美国是世界上第二个自主研制和发射人造地球卫星的国家,是世界上航天活动的传统强国,航天活动规模、技术水平和应用水平居世界第一。1958年1月31日,美国成功研制和发射第一颗人造卫星“探险者”1号,落后苏联3个月。截至2018年底,美国共成功研制和发射航天器3037颗,在轨运行航天器990颗,占全球46%。
美国航天
美国航天业发展的历史和现状。
- 英文名称
- United States space activities
- 所属学科
- 航空宇航科学与技术
20世纪初,R.H.戈达德开始研究和试验火箭技术,1926年发射了世界上第一枚以液氧、汽油为推进剂的液体火箭。第二次世界大战结束后,美国在缴获的德国V-2火箭的基础上开始研究大型火箭和导弹。1958年1月31日,用“丘比特”C火箭(改名“朱诺”1号火箭)成功发射美国第一颗人造卫星“探险者”1号。美国于1958年2月成立国防部高级研究计划局,同年10月成立主管民用航天活动的美国国家航空航天局。国防部军事航天力量分散于陆军、海军和空军,从1982年开始各军种建立军种级航天司令部,1985年成立美国航天司令部,之后军事航天力量逐渐向空军集中。1983年发布《商业航天发射》总统航天政策令,开启航天商业化进程,由美国商务部和运输部相关部门管理。
在航天管理体系方面,美国已形成国家统筹管理,军、民、商各司其职的管理体系。在国家层面,美国设立副总统任主席的国家航天委员会,与国家安全委员会和白宫科技政策办公室协调,统筹管理国家航天政策和战略;国会参众两院武装部队委员会、情报委员会和商业科技运输委员会审批政府航天项目和预算。
在民用航天领域,美国国家航空航天局负责绝大部分民用航天活动,包括载人航天、空间探测、地球环境和科学观测以及前沿技术研发等;国家海洋和大气管理局负责气象卫星的发展和运行管理;国家地质调查局负责陆地资源卫星的发展和运行管理。在军事航天领域,国防部领导军事航天力量和系统的发展运用,除侦察卫星外,90%的军事航天力量由空军航天司令部管理,国家侦察局(NRO)负责研发和运行所有侦察卫星,国家地理空间情报局(NGA)负责卫星成像侦察和测绘情报处理和应用,国家安全局(NSA)负责卫星电子侦察情报处理和应用。在商业航天领域,美国商务部商业航天办公室负责商业航天活动监管和太空交通管理政策,运输部联邦航空管理局负责商业航天发射监管。
从1958年至2018年底,美国共研制和发射人造地球卫星2737颗,包括通信卫星、导航卫星、对地观测卫星等应用卫星以及科学和技术试验卫星,其中应用卫星约占73%。
在通信卫星方面,美国是全球通信卫星发展最全面、技术水平最高、应用最广泛的国家。截至2018年底,美国共成功研制和发射736颗通信卫星,有345颗在轨运行,占全球在轨通信卫星45%。国家航空航天局主要发展“跟踪与数据中继卫星”,为载人航天和低轨航天器提供测控和数据中继服务。国防部初期以军种为主体发展了宽带大容量、窄带移动、抗强干扰等系列军事通信卫星,国家侦察局发展了军用数据中继卫星系统,20世纪90年代建立了多个系统组成的军事卫星通信体系,从2015年开始构建新一代综合军事卫星通信体系,向一体化、网络化、宽带化和抗毁弹性化方向发展。1962年美国颁布的《通信卫星法》提供了良好政策环境,通信卫星运营商开始出现并蓬勃发展,至80年代末商业卫星通信已初具规模,主要提供国际和国内卫星固定通信和电视广播业务。从90年代开始,美国卫星通信产业通过兼并重组资源逐步集中,固定、移动、广播卫星通信业务全面发展。2010年,美国商业卫星通信公司开始把宽带多媒体业务作为新增长点,高通量宽带通信卫星进入商业运营,面向互联网通信需求,多家新兴卫星公司计划发展数百甚至数千颗的低轨大规模通信卫星星座,一些公司的卫星星座开始试验部署。
