声明：《科学与中国——院士专家巡讲报告集》（第一辑）已于2005年5月由北京大学出版社出版。为扩大中国科学院“科学与中国”院士专家巡讲团巡讲报告活动的影响，特授权中国科学院院士工作局在中国科学院网站上全文刊载。未经许可，其他网站和公众媒体不得以任何方式复制、刊载、转载或抄袭本书之部分或全部内容。 

一、 空天技术发展历史与现状一般认为距地球表面100公里以下的空间为“空”，100公里以上的空间为“天”，但两者间并没有绝对的分界线。空天一体化是航空航天技术未来发展的趋势，是由现代高新技术发展引发的重大变革。

1903年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机，实现了人类远久的飞行梦想。20世纪初，环量和升力理论的建立，奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实； 40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，特别是跨声速面积律的发现和后掠翼新概念的提出,帮助人们突破“音障”，实现了跨声速和超声速飞行； 50年代中期研制成功了性能优越的第一代战斗机，如美国的F86、F100，苏联的Mig15、Mig19等。二次世界大战期间，军事航空的需求以及导弹武器的出现和投入使用，促使人们向更高的速度冲击。50年代以后，开始了超声速空气动力学发展的新时期. 第二代性能更为先进的战斗机陆续投入使用,如:美国的F4、F104,苏联的Mig21、Mig23,法国的幻影3等。

1957年苏联发射了世界上第一颗地球人造卫星，1961年第一艘载人飞船“东方号”升空,被认为是空间时代的开始。60年代以后，苏联、美国先后研制成功一系列载人飞船，如:俄罗斯的载人飞船“东方号”、“上升号”和“联盟号”；美国的“水星号”、“双子星座号”、“阿波罗号”等。70年代，世界各国出现研制发展空天飞机的热潮。1981年美国成功发射了世界上第一架航天飞机“哥伦比亚号”。俄罗斯也在1988年发射了“暴风雪号”航天飞机。航空方面的重点则放在了发展高性能作战飞机、超声速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。70年代以后，第三代高机动性战斗机陆续问世，.如美国的F15、F16，苏联的Su27、Mig29和法国的幻影2000。

航天飞机可重复使用，有效载荷能力强，原设想可以大幅度降低发射成本。但实际使用中发现，航天飞机的研制费非常高，每次的发射费用也超出先前预计，而且故障率比较高。2003年，美国“哥伦比亚号”航天飞机失事后，美国意识到，未来进入空间、控制空间、进行太空探索、向空间站运送人员和货物，迫切需要研究和发展新的空天飞行器。

美国早在90年代初期开始执行“国家空天飞机”（NASP）的发展计划。该计划自1982年起步，由于在高超声速马赫数范围内，作为动力系统的超燃发动机的技术储备不足，而在短期内难以突破其技术关键，因此不得不于1994年下马，历时10余年，花费30多亿美元。此后,NASA（美国航空航天局）开始执行新的HyperX计划，该计划有三个主要目标：一是对采用的设计方法进行飞行验证；二是继续发展以超燃为动力的飞行器设计工具；三是降低由于气动力、推进系统、结构/发动机/结构一体化预估不准确可能带来的风险。1996年开始研制以火箭为动力的空天飞行器X33、X34。由于对新型轻质材料的强度、韧性和防热性能等研究不足，2001年3月也宣布下马。

2001年6月，以超燃发动机为动力的空天飞行器X43A首次试飞，在飞行速度达到Ma=1时，由于助推器失控，飞行器脱离B52载机时偏离预定轨道，不得不引爆砸毁。

2004年3月27日，X43A试飞获得成功,以超燃冲压发动机为动力的飞行器的可控制飞行速度达到了每小时8000公里(Ma=7),持续飞行8秒钟,飞行高度达到28000米。X43A还只是一个试验飞行器，进入实用还有很多问题，例如：超燃发动机的防热问题。目前，X43A采用的是热沉式冷却设计，而进气道唇口是开式全耗损水冷，这种冷却技术维持10秒左右的飞行时间还可以，时间长了，冷却就是一个大问题。此外，如采用更实用的碳氢化合物燃料，点火则比氢要困难得多。进一步提高飞行Ma数也面临更多难题。

