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国家科技重大专项之“嫦娥”探月工程

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5245 2020年国家重大科技成就层出不穷: 北斗卫星导航系统完成部署; 高分专项对地观测卫星全部完成部署; 首次自主火星探测器“天问一号”发射; 嫦娥五号月球取样返回; “奋斗者号”载人潜水器成功坐底马里亚纳海沟; “九章”量子计算机验证了量子优越性; …… 很有很多重大成就没有列出来,以上只是列举了航天领域和其他几个我比较感兴趣的领域。这些接二连三的重要成果并非偶然。随着经济的发展,国家对科学技术的投入也越来越大。今年恰逢2006-2020国家中长期科技发展纲要中的国家科技重大专项的收官之年,同时也是十四五计划的收官之年,许多举足轻重,意义特别重大的科技项目都是在2020年完成。 国家科技重大专项 国家科技重大专项是国家为了保障对关乎国家安全和发展的关键重大科技项目的投入而设置的制度性的政策,以确保财政的持续有力的支持。这一政策在国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中首先明确提出,并同时确立了16个国家科技重大专项,在文件中只公开了其中13项。这些重大专项包括:大型飞机,高分辨率对地观测系统,载人航天与探月工程,北斗卫星导航系统,等等。其中与航天相关的就有好几项。 在这份纲要中,还指出: 历史上,我国以“两弹一星”、载人航天(注:即921工程)、杂交水稻等为代表的若干重大项目的实施,对整体提升综合国力起到了至 关重要的作用。 由此可见国家科技重大专项的定位之高。 随着第一批科技重大专项的任务基本完成,国家在2016年十三五规划时就已经考虑到新一批重大专项的部署预研等问题。在中共中央、国务院于2016年印发的《国家创新驱动发展战略纲要》中,提出: 在关系国家安全和长远发展的重点领域,部署一批重大科技项目和工程。面向2020年,继续加快实施已部署的国家科技重大专项,……(注:指的是2006年的16个重大专项,略)面向2030年,坚持有所为有所不为,尽快启动航空发动机及燃气轮机重大项目,在量子通信、信息网络、智能制造和机器 人、深空深海探测、重点新材料和新能源、脑科学、健康医疗等领域,充分论证,把准方向,明确重点,再部署一批体现国家 战略意图的重大科技项目和工程。面向2020年的重大专项与面向2030年的重大科技项目和工程,形成梯次接续的系统布局,并根据国际科技发展的新进展和 我国经济社会发展的新需求,及时进行滚动调整和优化。 可见国家对科技重大专项的承上启下布局十分重视。在2016年国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中,进一步明确了如何部署新的重大专项(科技创新2030–重大项目): 面向2030年,再选择一批体现国家战略意图的重大科技项目,力争有所突破。从更长远 的战略需求出发,坚持有所为、有所不为,力争在航空发动机及燃气轮机、深海空间站、量子通信与量子计算、脑科学与类脑研究、国家网络空间安全、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统、种业自主创新、煤炭清洁高效利用、智能电网、天地一体化信息网络、大数 据、智能制造和机器人、重点新材料研发及应用、京津冀环境综合治理、健康保障等重点方 向率先突破。按照“成熟一项、启动一项”的原则,分批次有序启动实施。 其中,在航天领域,因之前的载人航天和探月工程等重大项目的成功完成,且航天技术在国家安全中起到的不可或缺的作用,其后继延续项目“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”理所当然得到顺利立项。“天问一号”火星探测器在今年发射深空就是探月工程顺理成章的延伸。 而载人深潜器项目也因非常成功,后面有望从国家第二层次的支持项目“国家重点研发计划”升级到第一层次的“国家科技重大专项”,即“深海空间站”项目。量子科学领域也将新立项国家科技重大专项“量子通信与量子计算”。 自2015年以来,国家的科技计划体系逐步完善整合成五大类: 级别最高的“国家科技重大专项”,对标“两弹一星”工程,支持力度强(每年数十亿到上百亿的经费),项目规划跨度一般为15年,具有重大战略意义,并且严格控制专项数量; 国家重点研发计划:整合了原863计划和973计划等一系列计划,属于第二梯队; 国家自然科学基金:第三梯队,对科研最全面广泛的支持; 技术创新引导专项(基金); 基地和人才专项。 要得到国家科技重大专项的立项,必须得到中央的拍板,都是经过多轮反复的预研论证的。 