建国70年，中国航天发生了什么？

　　今年是中华人民共和国成立70周年；中国航天，也已经走过63年。回头看来，它的每一幕依然激动人心。
　　长征、东方红、尖兵、实践、风云、中星、神舟、天舟、天宫、悟空、墨子、张衡、嫦娥……这些航天任务单看优雅别致的名字已经让人印象深刻，而背后的成就更是不可思议。
　　第一幕：筚路蓝缕，以启山林
　　1955年，美国国家航空航天局（NASA）绝对核心机构喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）核心创始和命名人之一【1】、麻省理工学院正教授、加州理工学院正教授、V2火箭及其总师冯·布劳恩审问组成员、美国空军顾问/上校、卡门·钱公式和钱学森弹道命名者——钱学森博士，要回去一穷二白的新中国搞＂航天＂。
　　＂两弹一星＂元勋钱学森（图源：NASA/JPL）
　　在此之前，苏联和美国通过强大的技术积累已经成为世界范围内航空航天人才的唯二选择，回到中国基本意味着钱学森要放弃他的辉煌学术生涯。但也正是他的归来，给刚刚成立的新中国带来了航空航天发展的最宝贵机会。
　　1956年，国防部第五研究院成立，钱学森担任首任院长，中国航天正式起步【2】。
　　1960年，中国第一枚导弹起飞；
　　1966年，中国第一枚装载核武器的导弹起飞；
　　1970年4月24日，中国第一枚火箭起飞，成功将首枚卫星东方红一号送入太空。
　　东方红一号的成功正式标志着＂两弹一星（导弹、核弹、人造卫星）＂事业取得全面成功。由于独特的轨道设计和日月引力摄动影响，49年后的今天，东方红一号依然运行在环绕地球轨道，成为见证中华民族历史性跨越的不朽丰碑。4月24日，也因此成为中国航天日。
　　2019年9月6日，东方红一号依然在轨飞行（图源：stuffin.space）
　　钱学森不仅获得＂两弹一星功勋奖章＂，更是因为他的卓越贡献获得了中华人民共和国历史上仅颁发一位的＂国家杰出贡献科学家＂伟大荣誉。
　　第二幕：独立自主，自力更生
　　如果说最早期的中国航天背后还有苏联支援，那么随着上世纪60年代的国际形势变化，苏联专家和投资全面撤离。从发射基地到运载火箭，中国航天都面临着巨大的困难。刚刚起步的中国航天尚未从襁褓中踉跄站立，便被迫走上了独立自主发展的道路。
　　1958年建成的酒泉卫星发射中心尚未正式启用，中国却不得不开始将国防和重工业做战略性转移。依靠自己的力量，中国先后在1967年、1970年开始建设太原卫星发射中心和西昌卫星发射中心。这三大卫星发射中心，成为支撑日后中国航天发展的根本基石。
　　长征火箭的命名，来自1935年10月中国工农红军即将结束万里长征时毛泽东所做的诗《七律·长征》【3】。＂红军不怕远征难，万里千山只等闲＂，我国的运载火箭以＂长征＂命名，寓意火箭事业一定会像红军长征一样，克服任何艰难险阻，到达胜利彼岸
　　现役主力火箭（图片来源：运载火箭技术研究院）
　　用红军走过的漫漫长征路来形容长征系列火箭家族的发展历程再恰当不过了：长征一号火箭两次成功发射后，中国面临着新型火箭完全空白的情况，必须在一穷二白的情况下攻坚克难。但几十年内，中国航天人坚持＂两弹一星精神＂，又独立自主发展出了长征二号、三号、四号系列，以及后来的五号、六号、七号、十一号系列。＂长征＂成为覆盖发射各种轨道、多种载荷的庞大火箭家族。
　　1970年到2007年的37年内，长征系列火箭突破100次发射大关。而突破200次大关，仅用了7年多。再4年后的2019年3月发射中星6C卫星，已经突破300次大关。37、7、4，这三个数字代表的是长征火箭＂三军过后尽开颜＂的巨大成功！【4】
　　第三幕：风云变幻，人定胜天
