航空航天工业的创新进展
尽管宇宙拥有无边无际的空间，拥有数不胜数的天体，然而，到目前为此，人类只在地球上修建自己的家园，尚未发现第二个存在生命的星球。人类为了避免宇宙天体对地球造成伤害，确保栖息地可靠安全，同时也有利于拓展生存空间，获得更加丰富的物质和精神财富，正在迅速发展航空航天工业，不断开辟天文科学研究新篇章。这里，运用现代天文与天体物理学原理，以各国在航空航天工业取得的研究成果为考察对象，着重梳理本世纪特别是近十年来的航空航天工业探索新进展。通过梳理这方面的信息，可以发现各国在航空航天领域的探索出现了一些新特点，其中主要有以下几方面：
一、不断拓宽探测宇宙的范围
（一）探测宇宙天体的新进展
1．从探测附近星系拓展到遥远星系。
过去由于天文仪器和观测技术的限制，搜索宇宙星系的能力不强，很难跨出银河系范围以外。目前，采用红外线探测多目标摄谱仪等新设备，并以光谱学和红移现象对观察对象进行研究，大幅度提高了搜索发现星系的能力，相继找到一些古老而遥远的星系，其中已多次发现距离地球超过130亿光年的星系。
2．从探测看得见的天体拓展到看不见的天体。
宇宙空间内存在的黑洞，是一种无法直接观测的天体。它的时空曲率无限大，使得光都无法从其视界逃脱。但可以通过观测它对其他天体的影响，推测它的存在和质量。近年，搜索黑洞业绩非凡，已找到处于婴儿时期的黑洞，质量是太阳210亿倍的目前最大黑洞，可能正在合并的两个超大黑洞，抛弃宿主星系独自生存的黑洞等。
（二）探测宇宙物质的新进展
1．探测微观粒子成为宇宙物质研究的重要命题。
本世纪以来，研究微观粒子的成果，在天体物理学中占据很大比重，探索视角涉及宇宙中微子及其具体形式电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，希格斯玻色子及其衰变成的费米子，反物质原子特别是反氢原子，轴子与质子，B介子与μ子，夸克及其相关新粒子等。特别是，在南极建成世界上最大的粒子探测器“冰立方”，专门用来捕捉宇宙中微子。据报道，“冰立方”已捕获到第三个千万亿电子伏特的宇宙中微子。
2．从探测有形物质要素拓展到无形客观存在。
宇宙中存在的氢、氦、氧、碳、铁，以及水、甲烷、乙烷、氨等有形物质要素及其构成，仍然是天文探索的重要对象。此外，现代天文学又把触角伸向宇宙引力、暗物质和暗能量等领域，它们是无形的或者目前尚未发现的，但又可能是客观存在的。目前，在宇宙引力研究方面，通过搜寻引力波信号可以真实地感觉到它的存在。据悉，激光干涉引力波天文台已多次探测到引力波信号。为搜寻暗物质，已开建地下最深的暗物质研究实验室，并建成迄今最大最灵敏的暗物质实验设备。研究暗能量方面的主要成果是，通过测量宇宙膨胀率揭示暗能量本质，运用氢强度映射实验镜计算暗能量强度。
二、深入推进太阳系天体的研究
从探索星系角度来说，研究太阳系的成果，在天文学成果总量中，始终拥有最大比重。人类赖以生存的地球，就是太阳系的一颗行星，科学家特别注重太阳系的研究，应该说也在情理之中。实际上，还有技术层面的一些缘由。梳理航空航天领域的创新信息，不难看出，太空探测器所到的地方，往往是天文学研究成果密集之处。目前，人类太空探测器的最远距离，尚未超越太阳系范围，这才是促使太阳系研究成果大量涌现的客观因素。近年，推进太阳系探测取得的成果主要有：
（一）推进火星的探测与研究
1．火星探测的简要回顾。
火星是太空探测器进入最密集的星球之一，从1962年苏联火星1号探测器开始，先后有火星环球勘探者、奥德赛、曼加里安号等轨道器，火星3号、海盗1号、凤凰号等着陆器，索杰纳、勇气号、机遇号、精神号和好奇号等火星车探访火星。特别是世界上第一辆采用核动力驱动的火星车好奇号，向地球传输回大量考察图片。
2．火星探测与研究的新进展。