2016年8月前后,网上一度对我国究竟要不要建大型对撞机讨论的沸沸扬扬。德高望重的杨振宁先生发表文章鲜明地表达了反对立项的意见。这一项目的建造费用以千亿计算,费用之高,比很多已立项国家重大科技专项还多,且丝毫没有多少可预见的实质成果,完全不具有战略意义。国家文件中“有所为有所不为”的指导原则可以说完全断绝了这一项目获得国家重大支持的可能。 明年,十四五计划和新的一轮15年跨度的国家中长期科学和技术发展规划纲要将要发布,从中将可以了解“国家科技重大专项”的部署进展。 嫦娥五号月球采样返回 2020年11月24日4时30分,嫦娥五号由长征五号成功发射送入了预定轨道,入轨精度很高。整个嫦娥五号探测器总重约8吨。 … 继续阅读

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全球载人深潜器排名(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5148   2020年我国科技事业好消息不断。除了正在进行中的我国首次自主火星探测任务,我国的“奋斗者号”载人深潜器近日连续多次在地球上最深的马里亚纳海沟成功坐底,坐底深度10909米,是全球有史以来第四个载人深潜器下潜到万米以下的深度。过两天,嫦娥五号就要从文昌发射场升空,执行我国首次从月球采样返回任务,这真是实现了毛主席在《水调歌头·重上井冈山》一词中的畅想:可上九天揽月,可下五洋捉鳖。                                 “奋斗者号”载人深潜器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项的一部分,由中国船舶集团的七〇二研究所制造,是继“蛟龙号”、“深海勇士号”之后的新一代载人深潜器。7000米级的“蛟龙号”已经交付自然资源部直属的位于青岛的国家深海基地管理中心使用,而4500米级的“深海勇士号”则交付位于三亚的中科院深海研究所使用。 今后,我国的深海探索研究有望得到最高级别的国家科技重大专项的资助,将建立有人常驻千米以下海底的深海空间站。 以下对全球各国的载人深潜器技术进行排名。 (一)中国 随着“奋斗者号”成功通过验收,中国的载人深潜正式跃居世界第一。 “奋斗者号”可载三人,是全球万米级载人深潜器中载人能力最大的,也是深海作业能力最强的。 据《科技日报》的报道: 第二阶段海试验收于2020年10月10日开始在西太平洋马里亚纳海沟海域实施。截至11月16日,“奋斗者”号共开展了12次下潜,其中7次下潜超过10000米,于10月27日首次突破万米,于11月10日创造了10909米的中国载人深潜新纪录。11月13日,借助项目支持的由中科院深海科学与工程研究所和中央广播电视总台牵头研制的“沧海号”着陆器及视频直播系统,完成了世界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合水下拍摄作业,并通过央视总台向全社会进行了视频直播。 此后,在奋斗者号11月19日的一次下潜中,我国女科学家贺丽生也执行了万米深潜。据公开资料,她是全球第二位深海下潜超过一万米的女性。 再加上我国还拥有“蛟龙号”、“深海勇士号”两型适应不同深度的载人深潜器,综合实力毫无疑问位居世界第一。   (二)美国 美国是目前除了中国之外,唯一有能力载人深潜至万米海底的国家。 历史上,马里亚纳海沟一共只有四艘载人深潜器成功坐底(无人深潜器亦有若干次,包括我国的和“奋斗者号”一同深潜的“沧海号”等)。 1960年,瑞士设计、意大利建造、美国海军所有的 Trieste 号。坐底测得深度10916米。 2012年,加拿大导演James Cameron 乘坐向澳大利亚公司定制的 … 继续阅读

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全球卫星导航系统排名(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5001 作者:杨超   以我国成功发射天问一号火星探测器为一个标志性事件,中国的航天综合实力已经稳居全球第二。之前的博文已经分别从火箭的运输能力、深空探测网两个方面的比较,论证了这一点。本文比较各国的全球卫星导航系统(GNSS)建设,再次印证了这个判断。 需要说明和强调一点,航天实力的排名是以当前的水平来比较,不能拿历史来比较。我们必须用发展的眼光来看问题。前苏联一度到达相对高的航天水平,但是其继承者俄罗斯则只能吃老本,水平是每况愈下,维护其航天设施都捉襟见肘,谈不上什么发展,更加无法回到过去的辉煌,整体上已经落到中国后面去了。 卫星导航系统关乎着国家的国防安全问题,是最重要的航天应用之一。