　　中国有句古话＂天有不测风云，人有旦夕祸福＂。然而，渺小的人类只生活在天空的最底层，甚至是大气层最底部的对流层，这仅10多千米的范围内就包括了风霜雨雪、电闪雷鸣。千百年来，变化莫测的天气给人们的生产生活带来了极大的困扰。
　　虽然卫星可以＂观风测云＂，但由于地球引力、日月摄动、太阳光压、稀薄大气阻力等一系列因素干扰轨道，所有的卫星都必须经由火箭发射到至少几百千米高的太空才能稳定运行，在这个高度预测地表风云变幻谈何容易！因而，在世界范围内气象卫星都能代表一个国家的航天综合实力。
　　1988年，中国首颗气象卫星风云一号A星发射，掀开了中国气象卫星系列的大幕。在过去30年内，中国发展了 ＂高低搭配＂的风云卫星系列：八颗风云二号和刚开始发射的风云四号运行在距离地球赤道上空36000千米的静止轨道＂登高望远＂，它们围绕地球一圈时间恰好等于地球自转一圈，因而与地面保持相对静止；另有四颗风云一号和四颗风云三号运行在距离地球表面几百千米高的地方＂洞悉细节＂，它们每隔1.5小时便围绕地球一圈；这些卫星构成了中国洞悉风云的核心。
　　微信开机画面＂大换脸＂，右图背景来自风云四号（图源：微信）
　　2017年9月25日起，拥有庞大用户量的微信软件将开机画面-阿波罗17号登月任务拍摄的《蓝色弹珠》-更换了4天，这张新图就来自我国新一代气象卫星风云四号A星。这张图只能代表风云四号真实水平的冰山一角，事实上它的扫描成像辐射计能力是风云二号近3倍，卫星能够实现对大气1000多个细分光谱的观测，闪电成像仪能高速拍摄高分辨率图像，极大提高中国气象预测水平，微信＂变脸＂背后说明的＂人定胜天＂技术可不简单【5】。
　　在风云系列卫星之外，我国还发射了资源、环境、遥感、海洋、高分等一系列对地遥感卫星，它们的存在，成为我国气象预测、防灾减灾、国土勘察、农林牧渔和国土安全等多方面应用的保证。
　　第四幕：天地通连，现代烽火
　　信息的快速传递，成为人类新时代的重要标志，而航天的核心应用之一便是在太空中建立一座又一座＂烽火台＂-通信卫星。
　　从最早期的东方红一号卫星实现单向广播功能开始，后续的中国通信卫星经过了从东方红一号到如今东方红五号卫星平台的快速进步，在这些卫星平台的基础上我国建造了一系列通信卫星，例如中星系列成为中国的现代烽火台。自2017年发射的中星16号起，中国通信卫星也正式进入高通量时代。
　　中星16号高通量通信卫星（图片来源：航天科技集团）
　　高通量是个什么概念呢？中星16号使用了Ka波段多波束宽带通信系统，通信总容量达到了20 Gbit/s，超过了之前中国所有通信卫星容量的总和！同时，它还验证了星载激光通信和离子电推进系统，通信质量和卫星寿命都大大提高。越来越普遍的飞机上通信，就依赖这些高通量通信卫星的存在。
　　而随着东方红五号卫星平台的全面成熟，一颗新一代通信卫星就能将包括中星16号在内的此前所有通信卫星总容量再提高一倍。
　　此外，在航天器测控领域，一直以来中国依靠陆基测控站和海基的七艘远望号测量船，但它们始终不可能对航天器无缝连接。例如，2005年，杨利伟在执行中国首次载人航天任务时，每次飞临中国上空仅有几分钟通信时间；而到了2013年，王亚平就已经能够给全国小学生太空授课； 2016年，景海鹏和陈冬已经能随时观看直播节目。这背后的支撑，是我国建成的通信中继卫星系统天链一号，四颗卫星实现全球覆盖，再也不存在盲区。
　　天链一号01-03星即可满足需求，04星为01星的备份（图源：编辑自STK）
　　2018年，我国甚至把中继卫星技术用到了月球，鹊桥号成为人类唯一一颗地球-月球背面通信中继卫星。这个月球背后的烽火台，也确保了人类首次着陆月球背面——嫦娥四号任务的巨大成功。
