科技創(chuàng)新助力探索浩瀚星河

從火箭技術(shù)到衛(wèi)星技術(shù)，從回收與復用技術(shù)到航天測控通信技術(shù)，每一個技術(shù)分支都在不斷進步，推動著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

商業(yè)航天就像是人類施向太空的魔法，向普通大眾揭開了太空的神秘面紗，把科幻電影里的場景變成了現(xiàn)實。

商業(yè)航天是以市場為導向、以企業(yè)為主體、以太空探索和利用為目的的經(jīng)濟活動，涵蓋火箭發(fā)射、衛(wèi)星應(yīng)用、太空旅游等多個領(lǐng)域，旨在通過商業(yè)手段實現(xiàn)太空資源的利用和太空技術(shù)的應(yīng)用。人類要想探索浩瀚星河，少不了助推商業(yè)航天的“引擎”—— 科技創(chuàng)新。

“太空列車”的發(fā)動機

火箭技術(shù)，作為商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動力，被形象地比喻為商業(yè)航天的“發(fā)動機”，是人類叩響太空之門的關(guān)鍵鑰匙。在電影《流浪地球》中，那些宏偉壯觀且連接天地的太空電梯讓人印象深刻。這一極具想象力的科幻構(gòu)想，其原型植根于火箭技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

火箭的心臟就是發(fā)動機，它的性能直接決定了火箭能飛多遠、運多少?；鸺l(fā)動機可以分為固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機。顧名思義，固體火箭發(fā)動機采用固體推進劑作為燃料，像個大型“沖天炮”，其成本相對較低，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，可隨時發(fā)射，適合那些需要快速響應(yīng)的發(fā)射需求。而液體火箭發(fā)動機采用液體燃料，如液氫、液氧等，能量密度高，使得液體火箭發(fā)動機能夠飛得更遠、運載能力更強，但是液體燃料需要低溫儲存且在發(fā)射時進行加注，因此液體火箭通常發(fā)射準備時間較長。

固體火箭在我國商業(yè)航天中主要用于小型衛(wèi)星發(fā)射，有快舟、捷龍等系列。固體火箭的成熟技術(shù)和快速響應(yīng)能力使其在特定領(lǐng)域具有優(yōu)勢?？熘垡惶柤资怯芍袊教炜乒ぜ瘓F研制的三級固體運載火箭，全長約20米，起飛質(zhì)量約30噸，700千米太陽同步軌道的運載能力為200千克，近地軌道運載能力為300千克，主要面向微小衛(wèi)星發(fā)射和組網(wǎng)，具備一箭多星發(fā)射能力。捷龍三號火箭是由中國航天科技集團研制的四級固體運載火箭，可實現(xiàn)零窗口、全方位發(fā)射，72小時內(nèi)完成星箭技術(shù)準備和發(fā)射任務(wù)，全箭總長31.8米，箭體最大直徑2.65米， 起飛質(zhì)量140噸，500千米太陽同步軌道運載能力1.5噸。

火箭發(fā)射 圖 /AI生成

固體火箭運載能力有限，難以滿足未來商業(yè)航天市場對大型衛(wèi)星和高軌道發(fā)射的需求。液體火箭是我國商業(yè)航天的未來發(fā)展方向，國內(nèi)多家商業(yè)航天公司都在積極布局液體火箭的研發(fā)和應(yīng)用。液體火箭在商業(yè)航天市場中具有較大的潛力，尤其是在大型衛(wèi)星發(fā)射和可回收火箭技術(shù)方面。大家熟悉的“胖五”——長征五號就是一種大型低溫液體捆綁式運載火箭，火箭全箭總長56.97米，起飛質(zhì)量約869噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運載能力。長征五號研制成功，標志著中國運載火箭實現(xiàn)升級換代，是由航天大國邁向航天強國的關(guān)鍵一步。

火箭又是如何在飛行中改變方向的呢？我們知道，火箭發(fā)動機噴出的火焰是它的動力來源，那么推力矢量控制技術(shù)，就是通過改變噴出火焰的方向，來改變火箭的飛行方向。它通過調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管的方向，改變發(fā)動機推力的作用點，從而控制火箭的姿態(tài)。該技術(shù)通過精確控制飛行方向，可以使火箭的飛行更加機動靈活，進而減少不必要的燃料消耗，提升火箭運載能力，并且可以應(yīng)對各種氣流干擾。更重要的是，對于可重復使用的火箭，推力矢量控制技術(shù)可以幫助火箭在返回地球時精確控制著陸位置，就像一個熟練的飛行員，可以精準降落在指定地點。例如，中國科學院的力箭一號就搭載了推力矢量控制技術(shù)來提升火箭飛行精度。