目前，火星探测和研究的成果主要有：重新解释火星早期的地质地貌，破解火星夏普山成因之谜，发现火星火山大约在5000万年前就已停止活动，认为火星峡谷可能由风“雕刻”而成，火星山坡可能由沸水雕琢出来，火星沟渠可能由干冰雕凿成型。发现火星有个直径35米的罕见地下洞穴，发现火星岩石中存在氮化物。在火星上空发现奇怪灰尘云和明亮极光，证实火星上曾存在“酸雾”，揭开火星沙尘旋风之谜；发现火星地面灰尘“有毒”，发现火星辐射水平与低地球轨道近似。发现氢原子正“成群结队”地逃离火星，发现火星有神秘甲烷排放，并在火星陨石中发现甲烷痕迹，认为古火星或曾富含氧气，发现火星大气中九成二氧化碳已转移到太空。在火星上获得冰冻水样本，发现早期火星淡水可能足以支持生命存在，发现火星表面可能有水流动的迹象，已找到在水中沉淀形成的水合盐物质；认为火星早期大湖由雪水融化形成，认为火星上埋藏着巨大冰层；认为小行星连环撞击或使火星出现短暂海洋。发现火星古湖泊呈现微生物存活迹象，认为火星或曾拥有适合生命存活的环境。
（二）推进冥王星的探测与研究
1．冥王星探测的简要回顾。
美国航空航天局在2006年发射升空的新视野号探测器，主要任务是探索冥王星、冥卫一及位于柯伊柏带的小行星群，它是人类发射过的速度最快的太空设备，已于2015年7月14日飞掠冥王星，是首个探测这颗遥远矮行星的人类探测器。新视野号拍摄和发回大量清晰照片，大大激发了天文学者研究冥王星的热情。
2．冥王星探测与研究的新进展。
近年，探测和研究冥王星方面取得的成果主要有：发现冥王星具有独特的“蛇皮”地貌，其上有众多冰丘，一个面积正缩小的冰川湖，以及有裂隙的冰山。揭开冥王星心形区域冰封之谜，并发现这一区域充满一氧化碳和甲烷；发现冥王星“冰封之心”太重致表面坍塌。破解冥王星斯普特尼克平原神秘多边形地带的成因，并分析其特征及影响。发现冥王星“雪山”，是由其大气中的甲烷冷凝成冰雪后，降落到山顶上形成的。发现冥王星拥有一片“蔚蓝天空”，它是由阳光辐射氮和甲烷后产生的粒子形成的，还发现冥王星上氮气分子逃逸速率很低。另外，分析认为冥王星表层下可能存在冰封海洋。
（二）推进彗星及太阳系其他方面的探测与研究
1．推进彗星的探测与研究。
历史上，国际日地探险者3号、金星-哈雷彗星号、吉奥多号和行星A号等探测器，都曾通过飞掠方式探测过彗星。星尘号飞船还成功地把彗星尘埃样本带回地球。欧洲空间局在2004年3月发射升空的罗塞塔彗星探测器，经过历时10年5个月零4天、总长超过64亿公里的太空飞行，在2014年8月6日终于追上了它飞快移动的目标：67P彗星，进入距离彗星约100公里的轨道并围绕其运行。在环绕该彗星同轨道运行三个多月后，向这颗彗星投放“菲莱”着陆器，并顺利降落到彗星表面上。探测彗星的成果主要有：在绘架座β星发现原始彗星云，首次发现“无尾彗星”。罗塞塔传回彗星上存在有机分子链图片，传回揭示彗星秘密的紫外光谱仪近照，并成功获取彗星气体化学信息。在彗星尘埃中发现氨基酸，发现彗星上存在氨、甘氨酸和磷元素等。
2．推进太阳系其他方面的探测与研究。
对太阳系天体的研究，除了上述成果外，其他主要集中在探索太阳黑子、太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳风暴与太阳雨。破解水星反射阳光能力很弱的原因，发现金星大气层存在巨型弓型结构。研究地球物质结构、大气成因，天体撞击现象；分析月球球形演变和月球引力，月球成因与月球年龄。研究土星及其卫星的特征与演化，探测土星最大卫星泰坦的外型与地质、气象气候、海浪与海洋。研究卡戎星地貌与大气、海洋资源，探测谷神星水资源、特有亮斑和生命生存环境，并发现灶神星没有卫星。
三、大力搜寻宜居的系外行星
很早以前，天文学家就认为太阳系以外存在着其他行星。但是，由于仪器设备的限制，一直没有发现其踪影。到20世纪90年代，首颗系外行星终于获得确认，此后，这方面的发现逐年增多。本世纪初每年新搜索到的系外行星在20颗以上。
2009年3月7日，美国航空航天局发射升空开普勒探测器，它的主要任务，是在银河系内探测系外行星，希望搜寻到能够支持生命体存在的类地行星。如此一来，搜索系外行星出现井喷现象，据报道，到2016年4月，开普勒探测器已发现近5000颗系外行星。
本世纪以来，各国搜寻宜居系外行星取得的成果，主要表现为：搜寻并鉴别出一批可能适宜生命存在的星球，其中包括一些大小和状况与地球类似的系外行星。发现球体大部分为岩石和铁的地球“兄弟”，发现一颗围绕红矮星旋转可能保有液态水的地球“堂兄弟”，发现拥有稠密岩石的“巨型地球”，发现上面可能有水、温度合适的“超级地球”，发现一颗温度适中的岩态“超级地球”，发现一颗环绕比邻星旋转的类地行星。同时，对一些类地行星的大气层及气候条件、常年保持的表面温度，以及宇宙辐射对其影响等方面展开探索。
