包為民 韓天琪攝影
未來航天技術將聚焦四大能力，打造新興產業(yè)，培育新動能，迎接太空經濟。這四大能力是進出空間、探索空間、利用空間和開發(fā)空間。
■包為民
伴隨新一代全球通信衛(wèi)星與空間互聯網星座、月球探測等為代表的大規(guī)�？臻g設施建設及航天產業(yè)的快速發(fā)展，我們已經邁向太空經濟時代。相關產業(yè)規(guī)�？焖僭鲩L，將成為社會經濟發(fā)展的新動能、新趨勢和新模式。
航天產業(yè)已經拓展到空間資源開發(fā)、能源利用、在軌制造、醫(yī)藥衛(wèi)生、太空旅游等領域，其發(fā)展呈現出航班化、商業(yè)化、產業(yè)化、規(guī)模化等新特點。利用太空和開發(fā)太空可以完成許多在地面做不到的事情，破解許多在地面解決不了的難題，將使突破空間的限制，突破地球資源的限制，開拓出新的家園和經濟疆域。
未來航天發(fā)展趨勢
人們對交通運輸的速度和活動范圍提出了更高要求。例如人們對太空旅游關注度日益增長、“一小時全球達”已提上議事日程，高可靠、低成本進出空間的運輸工具是實現以上需求的重要技術基礎。
未來，的活動空間將從地球到月球，再到火星和太空，我們的視野將轉向地月空間，地月空間將成為航天任務主要目的地和前哨基地。航班化運輸系統(tǒng)將是最重要工具，為人類走向深空、探知未知世界、認知宇宙、拓展人類文明提供更多可能。
深空探測業(yè)已成為各國競逐熱點，很多新興航天國家不斷加入到深空探測行列當中，其目標重點鎖定月球、小行星和火星等三類天體，各類計劃正在穩(wěn)步實施。中國在深空探測重大專項方面規(guī)劃了火星、小行星和木星探測，尤其是無人月球探測四期規(guī)劃，2030年前將安排四次探測任務，三期任務是在明年進行月球無人采樣。
未來航天技術將聚焦四大能力，打造新興產業(yè)，培育新動能，迎接太空經濟。這四大能力是進出空間能力、探索空間能力、利用空間能力和開發(fā)空間能力。
進出空間能力將發(fā)展出低成本、高可靠進出空間的航天運輸系統(tǒng)。航天運輸由三個系統(tǒng)組成，分別是一小時全球抵達運輸+天地往返運輸+空間轉移運輸，具有高可靠、低成本特性，能滿足我國未來較長時間內空間探測任務需求，支撐航天任務和產業(yè)的發(fā)展。
探索空間能力將助力“覓音”計劃。我們正在尋找另外的適宜人類居住的星球，通過這些探索來研究地球和生命起源。我們設想在日地L2點，也就是150萬公里地月引力平衡點的位置做一個干涉望遠鏡陣列，達到提高等效口徑、分辨率的目的，搜尋近鄰恒星的宜居帶行星，確定行星軌道半徑以及溫度范圍，實現尋找另一個地球的設想。
對航天控制的新需求與挑戰(zhàn)
自由進出空間、探索浩瀚宇宙仍然需要解決諸多基礎問題，如可靠性及成本問題、材料的極端服役與重復使用疲勞問題、動力與能源問題、高超聲速氣動力/熱問題、多學科耦合與優(yōu)化問題等，這些對航天控制也提出了高可靠、高品質、高精度、低成本、易維護等新需求。
對航天控制高可靠的需求要關注人類乘員與高價值載荷的安全、天地運輸航班應急備降、不依賴地面指揮通信的自主飛行等。對航天控制高品質的需求主要包括乘客的乘坐體驗、駕駛員的操縱品質、適應復雜的熱／過載／時間等約束，以及空間服務站、空間機器人的高效運行等。對航天控制高精度的需求有飛行器精確交會、對接與抓捕等。對航天控制低成本的需求有商業(yè)可運行、大眾可支付等。對航天控制易維護的需求有航班化班次密集、運行間隔時間短，適應全球各地的發(fā)射／著陸場，地勤操作簡單快捷等。
航天控制未來也面臨著各種挑戰(zhàn)，實現高可靠性方面，挑戰(zhàn)在于可靠的飛行控制架構與軟件、飛行控制的故障診斷隔離與恢復技術、快速的自主軌跡規(guī)劃與任務規(guī)劃。實現高品質方面，跨域多模態(tài)的高品質飛行控制將是未來挑戰(zhàn)。高精度方面的挑戰(zhàn)在于強適應高精度制導與姿態(tài)控制。實現易維護的挑戰(zhàn)集中在快測試、易維護的電氣系統(tǒng)上。實現低成本，挑戰(zhàn)在于多次重復使用的制導與控制、集成化標準化系統(tǒng)架構。
控制學科發(fā)展的思考
1948年，“控制論之父” 諾伯特·維納發(fā)表《控制論》，將控制論看作是一門研究機器、生命、社會中控制和通信一般規(guī)律的科學。通俗地說，控制論是研究動態(tài)系統(tǒng)在變化環(huán)境下如何保持平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)的科學。1954年，錢學森發(fā)表《工程控制論》，用系統(tǒng)工程的視角，把控制理論與工程實踐緊密結合起來，開創(chuàng)了一門新的技術科學，真正架起了控制理論和工程的橋梁。
現在航天控制技術還面臨很多基礎科學問題，包括極端條件帶來的非線性與不確定性問題、陌生環(huán)境帶來的知識歸納與自主適應問題、人機融合／智能控制帶來的可信與安全性問題、不確定性帶來的模型描述與有效調控問題等。
控制的基礎是用數學工具處理信息，信息的傳遞都是為了更好地實現控制意圖，而任何控制又都有賴于對控制目標信息反饋來實現，信息挖掘變得非常重要�？刂评碚摵头椒ㄖ饕媾R的問題是應對各種非線性、不確定性和多元干擾，而對信息的智能處理將成為解決非線性、消除不確定性、抑制多元干擾等的有效方法。信息和控制的深度融合可能是解決未來發(fā)展中基礎問題的重要方法。
世界航天已進入到大規(guī)模進出空間和地月空間經濟的新時代，航班化航天運輸是實現低成本、大規(guī)模進出空間的重要手段和支撐，重復使用航天運載系統(tǒng)是大幅降低航天運輸成本的重要途徑，未來的航天器也必將是可學習、可訓練的智能航天器。
（作者系中國科學院院士，本報記者韓天琪采訪整理自2019中國自動化大會）
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