火箭在大氣層中飛行時，空氣會像水流一樣“拍打”火箭，使其無法保持平衡，此時安裝在火箭尾部的氣動控制面（如柵格翼、翼面等）就像給火箭裝上“小翅膀”，“小翅膀”通過改變其角度，讓空氣流動的方向發(fā)生變化，從而對火箭產(chǎn)生一個反作用力，這個反作用力可以幫助火箭調(diào)整姿態(tài)，比如向上、向下、向左、向右，或者保持平衡。舉個例子，如果火箭在飛行中稍微向左傾斜，氣動控制面會自動調(diào)整角度，讓空氣對火箭產(chǎn)生一個向右的推力，把火箭“扶正”。這個過程就像我們在騎自行車時，身體稍微傾斜，車輪會自動調(diào)整方向，幫助我們保持平衡。該技術(shù)一般用于大氣層內(nèi)的火箭姿態(tài)控制。例如，中國航天科工集團的快舟一號和藍箭航天發(fā)布的朱雀三號都利用到該技術(shù)來調(diào)整飛行姿態(tài)和落點控制。

當然，除了上述技術(shù)外，反應(yīng)控制系統(tǒng)（RCS）也對火箭飛行中調(diào)整飛行姿態(tài)起到至關(guān)重要的作用。它主要由一組小型發(fā)動機噴嘴組成，這些噴嘴主要分布在火箭的頭部、尾部和側(cè)面，每個噴嘴都可以獨立工作，當需要調(diào)整姿態(tài)時，該噴嘴通過噴射高速氣體產(chǎn)生微小的推力來助力火箭的軌道機動和姿態(tài)微調(diào)。

突破地球引力束縛、實現(xiàn)高效太空運輸、提升有效載荷，對火箭材料的選擇至關(guān)重要。碳纖維增強復合材料號稱航天科技中的“黑黃金”，具有輕量化、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕的特性，其密度不到鋼的四分之一，抗拉強度卻能夠達到鋼的7～9倍，并可在2000℃以上的高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定狀態(tài)，也被譽為“航天嚴選”的優(yōu)質(zhì)材料。在長征五號B運載火箭的研制中，中國航天科技集團采用了碳纖維復合材料“3+2”蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù)，實現(xiàn)火箭尾段減重400公斤。

太空中的“千里眼”和“順風耳”

商業(yè)航天是利用商業(yè)模式運營的航天活動，旨在通過商業(yè)市場的方式開展航天技術(shù)和服務(wù)的研發(fā)、制造、發(fā)射和應(yīng)用。人造衛(wèi)星作為商業(yè)航天的關(guān)鍵組成部分，應(yīng)用非常廣泛 ，如衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導航、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。人造衛(wèi)星猶如“千里眼”和“順風耳”，不僅能看清楚太空中的景象，還能和地球上的設(shè)備進行“對話”。

遙感衛(wèi)星好比太空中的“千里眼”，它能拍下地球表面的高清圖像，幫助人們了解地球上的各種情況。高分辨率遙感衛(wèi)星更是“火眼金睛”，能清晰地識別地面上的小型物體，為國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)等領(lǐng)域提供寶貴的數(shù)據(jù)。中國航天科技集團發(fā)射的高景一號衛(wèi)星星座，就是我國首個0.5米級高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，它的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了國外長期壟斷亞米級商業(yè)遙感數(shù)據(jù)的局面。未來，在科技的加持下，它們的分辨率會更高，甚至可能看清每一片樹葉，重訪周期也會更短，就像一個“實時監(jiān)控器”，可以隨時更新地球的動態(tài)。低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)會讓遙感衛(wèi)星“無處不在”，災(zāi)害預警和應(yīng)急響應(yīng)會更快、更精準。

作為無線電中繼站，通信衛(wèi)星技術(shù)就像是太空中的“順風耳”，它能讓信息在全球范圍內(nèi)快速傳遞。高通量通信衛(wèi)星是通信衛(wèi)星中的“佼佼者”，它能提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，讓航空、航海、偏遠地區(qū)的人們都能享受到便捷的通信服務(wù)。實踐十三號衛(wèi)星是中國首顆高軌道高通量通信衛(wèi)星，由中國航天科技集團五院研制，其通信總?cè)萘窟_20Gbps以上，讓人們在高鐵、飛機上實現(xiàn)上網(wǎng)沖浪的夢想。

