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中國載人航天事業的科技探索與產業變革

【摘要】中國載人航天事業是規模龐大、系統復雜、關鍵技術多、可靠性和安全性要求極高、極具風險性的國家重大工程,也是國家整體發展戰略的重要組成部分,可以帶來國家科技與經濟的長足發展和產業變革。一方面,中國載人航天科技成就帶動了行業技術的突破,并給市場繁榮注入活力;另一方面,航天教育、航天文創、航天旅游以及地月經濟帶探索等航天產業的發展也在影響著人類的生產生活方式。在未來的航天賽道上,中國將以載人航天精神為指導,為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體作出貢獻。

【關鍵詞】載人航天 科技探索 產業變革 商業航天

【中圖分類號】F426 【文獻標識碼】A

人類之所以能夠發展出文明,是因為在內心的指引下,發現還有超出自身認知的事物存在,這督促著人類探索周遭的環境。特別是在完成水平面的探索后,人類將目光投向地球的邊界,進入廣闊的宇宙太空。這一步跨越有其特殊的本質和巨大的力量:它不僅僅是科技的探索,更有可能或正在帶來一場工業革命,從而促使地球文明發展成為太陽系文明成為可能。進入太空,探索宇宙,似乎是人類與生俱來的權利,而人類也終將使其變為現實。

從嫦娥奔月的浪漫神話,到萬戶飛天的悲壯實踐,飛向藍天,探索浩瀚無垠的宇宙,一直是華夏兒女的共同夢想。隨著航天技術的進步,70多年來,中國按照“由近及遠、先無人后有人”的發展規律,逐步實現了人造地球衛星發射、載人繞地飛行、無人月球探測、載人登陸月球,如今宇宙探索的觸角已經到達太陽系的其他行星和主要類型的小天體。但太空之旅并非坦途,“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的載人航天精神歷久彌新。載人航天作為系統復雜性極高、技術難度極大的航天工程,彰顯著一個國家在科技和經濟領域的實力。“上天有神舟、追風有高鐵、入地有盾構”,這里的“神舟”代表中國載人航天工程,也指中國航天員進入太空的飛行工具。中國航天員乘坐“神舟”進入太空,在浩瀚星空搭建中國空間站并開展一系列引領人類未來的科學實驗。環顧世界,提出過載人航天計劃的國家不少,但真正能夠實現獨立自主將人類送入太空的國家只有三個,而中國就是其中之一。不僅如此,中國載人航天工程用不到三十年的時間跨越了發達國家半個世紀的發展歷程:1992年9月21日,中國載人航天工程正式立項實施;2022年12月31日,國家主席習近平在新年賀詞中向全世界鄭重宣布,“中國空間站全面建成”。從藍圖繪夢到奮斗圓夢,中國載人航天工程按照“三步走”發展戰略,先后突破和掌握天地往返、空間出艙、空間交會對接等關鍵技術;驗證了貨物運輸和推進劑在軌補加,以及航天員中期駐留等空間站建造和運營的關鍵技術,最終建成了自主建造、獨立運行的“天宮”空間站。

中國載人航天事業的科技探索

歷經了上世紀50年代到70年代“曙光號”載人航天的研制起步與工程下馬,70年代到80年代載人航天工程的“休眠狀態”,80年代到90年代初圍繞載人航天工程“干不干”和“如何干”出現多次決策沖突……終于從1999年的神舟一號到2022年的神舟十五號,中國載人航天事業通過自力更生、自主創新,不斷打破國外技術的封鎖和壟斷,解決了“卡脖子”技術問題,完成了眾多人類探索創舉。具體表現在以下兩個方面:

