，一些反衛(wèi)星試驗也增加了太空碎片的數量，特別是隨著低地球軌道寬帶星座的發(fā)展，低地球軌道的交通更加擁擠。近年來,已經發(fā)生了多次“星鏈”（Starlink）星座衛(wèi)星十分接近ISS和中國空間站的情景，從而敲響了空間站安全的警鐘。
為了保障載人航天治動的安全，要在聯合國框架下加太空環(huán)境治理體系建設。加強太空交通管理，建設完善太空碎片監(jiān)測設施體系、編目數據庫和預警服務系統(tǒng)，統(tǒng)籌做好航天器在軌維護、碰撞規(guī)避控制、太空碎片減緩等工作，確保太空載人系統(tǒng)安全穩(wěn)定有序運行，以及太空活動、資產和利益的安全。
結束語
毫無疑問，人類必將迎來一個大航天時代，將使人類的社會更加繁榮和昌盛，但人類的美麗家園也正在面臨著巨大的風險，因此，人類要進入一個地球以外可以生存的星球。這里應該說明，人類進入太空也是為了更好地造福與保護地球。人類向地球以外的移民也可能只是很少的一部分人，因此，保護和造福我們的家園，同樣是載人航天的重要使命。
中國載人航天的發(fā)展已改變了世界載人航天的格局。中國載人航天基本上從世界載人航天第二個30 年起步。從中央決策實施載人航天工程并確定“三步走”戰(zhàn)略至今，已有30年，我國首先研制成功了載人飛船，在突破了交會對接出艙活動等關鍵技術以后，在2022年全面建成中國自己的空間站，世界載人航天進入了“雙空間站”時代。
中國空間站在運行過程中，如何保證其穩(wěn)定安全并達到預期的成果，還有許多挑戰(zhàn)。進一步，中國航天還會向載人登月和載人火星探測前進，因此，我們需要將未來的載人航天的發(fā)展和現在的空間站任務進行統(tǒng)一的規(guī)劃。
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