第七节空间技术
空间技术是探索、开发和利用宇宙空间的技术，又称为航天技术。目前专家们对“天”有两种理解：一是把地球大气层以外的无限遥远空间称之为“天”；另一是把地球大气层外、太阳系以内的有限空间叫做“天”。若按前一种理解，空间技术和航天技术完全是一回事；若按后一种理解，人们把地球大气层以外、太阳系以内的空间活动称之为航天，超出太阳系以外的空间活动称之为航宇，这样，空间技术就应涵盖航天技术和航宇技术。但由于在相当长的时期内，人类的活动还将主要局限在太阳系内，因此，目前人们普遍把航天技术和空间技术视为同义词。
空间技术具有两个方面的特点：首先，空间技术是一门高度综合性的科学技术，是众多现代科学和技术成就的综合集成。它主要依赖于电子技术、自动化技术、遥感技术和计算机技术等先进技术的发展。因此，一个国家空间技术的成就，最能体现其科学技术的综合水平，是衡量其科技实力的重要标志；其次，空间技术是一门快速的、大范围的、在宏观尺度上最能发挥作用的科学技术。比如，通信卫星可以大面积覆盖地面以至全球，气象卫星可以进行全球天气预报，侦察卫星可以及时监视广大地区的军事活动，等等。
空间技术区别于一般常规技术的这两个特点，使其对一个国家的综合实力和社会进步发挥着意想不到的战略性作用：在经济上，开发利用外层空间资源，其投资效益能达到1：10以上，能产生很高的经济和社会效益；在军事上，最能显示一个国家的军事实力，一个国家只要占有空间优势，就掌握了军事战略上的主动权；在政治上，它对提高一个国家在国际活动中的地位影响深远，一项重大的空间技术成就，往往能成为国际谈判中的重大筹码；在科学技术上，它还能带动电子、自动化、遥感、生物等学科的发展，并形成包括卫星气象学、卫星海洋学、空间生物学和空间材料工艺学等新的边缘科学。
发展空间技术所具有的如此重大的意义，自然引起了世界各国对空间技术的高度重视。1957年，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，标志着人类征服外层空间的开始，从此，空间技术便以势不可挡的惊人速度向前发展：1961年载人飞船升空；1969年“阿波罗”16号宇宙飞船载人登月，实现了人类“嫦娥奔月”的梦想；1971年成功发射世界上第一个空间站“礼炮一号”；1981年世界上第一架航天飞机试飞成功；1986年人类把第一个积木式空间站“和平号”送上太空，并正在通过国际合作开发使用更广的新一代空问站“阿尔法”。除此之外，美、俄等国又在为实现重返月球和人类登上火星之梦而积极努力。在短短的30多年中，除了美国、前苏联是世界公认的两个航天大国外，欧盟、中国、日本、加拿大、印度等都已成为世界“航天俱乐部”的重要成员，参与开发空间技术的国家达到了60多个，应用空间技术的国家已遍及全球。空间技术，已成为20世纪发展最迅速、影响最深远的一门高技术。
一、空间技术的重大成就
空间技术的开创和发展是人类开拓宇宙空间的壮丽事业。空间技术自20世纪50年代崛起以来，其辉煌的成就已经对国际政治、军事、经济乃至人类文明做出了重大的贡献，产生了巨大的影响。空间技术取得的重大成就可以概括为四个方面。
（一）运载工具
人类要使飞行器能在太空以一定的速度运行，首要的前提是要有动力足够强大的运载工具，能携带飞行器冲出地球引力场的束缚将其送到一定高度的空间。运载工具除能提供强大能量的动力外，还必须安装上一套使火箭在空中飞行时能保持预定姿态的控制系统，使飞行器能够准确地进入到预定的运行轨道。此外，为了在飞行试验中能对火箭、飞行器进行有效监控和测量，运载火箭还要具有能测量与控制其飞行轨迹的外弹道测控系统和测量火箭各分系统工作参数的遥测、遥感系统。所以，形象地讲，运载火箭必须是一个力量无比且具有控制、测量和遥测等多功能的“航天大力士”。