　　第五幕：万象星辰，参天北斗
　　中国古代的伟大发明之一是指南针技术，它也成为人类文明时代最重要的科技产物之一。但到了人类航天时代，卫星应用领域却让GPS系统占据先机。
　　这一军用通信导航系统凭借超高精度创造了＂外科手术式打击＂、＂斩首行动＂等一系列新的军事名词，成为几乎所有现代武器必备的辅助，后续通过民用商业化又赚得盆满钵满【6】。
　　但GPS毕竟本质上是个军用系统，可随时对指定用户关停，这足以凸显大国必须发展独立自主卫星导航系统的重要性。因而，从上世纪末起我国就一直在攻坚这一航天核心技术。经历20年发展，2018年，中国北斗卫星导航系统实现了1年10箭18星的壮举，这一速度远超GPS系统一年6星的记录。
　　在我国长期航天技术积累和导航系统技术发展的后发优势下，我国采取了一套与其他任一导航系统都截然不同的思路。北斗有多个＂三＂的创新：三种轨道（地球静止轨道、地球倾斜同步轨道、中高轨道）、三个频率、前后三代系统和卫星。此外，它还拥有星间链路通信、短报文系统、卫星应急救援等多个功能。由于它是一种无源定位系统，理论上不存在用户数量的上限！
　　GPS星座（左）和北斗星座（右）的对比（左图来源：Wikipedia）
　　2018年12月27日，北斗三号开始提供全球服务，包括＂一带一路＂国家和地区在内的世界各地，均可享受到北斗系统的服务。随着2019年北斗卫星导航系统进入最后建设阶段，＂天上的星星参北斗＂将成为真切的现实。
　　第六幕：天上宫阙，今夕何年？
　　苏联和美国在20世纪60年代初突破并掌握载人航天技术，之后形成了长达40多年的垄断，这足以证明载人航天是人类航天技术的最高技术之一。不过，随着2003年杨利伟进入太空，世界载人航天领域如今已经有三个玩家了，而中国在载人航天领域的发展效率之高，可谓惊人。1999年11月20日，神舟一号实现两个突破：载人火箭长征2F和实验性质的飞船测试，仅飞行21小时。2001年1月10日，神舟二号实现一个突破：飞船大幅改进和长时间稳定的飞船导航制导与控制。2002年3月25日，神舟三号实现一个突破：经过两次测试后，正式将飞船定型。2002年12月30日，神舟四号实现一个突破：全面检测飞船的逃逸系统、生命维持系统和返回系统，最后一次全面检验载人航天技术。
　　杨利伟成为中国航天划时代发展的见证者（图源：中国载人航天办公室）2003年10月15日，神舟五号实现一个重大突破：杨利伟升空，中国打破苏美垄断，成为世界第三个能实现独立自主载人航天的国家。2005年10月12日，神舟六号实现一个突破：多人多天任务，费俊龙和聂海胜在太空中停留了5天，远超杨利伟的21小时。2008年9月25日，神舟七号实现一个突破：首次出舱行走，由翟志刚完成。2011年9月29日，天宫一号实现一个重大突破：中国首个空间站/实验室，它超期服役了两倍寿命。2011年11月1日，神舟八号实现一个突破：无人情况下对接天宫一号目标飞行器。2012年6月16日，神舟九号实现两个突破：载人情况下与天宫一号两次对接，中国第一位女性航天员刘洋。2013年6月11日，神舟十号实现一个突破：对接天宫一号，多人次短期在空间实验室生存。2016年9月15日，天宫二号实现两个重大突破：货运飞船补给，多人长期在轨驻留、为建立长期天宫空间站做最后准备。2016年10月17日，神舟十一号实现一个重大突破：多人次长期在空间实验室生存，其中老将景海鹏已经是三上太空。2017年4月20日，天舟一号实现两个突破：货运补给和在轨燃料补加。
