科研学术

　　【编者按】探索浩瀚宇宙是整个人类的梦想，也是与电子信息各个学科密切相关的系统工程。近日，以“探索浩瀚宇宙——深空探测：中国2020”为主题的中国宇航学会深空探测技术专业委员会第十四届学术年会在电子科技大学举行，各位专家学者深入交流分享，探讨如何在深空探测方面抢占制高点、为探索浩瀚宇宙做出更大贡献。电子科大学生记者团整理了开幕式当天的部分报告内容，以飨读者。

走向深空需要不断提升火箭运载能力

人类探索深空的脚步正在越走越远，这对运载火箭的功能提出了哪些新的挑战？中国航天科技集团第一研究院、研发中心党委书记张旭辉认为，运载火箭是当前人类进入宇宙空间的基础，我国未来的深空探测任务对运载火箭提出了运载能力更高、适应性更好、长期在轨并具备在轨对接和在轨发射能力的需求。

张旭辉回顾了人类深空探测发展史，尤其是历次发射任务中使用的各类火箭，进而分析了深空探测对火箭功能的需求变化。据介绍，自20世纪60年代以来，美、俄（苏）、欧、日、中、印等国家和地区先后向月球、火星、金星等天体发射了200余个深空探测器。其中，美国使用了多种大中型火箭进行深空探测活动，还应用“航天飞机+上面级”的方式进行了部分深空探测器的发射。

总结各国运载火箭的技术特点，他认为，深空探测运载火箭主要有四大技术特征：第一是多机构型的大中型运载火箭；第二是大速度增量轨道精度保证能力；第三是多任务窗口适应能力；第四是多次启动、长时间在轨工作能力。

目前，中国的深空探测从月球起步，已经完成了针对月球的环境、着陆巡视任务，正在实施月球采样返回任务。已经执行月球探测任务的火箭，均由CZ-3A系列三级运载火箭直接将探测器送入地月转移轨道。

结合运载火箭技术特点和目前月球探测任务完成情况来看，我国未来深空探测潜力巨大，对未来深空运载火箭的需求主要有：小天体多目标多任务探测，火星取样返回，木星系及行星系穿越任务，载人月球探测任务，载人火星探测任务。为满足这些需求，运载火箭需要大力发展和攻关低温推进技术、在轨交会对接和发射技术以及长时间在轨滑翔技术等多项技术。他认为，未来中国需要大力提升火箭的运载能力。运载火箭要从中型规模的CZ-3A不断向大型规模的CZ-5以及重型运载的规模发展，同时，一次任务所需的火箭数量也要不断增加。

张旭辉认为，我国运载火箭技术正在不断迈上新台阶，这为未来我国开展更大规模的深空探测任务、实现世界航天强国目标奠定了基础。“CZ-5和重型运载火箭是我国未来执行深空探测任务的主力，”他说，“针对具体的任务需求，运载火箭在执行深空探测任务时还需要进行相应的关键技术公关和技术改进，这需要我们继续努力！”

新型推进技术为深空探测“保驾护航”

“人类的空间探测活动面临着巨大的挑战，迫切需要新型空间推进技术的发展。”中国航天科技集团五院502所副所长李永研究员阐述了四类新型空间推进技术的发展，并对这些技术未来在我国航天器上的应用前景进行了展望。

李永说，在不同的作业情况下，需要选择不同的航天器；而选择航天器，首先要对其推进系统的推力、比冲、功率、重量等关键指标进行综合权衡。目前，在深空探测领域应用较广的新型空间推进技术有混合动力推进、太阳能电推进、空间核电推进以及帆类推进技术等四大类。

混合动力推进技术在欧美国家应用较为广泛。它是由不同推进形式组合而成的推进系统，主要分为单双组元混合推进和电化学混合推进两种模式。由于集成了多种推进形式的技术优势，它在航天器作业的不同阶段可以通过动力系统的变化控制调节推力大小，并且在星际间长期飞行时具有较高的比冲。

因此，在欧洲“智慧一号”、日本“隼鸟号”、美国“黎明号”等众多航天器中，这种技术都得到了应用。我国比较重视该技术在飞行器变轨、起飞、着陆与采样返回时迅速制动的突出优势，并主要将其应用于木星探测等方面。

太阳能电推进技术用电能作为能量来源，克服了化学能的局限，比冲可提升一个数量级以上，能够极大地减少航天器的能耗、提高载荷，适合完成太阳系内远距离深空探测任务。目前，该技术已扩展到月球、小行星、彗星等深空探测领域。

空间核电推进系统是将空间核电源产生的核热转化为电能，为大功率电推进提供能源，弥补了太阳能电推进在功率和推力方面的不足。更重要的是，它摆脱了对太阳能的依赖，可适应未来对太阳系外天体探测任务的需求。

该技术可应用于大型卫星平台轨道转移，也可用于各种距离的深空探测和天基激光武器平台等任务。它已被美国航空航天局作为优先发展方向。我国在这方面起步较晚，但在“十三五”期间加速发展，完成了许多技术攻关，预计在2025年具备飞行条件并投入使用。

不同于其他空间推进技术，帆类推进技术是在20世纪70年代提出的一种比较“年轻”的技术。它利用太阳光或太阳风携带的能量，通过与航天器的动量交换获得推力。帆类推进技术具体有太阳帆、电帆、磁帆三种类型。该技术属于特种推进类型，目前技术还很不够成熟，国内也处于起步阶段。但它很有可能在未来的太空探测中“大显身手”。

