■ 外层空间是人类共同的财富，探索、开发和利用外层空间是人类不懈的追求， 各国热衷于探索宇宙，大力发展空天科技，其根本目的是通过开发和利用外太空资源，造福人类的生存和发展。

 

■ 神舟九号载人飞船任务的圆满完成标志着中国已成为世界上继美、俄之后第三个独立全面掌握空间手/自动交会对接关键技术的国家，多项新技术的应用体现了我国空天科技水平达到了一个新的阶段，实现了我国空间技术发展的阶段性重大跨越。

 

 

空天科技带来新变化

 

上世纪20年代由于工业化的强力推动，空天科技开始出现。经过近百年的发展，空天科技的重要地位已逐渐被世界各国所认同。美国某权威著作曾大胆预言：21世纪国家对空天能力的依赖可与20世纪国家对电力、石油的依赖相比拟。

 

人们经常提及的空天领域，其实包含了航空与航天两部分，航空指人类在大气层中的飞行活动，飞机是其代表性飞行器；航天是指人类使用飞行器在稠密大气层外的宇宙空间及地球以外的天体上的活动。火箭和卫星是代表性飞行器。

 

2012年6月24日12时48分，中国航天员刘旺通过控制操作手柄，成功完成了神九与天宫一号的手动交会对接任务。神舟九号任务的圆满完成标志着，继掌握天地往返、出舱活动技术后，中国全面突破和掌握了载人航天三大基础性技术的最后一项——空间交会对接技术。不久的将来，中国的长期有人照料空间站也将遨游太空，成为开展空间科学实验的重要平台，中国也将成为世界航天“超级俱乐部”的一员，神九也将注定在中国航天史上留下精彩的篇章。

 

也许有人会产生这样的疑问：国家花费巨大的物力和人力，难道仅仅是为了将两个空间高速运动的飞行器连接在一起？世界范围内，各国也在竞相发展空天科技，各种空间探测计划接连不断，为什么大家都热衷于空天领域的研究？

 

随着上世纪四十年代火箭技术的快速发展，人们很快意识到：外层空间是人类共同的财富，探索、开发和利用外层空间是人类不懈的追求。通过探索宇宙，促进科技进步和带动经济崛起成为空天科技发展的最强大动力。美国在上世纪六十到八十年代的第一轮航空航天热潮中，先后实施了阿波罗载人登月、天地往返航天飞机等重大任务，国家科技水平和经济实力获得了空前发展，为其迅速成为世界强国奠定了坚实的基础。

 

航空航天成为20世纪最伟大的发明之一，空天科技不仅改变了人类工作生活方式，而且极大地促进了国家科技进步、经济崛起和社会的迅猛发展。

 

进入新世纪以来，随着电子信息、新材料等技术的发展，外太空再次受到强烈关注。从几年前“勇气”号火星着陆、震撼的坦普尔彗星“深度撞击”画面、验证卫星在轨服务能力的“轨道快车”任务，到目前美国正在试验的最先进X-37轨道飞机和欧洲雄心勃勃的2018年火星采样返回计划等，无一不说明，包括中国在内，21世纪正在迎来航空航天再次发展的新时代。

 

各国热衷于探索宇宙，大力发展空天科技，其根本目的是通过开发和利用外太空资源，造福人类的生存和发展，同时空天科技涉及众多学科的交叉和集成，在牵引学科创新、推动技术应用进步、成果转化促进经济发展等方面都发挥着重要的作用。

 

空天科技是最活跃科技领域

 

人们利用哈勃望远镜观察遥远的天体，分析陨石和月球土壤成分，力图探索宇宙的形成与演化，揭示生命的起源以及空间环境变化对人类生存造成的影响；通过发射太阳系外的深空探测器，开展其他星体资源勘查和地外生物学研究，了解宇宙中是否存在类人生物及其进化程度；通过建设有人照料长期运行的空间站，利用外太空的高真空、微重力、宇宙辐射等特殊的极其丰富的环境资源，开展地面上难以完成的科学试验。例如可以完成太空育种和高纯度物质合成等，在空间失重环境作用下，制造半导体材料、光学材料药品和特种合金等，这些在太空环境中得到的物质用于生产生活中会带来巨大的经济效益。同时空天科技对物质、宇宙与演化、天文等科学的发展也有着巨大的促进作用。