近年来美俄等国在空天技术的研究与探索方面从未停止过。美国在2004年1月宣布的太空新计划中提出,在2010年前,研制新一代“载人探索飞船”(CEV)。可一次将一组航天员及设备送往太空或月球,使载人飞船的功能得到显著提升。俄罗斯也在2004年3月公布：正发展称之为“空间快船”的新一代航天飞船，以取代老的“联盟号”。它的飞行重量是“联盟号”的2倍，可以乘载6名航天员，重复使用25次以上。据称只要研制经费能够及时到位，五年时间便可建成。

美国国防部还宣布要发展可重复使用的“跨大气层空天飞行器”，认为它将成为未来最重要的新型空天飞行作战平台，可以为21世纪的空天运输和攻防对抗提供非常有价值的能力。它与目前正在使用的飞船和航天飞机相比有很大不同，在发射成本、可维护性、重复使用、飞行性能等诸多方面具有突出优点。它能以低价格、高可靠性代替运载火箭发射卫星，代替飞船或航天飞机进行天地往返，运送人员和货物；在军用方面，能迅速机动地进入太空空间，在两小时内实现“全球到达”，完成侦察、作战任务，还能作为各种天基作战武器的发射平台，也可长期在轨运行，执行空间预警和作战指挥。

此外，美、俄和欧洲在空间探测和空间站建设方面也开展了大量工作。空间探测除探月外还发射了一系列行星探测器，飞往火星、金星、土星、木星等。自1962年苏联发射“火星1号”探测器以来，人类已向火星发射了30多个探测器，2/3失败。 2003年6月到7月，美国先后发射“勇气号”和“机遇号”火星车,历经半年时间,于2004年1月在火星成功着陆，现已陆续将大量极其珍贵的信息传送回地球。在空间站建设方面，美俄日加等16个国家共同建设的国际空间站，由6个实验舱、1个居住舱、3个节点舱、平衡系统、供电系统、服务系统和运输系统等组成，其总重量为500吨，可容纳7~15名宇航员同时在太空工作。该工作开始于1998年，预计投资500亿美元，工作寿命15年以上。原计划2006年建成，现在看来进度将会拖延。

二、　空天技术的重要意义与作用在国家综合国力的构成要素中,航空航天技术占据着非常重要的地位,是国家实力和科技水平的象征。纵观近年来发生的多次局部战争，无一不是从空中打击开始的。除陆地、海洋外，来自空天的攻击将成为对国家安全最严重的威胁。

以伊拉克战争为例，2003年美英等国联军出动各种飞机18000架，并首次动用了先进的F/A18E/F战机。充分利用空天地一体化信息系统的强大支持，空中作战武器平台的信息化程度比以前任何一次战争都高，共投下近3万枚炸弹，其中68% 是制导炸弹和导弹。由于掌握了绝对的空天优势，结果用了不到四周时间、死亡仅115人的代价，就推翻了萨达姆政权，充分展示了空天优势在现代化战争中的作用。

空天优势是未来高技术战争条件下赢得胜利的战略制高点。美国总统肯尼迪早在20世纪60年代就说过：“谁控制了空间，谁就控制了地球。” 1998年美航天司令部公布的《2020设想》，1999年公布的《美国防部最新航天政策》中都提出要“发展控制空间的能力”。未来20年，大力发展空天技术,提高“进入空间、利用空间、控制空间”的能力,将成为确保国家安全和国际地位最具重要意义的问题。

空天技术的发展对国民经济和社会进步有极为重要的作用，它的发展大大提高了人民的生活质量。以民用航空的发展为例：从20世纪60年代起，随着150座以上喷气客机的出现，航空运输在人类交通运输业中成为重要的交通工具。世界航空客运今后每10年将增长1.6万亿人公里，货运周转量平均年增长率将达到5%～7%。到2020年，世界航空客运量估计将达到6.4万亿人公里。2001—2020年，全世界航空公司大型喷气飞机总需求量将超过1. 8万架，总价值将超过1. 4万亿美元。 我国是世界上民航运输增长最快的地区之一。1999年全国民航年运输总周转量和旅客周转量已经上升为世界第9位和第6位。2003年，全国126个通航机场，飞机起降210多万架次，旅客吞吐量为17000万人次，货邮吞吐量520万吨。空运又是现有运输方式中最安全的。2003年全球共发生空难162起，死亡1204人，达到1945年以来的最低值。其中商务运营中发生事故25起,死亡677人。

