走過60年的人類航天不平凡
發(fā)布時間:2017-12-26
出品:科普中國
制作:太空精釀
監(jiān)制:中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

  1957515日,人類歷史上首枚洲際導(dǎo)彈R7在蘇聯(lián)境內(nèi)升空。在僅僅4個多月后,這種洲際導(dǎo)彈就被改裝為人類歷史上第一種火箭并將第一顆衛(wèi)星送入太空。這次事件極大震撼了東西方陣營,成為20世紀歷史上重大事件之一,它的一個直接后果是東西方陣營的太空競賽揭開大幕。?

  到2017年,人類航天已經(jīng)走過了整整60年。經(jīng)過早期50-60年代瘋狂的軍備競賽、70年代的近地空間競爭、80年代的偃旗息鼓、90年代的蘇聯(lián)覆滅和美國絕對制霸,21世紀的人類航天則迎來了百花齊放的最好時代,而2017是個不平凡的一年。?

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  10. 銥星系統(tǒng)絕地重生!?

  1990年,發(fā)展到如日中天的摩托羅拉公司提出了超越那個年代理解的銥星衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)計劃,預(yù)計發(fā)射共計77顆衛(wèi)星,進入7780千米高的極軌軌道,為全球任何地點的用戶提供直接衛(wèi)星通信。?

  銥星的說法也來自于77,這正好是銥元素的核外電子數(shù)(實際上只發(fā)了66顆,但依然沿用此名字)。摩托羅拉為此投入巨資,以至于在1996-1998年短短3年時間內(nèi),所有衛(wèi)星布網(wǎng)完畢并于199811月投入運營。?

  然而,成立之時卻趕上美國基于地面基站的移動通訊服務(wù)大肆占領(lǐng)各種市場,席卷全球,質(zhì)量更好、更加穩(wěn)定的銥星項目卻由于昂貴的造價而失去競爭力被很快淘汰,僅僅在投入運營后半年,這個巨大的個人衛(wèi)星通訊系統(tǒng)就因為無法盈利被迫破產(chǎn),摩托羅拉從此陷入巨大危機。?

  一個跨時代的領(lǐng)先技術(shù),在市場面前敗下陣來。?

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  新一代銥星將實現(xiàn)全球全天候個人無障礙通信,完全擺脫地面基站 ?IridiumComm?

  銥星在技術(shù)和性價比之間大幅度超越了彼時美國軍方造價高達160億美元的MILSTAR同類系統(tǒng),相比而言銥星的成本僅是其五分之一。因此,在21世紀初,美國軍方開始轉(zhuǎn)向使用銥星系統(tǒng)作為地面軍事單位的通信方式,銥星迎來重大轉(zhuǎn)機。到了2015年,銥星已經(jīng)有了4億美元的營業(yè)額,利潤也超過了700萬美元,可謂起死回生。?

  而在2017年,銥星新一代系統(tǒng)正式開始組網(wǎng),卷土而來,它的再次建設(shè)不僅帶來了技術(shù)的巨大進步,從能力上也將直接挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的移動運營商,依靠地面基站服務(wù)的移動通信將會受到大規(guī)模沖擊,這可能直接顛覆每個人的手機終端。?

  新的銥星系統(tǒng)建設(shè)速度依然極為夸張:114日,一箭十星;625日,一箭十星;109日,一箭十星;1223日,一箭十星。這些全部由Space-X公司的獵鷹九號火箭發(fā)射完畢,且實現(xiàn)了火箭一級回收和再次使用。預(yù)計2018年初,新一代銥星系統(tǒng)將會建立完畢。?

  銥星的死而復(fù)生速度之快讓人震驚,它能否成為商業(yè)航天里又一個劃時代的豐碑,我們拭目以待。?

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  9. 伽利略和北斗全面挑戰(zhàn)GPS?

  壟斷了人類衛(wèi)星導(dǎo)航終端長達23年的GPS系統(tǒng)再次迎來了挑戰(zhàn),不同于十幾年前蘇聯(lián)/俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)后來逐漸衰落,這次它的對手更加強勁。分別是我國的第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲的伽利略系統(tǒng),二者所屬國家/地區(qū)都有巨大的經(jīng)濟體量和潛在用戶數(shù)量,這將會直接撼動GPS系統(tǒng)的地位。?