四、着力推进航天仪器设备的研究开发
（一）航天工具与空间实验室研究的新成果
1．研究开发宇宙飞船的新进展。
研制兼有飞船和航天飞机特点的混合型载人宇宙飞船，计划全力打造核动力新一代载人飞船，研究能自行修补的宇宙飞船。中国神舟八号、神舟九号、神舟十号3艘飞船与天宫一号成功进行6次交会对接。欧洲首艘自动货运飞船发射升空，成功发射鹳号无人货运飞船。首艘商业航天器“龙”飞船平安返回地面，首艘重复使用的货运“龙”飞船成功升空。打造集飞机、运载器和航天器等多重功能于一身的无人空天飞机，研发可重复使用的空天飞机，利用远程微波能量传输形式把地面上的能量传输到航天飞机上。研制的锐边飞行实验航天器（Ⅱ型）试飞成功，过渡试验飞行器成功发射升空。用自我修复纳米线晶体管研制单芯片飞船。开发太空飞船外壳自愈的聚合物基复合材料，研制成功宇宙飞船用的“自愈”材料，研制宇宙飞船人工智能控制系统。
2．研制航天器配套设备的新进展。
开发出能够监测航天器中微量气体的纳米传感器，开发出可用于航天仪器的高性能热感知传感器，开发可检测航天器结构性缺陷的微型石墨烯传感器，研制出可做航天器传感装置的超黑材料。发明保护航天器的防护屏幕，为下一代载人航天器选定隔热板材料，成功测试可充气式航天器隔热罩。开发出可自动修复的航天器计算机系统，设计出有望为航天器提供电力的便携式核反应堆，开发出航天器太阳能电池动力系统的新配件。
3．研究开发空间实验室及太空平台的新进展。
中国发射升空第一个空间实验室天宫一号，并在太空遨游6年多，超期服役了两年半。接着，发射升空第二个空间实验室天宫二号，并成功与神舟十一号自动交会对接。此间，这方面的其他成果有：建成国际空间站“哥伦布”实验舱，建成国际空间站“希望”号实验舱，国际空间站迎来首个充气式太空舱。“联盟”载人飞船同国际空间站顺利对接，货运飞船顺利抵达国际空间站，“进步MS”系列货运飞船与国际空间站成功对接，“龙”飞船携新对接装置抵达空间站。利用货运飞船把国际空间站运行轨道抬高，按照要求调整国际空间站的运行轨道。发明可用于建造国际空间站部件的充气硬化材料，为国际空间站精确寻找新物质安装阿尔法磁谱仪。批准塔顶可作飞行器平台的太空电梯专利，计划在月球轨道建造太空港平台往返火星。
（二）太空探测器研究的新成果
1．研究开发火星探测器的新进展。
研发“极光”项目首个任务火星漫游车，研制出可充气的足球机器人火星地表漫游车，好奇号漫游车登陆火星后提前完成主要任务，拟派机器蛇探索火星地表，合作研制登上火星的探测器，着手打造有望返回地球的下一代火星车。开发确保在火星表面精确着陆的新型减速装置，研制登陆火星用的探测器电力推进系统，开发出能组合火星探测器图片的信息处理系统。曼加里安号火星探测器进入预定轨道，成功发射火星微量气体轨道探测器，设计下一代火星轨道探测器。开发大幅度降低火星探测成本的新装备。
2．研发其他星球探测器的新进展。
正在建造“亲密”接触太阳的探测器，研制由三个绕太阳公转探测器组成的引力波探测器。探求金星大气奥秘的晓号探测器进入预定轨道，开发预测小行星撞击地球的探测器，冥王星探测器完成任务后开始飞向新目标，开发能“嗅出”系外行星生命分子的甲烷的探测器模型，试验可穿透月球表层的钻地火箭探测器，研制用于月球探测的“蜘蛛机器人”。
3．研发星球探测机器人与探测工具的新进展。
研制可用于星球探索的八肢发达的“蝎子机器人”，研究用于执行太空探索任务的超级球形机器人，研制探测小型天体的“刺猬”新型机器人，为深空探测升级仿人型机器人。开发出探测星球重力场的测量工具。
（三）人造卫星研究的新成果
1．研究开发人造卫星的新进展。
中国继续推进北斗卫星导航系统建设，北斗卫星是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。其他成果主要有：发射高精度的小型卫星，发射仅面包块大小的纳米级人造卫星，计划从空间站释放小型卫星，开始实施超小型人造地球卫星计划项目，纳米卫星进入国际空间站，世界首颗3D打印的小型卫星将升空入轨。打造用于监测和试验的小型卫星群，计划建造可编队飞行的纳米级卫星群。发射探测天体与宇宙辐射的卫星，发射内有四部X射线望远镜的天文探测卫星。发射观测地表环境的卫星，研制监测地球大气环境的静止轨道卫星，发射监测地球环境的“哨兵-1A”卫星和“哨兵-2A”卫星，发射监测地球土壤湿度的卫星。研制用于导弹防御和救灾的预警卫星。