隨著技術(shù)的進步，低軌道衛(wèi)星正在改變傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的格局，這些衛(wèi)星離地球更近，延遲更低，能提供更快的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，未來甚至可能讓全球每個角落都能享受到高速網(wǎng)絡(luò)。上海牽頭的千帆星座一期部署648顆衛(wèi)星，提供區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋；二期部署1296顆衛(wèi)星，實現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋；三期規(guī)劃由超過1.5萬顆衛(wèi)星為地球村的每一個角落提供多元融合服務(wù)。

助推器 圖 /AI 生成

導航衛(wèi)星，就像是太空中的“指南針”，它能為全球用戶提供精準的定位、導航和授時服務(wù)。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS），如北斗、GPS、GLONASS等，通過多顆衛(wèi)星組成的星座，實現(xiàn)了全球覆蓋，讓你隨時隨地知道自己身在何處。北斗衛(wèi)星是中國航天界的“太空明星”，它不僅是中國的驕傲，更是全球?qū)Ш筋I(lǐng)域的“超級巨星”。北斗是全球第一個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這意味著，如果一個頻率信號被干擾，它還能用另外兩個頻率繼續(xù)工作，定位精度和抗干擾能力都超強。GPS還在用雙頻信號，而北斗已經(jīng)領(lǐng)先一步。北斗的短報文通信功能堪稱“黑科技”。以前求救者發(fā)出信息后不知道對方是否收到，而北斗實現(xiàn)了雙向溝通，求救者不僅能發(fā)出信息，還能收到確認回復，這種功能在緊急救援中簡直是“救命神器”。北斗三號系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了全球覆蓋，不僅能為全球提供定位導航和授時服務(wù)，還能提供國際搜救和全球短報文通信服務(wù)。它與GPS、GLONASS、Galileo系統(tǒng)并駕齊驅(qū)，成為全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一。

太空經(jīng)濟的“省錢法寶”

傳統(tǒng)的火箭和衛(wèi)星在執(zhí)行完任務(wù)后便會被廢棄，不僅成本高，而且還可能產(chǎn)生一些垃圾污染太空環(huán)境。回收與復用技術(shù)，堪稱商業(yè)航天的“省錢法寶”，它能讓火箭和衛(wèi)星這些昂貴的設(shè)備多次使用，大大降低成本。火箭回收技術(shù)，就像是給火箭裝上了“返程票”，其通過柵格翼、發(fā)動機矢量控制等技術(shù)，能按照預定軌跡返回，并在指定區(qū)域軟著陸，為再次發(fā)射做好準備。長征十二號甲是中國航天科技集團八院抓總研制的一款可重復使用火箭，2024年6月，它完成了國內(nèi)首次十公里級垂直起降回收試驗，這是目前國內(nèi)執(zhí)行過最大規(guī)模的垂直起降回收測試，標志著中國在火箭回收技術(shù)上邁出了重要一步。藍箭航天自主研發(fā)的朱雀三號VTVL-1可重復使用垂直起降回收試驗箭堪稱“太空舞蹈家”，2024年9月，它成功完成了十公里級垂直起降返回飛行試驗，驗證了垂直起降返回火箭空中二次點火和跨音速大動壓環(huán)境下“柵格舵-冷氣姿控-發(fā)動機”聯(lián)合制導控制等關(guān)鍵技術(shù)，這是國內(nèi)商業(yè)航天的重大突破。

衛(wèi)星回收與再利用，就像是給衛(wèi)星來了個“職業(yè)生涯第二春”。衛(wèi)星在完成任務(wù)后，通過推進系統(tǒng)使其脫離軌道并調(diào)整姿態(tài)，以精確的角度再次進入大氣層后，與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦，速度迅速降低，外部溫度急劇升高，此時衛(wèi)星的熱防護系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，保護衛(wèi)星內(nèi)部的設(shè)備和載荷免受高溫的損壞。當衛(wèi)星下降到一定高度時，降落傘系統(tǒng)啟動進一步減速，在接近地面時，衛(wèi)星底部的氣囊開始充氣減輕著陸時的沖擊力，保護衛(wèi)星和內(nèi)部載荷的安全，衛(wèi)星著陸后地面回收人員迅速到達著陸現(xiàn)場，完成對衛(wèi)星進行檢查和回收。

2024年10月11日，我國成功回收了首顆可重復使用返回式技術(shù)試驗衛(wèi)星——實踐十九號，該任務(wù)標志著我國在衛(wèi)星回收技術(shù)上邁出了重要一步。實踐十九號衛(wèi)星不僅成功完成了多項技術(shù)驗證，還搭載了植物種子和微生物進行空間育種試驗，為農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)發(fā)展提供了重要支持，它就像一個“太空快遞員”，完成任務(wù)后精準返回地球，為未來的衛(wèi)星回收和重復使用奠定了堅實基礎(chǔ)。