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  中國在建的北斗系統(tǒng)

  目前,中國已經(jīng)發(fā)射了25顆衛(wèi)星,距離35顆的建設(shè)目標僅差兩年;歐洲也在1212日的一箭四星之后實現(xiàn)了22顆的組網(wǎng)。這意味著世界衛(wèi)星導(dǎo)航市場格局將會重寫,而擁有自主軍民兩用系統(tǒng)的中國和歐洲,將會完全擺脫對GPS系統(tǒng)的依賴,在軍事、經(jīng)濟和商業(yè)方面具有更大的進步空間。?

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  8. 不死老兵聯(lián)盟U火箭的“英雄謝幕”?

  聯(lián)盟系列火箭(Soyuz)是蘇聯(lián)R7導(dǎo)彈改裝而來的人類第一個火箭家族,也是有史以來最成功的火箭家族,它的總共發(fā)射次數(shù)達到了驚人的1871次,占據(jù)了世界航天火箭發(fā)射的30%以上,遙遙領(lǐng)先于任何一個其他的火箭家族。?

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  聯(lián)盟U火箭發(fā)射起飛瞬間(圖片來源:NASA)?

  而作為其中最為成功、對人類影響最為深遠的聯(lián)盟U火箭,在今年222日經(jīng)歷了第786次發(fā)射、第765次成功,并將進步號貨運飛船成功運抵國際空間站,然后這個著名的火箭以97.3%的發(fā)射成功率正式宣布退役了。?

  雖然它的任務(wù)被聯(lián)盟第二代火箭接力過來,但新一代火箭在它退役后很快出了問題:1128日一箭多星發(fā)射任務(wù)失敗,導(dǎo)致來自俄////挪威/德國/瑞典的19顆衛(wèi)星全部被毀。人們在痛惜新一代火箭失敗的同時,也不由自主聯(lián)想起聯(lián)盟-U火箭的烈士暮年、壯心不已。?

  這個類型的火箭曾扛起了蘇聯(lián)和俄羅斯航天的輝煌,現(xiàn)在卻從此進入歷史。?

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  7. 開普勒驚天發(fā)現(xiàn):人類是否唯一??

  人類在宇宙中是否孤獨??

  時至今日,只有飛在太空中的天文望遠鏡能給你答案,這就是2009年升空的開普勒天文望遠鏡。?

  1214日,它發(fā)布了一個大新聞:開普勒望遠鏡發(fā)現(xiàn)了另一個太陽系,它也擁有8顆行星!成為唯一一個可以和太陽系媲美的系統(tǒng)。?

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  兩個太陽系對比圖(圖片來源:NASA)?

  這個暫時被命名為開普勒-90的系統(tǒng)僅在相當于太陽到地球之間的區(qū)域里就發(fā)現(xiàn)了8顆行星,著實讓人震驚。但更讓人震驚的是,它的第八顆行星開普勒-90i竟然是由谷歌公司的人工智能從0開始通過機器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)的,超越了頂級天文學(xué)家的能力。?

  這個事件更像是一個標志:隨著人工智能的快速發(fā)展,它們已經(jīng)開始侵入人類智慧最頂級的科研崗位。開普勒估計出來的宇宙中類似地球的行星數(shù)量在16,999,999,999,983,000,000,000級別,這幾乎是個人類無法兌付的數(shù)字。隨著新一代太空望遠鏡的升空,人類無疑將會發(fā)現(xiàn)更多,也會更加依賴于人工智能幫助處理數(shù)據(jù)。?

  然而,當它們發(fā)現(xiàn)外星生命的痕跡后,將會是由誰、是否、何時、如何做出回答呢??

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  6. 世界紀錄:印度一箭104?