1957年10月4日，自前苏联将Ss—6洲际导弹改装成“卫星号”运载火箭，把重量为83.6千克的世界第一颗人造卫星送上太空以来，世界各主要航天国家竞相发展了各自的运载火箭，到目前为止已形成由小至大、功能齐全的运载火箭系列。其中，美国发展的运载火箭主要有“德尔塔”、“宇宙神”、“大力神”、“土星v”系列，能覆盖低地球轨道、极地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道，具有星际探测能力；前苏联发展的运载火箭主要有“闪电”、“东方”、“宇宙”、“联盟”、“质子”、“旋风”和“能源”系列，能完成各种类型轨道的不同卫星、飞船、航天站及星际探测器的发射任务；欧洲空间局所属13个国家联合研制的“阿里安”火箭具有很强的市场竞争力，已形成从“阿里安一1”至“阿里安一5”运载火箭系列；中国从“长征一号”发射“东方红”卫星为起点，先后发展了“长征二号”、“长征三号”和“长征二号捆”等系列火箭，能完成低地球轨道、太阳同步或极地轨道和地球同步轨道等不同航天器的发射使命；日本从引进美国运载火箭技术开始，现已发展了“N一2”、“H一1”和“H一2”三种运载火箭。由于上述运载火箭都是利用导弹技术专门研制的，或者是直接改装某种导弹而成的一次性运载火箭，因此，这种成本上亿美元的运载火箭把航天器送上预定轨道后就报废了，发射费用相当昂贵。
1981年4月，世界上第一架航天飞机“哥伦比亚号”试飞成功，标志着由一次性运载火箭转向多次重复使用航天运载工具新阶段的来临。迄今为止，美国已有“哥伦比亚号”、“发现者号”、“阿特兰蒂斯号”和“奋进号”等多架航天飞机，执行了50多次商业性运载飞行任务。尽管因技术上的原因，航天飞机没有达到预定的重复使用次数，再加上关键部件更换率高和维修费用过高等原因，每次飞行的费用依然过高，但它却为验证可重复使用的往返运载工具在技术经济上的可行性以及将其进一步发展所需开展的工程实践，积累了十分宝贵的经验。
（二）人造卫星
人造卫星具有占据太空高远位置的优越条件，能对地球进行大范围的覆盖，能进行远距离通信、资源勘察和从事全球天气预报、导航和定位等，能产生巨大的经济、军事、社会和科技效益，从而备受世界各国的重视。目前进入空间的4000多个飞行器中，绝大多数都是人造地球卫星，主要有通信卫星、资源卫星、气象卫星、导航定位卫星和军事卫星等类型。
通信卫星自美国于1964年发射“辛康一3”地球同步卫星获得成功以来，在赤道上空定点的民用通信卫星已超过150颗。世界最大的卫星通信网络一一国际通信卫星组织，已拥有120多个成员国（或组织）。国际通信卫星目前已发展到第七代，通信能力已超过10万双向话路，并已占领了世界跨洋通信的绝大部分业务。自1972年美国发射地球资源卫星1号之后，最有代表性的资源卫星当属美国的陆地卫星系列和法国的“斯波特”卫星。
资源卫星的最大特点是卫星上的多光谱扫描仪等监测仪器对地面有很高的分辨率，比如，美国“陆地卫星一6”的分辨率就达到30米，地面测绘带宽达到172千米。现在，陆地卫星的地面接收处理站已遍布全球，对各国资源勘探和利用发挥了很好的作用。法国“斯波特”卫星的分辨率精确达10米，但其沿轨道的地面测绘带比陆地卫星要窄。此外，中国和巴西合作也已经研制和发射了中巴地球资源卫星。气象卫星主要有两类：一类属近地极轨道卫星（如美国的“泰罗斯”，可飞经地球所有地区，提供长期天气预报资料；另一类属定点于赤道某一经度上空的地球静止轨道卫星（如日本的“向日葵”4），可实时连续观察所覆盖地区的云层分布和变化。这两类卫星配合起来观察，可提供全球较完整的天气预报。我国研制的“风云一号”为近地极轨道卫星，“风云二号”为静止轨道卫星，两者相互结合，已在大、小范围的短、中期天气预报中起到了重要作用。导航定位卫星系统自1960年美国成功发射“子午仪”系列导航卫星以来，经多次改进，已得到充分利用。1978年开始发射的导航卫星全球定位系统（GPS）由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上，全球各用户利用其中4颗星与自身的距离差即可精确定位，精度达10米。该系统已广泛用于陆海空交通、地市规划和地形测绘等方面。前苏联也发展了一种与GPS类似的全球导航卫星系统，由24颗星组成。目前国际上正在研究将两者合二为一，以便更好地发挥导航效能。军事卫星约占全球已发射应用卫星的70％以上，其中一半以上属侦察卫星，其余则为通信指挥卫星、导航定位卫星（如导弹预警卫星）等。
（三）载人航天器
20世纪下半叶人类在载人航天方面取得了突破性的进展，先后研制成功载人飞船、航天飞机和空间站三种不同类型的载人航天器，500多人次进入太空，12人登上月球。迄今为止，载人航天的发展大体经历了五个阶段。