在导航卫星方面,美国是全球导航卫星领域技术水平最高、应用最广泛的国家。截至2018年底,美国共成功研制和发射各种类型的导航卫星119颗,有33颗卫星在轨运行,占全球在轨导航卫星23%。20世纪90年代初,成功发射“子午仪”导航卫星43颗,后为GPS系统取代。1978年2月发射首颗GPS卫星,1995年4月开始提供全球定位、导航与授时服务,军用定位精度在十几米,民用定位精度在100米左右。2000年美国终止了GPS系统民用服务精度限制措施,民用定位精度提升到25米。同年,美国启动GPS系统现代化计划,2018年12月发射首颗卫星,进一步提升GPS系统性能,巩固了GPS系统的全球领先优势。
在对地观测卫星方面,美国是发展对地观测卫星最早、技术最先进的国家。截至2018年底,美国共研制和发射1147颗对地观测卫星,411颗在轨运行,占全球在轨对地观测卫星53%。美国于1960年成功发射世界上第一颗成像侦察卫星——“发现者”13号卫星和世界第一颗气象卫星——“泰罗斯”-1卫星。军用对地观测卫星包括光学和雷达成像侦察、电子侦察、海洋监视、导弹预警和军事气象等类型。民用对地观测卫星包括气象、海洋、陆地观测等类型,典型型号有“诺阿”(NOAA)系列极轨气象卫星、“地球静止环境业务卫星”(GOES)系列、“海洋卫星”(Seasat)系列、“陆地卫星”(Landsat)系列。美国民用对地观测卫星数据广泛应用在资源、环境、土地、农业、林业、水利、城市、海洋及灾害等领域。20世纪80年代,美国开始推动商业遥感的发展,90年代后期,在商业遥感政策的支持下,发展了多种高分辨率商业对地观测卫星。21世纪初,美国一些新兴航天公司开始发展低轨大规模对地观测星座,包括陆地观测、气象观测等类型。
在科学卫星方面,美国从20世纪50年代末期开始研制并发射科学卫星,截至2018年底,美国共成功研制和发射科学卫星186颗,其中有33颗卫星在轨运行,占全球在轨科学卫星49%,在卫星种类、技术水平、探测成果等方面均保持世界领先地位。1958年,美国发射首颗科学卫星“探险者”1号卫星。此后,美国在空间科学领域开展了持续的探测活动,在空间物理、空间天文、高能物理、空间生命科学等方面取得了大量探测成果和重大发现。90年代到21世纪初,美国实施四大空间天文台计划,先后发射了“哈勃空间望远镜”(HST)、“康普顿伽马射线天文台”(CGRO)、“钱德拉X射线天文台”(CXO)、“斯皮策空间望远镜”(Spitzer),取得了显著的科学探测成就。特别是“哈勃空间望远镜”在轨工作近30年,大大促进了天文学的进步,提高了人类对宇宙的认识。
在技术试验卫星方面,美国长期实施技术试验卫星计划,用于各种新材料、新技术和新设备的飞行试验。截至2018年底,美国共成功研制和发射技术试验卫星547颗,有117颗卫星在轨运行,占全球在轨技术试验卫星的33%。
在天基武器方面,美国在拥有地基反卫星武器的基础上,从1980年开始发展天基武器。1983年实施了“星球大战”计划,实施了“德尔他-180”天基反卫试验、“智能卵石”动能拦截器飞行试验等一系列天基武器技术试验项目,还利用“克莱门汀”月球探测卫星、“深度撞击”彗星探测器试验天基攻防技术。进入21世纪,美军开始发展抵近、抓捕和操控等无碎片和少碎片的天基进攻能力,2007年发射了“轨道快车”低地球轨道在轨服务试验卫星,2018年发射了“老鹰”地球同步轨道机动试验飞行器。美国已形成天基武器攻击能力。