  20170215日,印度使用極地軌道發(fā)射火箭PSLV-XL將共計104顆衛(wèi)星成功送入軌道,上面包含了印度/美國/以色列/瑞士/荷蘭/德國/比利時/哈薩克斯坦/阿聯(lián)酋/中國的有效載荷,創(chuàng)造了數(shù)量上的世界紀錄。?

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  印度PSLV-XL火箭發(fā)射瞬間(圖片來源:spaceflightinsider)?

  雖然印度的此款火箭近地軌道運力僅為3.5噸,與中國長征四號(4噸)、長征三號(6-11噸)、長征二號(9噸)、長征七號(14噸)、長征五號(25噸)不可同日而語,它所發(fā)射的衛(wèi)星也僅僅是重量為千克級的微小衛(wèi)星,難度很低,類似于撒土豆的效果,與對軌道控制精準度要求極高的一箭兩星/三星/四星等完全不是技術(shù)上的對等水平,但這次成功意味著印度火箭發(fā)射在世界商業(yè)航天發(fā)射領(lǐng)域內(nèi)的崛起。?

  由于中國航天深受美國沃爾夫法案沖擊、俄羅斯與烏克蘭由于政治壓力被排擠,印度憑借低廉成本迅速搶占了低端航天發(fā)射領(lǐng)域,從而賺得了相當一部分繼續(xù)發(fā)展火箭研究的經(jīng)費。除了本次,印度同款火箭還在623日為17國成功發(fā)射了一箭31星任務(wù)。?

  印度航天,另辟蹊徑,也在快速進步。?

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  5. 高通量通信時代已經(jīng)到來?

  2017年人類航天發(fā)射的大型衛(wèi)星(超過一噸重)里,依然有一半左右是通信衛(wèi)星,但比起傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星僅有1-2 Gbit/s通信容量、使用傳統(tǒng)的C波段(4-8 GHz),今年發(fā)射的通信衛(wèi)星則是大大領(lǐng)先:不僅使用更高頻的Ku12-18 GHz)和Ka27-40 GHz)波段,還將通信容量提高到了100 Gbit/s級別。這些衛(wèi)星也因此被叫做高通量通信衛(wèi)星。?

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  這一顆ViaSat-2高通量通信衛(wèi)星能力可以打敗10年前的100顆通信衛(wèi)星之和(圖片來源:spacenews)?

  中國發(fā)射了首顆高通量通信衛(wèi)星實踐十三/中星16號,通信容量達到了20 Gbit/s,不幸失敗的實踐十八號更是達到了70 Gbit/s。而幾家國際通信衛(wèi)星公司更是繼續(xù)發(fā)力,61日波音生產(chǎn)的ViaSat-2將最高紀錄提到了300 Gbit/s,等待其他公司繼續(xù)超越。?

  而隨著大量高通量通信衛(wèi)星升空,目前太空中通信成本已經(jīng)逐漸逼近地面寬帶網(wǎng)絡(luò)成本。當我們在從手機2G換到4G乃至5G,上網(wǎng)從撥號換到寬帶乃至光纖時,天上也在進行新一輪的數(shù)據(jù)革命,它們的最終目標是擊敗地面,實現(xiàn)人類數(shù)據(jù)和流量的真正“無線”時代。?

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  4. 卡西尼號的華麗謝幕?

  卡西尼 惠更斯號于1997年升空前往土星,在經(jīng)歷了7年的漫長星際旅行后最終抵達,在將惠更斯號登陸器釋放到土衛(wèi)六泰坦表面后,它便開始了漫長的觀察土星歲月。因此,它是人類歷史上最偉大的探測器之一。?

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  卡西尼號在最終七年內(nèi)的軌道,最后的偉大謝幕軌道為中間白色區(qū)域(圖片來源:NASA/JPL)?

  到了今年4月份,已經(jīng)數(shù)次延長卡西尼號任務(wù)周期的NASA科學(xué)團隊宣布,卡西尼號最終迎來了它的偉大謝幕演出,在915日最終進入土星懷抱。?