其一,突破一批國際宇航界公認的技術難題,使中國的載人飛船技術達到或優于國際第三代載人飛船的水平。載人航天是航天技術中難度最大的工程之一,它需要解決飛船研制技術、高可靠性的運載火箭技術、回收技術等技術難題。經過多年努力,我國形成了這一領域的核心競爭力,特別是神舟飛船的設計方案兼顧了中國特色和總體最優,與國際先進水平相比有三大優勢:一是高起點,一步到位。以航天員運輸系統為目標,整體設計,分步實施,我國的飛船設計一步即能容納3人,并沿用至今。二是適用性強,可一船多用。神舟飛船采用了三艙一段式,其中軌道艙與附加段的設計,使得飛船具有留軌利用能力,既能為航天員生活、工作提供一個多功能廳,還能作為天地往返的運輸工具為今后的空間探測、空間站交會對接作準備。三是實用性與安全性兼具。我國的神舟飛船不僅可以實現人貨合運,在安全性設計方面也體現了國防先進水平。特別是與達到國際載人火箭先進水平的長征二號F火箭進行總裝、運輸和發射,極大地保證了載人飛行的高可靠性、高安全性。

其二,中國載人航天空間站工程進入空間站建造階段,致力于打造一個長期在軌的國家太空實驗室和面向國際社會的、開放的科技合作平臺。中國空間站初期將建造三個艙段,包括一個核心艙(“天和”)和兩個實驗艙(“問天”和“夢天”)。核心艙前端設兩個對接口,接納載人太空船(“神舟”系列)對接和停靠;后端設后向對接口,用于貨運飛船(“天舟”系列)停靠補給。上述五個模塊既是獨立的飛行器,具備獨立的飛行能力,又可以與核心艙組合成多種形態,共同完成空間站的各項任務。總體來看,中國空間站建設雖然起步較晚,但在規模適度、技術先進、功能齊全、宜居性等方面,以及動力技術、能源技術、信息技術等領域,都具有明顯優勢。同時中國空間站具備開展能力,在運營階段,可以根據科學研究的需要增加新的艙段,擴展規模和應用能力。在國際空間站可能面臨到期退役的背景下,中國空間站以向世界敞開合作大門的方式,彰顯了太空治理中的中國責任與擔當,也吸引了眾多國家申請加入。這不僅標志著中國載人航天工程取得的重大突破被載入史冊,也昭示了長達七十多年的中國航天事業從獨立發展邁向全球合作新時代。可以預見,隨著中國空間站的建成,在人類和平利用太空、研究宇宙演化過程、推動前沿科學研究等方面,將會不斷彰顯中國力量。

中國載人航天事業帶動行業技術進步與產業變革

在政府主導、科學支持、工程驅動的三重力量下,中國載人航天事業不僅服務于國家總體戰略,高度關注太空基礎設施的建設與國防發展,同時也在努力加強科學與工程的互動,以實現航天技術的轉化,帶動行業技術進步甚至催生產業變革。具體表現為以下兩種形式:

其一,航天技術本身的突破所帶來的科技革命和一系列基礎設施產品、服務。載人航天必將突破許多新技術,這些新技術又可以帶動很多新的學科、工業、工藝。例如,飛船返回進入大氣層時,與大氣摩擦產生的高溫需要用什么材料才能承受得住?由此,新型防熱材料技術得以進步,進而帶動傳統工業如機械、冶金和化工行業的升級。同理,隨著飛船的飛行高度向宇宙縱深處延伸,通信技術、電磁技術都需要隨之突破,為此開展的國際前沿量子調控與光傳輸研究將有力促進世界量子通信技術的發展,甚至引發通信革命。而這些科學技術的發展又可以用于天上地下方方面面,特別是服務于基礎設施建設,如電視、電話、5G等通信服務,以及遙感和導航服務。可以預計,隨著技術的不斷發展和太空條約的建立健全,圍繞能源、電信等一些新的應用也會應運而生。