导航卫星一般采用距离地面2万公里左右的中轨道卫星(MEO),有时辅以更高的地球同步轨道卫星(GEO)。 民用导航应用的设计原理非常简单,就是单向接收到至少3颗导航卫星发出的卫星自身的时间与位置信号,就可以从数学上计算出接收器的位置。所以,一个导航卫星系统的设计,就是保证地球上任何一个地方都能“看到”至少3颗卫星即可。这也是卫星部署到离地面2万公里的轨道的原因,越高覆盖的面积就越广,需要的导航卫星总数就越少。此外,卫星的信号也会受到天气或高楼高山阻挡等影响,设计导航卫星星座时要有一定的冗余。比如我国的北斗系统,理论上在亚太地区总能收到10颗以上卫星的信号,保证了导航系统的稳健性,和增强了导航的精度。 一、美国GPS 美国的GPS系统由美国空军(United States Air Force)建立并维护,现由新成立的天军(Space Force)维护。卫星刚好部署在周期为12小时的轨道上,一天绕地球两圈。整个系统一共由24颗卫星构成,分别位于6个轨道平面,每个轨道平面均部署4颗卫星。       二、中国北斗卫星导航系统 我国的北斗三号导航卫星系统于今年(2020年)7月31日正式宣布建成开通。主要由24颗中轨道卫星构成,分为3个轨道平面,位于比美国GPS略高的轨道上。另有至少5颗地球同步卫星和3颗斜地球同步轨道卫星(IGSO)部署在亚洲上空,起到增强的作用。 三、俄罗斯GLONASS GLONASS 系统从前苏联时代开始建设,直到苏联解体后的1995年才由俄罗斯继续完成组网。设计轨道比美国 GPS 略低,距地面19000多公里,主体由三个轨道平面共24颗卫星构成。可见导航卫星星座大同小异,就不再重复上示意图了。 由于俄罗斯经济困难,90年代末缺乏足够经费对退役或故障卫星进行更换,到2001年在轨服役的导航卫星一度仅剩可怜的6颗。过了10多年,直到2015年才又逐步重新完成组网。 这样一个维护存在隐患的系统当然只能排在中国的北斗系统后面。 四、欧洲伽利略系统 四大全球导航系统中,以伽利略的轨道最高,约23000多公里。设计方案也是三个轨道平面共30颗卫星。每个轨道平面有8颗卫星加两颗备用。目前只部署了22颗左右,能初步进行导航应用,但也故障频发,甚至出现过连续一周全网卫星瘫痪的情况。其维护水平和俄罗斯算得上难兄难弟。 我国在2003年曾投资加入伽利略系统的建设。但欧洲人背信弃义,我们被迫2006年退出。经此波折,我国还是下定决心建立自己的北斗全球导航系统。到了今年,我们的北斗系统已经正式部署完毕了,欧洲人的伽利略系统还没有完成组网。 五、日本准天顶系统(QZSS) 日本的准天顶系统(Quasi-Zenith Satellite System)完全兼容美国GPS系统,可视为GPS系统在日本天顶的一个增强子系统。   目前,准天顶系统已经部署了4颗卫星,其中3颗不对称的斜地球同步轨道卫星(目的是保证总有1颗几乎在日本东京地区正上方)和1颗地球同步卫星。计划从2023年起再打3颗准天顶卫星,构成共7颗的系统。           … 继续阅读

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全球深空测控网一览(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4878 作者:杨超   之前的博文曾提到过,像火星探测这样的深空探测计划,可大致划分为五大子工程,其中有两项子工程是密切相关的,就是测控系统和地面应用系统(Ground Research & Application System,这是立项书中的子项目名称,简称 GRAS)。测控系统主要是追踪、遥测和控制探测器的飞行、入轨和降落等等。而地面应用系统主要完成接收探测器从遥远的太空发回的科学数据的信号,并解码后进行相关研究。这两大子工程的一大共同的关键就是大型天线。 在开展深空探测之前,我们对火箭发射过程和卫星的测控,只需要直径10来米的地面天线就绰绰有余了。这是因为,最远的地球同步卫星,距离地面约36000公里。但这10多米直径的天线,在嫦娥探月工程中就不太够用了,因为月亮距离地球为40万公里。于是,国家随着探月工程的开展,循序渐进的建设直径更大的天线。也就是说,深空探索的一个必不可少的基础设施就是大直径天线。随着今年7月我国的火星探测器成功发射,我国的大直径天线构成的深空网基本建成。火星距离地球最远可以达到4亿公里,比月亮又远了1000倍。如此远的距离,信号非常弱,因此需要非常大的天线才可以接收到探测器发回来的信号和数据,同时也需要发射非常大功率的信号给探测器。 目前各国在航天探测任务中使用的直径最大的天线在70米左右。一般30米以上的天线才能纳入深空观测网。 