2018年國(guó)外航天技術(shù)發(fā)展綜述

陳建光 王 聰 賈 平 梁曉莉 劉 博 文

2018年，世界主要國(guó)家航天裝備與技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)展新一代運(yùn)載火箭和快速響應(yīng)運(yùn)載技術(shù)，陸續(xù)部署新型衛(wèi)星并開展新概念衛(wèi)星技術(shù)研發(fā)，積極發(fā)展空間控制裝備和技術(shù)。

航天運(yùn)載器及技術(shù)

在新一代大中型火箭穩(wěn)步發(fā)展的同時(shí)，快速響應(yīng)發(fā)射和重復(fù)使用是航天運(yùn)載技術(shù)的重要發(fā)展方向，均取得重要進(jìn)展。同時(shí)新型火箭動(dòng)力技術(shù)可有效提升運(yùn)載火箭性能。

美國(guó)“獵鷹重型”成為現(xiàn)役運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“獵鷹重型”火箭2月成功首飛。該型火箭的低地軌道運(yùn)載能力達(dá)60噸級(jí)，兩倍于此前運(yùn)載能力最強(qiáng)的“德爾他”-4H火箭，且發(fā)射價(jià)格僅為后者的三分之一。該火箭已獲得美空軍的兩項(xiàng)發(fā)射合同，未來將持續(xù)為美軍部署大型空間信息系統(tǒng)提供低成本發(fā)射選擇。此次發(fā)射也實(shí)現(xiàn)2枚火箭一子級(jí)同時(shí)回收。截至2018年底，“獵鷹”-9系列火箭共計(jì)進(jìn)行67次發(fā)射任務(wù)，其中編號(hào)B1046的一子級(jí)5月、8月、12月分別執(zhí)行一次發(fā)射任務(wù)并成功回收，實(shí)現(xiàn)一子級(jí)的第二次復(fù)用，此外還有17枚一子級(jí)一次復(fù)用，充分驗(yàn)證了一子級(jí)重復(fù)使用技術(shù)。

美俄新一代大中型火箭進(jìn)入研制生產(chǎn)階段。美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟9月完成“火神”火箭完成動(dòng)力系統(tǒng)選型，上面級(jí)選用成熟的RL-10液氫／液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，芯級(jí)選用新型BE-4液氧／甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，表明其已基本完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即將進(jìn)入生產(chǎn)制造階段。該型火箭是美空軍重點(diǎn)投資的下一代運(yùn)載火箭，計(jì)劃2020年首飛。

俄羅斯4月完成“聯(lián)盟”-5火箭初步設(shè)計(jì)方案，進(jìn)入研制階段，計(jì)劃2022年首飛。該型火箭利用“天頂”火箭的成熟技術(shù)，低地軌道運(yùn)載能力約18噸，發(fā)射價(jià)格為5500萬美元，可增強(qiáng)俄羅斯在國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力以及滿足載人航天發(fā)射需求。

快速響應(yīng)運(yùn)載器重點(diǎn)項(xiàng)目取得重大突破。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）7月完成“試驗(yàn)性航天飛機(jī)”-1（XS-1）運(yùn)載器的首臺(tái)AR-22主發(fā)動(dòng)機(jī)制造，并成功在10天內(nèi)進(jìn)行了10次地面點(diǎn)火試驗(yàn)，突破發(fā)動(dòng)機(jī)快速后處理技術(shù)，為縮短復(fù)用周期奠定基礎(chǔ)。XS-1為兩級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器，在2017年5月確定采用波音公司的帶翼升力體構(gòu)型，計(jì)劃2020年前首飛；一級(jí)采用兩臺(tái)AR-22液氫／液氧發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)推力為170噸，具備高可靠性且可重復(fù)使用55次。

新型火箭動(dòng)力技術(shù)取得研究進(jìn)展。美國(guó)推動(dòng)研發(fā)火箭上面級(jí)輔助系統(tǒng)。美國(guó)家航空航天局（NASA）8月授予聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）火箭上面級(jí)“集成火箭流體系統(tǒng)”（IVF）研發(fā)合同，計(jì)劃在2020年利用“半人馬座”上面級(jí)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，2023年用于新一代“先進(jìn)低溫上面級(jí)”。該系統(tǒng)是全球首個(gè)上面級(jí)輔助方案，采用小型氫氧內(nèi)燃機(jī)和推力器取代傳統(tǒng)上面級(jí)的氦增壓和肼姿控系統(tǒng)，可將現(xiàn)役“半人馬座”上面級(jí)干重降低5%～10%，運(yùn)載能力提升0.5噸；且上面級(jí)點(diǎn)火次數(shù)由2次增加到10次，在軌時(shí)間由12小時(shí)延長(zhǎng)到數(shù)天。