其二,航天事業發展所需的技術通過科學與工程的互動與轉化,給市場繁榮注入活力。事實上,我們穿的保暖衣、運動鞋墊等很多日用品都是從航天員的穿戴用品中民用化研制而來的,由此帶來服裝業的變革。例如,自2016年以來,中國某知名戶外企業持續與中國航天跨界合作,先后開展航天戶外服裝及服裝新材料研發、戶外服裝試驗和測試技術研究等合作。在這一過程中,該企業不斷提升自身的戶外用品研發水平,并自主研發了“極地仿生科技平臺”,以“取之自然,用之自然”的仿生靈感勇創戶外新科技。基于此,該企業憑借其不斷優化的科技成果,不僅連續12年為中國南北極科考隊保駕護航,2020年還全程助力珠峰高程測量任務,甚至在神舟十二號載人航天任務中,也承擔了航天員艙內工作服、休閑服、睡袋等多項產品的研發任務。同時,在與中國航天合作的數年間,該企業收集并分析了航天科研人員的需求,并不斷思考如何把航天艙內工作服等產品所運用到的航天高新科技,融入日常戶外裝備開發中,以期推進大眾產品不斷優化與全面升級。將戶外運動精神與航天探索精神相結合,讓大眾消費者也能體驗到航天科技帶來的安全感與舒適性。2021年該企業與中國航天某品牌的聯名系列產品上市,該產品不僅實現了航天科技與戶外裝備的完美結合,將中國航天精神根植在更多人的內心。同時充分整合各方優勢資源,開啟將航天級戶外新材料等技術應用于更廣泛日常戶外裝備的合作開發計劃,在為消費者打造極致戶外產品的同時,掀起“戶外硬核國潮”聯名熱,讓越來越多的企業開始關注服裝的“科技感”與“民族感”。

由此可見,整個航天事業的發展乃至宇宙的探索似乎在經歷一場革命,即由航天機構與政府所主導,向新興私營企業、公共行業共同發展而轉變。與航天相關的產業將進入人類的生活,這也吸引著一大批創業公司集聚于此,以開拓的勇氣、全新的商業模式回應宇宙探索。

中國載人航天事業對人類生活的影響與展望

伴隨著中國載人航天事業的發展和關注度的提高,航天教育、航天文創等領域憑借新的機遇與活力不斷開拓人類的視野、豐富人類的生活。如:由神舟十三號載入飛行乘組航天員王亞平等人帶來的“天宮課堂”,以太空授課的形式,持續開展形式多樣、內容豐富的航天科普教育,積極傳播載人航天知識和文化。由中國航天文創(CASCI)所打造的沉浸式航天藝術盛宴《漫無邊界》以44米宇宙巨幕環繞、1000㎡火星場景還原,展示“科技+藝術”的“真國潮”,吸引民眾打卡無垠的宇宙空間。更有國內首家太空餐廳可以品嘗航天育種蔬菜水果和太空“同款”美食,元宇宙熱度下航天文創推出的神舟五號3D數字藏品一經上線即售罄……可見,航天教育、航天文創已經成為普通人認識太空知識、了解中國航天成就的“引路人”。傳說中的“大國重器”就這樣走進了千家萬戶和市井生活,以親民化的形式得以傳播。

當然,宇宙探索不僅可以改善人類在地球上的生活,而且能夠在其他星球和維度上擴展商業前景和科學事業。2015年是中國商業航天元年。從那時起,一批創業者懷揣對日月星辰的熱愛,用敏捷的方式快速迭代和驗證技術,為行業積累了大量的經驗和數據,開發了諸多創新型的行業應用,滿足更加市場化、個性化、多樣化的場景和需求。從上游的芯片和硬件制造,到中游的衛星測運控,再到下游的應用與服務落地,由商業航天主導的“太空生態”已經形成閉環,漸成體系。在這一體系中,與航天員互動的太空機器人會重新定義地球上的人機關系;在月球上進行建造活動的自動駕駛車輛也將革新地球基礎設施項目的設備;普通人的太空旅行也不再只是幻想,因為技術與需求發揮著雙輪驅動的作用。

以太空旅行為例,在技術方面,2022年中國空間站首次實現航天員駐留時長達到6個月、兩個乘組6名航天員同時在軌,預計每半年由載人飛船實施人員輪換并在軌運營10年以上。由此,飛船的可重復使用性、空間站的運營優化程度等,在提升人類進入太空的可靠性、安全性的同時也降低了成本,這為發展航天旅游奠定了堅實的技術基礎。而市場對航天旅游的需求近年來也愈發旺盛,航天旅游正在變成大多數人都渴望追逐也可以去實現的夢想。從2020年起,國外航天企業如維珍銀河、藍色起源的航天旅游不僅實現了首飛而且至今已完成多次飛行。特別是美國太空探索技術(SpaceX)公司的“龍”飛船首次將美國航空航天局(NASA)的兩位航天員送到了“國際空間站”(ISS),標志著商業航天企業具備了從運載火箭到載人飛船的全鏈條服務能力,隨時都可以開放商業航天旅游市場。為此,中國也在努力探索,讓人類大規模、低成本地進入太空變得可行。