太空與地球的“熱線電話”

商業(yè)航天的航天器發(fā)出后，需要持續(xù)對其進行監(jiān)控和控制，而此時的“熱線電話”——航天測控通信技術(shù)至關(guān)重要，如航天器的飛行軌跡、姿態(tài)和工作狀態(tài)的測量、監(jiān)視與控制任務(wù)等等，它是航天器從起飛至壽命結(jié)束過程中天地聯(lián)系的唯一手段。而地面測控站又是航天測控通信系統(tǒng)的重要組成部分，它是連接地球與太空航天器的關(guān)鍵樞紐，可對航天器進行跟蹤測量、控制和通信。

地面測控站的設(shè)備包括外測系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、時間統(tǒng)一系統(tǒng)、計算系統(tǒng)以及輔助設(shè)備。其中，外測系統(tǒng)是地面測控站的主體部分，其任務(wù)是對航天器進行跟蹤測量，獲取航天器的運動參數(shù)，確定航天器的軌道和位置，精準檢測航天器的一舉一動。遙測系統(tǒng)的任務(wù)是接收從航天器發(fā)送的關(guān)于航天器上設(shè)備工作狀態(tài)、空間環(huán)境參數(shù)和宇航員的生理信息等。電視系統(tǒng)用于接收有關(guān)載人航天器的動態(tài)作業(yè)情況，觀察航天員在航天器內(nèi)和艙外的活動。計算系統(tǒng)則是整個測控系統(tǒng)的核心，要求大容量、高速度的計算機，來滿足快速精準處理海量遙測數(shù)據(jù)、精確計算軌道參數(shù)、高效生成并發(fā)送控制指令、穩(wěn)定管理通信鏈路的需求。時間統(tǒng)一系統(tǒng)用于為地面測控站提供精確標準時間基準，同步各設(shè)備時間，保障測控數(shù)據(jù)準確性和任務(wù)協(xié)同性。

我國在國內(nèi)有5個陸上測控站，包括東風站、渭南站、青島站、廈門站、喀什站，在國外有4個陸上測控站，包括卡拉奇站、納米比亞站、馬林迪站和智利站。

火箭回收 圖 /AI 生成

由于地球是球體，地面測控站的信號覆蓋范圍有限，隨著航天器的飛行，會超出測控站的視距范圍。中繼衛(wèi)星位于地球靜止軌道，相當于在太空中架設(shè)了一個信號中轉(zhuǎn)站，可以接收航天器的信號并轉(zhuǎn)發(fā)到地面測控站，大大擴展了測控覆蓋范圍，實現(xiàn)對航天器的全球、全天候測控通信覆蓋。

我國的天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)是中繼衛(wèi)星的“明星成員”，從2008年發(fā)射的天鏈一號01星開始，已經(jīng)建成了兩代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。天鏈一號01星讓神舟七號飛船的測控覆蓋率從18%提高到了50%。2012年，天鏈一號02星和03星組網(wǎng)運行，使我國成為繼美國之后第二個擁有全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。2025年3月26日，長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將天鏈二號04星送入預定軌道，這顆衛(wèi)星是我國第二代地球同步軌道中繼衛(wèi)星，主要用于為飛船、空間站等載人航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，同時也為中、低軌道資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)。天鏈二號04星在傳輸能力、響應(yīng)速度等方面進行了多項技術(shù)狀態(tài)改進，進一步提高了我國第二代地球同步軌道中繼衛(wèi)星的自主性和安全性。鵲橋中繼衛(wèi)星則是為嫦娥四號任務(wù)量身定制的中繼衛(wèi)星，它部署在地月L2點，為嫦娥四號探測器在月球背面著陸和通信提供了關(guān)鍵支持，鵲橋中繼衛(wèi)星就像一座“太空橋梁”，讓地球和月球背面的探測器能夠?qū)崟r通信。

商業(yè)航天，這個充滿無限可能的領(lǐng)域，正以它獨特的魅力吸引著全球的目光。從火箭技術(shù)到衛(wèi)星技術(shù)，從回收與復用技術(shù)到航天測控通信技術(shù)，每一個技術(shù)分支都在不斷進步，推動著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。未來，商業(yè)航天將繼續(xù)以技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)，不斷探索和開拓，向著更深更遠的太空邁進。讓我們一起期待商業(yè)航天帶來的更多驚喜吧！

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2025年6月號）

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編校：范曉華，審讀：郭麗

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