全球航天運輸革命時代正在到來

包為民院士

* 發(fā)展地月空間有重大意義

眾所周知，人類開發(fā)地月空間源于自身生存發(fā)展的需要。人類越來越依賴太空技術(shù)開發(fā)，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(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，也將發(fā)揮更重要的作用。目前，太空領(lǐng)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(zhàn)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(fā)展地月空間的重大戰(zhàn)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(xù)發(fā)展，將推動人類文明發(fā)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(lǐng)域的開發(fā)能夠形成一系列新型產(chǎn)業(yè)，而且可帶動科技、經(jīng)濟、社會的健康和快速發(fā)展。

我國已經(jīng)具備加快推動地域空間開發(fā)的基礎(chǔ)和良好環(huán)境。經(jīng)過60 年的發(fā)展，中國航天已經(jīng)邁入航天大國行列——十九大報告中明確提出要建設(shè)科技強國、航天強國的戰(zhàn)略目標。

當前我國正在大力推進“中國制造2025”、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能等戰(zhàn)略，為開發(fā)地月空間提供了良好的發(fā)展機遇。在國家政策的大力支持下， 我國的航天技術(shù)進入快速發(fā)展期，成為推動國民經(jīng)濟發(fā)展新動能的態(tài)勢也初現(xiàn)端倪。

那么，開發(fā)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(jù)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(chǎn)、3000 種工業(yè)礦產(chǎn)、300 種稀有礦產(chǎn)，礦產(chǎn)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(fā)地月空間能夠推動人類命運共同體的建設(shè)。地月空間的開發(fā)主要依靠國家的投入， 必將推動各國在科技領(lǐng)域里的合作共贏，為構(gòu)建人類命運共同體創(chuàng)造了良好的平臺。第三，開發(fā)地月空間能夠推動社會主義現(xiàn)代化強國建設(shè)和中華民族的偉大復(fù)興。第四，開發(fā)地月空間可以推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的融合、協(xié)同及綠色發(fā)展。

開發(fā)地月空間到底有什么經(jīng)濟價值？其經(jīng)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(jù)經(jīng)濟模型，我們團隊利用不同的樣本、不同的數(shù)據(jù)，對地月空間的經(jīng)濟性做了一些評估。

預(yù)計到2050 年，地月空間經(jīng)濟所有細分產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)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(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的新途徑，滿足人類增長的物質(zhì)和文化需求，惠及普通大眾等。同時，還將有助于制天權(quán)能力的提升，未來戰(zhàn)爭中掌握“天”權(quán)的一方必將贏得戰(zhàn)爭的主動， 月球很有可能成為具有未來軍事戰(zhàn)略意義的制高點。美國總統(tǒng)特朗普于今年3 月簽發(fā)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(shù)建造月球村，實現(xiàn)月球移民。

* 發(fā)展高可靠、低成本的航班化空間運輸系統(tǒng)
按照本世紀建設(shè)科技強國的戰(zhàn)略目標，應(yīng)當開展高可靠、低成本航班化空間運輸系統(tǒng)的研究。近期完成相關(guān)基礎(chǔ)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)，建立試用系統(tǒng)；中期將建成高可靠、低成本的運輸系統(tǒng)以滿足國家航天的任務(wù)和商業(yè)化運營需求，并推動航天產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟化的快速發(fā)展。

我們設(shè)想的航班化運輸系統(tǒng)由1 小時全球抵達運輸系統(tǒng)、天地往返運輸、空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)三部分組成。該系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 小時全球到達的運輸系統(tǒng)主要任務(wù)是負責(zé)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(fù)使用運載火箭和高超聲速技術(shù)。這種技術(shù)可以實現(xiàn)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(tǒng)能投入運營，將對全球的運輸發(fā)生革命性的變化。

天地往返運輸?shù)娜蝿?wù)是負責(zé)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(fù)使用、智能化和快速發(fā)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(fā)射，以及提高我們進入空間的能力和運輸能力。可重復(fù)使用的運載火箭高超聲波技術(shù)，以及升力體式的可重復(fù)使用運載器加高超聲速技術(shù)，是我們未來要解決的很重要的兩個方向。