所以说,深空通信是一个大难题,目前我国已经成功解决这一重大工程难题。之前的一篇博文中,我们对全球火箭运力的对比中,得知以长征五号为代表的我国火箭运载能力是全世界第二,仅次于美国。而在2020年,随着我国火星探测器天问一号的启航,我们的深空网的测控和地面应用(即接收遥远的火星探测器传回的科学数据)水平,也达到全球第二。 下面,通过列举世界所有建立深空探测网的国家的硬件设施来说明这一点。 还有一点要先说明一下,因为一个天线覆盖略小于180度的天空,要构成深空网,对全天达到360度24小时全方位的覆盖,至少要在全球三个不同的地方部署三个天线。最理想的情况是按经度每120度一个。 因此,深空网与近地测控网因其要完成的任务需求不同,往往分开两个不同的独立网络。深空网一般要求30米以上的大直径天线,全球建立至少3个站点。而近地测控网则一般10来米的天线足矣,但是站点需要更多(因为近地,测控范围更小)。比如美国NASA,其深空网由位于加州的JPL负责管理。而其近地网(Near Earth Network,通常仅指地网)又分为地网(Ground Network,由全球约15个地面站组成,其中有一些甚至还是商业运营的地面站)和天网(Space Network,主要由地球同步的中继卫星组成)。天网和地网都由 Goddard Space Flight Center 管理。 全球深空网2020年(Deep Space Network 2020)排名如下:(基于网上可以搜索得到的公开资料,可能存在不甚准确之处) 一、美国NASA 以美国的军事和经济势力,NASA很早就已经建立了全球深空网。据NASA官网的介绍,早在1963年就正式建成,至今已经50多年了。三个主力站点分别位于美国本土加州 Goldstone,澳大利亚的Canberra,和西班牙的马德里(Madrid)附近。而且是比较接近完美的均匀120度分布。三个站都各有70米天线一个,另各有30-40米级别天线数个。三大站点合计30多个天线。见下面示意图,三大站点构成的深空网在近地(3万公里以内)轨道是有盲点的。但这往往是深空探测器的发射阶段,可由近地测控网负责。 NASA设在澳大利亚的 Canberra 站全景图:   美国在其巅峰时期建站太多,在和前苏联的太空竞赛告一段落之后,因为维护这么庞大的设备网络过于昂贵,不得不让一部分天线退役。 如:美国1961曾在南非建了一个26米天线,纳入其深空网络,编号 DSS-51(Deep Space … 继续阅读

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全球现役火箭系统全图(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4840 作者:杨超 因为天问一号的发射,最近对航天工程比较感兴趣。上一篇博文谈及了运载火箭系统,本文进一步把全球现役的运载能力在2吨以上(LEO)的火箭系统全部列出来。对没能列出那些运载能力只有几百公斤的火箭表示遗憾。 总的来说,火箭系统还是一个比较复杂的工程,拥有现役发射能力2吨以上的国家或者超国家组织(指欧盟)只有以下六个: 中国 日本 印度 俄罗斯 欧盟 美国 对我们业余关注者来说,对火箭主要了解两点,就能差不多知道各国火箭水平的高低。一是运载能力是多少吨。二是使用什么推进剂(固体、液氧煤油、液氢液氧、四氧化二氮+偏二甲肼等等)和什么发动机,火箭采取什么构型。 几点说明: 1. 此图是用网站 Historic Spacecaft 网站的火箭美工图拼接而成的,原作者为 Richard Kruse. 2. 只列出现役的。研发中的火箭没有列出来,如我国的长征九号、网传的921火箭等等。欧盟也在研制阿丽亚娜6以替代现役的阿丽亚娜5,美国ULA研制火神火箭以替代目前两款火箭, 日本研制 H3 替代 H2,俄罗斯研制安加拉号替代质子号,等等。所以,这个全球火箭全图是2020年版本。 3. 极少数已退役(或运力未达到2吨门槛)的火箭也列出来了,如1970年4月24日,成功发射我国第一颗人造卫星东方红一号的长征一号火箭。 4. 我国火箭正处于更新换代过程中。长征一至四为老一代运载火箭,最大运力为低轨道(LEO)10吨左右。长征五、六、七为新一代运输火箭。其中长征五号LEO运载能力达25吨,是老一代火箭的两倍以上,在全世界来看,运力仅次于美国的 Delta IV Heavy 和 Falcon Heavy,位居全球第三(两款比长五强的火箭均使用 CBC 构型)。 我国旧一代火箭基本都使用液体常温推进剂四氧化二氮+偏二甲肼。新一代火箭则用液氢液氧或者液氧煤油。 5. … 继续阅读

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