美国是世界上载人航天的传统强国。截至2018年底,美国共执行201次载人航天器和货运飞船的发射,852人次进入太空,位居世界第一。从20世纪50年代末开始,美苏展开“太空竞赛”。美国实施了首个载人航天计划——“水星”计划,于1962年2月20日首次实现载人轨道飞行,但未能抢先于苏联。此后,美国实施“阿波罗”登月计划,1969年7月20日实现人类首次登陆月球,之后又成功进行了5次载人登月,共把12名航天员送上月球。1973年,美国发射了第一个空间站——“天空实验室”。从20世纪70年代开始,美国开始研制航天飞机,它是兼有载人飞船和运载火箭双重功能的一种载人航天器,共研制出5架航天飞机,执行了134次航天飞行,其中“挑战者”号航天飞机和“哥伦比亚”号航天飞机分别发生重大事故,共造成14名航天员丧生。90年代,美国联合俄罗斯、欧洲、日本、加拿大等国家共同建造“国际”空间站,它是迄今规模最大、结构最复杂、技术最先进、在轨时间最长的载人航天器。航天飞机退役后,美国依靠俄罗斯载人飞船向“国际”空间站运送航天员,之后实施“商业轨道运输服务”计划,发展本国商业货运飞船和载人飞船,摆脱对外依赖。进入21世纪后,美国提出重返月球和载人火星探测计划,研制“猎户座”新型载人飞船和“深空门户”月球轨道空间站,力图继续保持载人航天的领先地位。
截至2018年底,美国共有341位航天员累计854人次进入太空,其中有12位航天员登上月球。1961年5月5日,A.B.谢泼德乘坐自由7号载人飞船成功完成亚轨道飞行,成为美国首位进入太空的航天员。1962年2月20日,J.H.格伦乘坐友谊7号载人飞船成功环绕地球飞行三圈后返回,成为美国首位进入地球轨道的航天员。1996年7月21日,美国航天员N.阿姆斯特朗和B.奥尔德林[注]乘坐阿波罗11号飞船实现人类首次登月。
截至2018年底,美国共研制和发射了96个空间探测器,在途中和正在执行探测任务的有22颗,占全球正在运行空间探测器的58%。美国是迄今为止唯一对太阳系内所有大行星进行过探测的国家,并对太阳、小天体和星际空间开展过大量探测,实现了月球、火星、小行星和土卫六着陆探测,在世界深空探测领域处于领先地位。美国在月球探测方面起步很早,1958年8月17日发射了“先驱者”月球探测器,是世界上第一个深空探测器。截至2018年底,美国共发射40余次无人月球探测任务。美国发射了21个火星探测器,15个获得成功,1个仍在飞行途中;发射了7次金星探测任务;向木星、土星和水星共发射4个探测器;美国还发射了4个小行星探测器和3个彗星探测器。
从1958年至2018年底,美国研制了“先锋”号、“丘诺”号、“红石”号、“雷神”号、“宇宙神”号、“侦察兵”号、“大力神”号、“土星”号、“猎鹰”号等15种运载火箭和航天飞机,共执行1570次航天发射任务,居世界第二位。
美国主要的航天发射场有位于加利福尼亚州范登堡太空军基地的空军西靶场、位于佛罗里达州卡纳维拉尔角航空站的空军东靶场和国家航空航天局肯尼迪航天中心。此外,弗吉尼亚州沃罗普斯发射场、阿拉斯加州科迪亚克发射场、夏威夷太平洋导弹试验靶场、加利福尼亚州爱德华兹空军基地等发射场和基地也执行航天发射任务。
随着军用、民用航天活动的发展,美国先后建立了多个航天测控网。美国国家航空航天局首先建立了以甚高频无线电干涉仪为主的“米尼特拉克”(Minitrack)卫星跟踪网,之后在全球增加了测控站,增设了能跟踪高轨道卫星的S频段跟踪设备,发展成为“卫星跟踪与数据获取网”(STADAN);为载人航天任务建立了载人航天网;为深空探测任务建立了深空网。其他部门建立了多个专用卫星测空网,主要有美国空军卫星控制网、“全球定位系统”(GPS)卫星测控网、空间监视网等。其中任务最多、技术最先进的是美国空军卫星控制网,它由分布在全球的8个地面测控站和2个任务控制中心组成。