* 聚焦地月空間經(jīng)濟區(qū)
地月空間經(jīng)濟區(qū)是指人類探索、開發(fā)和利用地月空間資源所從事的創(chuàng)造和提供價值與收益的研發(fā)、生產(chǎn)、制造、實驗和服務(wù)活動。高可靠低成本的航班化運輸系統(tǒng)是開發(fā)地月空間的基礎(chǔ)。地月空間經(jīng)濟區(qū)的主體任務(wù)范圍包括近地空間、月球引力空間、地月轉(zhuǎn)移空間，以及以此為基礎(chǔ)更遠深空的拓展任務(wù)范圍，全面實施空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用。

地月空間經(jīng)濟區(qū)的硬軟件設(shè)施可以簡述為“一個經(jīng)濟區(qū)、三大體系、十一大系統(tǒng)”，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(fā)體系、空間基礎(chǔ)設(shè)施體系組成。地月空間經(jīng)濟區(qū)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(tǒng)等都將在地月空間經(jīng)濟區(qū)中得到應(yīng)用和全面推廣。我國正在開展論證的在軌服務(wù)與維護系統(tǒng)、天地一體化信息系統(tǒng)等重大工程所攻關(guān)的技術(shù)和工程本身也都將在地月空間經(jīng)濟區(qū)中得到應(yīng)用和全面推廣。

一方面，地月空間經(jīng)濟區(qū)作為各類重大工程的統(tǒng)一應(yīng)用場景，能夠?qū)⑦@些重大工程作用充分發(fā)揮，創(chuàng)造巨大的應(yīng)用空間和價值，另一方面，通過地月空間經(jīng)濟區(qū)的建設(shè)，能夠?qū)斍昂臀磥硪欢螘r間內(nèi)的相關(guān)的重大工程實施統(tǒng)籌規(guī)劃和資源優(yōu)化配置，使國家投入更加優(yōu)化合理和反饋于國家社會經(jīng)濟科技民生等發(fā)展。

地月空間經(jīng)濟區(qū)的發(fā)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(chǔ)問題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完成地月空間經(jīng)濟區(qū)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(fā)體系和空間基礎(chǔ)設(shè)施體系重大基礎(chǔ)問題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，具備開展地月空間經(jīng)濟區(qū)軟硬件在軌建設(shè)的條件。

中期全面完成航班化地月空間運輸體系建設(shè)，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(fā)體系和部分空間基礎(chǔ)設(shè)施體系在軌建設(shè)、部署與初步運營，全面形成地月空間經(jīng)濟區(qū)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，形成部分應(yīng)用產(chǎn)業(yè)和開發(fā)與利用產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟規(guī)模達到19萬億元。

遠期，全面完成地月空間經(jīng)濟區(qū)的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施全面建設(shè)，運營管理、政策、法律完善，地月空間經(jīng)濟區(qū)實現(xiàn)全面運營，三大類型產(chǎn)業(yè)全面形成，產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)完善，經(jīng)濟效益顯著，經(jīng)濟規(guī)模達到93萬億元，全面促進我國經(jīng)濟社會科技民生的發(fā)展。

* 夯實內(nèi)功 迎接太空經(jīng)濟時代
目前，我國航班化航天運輸系統(tǒng)面臨眾多新的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括新型飛行器總體設(shè)計技術(shù)、新型動力與能源技術(shù)、新型控制技術(shù)、新型結(jié)構(gòu)技術(shù)、新型防熱技術(shù)、新型材料與制造技術(shù)等。

世界航天已進入大規(guī)模進出空間和地月空間經(jīng)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(shè)計理念上的改變，以適應(yīng)未來航班化、低成本、大規(guī)模進出空間的需求。

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

作者系中國科學(xué)院院士、中國航天科技集團公司科技委主任、中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會理事長。

（肖琳芬整理，轉(zhuǎn)自Aerospace China期刊2019年第四期）

說明：本文內(nèi)容見中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會會刊《高科技與產(chǎn)業(yè)化》雜志2019年12月號 第二屆中國高科技產(chǎn)業(yè)化高峰會議專刊