2．开发人造卫星配件和制造设备的新进展。
研制可用于卫星的超低能耗发动机，研究小微卫星紧凑型发动机取得突破，开发出可搭载在卫星上的雷达系统，研制出高精密卫星摄像头，计划开发高性能卫星传感器，开发出制造卫星发射设备的先进机床。
（四）运载火箭研究的新成果
1．列入计划正在研发的运载火箭。
欧洲投资研发的阿丽亚娜6型火箭；将开发可重复用的太空火箭发射器。美国正在研制可数月往返火星的核聚变火箭，着手设计送宇航员上火星的新火箭，研制拟在首发中载人升空的“巨无霸”火箭。顺利完成“一箭五星”发射任务，计划重启“空中发射”项目，“天顶-2SB”运载火箭再次成功发射。火箭首次实现软着陆并完成回收，猎鹰九号火箭成功实现着陆回收。美国太空探索技术公司首次利用回收的“二手火箭”发射卫星。
2．开发火箭配件与燃料的新信息。
开发成功世界首个甲烷燃料火箭引擎，研制超音速冲压火箭发动机，火箭离子发动机技术获得新突破，研制空间推进器连续运行时间最长的离子发动机，借助3D打印技术制造火箭发动机。为微小卫星开发火箭推进器，3D打印的火箭发动机喷嘴点火成功。发现可作为未来火箭燃料的新氮氧化合物，研发出能显著提高火箭动力载荷的新燃料，开发出成本大幅度降低的火箭燃料。
（五）天文仪器研究的新成果
1．研制各种类型的天文望远镜。
制成可识别太空垃圾的大型红外望远镜，发射搜寻未知天体的红外太空望远镜，红外太空望远镜完成首次宇宙全面观测，研制观测视野达180°的X射线“龙虾”望远镜。开发可制超轻薄X射线反射镜的单晶硅，合力打造大型毫米波射电望远镜，平方公里阵列射电望远镜项目取得新进展，世界最大射电天文望远镜开始启用，为射电望远镜制成超低温成像仪，研制技术核心是毫米波极化相机的组合望远镜，发射带来丰硕成果的高灵敏普朗克望远镜，建立有可能接替哈勃太空望远镜的高清晰空间望远镜。赶制地基极端巨大望远镜，甚大望远镜在智利成功“串联”，投资修建世界最大天文望远镜。
2．研制太空摄像机与天文照相机。
研制出飞船用可回收的太空摄像机，发明天文观测无需凭运气的数码相机，成功研制红外线天文观测照相机，研制出高速高灵敏度的天文照相机，获准建造世界最大天文用数码相机。
五、日益重视太空资源的开发利用
（一）利用太空进行科技研究的新成果
1．利用太空验证科学原理。
利用太空实施“超越爱因斯坦”计划的先行方案。美国航空航天局和美国能源部把“暗能量合作计划”，作为“超越爱因斯坦”计划的第一步先行实施。“超越爱因斯坦”计划是美国航空航天局在2003年提出来的，目的是针对爱因斯坦的一些基本理论进行新探索，主要研究黑洞并追溯宇宙大爆炸等现象。其他相关成果还有：利用“出轨”卫星改弦测试广义相对论，发射验证爱因斯坦等效原理的“显微镜”卫星。
2．利用太空开发新产品与新技术。
把太空开发的新型材料用于制造日常产品，首次在太空制成光晶体。首次从太空测试“地面遥控机器人”。开发出“太空焊接”新技术，发射探空火箭测试空间技术。
3.利用太空开展生命科学与健康研究
拟送细菌上火星开展生命星际飞行实验，发明航天器细菌快速检测新技术，发现失重环境让一些细菌更顽强；拟合作进行螺旋藻生长的太空科学试验。共同研制可在太空种蔬菜的转轴式温室，宇航员首次品尝国际空间站种植的生菜，“第一朵太空花”在空间站绽放，测试发现牵牛花种子可胜任星际旅行。国际空间站蜘蛛战胜太空失重织出完美蛛网，培育出二代太空鼠。研制把宇航员汗水尿液变成饮用水的装置，为宇航员研发出可吃的食品包装膜。研制可为宇航员代劳的仿真机器人，开发用于宇航员锻炼的太空健身器，成功模拟宇航员太空受辐射状况，发现宇宙辐射可能会使登火星宇航员大脑受损，发现飞越地球保护性磁层会增大宇航员患心血管疾病风险，找到长期太空飞行损害视力的原因。拟在太空研制“万能流感药”。
（二）利用太空加强通信系统的新成果
1．利用太空建设全球卫星导航系统。