  13年的任務(wù)周期,卡西尼號為人類傳輸回來了近500 GB的土星相關(guān)的數(shù)據(jù),人類科學(xué)家為此發(fā)表了近3000篇的科學(xué)論文,它完全顛覆了我們對土星乃至太陽系的認知。它的復(fù)雜軌道設(shè)計和控制,也讓人類航天的深空探測、控制和導(dǎo)航技術(shù)得到了極大地提升。?

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  卡西尼號進入土星大氣開始劇烈摩擦?xí)r藝術(shù)效果圖(圖片來源:NASA)?

  201791533148秒(太平洋夏令時),卡西尼號沖進土星大氣開始劇烈摩擦,12秒鐘之后最終解體。而人類所接收到的信號,即便在以30萬千米/秒的速度狂奔,都要等待83分鐘才能從遙遠的土星傳回地球。?

  卡西尼,愿偉大的你,在輝煌中長眠。?

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  3. 軍事衛(wèi)星競爭進入新時代?

  人類航天起源于二戰(zhàn)期間納粹德國的V2火箭,早期的所有航天任務(wù)也都服務(wù)于軍事行業(yè)。由于衛(wèi)星飛在地球表面幾百乃至數(shù)萬千米處,飛行速度在3-7千米/秒量級,如果輔以高精度觀測設(shè)備,能夠獲取大量情報信息,遠遠超過傳統(tǒng)偵察手段。例如,軍民兩用GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的意義,想必已經(jīng)不需要過多介紹了。?

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  美軍公布的天基洲際導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)工作狀態(tài),實時監(jiān)控地球每一個角落(圖片來源:spacenews)?

  在2017年,世界主要航天大國的軍事衛(wèi)星發(fā)射可一點都不含糊。美國空軍發(fā)射了第九顆天基洲際導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)衛(wèi)星SBIRS GEO-3,將洲際導(dǎo)彈發(fā)射后的預(yù)警速度提高到了驚人的3秒鐘;美陸軍也發(fā)射了新一代近地偵察Kestrel Eye 2M衛(wèi)星,情報偵查局也發(fā)射了海軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)第八顆衛(wèi)星Intruder 8和系列偵察衛(wèi)星NROL-42NROL-52、NROL-76,占據(jù)了世界軍用衛(wèi)星的絕對制霸地位。這些衛(wèi)星的技術(shù)水平、發(fā)射數(shù)量都是歷年來的高點。?

  俄羅斯也不甘示弱發(fā)射了EKS-2洲際導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星;日本自衛(wèi)隊發(fā)射了軍用的第二代通信衛(wèi)星Kirameki-2和第五顆雷達情報收集衛(wèi)星IGS-Radar 5;意大利也發(fā)射了軍用的OPTSAT-3000衛(wèi)星;中國也發(fā)射了軍民兩用的遙感30系列和吉林系列等。?

  軍用衛(wèi)星的水平代表著一個國家航天實力的最高峰。舉個例子好了,已經(jīng)在軌服役長達27年的哈勃望遠鏡,是由1976年美國發(fā)射的軍用鎖眼KH-11衛(wèi)星低配版本(精度調(diào)低)改裝而來的,和今天的最新版本偵察衛(wèi)星早已不可同日而語。?

  2017年,世界各航天大國在幕后競爭,那是一塊沒有硝煙的戰(zhàn)場。?

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  2. Space-X火力全開!?

  2017年是Space-X最為輝煌的一年,火箭回收技術(shù)已經(jīng)不再是新聞,如果不是特別重型的發(fā)射任務(wù)都實現(xiàn)了回收。?

  320日,第一枚回收過的火箭再次發(fā)射,這一幕在一年內(nèi)上演了4次,伊隆馬斯克所說的火箭回收和降低成本并沒有停留在路演的PPT上,而是真切實現(xiàn)了。?

  但即便是新火箭,獵鷹9號僅僅6000萬美元的報價就已經(jīng)足夠血洗世界航天發(fā)射市場,在一年內(nèi),獵鷹九號共計實現(xiàn)了17次發(fā)射并保持了100%的成功率,這個數(shù)據(jù)遠遠超過了洛馬和波音組合的聯(lián)合發(fā)射同盟的8次。這個數(shù)據(jù)甚至逼近了航天大國俄羅斯(20)和中國(16)的年度總火箭發(fā)射量,傲視群雄。?