 

空天科技是最具有原创动力和影响力

 

一个国家的空天重大任务需求，向上游可牵引并刺激一大批高技术的发展，如电子、新材料、新能源、计算机、通信、自动化、遥控遥测遥感、化工及可靠性工程等科学和技术等，同时航天工程的有效组织和实施也刺激了管理科学的巨大进步，将政府、企业、研究所、大学综合成一体，密切科学、技术和生产这三者的关系，发展了“系统的系统”学科，使复杂巨系统的组织和实施社会化进程大大加速，这些重大工程的组织管理成功经验，又为其他领域重大工程所借鉴；向下游空天科技的进步可以推动国民经济的巨大发展，带动气象、国土资源、海洋、环境、农业、林业、水利、减灾防灾、区域数字化的应用，引发具有巨大市场潜力的空间产业，例如：通过遥感气象卫星及其应用系统，可以实现对天气的较长时间的准确预报，为工农业生产保驾护航，同时可提前对台风或强雷暴天气的影响区域给出预警，降低灾害的损失等；卫星导航定位系统已广泛应用于家用汽车导航定位服务中，GPS系统的定位精度可达到米级，甚至在辅路行驶都可以及时得到提醒，利用高精度导航定位系统，可实现智能交通诱导和安全保障服务。甚至产生了像乘坐宇宙飞船进行空间旅游的第三产业、为空间站提供货物运输的现代服务业。根据研究分析，空天科技投资效益比达1：10以上。

 

神九成功与空天科技新阶段

 

载人航天工程是我国实施的重大航天任务，其第三阶段目标就是建立有人照料的中等规模空间站。完成手自动交会对接任务是突破三大基础技术任务之一，发射神九飞船的根本目标就是完成载人的手动交会对接任务，全面验证空间交会对接技术掌握程度。其主要技术难点有三个：一是需要完成航天员手控交会对接，考核载人航天大系统和飞船手动控制系统的能力；二是需要实现地面向在轨飞行器进行人员运输和物资补给，考核天宫一号支持保障航天员工作生活的能力和组合体环境控制与稳定运行能力；三是航天员在轨飞行时间超过10天，对航天员、飞行器以及任务相关支持系统提出了新的考验。

 

手动交会对接需要在神舟九号和天宫一号高速飞行过程中进行，测量的“精确性”、传输的“实时性”和控制的“准确性”是最根本的要求。手动交会对接由于涉及航天员的参与，对人（航天员）-机（神舟九号飞船）-控（测控网）的协同操控提出了更高的要求。为了克服这些难点，在神州九号任务中多个系统都进行了多项创新性工作，这些新技术为神九任务的顺利完成提供了可靠的保证，也代表了国家重大空天工程应用的先进技术水平。

 

一是迭代制导技术是运载火箭能将神九准确送入轨道的重要保证。为了实现入轨“高精度”的目标，更好地减小入轨误差。火箭采取了迭代制导的控制手段，与传统的摄动制导相比，迭代制导的入轨方式更加机动，入轨精度更高。传统火箭发射的入轨模式都采用轨道计算方式，在火箭上升过程中按照既定的轨道飞行。而采用迭代制导方式，火箭实现了一边飞行一边计算最合适当前状态的入轨点，并控制火箭按照实时给出的轨迹飞行，这样能够保障火箭的入轨精度。做个形象的比喻，原来的火箭在上升过程中按预定轨迹自动“傻瓜式导航”，而采取迭代制导后，火箭上升过程实现了依据情况灵活“有人驾驶”。

 