歐洲完成“自噬”型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理驗(yàn)證。蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)、烏克蘭第聶伯國(guó)立大學(xué)5月聯(lián)合開展“自噬”固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)試驗(yàn)。此次試驗(yàn)采用1：1.5的聚丙烯／高氯酸銨作為固體燃料、硝酸銨作氧化劑，并進(jìn)行了60秒實(shí)驗(yàn)室燃燒試驗(yàn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的原理是藥柱在外加壓力作用下進(jìn)入氣化裝置，并在氣化后燃燒產(chǎn)生推力，并通過改變壓力調(diào)節(jié)藥柱的給進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)節(jié)流控制，從而具備液體發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流特點(diǎn)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，有望提升傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

衛(wèi)星及技術(shù)

國(guó)外通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星取得重要發(fā)展；區(qū)塊鏈、吸氣式離子推進(jìn)等新概念技術(shù)推動(dòng)天基應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展。

偵察與預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)更新。美國(guó)第五顆“未來成像體系”衛(wèi)星和第四顆“天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星相繼發(fā)射，實(shí)現(xiàn)兩大系統(tǒng)組網(wǎng)運(yùn)行，前者是5顆衛(wèi)星組成的雷達(dá)成像偵察星座，具備重點(diǎn)區(qū)域的快速重訪能力，后者由4顆衛(wèi)星和在軌的3個(gè)大橢圓軌道載荷組成，可提升美軍對(duì)全球?qū)棸l(fā)射的預(yù)警能力。西班牙“帕茲”雷達(dá)成像衛(wèi)星2月成功部署，可增強(qiáng)西班牙以及歐洲整體的天基成像偵察能力。日本“光學(xué)六號(hào)”“雷達(dá)六號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射，分辨率均可優(yōu)于0.5米，不斷升級(jí)偵察監(jiān)視衛(wèi)星能力。印度“制圖衛(wèi)星”-2F衛(wèi)星成功發(fā)射，完成該系列全部7顆衛(wèi)星部署，其中后四顆為改進(jìn)型號(hào)，將替換前三顆超期服役衛(wèi)星，確保穩(wěn)定的偵察監(jiān)視能力。

通信衛(wèi)星。新型軍用通信衛(wèi)星持續(xù)部署和應(yīng)用。美軍第四顆“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星10月成功發(fā)射，可實(shí)現(xiàn)全球范圍強(qiáng)電磁對(duì)抗環(huán)境下的安全通信；“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”啟用新型寬帶碼分多址信號(hào)，通信容量可提高10倍。俄羅斯第二顆“鐘鳴”衛(wèi)星成功部署，加快建設(shè)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，保障高速互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)傳輸和視頻會(huì)議通信等。日本“煌”-1/“超鳥”-8衛(wèi)星4月發(fā)射，逐步構(gòu)建覆蓋印度洋和太平洋地區(qū)的軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)，提升日本自衛(wèi)隊(duì)指揮通信能力。

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座開展在軌試驗(yàn)。加拿大電信衛(wèi)星公司和美國(guó)SpaceX公司分別部署試驗(yàn)衛(wèi)星，包括1顆“低地軌道”-1衛(wèi)星和2顆“丁丁”衛(wèi)星，開展低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)巨型星座的先期驗(yàn)證。加拿大電信衛(wèi)星公司的星座計(jì)劃由117顆衛(wèi)星組成，部署在高度1000千米軌道，擬提供吉比特/秒量級(jí)的寬帶接入；SpaceX公司的星座在第一階段將由4425顆衛(wèi)星組成，部署在高度1150～1320千米軌道，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

導(dǎo)航衛(wèi)星多極化發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。美國(guó)持續(xù)推進(jìn)新一代GPS衛(wèi)星研制，計(jì)劃在12月發(fā)射首顆衛(wèi)星。該型衛(wèi)星定位精度可達(dá)0.5米，采用信號(hào)增強(qiáng)的點(diǎn)波束提升抗干擾能力，完善星間鏈路增強(qiáng)系統(tǒng)的自主運(yùn)行能力。俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)補(bǔ)充2顆衛(wèi)星，確保星座穩(wěn)定運(yùn)行。歐洲“伽利略”系統(tǒng)增加4顆衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星達(dá)26顆，已具備星座組網(wǎng)運(yùn)行能力。