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  1215日,Space-X二手火箭+二手飛船組合順利升空(圖片來源:Space-X)?

  而與此同時,Space-X獨一無二的“黑科技”龍貨運飛船是全世界唯一一個可以回收并重復(fù)利用的貨運飛船。Space-X不僅在今年完成了國際空間站貨運合同,更是在1215日實現(xiàn)了震驚世人的二手火箭+二手飛船再次成功發(fā)射的壯舉,要知道這次發(fā)射可是在NASA專家委員會的全面考核后完成的,對于Space-X意義非凡。?

  此外,Space-X今年開始大規(guī)模涉足美國軍方衛(wèi)星發(fā)射合同,為美國空軍、海軍、情報偵查局等服務(wù),大力搶占曾經(jīng)被美國聯(lián)合發(fā)射同盟壟斷的市場。?

  而在2018年初,Space-X將要試射一旦成功就將是世界現(xiàn)役最強火箭的超重型獵鷹火箭,運力達到54噸,是目前最強的德爾塔-4重型的兩倍左右。此外,它也在明年開始執(zhí)行國際空間站客運飛船合同,這意味著被俄羅斯壟斷近10年的國際載人航天市場即將被打破。?

  2018Space-X已經(jīng)簽訂了30次發(fā)射合同,這意味著這個公司已經(jīng)成長為世界第一的火箭發(fā)射力量,無愧是人類商業(yè)航天的最巔峰,它今天的成績,甚至連創(chuàng)建它的伊隆馬斯克恐怕都沒有想到過。?

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  1. 重返月球、登陸火星,這回要玩真的了??

  人類航天起源于競爭而又必然止步于競爭,曾經(jīng)蘇美的太空競賽造就了阿波羅登月的神話,而自從1972年阿波羅17號成功之后,55年內(nèi)再無人類踏上月球表面。而經(jīng)過了21世紀的新一輪巨大投資后,2017年的唐納德 特朗普政府接過新的一棒,宣布美國將重返月球并登陸火星,從今年美國所有的動作來看,這次恐怕是真的要做了。?

  71日,美國宣布重建國家航天委員會,由副總統(tǒng)掛帥。這是歷史上美國第三次建立該委員會,第一次時該委員會全盤建立了今天的NASA及各大中心;第二次時,該委員會在里根執(zhí)政期間全盤指揮了“星球大戰(zhàn)”,成為壓垮蘇聯(lián)的最后一根稻草。而今年是第三次建立,動機可想而知;?

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  已經(jīng)燒錢達到3000億人民幣級別的太空發(fā)射系統(tǒng)和獵戶座飛船(圖片來源:NASA)?

  922日,NASA宣布美國新一代登月/火星火箭太空發(fā)射系統(tǒng)和新一代飛船獵戶座號將在2019年首次組合發(fā)射,目標是圍繞月球探測并返回。在過去十年內(nèi),這一套系統(tǒng)已經(jīng)燒掉了400多億美元,目前各個分系統(tǒng)都測試完畢,在最終調(diào)整等待發(fā)射;?

  927日,美俄等20個國家宣布將會在月球建立名為“深空通道”的月球空間站,從技術(shù)到資金支持都有了一定保證。?

  不管最后發(fā)展速度怎樣,可以看到重返月球和登陸火星已經(jīng)是美國從小布什時代起持續(xù)了近20年之久的政策,而今年的跨度無疑最大。?

  或許,時隔60年后,陪伴了地球億萬年的月球,將會再次迎來訪客。?

  2017的世界航天,充滿的是時代的變革和技術(shù)的跨越。2018年這股熱潮還將繼續(xù),隨著中國再次探測月球、美國探測火星時間窗口又至,相信在載人航天和深空探測領(lǐng)域,新的一年將會有新的驚喜。?

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  特別說明:由于本文供稿時間為1219日,后面的幾次火箭發(fā)射事件并未錄入。?

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