⑴建设北斗卫星导航系统。这是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国GPS全球定位;系统和俄国“格洛纳斯”系统之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位和导航等服务。北斗卫星导航系统正按照“三步走”的发展战略稳步推进。第一步，2000年建成北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。第三步，2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
⑵建设“格洛纳斯”导航系统。该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。到2013年，该系统在轨运行卫星已达30颗。俄罗斯目前正在研制新一代导航卫星“格洛纳斯－K”，该卫星是俄罗斯卫星导航系统第三代产品，与前两代卫星相比，它重量更轻，性能更加优越，服务寿命至少为10年。
⑶建设GPS系统。它由美国从20世纪70年代开始研制，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。此后，将根据计划更换失效的卫星。GPS全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成。其空间系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成，分布在20200公里高的6个轨道平面上，运行周期12小时。地球上任何地方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机，通过接收卫星广播信号来获取位置信息。
⑷建设“伽利略”系统。总投资达35亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。“伽利略”系统，计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。
2．利用太空推进通信网络系统建设
利用平流层激光束向地面高速传输数据，成功进行卫星与地面站间的光学通信试验，发射一颗专门提供高速宽带上网服务的通信卫星，新一代全球卫星通信网络将百倍提升传输速率。利用卫星通信网络开发“遥控治病”的新功能，利用卫星通信网络开发出先进的消防信息系统。
（三）通过太空加强环境保护的新成果
1．通过太空卫星监测保护地球环境。
借助卫星掌握地球水量季节性变化，建造监测全球降水的卫星网，通过卫星可实时追踪全球冰川活动。实施建造气象和资源卫星群计划，通过发射一群小卫星加强气候变化研究，成功发射史上最强的气象卫星，通过卫星数据分析发现全球闪电最密集地区。通过卫星观测发现地球正在推离范艾伦辐射带。
2．通过清理太空垃圾保护地球周围环境。
发明清理卫星垃圾的太空缆索，研发清理太空垃圾的卫星，开发清除地球轨道垃圾碎片的仿壁虎智能手臂。尝试用微生物分解“太空移民”生活垃圾，开发利用激光限定和跟踪轨道碎片的技术，开发可分析太空垃圾成分的激光偏振检测技术。
（四）太空资源开发研究的新成果
1．开发月球资源的新进展。
计划本世纪三十年代在月球建立研究基地，计划创建连接至月球或火星的太空因特网，制订在月球开发矿藏的计划。研发用登月“金钟罩”来抵御太空辐射，拟在月球建造自动航天器着陆基地，推进月球勘测的通信系统试验，准备在地面进行月球和火星模拟飞行实验。用哈勃太空望远镜研究月球矿产资源，着手研制月球土壤挖掘机，模拟实验表明月球土壤可3D打印成砖块。
2．开发火星与太空旅游资源的新进展。
提出首个火星殖民计划，火星殖民计划候选人初选完成。提出低成本上火星的新路径。开发用于火星基地的人造空气，通过与世隔绝一年来体验“火星生活”。模拟实验表明火星土壤或可当建材。太空游飞船首次点火试飞，太空游飞船完成超音速飞行测试。
3．开发太空资源的其他新进展
计划建造太空太阳能发电厂，研制可为地球供电的太阳能发电卫星，试制传输太阳能的太空“蜘蛛”机器人。利用“宇宙云”永久保存人类信息。发明高精确度的星际资源搜索“指南针”，发现硅化合物有助于寻找太空星际物质。
——摘自张琼妮与张明龙合著的《产业发展与创新研究》，中国社会科学出版社2019年6月版。