航天技术与国民经济、社会发展和人民生活也有极其密切的关系，人们正广泛享用着航天技术的成果，如：卫星广播通信、气象观测预报、卫星导航定位、地球资源普查、生物育种、材料制备、医药合成等。以气象卫星为例，世界上现在有几十颗气象卫星，已构成全球观测网，120个国家建立了气象卫星数据接收利用服务站，昼夜不停地对大气环境变化进行观测预报，及时准确地对台风、暴雨、洪涝、干旱等自然灾害作出预报，大大减少了人员伤亡和财产损失。1988年以来我国已发射了“风云”系列气象卫星7颗，卫星数据已在我国天气预报、气象研究、农业规划、灾害监测等方面发挥了重要作用。航天育种是空天技术又一重要应用领域，利用太空环境高真空、高洁净、微重力、多种宇宙射线、重离子和交变磁场等特点，进行诱变育种，引起株型、穗型、果型异变，大幅度提高产量，显示了非常诱人的前景。

三、 空天技术的未来展望进入21世纪后，世界各先进国家更加重视空天技术的发展。可以预料，今后十年或更长一些时间（2020年以前），航空航天技术必将有更大发展。正在研制和有可能进入型号研制的航空航天飞行器主要有:高机动性作战飞机、可重复使用的高超声速空天飞行器、大型高速民航机和军用运输机、新一代战略战术作战武器、军/民用卫星、空间实验室、无人侦察作战飞机、武装直升机、地效飞行器、微型飞行器、智能控制可变形体飞行器和激光、动能等新概念武器等。

“天翼1号”根据预测，在未来的十年中, 航空方面，由于空气动力学的发展,飞机的阻力将下降15%~20%,由于材料和设计技术的进步,飞机的结构重量将下降20%,由于元器件可靠性提高和制造工艺的改进,飞机的事故率将下降80%。新一代军用飞机将具有超音速巡航、过失速机动、短距起降、隐身等能力,配备更先进的电子武器系统,作战能力比现有飞机提高10倍；民用飞机将向更大、更快、更安全、更经济、对环境污染更小的方向发展。500~1000座的民航机可望投入使用。航天方面，包括运载火箭、卫星、可重复使用跨大气层飞行器和空间作战飞行器等在内的航天运输系统,将沿着高速、高机动、高可靠性、高隐形、精确打击、实时按需发射、可靠进入空间、迅速部署、扩展和维护、经济廉价、功能强、可重复使用等方向发展；控制空间将成为未来高技术战争条件下的战略制高点。要控制空间首先必须能进入空间，因此，发展进入空间的运载手段成为一项紧迫任务；远程、大纵深、精确打击将成为进攻力量的主体；建立全方位、多层次、灵活机动、快速反应的空天防御体系成为迫切需要。

四、 面对挑战的我国空天技术20世纪50年代新中国刚刚成立不久,航空航天事业的发展就受到党和国家的高度重视。1956年制定的《科技发展远景规划纲要》,把火箭与推进技术列入七个重点项目之一。50多年来,我国的航空航天事业飞速发展，获得巨大成就。航空方面，1954年试制成功第一架飞机初教5），1956年国产歼5喷气飞机首飞成功，1960年我国自行研制成功强5飞机，1984年，我国自行研制的歼8飞机首飞成功。近年来，我国又自行研制成功歼10飞机，其战术技术性能已达到国外正在服役的第三代歼击机的水平。

航天方面，1960年中国自己制造的弹道导弹发射成功，开始了中国航天的新时代。1965年11月DF1中近程弹道导弹研制成功，1966年12月我国自行研制的DF2中导弹试飞成功，1970年成功发射我国第一颗人造地球卫星。1970年4月“长征1号”运载火箭发射成功,到80年代中期已初步形成系列化。 经过40年的努力，相继研制成功多种运载火箭，发射了近地卫星、地球同步、太阳同步、载人飞船等70多颗航天器。1990年开始进入国际商业卫星发射市场，成功发射了20多颗国外卫星。中国航天取得了令人瞩目的成就。1992年开始发展我国载人航天，并确定载人航天应当从载人飞船起步。 