二是陆、海、天立体通信测控是完成交会对接远距离精确导引的基础。空间交会对接主要包含：远程导引、近程导引、最终逼近和对接停靠四个过程，其中远程导引段主要由地面测控系统完成。远距离导引需要在两个航天器高速飞行过程中，准确控制这两个高速动态飞行器的相对位置和相对高度，陆、海、天立体测控网需要在飞控中心统一调度下实施高频度、高精度的控制，需要不断地对空间“移动靶”进行瞄准、跟踪与控制。

 

三是基于多敏感器的相对导航技术是实现近距离自主交会的前提。为使神舟九号和天宫一号对接机构能够顺利捕获，对接时误差必须保持在十几厘米范围内，为了保障近距离的相对导航精度，神九飞船上装备了微波雷达、激光雷达和光学相机等测量手段，并依据各敏感器的工作范围与特性，采用多敏感器相对导航技术，使得距离的测量精度达到厘米级。微波雷达可以获得目标飞行器的距离、方位、俯仰角度信息和位置信息。交会对接激光雷达能在近距离时迅速准确地完成对天宫一号目标飞行器的搜索、捕获、跟踪和精确测量任务。在最后接近段和对接逼近段，通过相机对目标标志器的测量，可以计算得到两航天器的相对位置和相对速度、相对姿态角和相对姿态角速度，从而提供精确的相对导航测量信息，正是有了这些敏感器成为对接过程中不知疲倦、永不眨眼的“眼睛”，对接过程才得以顺利完成。

 

四是航天员健康维护和持续保障能力是空间站运行的关键。在中长期飞行过程中，具备良好舒适的工作环境、航天员精神饱满的工作状态，是开展空间任务和实验的要求，也是航天员在空间站长期工作和生活的理想状态。再生式环境控制与生命保障系统为航天员提供“温暖如春”的工作生活环境，负责实时采集并计算舱内的温度、湿度、氧气、氮气、二氧化碳等数据，及时对飞船内的环境进行温湿度和压力调节并除湿，使飞船内的局部环境既使航天员感到舒服，又符合空间实验的要求。

随着神舟九号载人飞船在内蒙古中部预定区域的成功着陆，神舟九号任务圆满完成。在此次航天飞行中，我国三名航天员成功实施了空间手动交会对接和空间科学实验。神九任务的完成标志着中国已成为世界上继美、俄之后第三个独立全面掌握空间手/自动交会对接关键技术的国家，多项新技术的应用体现了我国空天科技水平达到了一个新的阶段，实现了我国空间技术发展的阶段性重大跨越，这对于完成我国载人航天三部走战略的阶段目标具有决定性意义，为后续建设中等规模的有人照料空间站奠定了坚实的技术基础，中国也即将成为世界航天“超级俱乐部”的一员。

 

世界正迎来探索、开发和利用外层空间的热潮。目前美国制定的深空探测重点是重返月球计划与火星取样返回，近期除了陆续发射环绕飞行器对火星星球表面进行拍照外，还将有着陆器、行走机器人，以及建造月球和火星的载人活动基地计划。俄、欧、日等国家也都制定了详细的继续对深空进行探测的研究计划。主要包括太阳系行星探测和小行星探测。中国也正在抓住机遇，加快空间站和探月工程等重大空天任务的建设和实施步伐，也许在不久的将来，我们每个人都会更加充分体会到空天科技的成果带给大家在工作和生活中的便利。

 

放眼太空，茫茫宇宙，浩瀚无边；人类空间探索，尚只揭开冰山一角，无数宇宙未解之谜，尚需人类智慧的碰撞；探索宇宙，机器的征途已经起航。

 

学者小传

 

胡士强，上海交通大学航空航天学院航空宇航信息与控制系主任，博士生导师。主要从事航空航天领域制导导航与控制方向研究，并从事飞行力学与控制的教学工作。多年来对多传感器信息融合、图像理解与分析、目标跟踪与精确制导技术进行了系统研究，先后主持承担了国家自然科学基金、国家863计划项目、航空科学基金、航天支撑技术基金及航空航天领域专项科研国家重大项目等多项科研任务。曾任国家某重大专项分系统论证组专家，参与重大专项的实施方案论证工作。