——载人航天的准备阶段。50年代发射了探空火箭、生物火箭、无人飞船等，对高空环境进行探索了解，弄清高空环境对生物生命的影响，并在工程技术上为载人航天做好了一切准备。
——载人飞船的兴旺阶段。1961年4月，前苏联将第一艘载人飞船“东方号”送人近地轨道，航天员尤里·加加林乘坐飞船环绕地球一圈之后安全返回地面，从而拉开了载人航天的序幕。此后至1963年6月，前苏联共发射了6艘“东方号”飞船，1964年10月至1965年3月又发射了由“东方号”改装的两艘“上升号”飞船。之后又从1967年4月起至1981年发射了40艘技术上更先进的“联盟号”飞船。自1979年12月至1986年3月还发射了15艘经过改进的“联盟T”飞船。1986年“联盟T”又发展成“联盟TM号”，这种飞船迄今仍是独联体为“和平号”空间站接送航天员的重要交通工具。美国为了与前苏联开展航天竞争，于20世纪50年代末制定了一个雄心勃勃的“阿波罗”载人登月计划，它包括发射“水星号”、“双子星座号”和“阿波罗号”三代载人飞船，并于1969年7月成功实现载人登月，取得了载人航天划时代的胜利。此后，美国又先后发射了6艘登月飞船，有5次获得成功。阿波罗飞船由于是人类访问月球的第一个载人使者并曾先后将12名航天员送上月球，无疑将永载史册。
1999年11月20日至2002年12月30日，中国“神舟”1号、2号、3号、4号飞船升空。2003年10月15日，我国首次发射的载人飞船“神舟”5号，取得圆满成功。
——现代空间站的实验阶段。20世纪70年代初，前苏联载人航天的重点转向空间站。从1971年4月至1982年4月，前苏联共发射了7艘“礼炮号”空间站，开创了载人空间站的新时代。之后，前苏联又于1986年2月发射了性能先进的“和平号”空间站，它可以对接专用的实验舱，组成上百吨的大型复合空间站，容纳2—6名航天员在太空从事各种活动。“和平号”原计划工作寿命为5年，现已在太空工作13年，目前由于维修经费等问题，已经结束了它的使命。美国于20世纪70年代初完成“阿波罗”登月计划后，利用剩余的“土星5号”运载火箭，于1973年5月发射了一个试验性的空间站。这个取名为“天空实验室”的空间站总重达82吨，可乘坐3名航天员。该站上天后共接纳了3批航天员，分别在站内工作了28、59和84天。
——航天飞机“走红”的时代。航天飞机是一种像普通飞机一样能水平着陆、可重复使用、载人与运货合一的天地往返交通工具。一架航天飞机可载7名航天员和装载14—29吨货物。
1972年，美国总统尼克松下令研制航天飞机，经过近十年的努力，1981年4月第一架航天飞机“哥伦比亚号”试飞成功。此后，美国又相继研制成“挑战者号”（1983年4月）、“发现者号”（1984年8月）和“阿特兰蒂斯号”（1985年10月）。不幸的是，“挑战者号”于1986年1月28日在执行任务时失事，机上7名航天员在爆炸中全部殉难，给美国的载人航天事业蒙上了一层阴影。为了补救“挑战者号”失事带来的损失，美国又研制了一架名为“奋进号”的航天飞机，并于1992年5月进入空间，绕地球飞行9天后安全返回地面。
——走向联合建造永久性空间站的新阶段。1984年美国总统里根批准了美国航天局提出的建造永久性载人空间站的建议。
该空间站采用大型桁架结构，主横梁长达150米，全站重达200多吨，可供8名航天员居住，计划于20世纪末以前建成。这一计划提出后不久又发展成由美国、欧洲空间局、日本和加拿大等国参加的国际合作计划，并取名为“自由号”空间站。“自由号”
在近十年的研制中，由于投资预算居高不下，方案一变再变，进展不算顺利。1993年初，美国总统克林顿下令重新设计和评审，几个月后，美俄于9月签署合作协议，同意在各自现有空间站计划基础上联合建造一座包括欧洲空间局、日本和加拿大参加的国际空间站。
国际空问站取名“阿尔法”，于1997年开始建造，基本上是由缩小的“自由号”和俄罗斯的“和平2号”空间站拼接而成，计划于2002年建成，总重达到480吨以上，可容纳6名航天员长期居住，使用寿命10年。空间站将肩负空间工厂、空间试验、空间修理基地和发展高轨道航天器等一系列任务，称得上是一座集多功能于一身的太空大厦。