1992年9月中国载人飞船工程被批准立项并开始实施。历经七年的论证、研究、设计、建造、试验后，1999年11月20日，“神舟1号”飞船发射升空，在太空正常运行1天后，准确着陆在预定区域。“神舟1号”至“神舟4号”飞船的飞行试验，积累了大量实际经验，为载人飞行奠定了基础。2003年10月15日“神舟5号”发射成功，我国首次实现载人航天飞行。2003年10月16日“神舟5号”胜利返回地面,首次载人航天飞行获得圆满成功。

此外，2000年，我国建成了由两颗卫星组成的区域性的“北斗”导航试验卫星系统。2003年5月26日，我国又在西昌卫星发射中心成功将第三颗“北斗1号”导航定位卫星送上太空，标志着我国已成功建立了自主的卫星导航系统——第一代“北斗”卫星导航定位系统。 

在空间探测方面，我国与欧洲航天局合作的“双星计划”，利用两颗轨道相互交叉的卫星进行大范围的磁层空间同步探测。双星将与欧洲航天局发射的“团星Ⅱ”四颗卫星一起,形成人类第一次从太阳到地球空间的6点立体探测体系。这是我国与欧洲航天局合作的第一个科学探测卫星项目，也是我国航天史上第一个真正意义的空间探测计划。

关于我国航天的未来发展，国家航天局公布的《中国航天白皮书》宣布：今后10年或稍后一些时期，我国将大力发展能够长期稳定运行的对地观测卫星体系；建立自主经营的卫星广播通信系统、导航定位卫星系统；建立新型科学探测与技术试验卫星体系；进一步发展载人航天技术、空间实验室、月球探测及深空探测技术、载人航天和天地往返运输系统、天／地一体化信息系统。军用航天(各类侦察、通信、导航卫星和其他航天器)、空天作战武器等在重大需求推动下也必将有很大发展。

2003年3月1日，中国国家航天局宣布启动月球探测计划，定名为“嫦娥工程”。经过半个世纪在航天技术方面的努力，我国实施该计划的时机和条件已经成熟，探月的路径已经确定，一些关键技术也有突破。预计两年内，我国将发射绕月球飞行的月球探测卫星。

可重复使用的航天器，由于在发射费用、发射准备周期、有效装载能力和运营效益等方面的优越性，而受到世界各国的广泛关注。我国在这一领域也正在积极开展研究工作。

未来空天飞行器平台的显著特点是多采用具有大升阻比的升力体构型。其结构是超轻质、高强和功能／结构一体化的，具有最先进的高超声速动力系统、结构防热系统、控制系统和安全保障系统。这类飞行器所具有的复杂外形和飞行环境引起一系列极为复杂的流动现象，如：激波，分离，漩涡，湍流，化学反应和等离子体流动，力、热、光、电磁多场耦合等；它们独特的服役条件和特定的作战使命要求，引出一类对现有科学知识具有挑战性的新的课题，如：强－短时载荷的耦合效应、高应变率－高温升率与结构间的非平衡耦合效应、智能材料与结构、智能自主控制技术、微流体力学和微系统动力学等。

五、 结束语21世纪前50年,空天技术的发展将非常类似20世纪前半叶航空的发展。今后若干年内，在强大的空/天/地一体化信息系统的支持下，战争将是全方位、大纵深、立体化的，一改过去传统的单一武器独立作战模式，变成海、陆、空、天、电五位一体，进攻与防御间的体系对抗。从空中（空间）作战支援发展到空中（空间）格斗以及从空中（空间）向地面实施远距离精确打击,将逐步成为具有战略意义的行为。这些都对空天技术发展提出了多方面严格要求。

航空航天技术是涉及多种学科的高技术领域，空天飞行器研制中面临的基础性的关键技术问题也是多方面的，我们现有的科学技术基础尚不足以圆满解决所面临的各种复杂而困难的问题。大力加强基础理论研究，不断改进和提高地面模拟实验、数值计算以及理论分析能力，仍然是十分迫切的任务。在这里，我们要特别强调基础研究和工程应用有机结合和协调发展的重要性。航空航天工业作为高技术产业，基础研究更应先行一步。

要“以人为本”，鼓励创新，大力营造鼓励创新的主客观条件与宽松环境，积极培养大批优秀的年轻航天科技人才。继承和发扬“两弹一星”和“载人航天”精神，为加速发展我国航空航天事业而努力奋斗!