在此基礎上,地月經濟帶有望成為各國宇宙探索的焦點。因為地月經濟帶涵蓋了地球與月球之間的商業和科學活動,它將開啟一個經濟變革和發展的時代,并為構建人類命運共同體提供新的動力。例如,人類發現不僅地球上有水,月球上也有水。將這一重要物質分解成氧和氫,就可以獲得航天器和衛星的燃料,以及維持人類生存所需的氧氣。這意味著,隨著地球與太空之間的發射和運輸所需資源變得越來越易獲得,人類可以擺脫從地球攜帶資源的束縛,在月球附近進行資源開采、工業擴展,甚至在月球上建設基地。當然這一基地也許不適合民用居住,但它有利于保護地球環境與資源,為人類數量的增長和能源的消耗提前謀篇布局。

數十年來,航天事業通過創造產品和服務推動著人類社會各行各業的發展,也直接影響著人類的生活。未來它將成為具有自身宏觀經濟、地緣政治、凈收益和市值的變革性商業領域,甚至帶來的變化將深刻改變人類文明走向。而以上這種令人難以置信的影響也曾發生在互聯網行業中:彼時正值新舊世紀交替,有學者預測人類將開展線上活動,可以用手機完成大部分工作、生活,甚至可以與客服平臺的機器人互動。20年后的今天這些已一一實現,線上辦公、線上采買已成為日常。但對于航天事業而言,它強大的沖擊力也許會把等待的時間縮短一半。在不久的將來,甚至可能人類一部分群體在地球上生活,另一部分在太空中工作。

由此,宇宙探索所引發的科技革命和產業變革也許會作為“第五次工業革命”,為各國促進人類進步提供合作新契機和新環境。因為宇宙探索代表著創新性的方法與經濟發展新態勢,吸引著科學家、工程師、航天員、企業家乃至跨國公司與各國政府都加入其中,走向航天事業帶來的新時代,尋求地球與太空中人類活動相統一。具體表現在:航天技術促使人類開發新能源、工業材料、全新育種方式,發現疾病的治療方法,向人類展示了創新與進步的新路徑;同時航天技術也在提醒人類保護地球、避免過度開發。宇宙探索的特殊本質就是讓人類想象到除地球以外的其他世界,同時又意識到自身的渺小和保護地球的必要性,這是一種巨大的力量。

在過去的70多年,中國載人航天工程走出了一條符合中國國情的道路,不斷開創載人航天事業發展新局面。載人航天事業的強產業關聯性與高技術輻射性,不僅在短期內會帶來高新技術水平的提高;同時作為一個增長速度遠高于一般科技產業和傳統產業的高科技行業領域,更能夠通過空間站建設完成、投入使用所帶來的平臺效益,對整個國民經濟產生深遠的影響。當然,中國的太空探索并不會止步于此,在未來的太空賽道上,面向實施探月工程四期、木星系探測、研制發射新一代載人運載火箭等一系列新的要求與挑戰,中國自立自強、兼容并蓄、開放創新,為推動世界航天事業發展繼續努力,為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體貢獻更多中國智慧、中國方案、中國力量。

(作者為北京航空航天大學經濟管理學院教授)

【注:本文系國家社會科學基金重大項目“企業創新主體地位強化及技術創新能力提升研究”(項目編號:21ZDA012)的成果】

【參考文獻】

①吳季:《關于載人航天走向商業化的思考》,《中國航天》,2021年第9期。

②[西]茵瑪·馬丁內斯著、龔若晴譯:《第五次工業革命:太空技術引發的科技革命和產業變革》,北京:天地出版社,2021年。

③《載人航天:飛天夢圓》,《瞭望》,2020年第49期。

④《商業航天:太空新生態,創業進行時》,《中歐商業評論》,2022年6月17日。

責編/銀冰瑤 美編/陳媛媛

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[責任編輯:孫垚]

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