　　天宫一号和二号轨道高度变化图，二者都是＂蜡炬成灰泪始干＂2019年7月19日21时06分，在轨运行1036天后，天宫二号受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。中国以极低的成本、最高效率地利用有限任务次数，完成了天宫空间站建站的全部准备，可谓是人类航天史上的奇迹。
　　第七幕：嫦娥玉兔，奔向月宫
　　中国的历法、传说和文化无数次出现过月球的身影，但能去月球却是一件极不容易的事情：它距离地球远达38万千米！月球背面更是神秘，由于地球引力潮汐锁定的原因，它基本无法从地球上看到！
　　但对于中国航天人而言，一定要把＂嫦娥＂和＂玉兔＂送到月宫去！2007年10月24日，嫦娥一号升空前往月球，将包括《半个月亮爬上来》在内的30首歌曲携带到中国人魂牵梦绕的月球。2010年10月1日，嫦娥二号发射，它挑战了一系列全新技术，最后飞过距离地球150万千米的日地拉格朗日二点，是人类历史上唯一一次从月球前往此点。在此工作一年之后，又飞掠图塔蒂斯小行星，最近仅距小行星3.2千米，非常不可思议。2013年12月14日，嫦娥三号和玉兔一号着陆月球，成为37年内再次访问月球的人类使者。2018年5月21日，鹊桥号出发，成为人类唯一地球/月球背面通信中继卫星。
　　嫦娥四号/玉兔二号/鹊桥号任务（图片来源：中国国家航天局）2019年1月3日，嫦娥四号和玉兔二号成功着陆月球背面南极-艾特肯盆地，实现人类探测器首次在月球背面软着陆【7】。
　　后续，我国还将有嫦娥五号着陆采样返回地球等多个任务，为中国人带来真正的月壤成分。
　　第八幕：新章伊始，华丽再续
　　千言万语，都无法总结出中国航天70年来的巨大变化。
　　我们还有：尖兵系列，为国土保驾护航；实践系列，验证一系列航天尖端技术；墨子卫星，洞察量子通讯的奥秘；张衡一号，揭开地震发生原理和影响的神秘机制；悟空卫星，探测宇宙中最深不可测的暗物质粒子；慧眼望远镜，通过X射线洞察宇宙深处的神秘……。
　　中科院空间科学先导专项第二批的主要卫星（图片来源：空间科学中心）
　　我们还将有：多个型号新型火箭、新一代载人飞船，天宫空间站、巡天望远镜、火星探测、月球采样返回、木星探测、爱因斯坦探针、太阳天文台、引力波探测、重力场探测、系外行星搜寻、全球低轨通信卫星网络、小微卫星和商业航天等一系列发展中的技术【8】。
　　不过，请别忘记，中国航天史上辉煌成就的背后，不仅有伟大的23位＂两弹一星＂元勋，更有一个又一个坚持＂两弹一星＂精神、平凡但伟大的航天人，他们让我感到作为一个中国人的幸福，尤其是自己也荣幸成为＂他们＂之一。
　　向他们致敬！
　　部分参考JPL。＂JPL101, early history＂。新华社。＂第一个导弹火箭研究机构——国防部五院：中国航天梦的起点＂，2017年7月10日。中国运载火箭技术研究院新闻中心。＂各国火箭名字的由来＂，2018年3月9日。中国航天科技集团。＂300次，长征火箭实现历史新跨越＂，2019年3月10日。国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心。＂风云四号A星＂。GNSS Market Report, Issue 5, copyright © European GNSS Agency, 2017。吴伟仁，王琼，唐玉华，等. ＂嫦娥4号＂月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报，2017， 4(2):111-117。中国科学院。＂中科院空间科学先导专项第二批任务＂。
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