对于中国深空探测的未来，李永认为，新型推进技术的发展，是人类面对空间探测挑战的重要“利器”。虽然我国在某些技术方面起步较晚、发展尚不成熟，但只要大家不懈努力，就一定能在深空探测领域后来居上，成为未来太空探测的主角。

走出“地球摇篮”还需我们思考更多问题

“走出地球摇篮，是人类与生俱来的秉性和精神追求！”首次火星探测工程总设计师、深空探测论证总设计师张荣桥以《中国深空探测的发展展望》为题，分享了他对我国深空探测发展的前景的看法与思考。

“从时间维度上看，人类在地球漫长的生命中只是一瞬间，但却创造了飞天探索的奇迹。然而，从空间维度上看，人类甚至还谈不上离开了地球家园。”张荣桥说，“因为宇宙空间无限辽阔，还有许许多多未知的世界需要我们去探索。”

回顾古今航天技术的发展历程，张荣桥认为，深空探测是航天的前沿领域，它不是单纯的科学或者技术，而是在科学、技术、人才、经济甚至思想和文化方面都具有重大的影响力，并将引领人类回答 “我们从哪里来？”“宇宙中是否有同伴？”“我们将到哪里去？”等根本性问题。

然而，仰望星空，还需要脚踏实地。他认为，为了圆梦飞天，我们还需要思考“我们能走多远？”具体包含七个方面的问题：（1）科学的目标，即想得到什么新发现和新认知；（2）科学载荷，即想得到的能不能得到；（3）环境及其适应性，即能否可靠到达和生存；（4）大推力火箭，即慢慢远行路能否准时出得去；（5）自主导航控制，即在茫茫星空能否找到自己的路；（6）数据传输，即天地通信能否畅通无阻；（7）能源和动力，即能否另辟蹊径为飞行器提供永久动力。

与此相对应，深空探测的重点技术发展方向有自主导航/控制及自主管理技术、深空测控通讯技术、高效电源技术、长寿且高可靠的电推进技术、先进探测载荷技术、智能化取样和封装技术、弱引力天体表面附着与固定技术等。

那么，中国未来的深空探测图景是什么呢？张荣桥精辟地概括说，“火星会成为深空探测的重点，小行星会列为深空探测的热点，木星系及行星际穿越探测会成为深空探测的亮点。”他强调，之所以要聚焦到这些问题上来，是因为它们对保护地球、扩展人类生存疆域具有非常重要的、现实的意义。

“这必将是一个伟大的时代，它见证和分享了航天发展给人类带来的福祉，也必将创造新的辉煌成果。”他说，“发展永无止境，机会总是属于有准备的人。希望大家携手努力，让中国人的深空脚步走得更远、走得更快！”

太赫兹通信技术正在快速走向空间应用

“太赫兹技术被视为21世纪的十大重要领域之一。”电子科技大学通信学院院长李少谦教授在题为《太赫兹通信技术的进展与发展》的报告中指出，太赫兹通信技术正在走向空间应用，将会在深空探测中发挥重要作用。

什么是太赫兹（THz）？太赫兹指的就是电磁频谱上频率为0.1-10THz的电磁波,波长范围为0.03-3mm，介于无线电波和光波之间。太赫兹波曾被称为“远红外射线”，是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段，也是未来极具开发潜力的波段。

2004年，太赫兹技术首次被美国提出，并被美国政府评为“改变未来世界的十大技术”之一；2005年，日本将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。太赫兹因此成为本世纪最为重要的新兴学科之一。

李少谦指出，由于太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性，因而它在通信、医疗、公共安全等领域具有广阔的应用前景。对于人类的航天事业而言，它也是十分重要的前沿技术。

目前，太赫兹大容量地面通信技术正在走向空间高速中继通信应用领域，其0.1-0.5THz的地空传输频段的优越性，可以使它在星地高速保密通信、克服临近空间的通信“黑障”等方面发挥巨大的作用。

中国在太赫兹领域的研究也取得了重大进展。2012年9月11日，电子科技大学、南京大学、清华大学联合共建太赫兹科学协同创新中心，依托电子科技大学形成了太赫兹技术重大研究体系，并取得了一系列研究进展。

例如，电子科技大学已经自主研制了太赫兹二极管、140GHz太赫兹功率放大器、太赫兹天线、0.22THz太赫兹通信实验系统等混频调制的太赫兹通信技术，以及太赫兹直接调制器、基于高电子迁移率晶体管太赫兹调制器、快速响应室温太赫兹探测器、输出毫瓦级连续波太赫兹源等直接调制的太赫兹通信技术。

然而，太赫兹通信技术未来的发展也面临着许多挑战。李少谦教授指出，大功率、大宽带的太赫兹射频技术，太赫兹集成电路的发展，超分辨、快速的捕获跟踪技术，太赫兹高增益天线，超高速基带信号处理技术等，仍然是目前面临的难点。

但李少谦充满信心地说，未来中国太空站必将进行太赫兹星际高速通信与组网试验，有望于2020年完成星地太赫兹高速通信实验系统，并利用飞机模拟空间飞行器开展星地太赫兹高速通信实验。“这对目前的太赫兹技术来说，是一个巨大的发展机遇！”他说，“太赫兹高速通信将为太赫兹深空通信与测控奠定坚实的基础！”