中美科技实力对比：关键领域视角(4)

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一、空间科学：部分领域领跑全球，但整体较为薄弱

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我国空间能力最为薄弱的是空间科学，从理论基础与研究手段两方面来看：

与航天相关性强的天文学与天体物理、物理学等基础研究较为薄弱。根据中国科学院科技战略咨询研究院《2016研究前沿》显示，从Essential Science Indicators（ESI）数据库的上万个研究前沿挑选出的共180个重点热点前沿为基础来分析10大学科中各国与所在国相关科研机构对重点热点前沿产出论文数量和论文影响力，在物理学的20个热点前沿领域美国引领数达到11个，中国仅2个；在天文学与天体物理的12个热点前沿领域，美国引领数达到10个，中国尚无斩获。

科学卫星是空间科学研究的重要基础和手段，我国科学卫星起步晚，成效方面不如美国。时间上，美国1958年发射的第一颗人造卫星即是用于研究探索的“探险者号”科学卫星；中国最早用于科学探测的是1971年发射的“实践”系列卫星。探测距离上，美国“探险者号”系列卫星已探测过整个太阳系相关数据，向银河系探测；中国目前探测最远的是基于嫦娥探月计划的月球，将于2020年左右施行火星探测计划。卫星数量上，据不完全统计，截止2017年，中国科学卫星数量约50颗，其中大部分是早期发射的“实践”系列卫星，美国方面则约180颗以上。2017年共发射的108颗科学卫星中，美国占了约18%，而中国约为4%。

二、空间技术：基本掌握核心技术，发展最为迅速

作为空间科学与空间应用的操作基础和实现手段，空间技术是三个环节最为核心的部分。从全球视角来看，近十年，我国的空间技术发展最为迅速、取得成效最为显著。

空间技术不单单指具体某项技术，而是囊括从火箭与航天器制造、航天器发射至航天器能稳定运行中涉及到的各项技术。最有代表性的为重型火箭技术、载人航天技术、空间站技术与深空探测技术，从全球视野来看，我国是全球为数不多的能够独立实施登月计划、载人航天计划、天空站计划等，说明我国航天攻克核心技术数量多、涉及范围广；但与美国相比，我国需要在总体效率与质量上继续提升。由于载人航天、空间站与深空探测均需要以重型运载火箭技术为基础，下文以重型火箭技术为例具体分析我国的空间技术实力。

重型火箭是指具备发射低、中、高不同地球轨道，可以运载不同类型卫星和载人飞船，并且LEO载荷能力（近地轨道运载能力）超18吨以上火箭，具备该技术与否可以看做能否挤进航天强国的重要指标。目前全球现役的重型火箭包括长征五号（中国）、重型猎鹰（美国）、德尔塔4（美国）等。从整体性能与性价比来看，我国长征五号排全球第三。主要根据以下两方面来判断：

1）第一是整体设计能力。根据重型火箭运载能力要求，目前世界主流运用模块化组装法，把多级火箭类似搭积木的方法构建成一个大型的新的火箭，美国的土星五号、重型猎鹰与中国的长征五号等都是运用此法。在设计过程中涉及一项关键技术叫动特性获取技术。（注：即设计过程需要对火箭组成部分和结构在各种恶劣环境下，例如剧烈震动、冲击等，产生的变化进行数据分析）

相比其他航天强国，目前我国运载火箭动特性的获取比较传统，通过振动塔（试验火箭完整性的检测塔）全尺寸试验产生，检验周期长、费用高。以美国为例的其他航天强国，则逐渐通过等比例模型试验方式来推测实际尺寸的数据。这类方法需要有发展成熟的试验技术、严格的理论建模和先进计算机分析运算能力。我国也开始研究此类技术，但多在理论基础并无实际操作。

另一方面，我国在拟定的载荷能力对成本和可靠性把控上较为突出。火箭设计是整体概念，各国根据相应的经济和政策情况来设计最符合国情的方案。因此，在设计环节中，成本和执行复杂任务的可靠性也是检测火箭设计的合理性与优异性的重要指标。对比史上各大重型火箭，我国长征五号以较低发射成本和高达98%可靠性，显示出我国在这一环节的技术能力。

2）第二是整体动力系统。为了挣脱地球万有引力的束缚，根据牛顿第二和第三定律，火箭需要达到最小速度为7.9公里/秒。除了达到飞行速度要求，重型火箭要需要满足在多载荷情况下的上千吨起飞推力，从而考验各国对发动机的研发技术。测量发动机相关的核心指标可以分为运载能力与效率这两大类别。

运载能力方面，长征五号运载能力全球现役火箭第三，但运载系数并不算高。最大运载能力方面，包括LEO（近地能力）与GTO（地球同步轨道转移能力），其数值越大，表示运载物品越多能力越强。目前长征五号LEO运载能力为25吨，仅次重型猎鹰与德尔塔4号。运载系数方面，即最大有效载荷与起飞重量之比，数值越大，表明同重量的火箭能负载更多载荷，运载能力与效率更高。长征五号LEO运载系数仅为0.0288,与重型猎鹰的0.0451相距甚远，说明有效载荷能力与效率还是有段差距。

效率方面，长征五号燃烧效率和射程较高，但是推力效率较低。测量燃效与射程的指标为比冲，即单位推进剂产生的推力。比冲越高，发动机燃烧效率越高，射程也越远，长征五号YF-77发动机在这方面表现突出。推力方面，YF-77则逊色于美国几款重型火箭，推力的最大差距为土星五号的十分之一。但是YF-77的推力不足目前影响不大，因为完全可以满足长征五号设计的最大运载能力，所以整体可靠性不受影响。另一指标推重比，最大推力与重量之比，数值越大说明火箭整体效率越高，提高火箭干质比（火箭净质量与整体满载燃料质量之比）能力越强，利于火箭加速。我国的YF-77推重比约50，远不及美国几款发动机，是F-1一半，更是梅林1-D 的约30%，说明我国发动机性能与美国差距大，技术需要提升。

三、空间应用：中国发展迅速，美国增速放缓

空间应用是指以卫星应用为主（约占全球空间经济的80%），其他相关产业为辅的空间衍生服务产业。从卫星产业链来看，包括卫星制造与卫星发射的上游，与更聚集的卫星服务与地面设施的下游。据SIA的2018年全球卫星市场报告显示，2017全年卫星行业市场规模约2686亿美金，其中卫星服务达到1287亿美金，占比48%排为第一，地面设施1198亿美金，占45%为第二，两项总和超90%。美国收入占比持续多年超40%，但近年来增速放缓、占比有所下降，与此同时中国则以每年超20%的收入增速发展。