區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)達(dá)到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。日本“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”投入運(yùn)行，可使日本周邊GPS定位精度提升至亞米級(jí)，增強(qiáng)日本在該地區(qū)的導(dǎo)航定位優(yōu)勢(shì)。印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)補(bǔ)充1顆衛(wèi)星，替換因原子鐘故障失效的衛(wèi)星，已恢復(fù)星座組網(wǎng)。

英國(guó)和韓國(guó)謀劃獨(dú)立導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。英國(guó)受脫歐影響而無法使用歐盟“伽利略”系統(tǒng)的公眾安全服務(wù)，因此提出建設(shè)獨(dú)立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃在2020年建成。韓國(guó)在《第三次航天開發(fā)振興基本計(jì)劃》中，提出發(fā)展由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星和4顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星組成的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃在2034年建成。

新概念衛(wèi)星及技術(shù)。小衛(wèi)星技術(shù)持續(xù)進(jìn)行研發(fā)和在軌驗(yàn)證。美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局4月啟動(dòng)“黑杰克”項(xiàng)目，旨在研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、快速生產(chǎn)、自主運(yùn)行等技術(shù)，分解大型軍事衛(wèi)星功能和降低研制成本，構(gòu)建由60～200顆衛(wèi)星組成的低軌星座，實(shí)現(xiàn)全球連續(xù)覆蓋，并通過與商業(yè)星座“共生”提高彈性能力；已與空軍聯(lián)合啟動(dòng)研發(fā)小型、輕質(zhì)、低成本的紅外望遠(yuǎn)鏡，設(shè)計(jì)用于大規(guī)模小衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)持續(xù)和可調(diào)整的天基偵察監(jiān)視能力。

區(qū)塊鏈技術(shù)用于研發(fā)自主決策航天器。美國(guó)國(guó)家航空航天局4月啟動(dòng)研發(fā)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自主決策航天器。該項(xiàng)目由阿克倫大學(xué)開展，利用以區(qū)塊鏈技術(shù)研發(fā)認(rèn)知性的航天系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算設(shè)施，用于分布式航天器自主協(xié)同執(zhí)行任務(wù)、航天器在軌自主躲避太空碎片、減少深空通信和導(dǎo)航對(duì)地面站的依賴等。區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫，所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)能夠自由安全地交換數(shù)據(jù)。

吸氣式離子推進(jìn)技術(shù)完成地面點(diǎn)火試驗(yàn)。歐洲航天局3月宣布成功進(jìn)行了世界首臺(tái)吸氣式離子推力器的地面點(diǎn)火試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M了高度200千米、飛行速度7.8千米/秒的空間環(huán)境。吸氣式離子推力器通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)的氣體進(jìn)口捕捉極稀薄的氣體分子，當(dāng)氣體分子被收集并壓縮達(dá)到一定閾值時(shí)，推力器將其施加電荷，使其成為離子，離子在電場(chǎng)作用下高速噴出產(chǎn)生推力。試驗(yàn)最初利用粒子流發(fā)生器收集氙粒子實(shí)現(xiàn)重復(fù)點(diǎn)火，隨后對(duì)氮氧混合氣體分子進(jìn)行了成功試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，吸氣式電推進(jìn)有望使衛(wèi)星運(yùn)行在非常低的軌道，也可用于行星外大氣層環(huán)境。

空間對(duì)抗裝備及技術(shù)日趨成熟

在空間態(tài)勢(shì)感知技術(shù)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，在軌機(jī)器人、機(jī)載激光反衛(wèi)、空間碎片移除等空間攻防技術(shù)取得重要突破。

美軍空間態(tài)勢(shì)感知技術(shù)持續(xù)發(fā)展。美國(guó)持續(xù)完善空間態(tài)勢(shì)感知裝備，包括首部S波段“太空籬笆”雷達(dá)系統(tǒng)完成集成，其部署在西太平洋中部的夸賈林環(huán)礁，可與部署在澳大利亞的C波段雷達(dá)共同加強(qiáng)對(duì)亞太地區(qū)上空目標(biāo)的監(jiān)視能力；國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)“太空環(huán)境開發(fā)”項(xiàng)目，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，綜合運(yùn)用天基和地基數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)72小時(shí)內(nèi)的近地軌道環(huán)境，為太空作戰(zhàn)指揮官戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)提供支持。

俄羅斯8月恢復(fù)了蘇聯(lián)時(shí)期建造的空間監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，利用全球部署的10個(gè)天文臺(tái)拓展俄境外空間監(jiān)測(cè)能力，此外還在境內(nèi)建造8個(gè)應(yīng)急衛(wèi)星觀測(cè)站。

日本1月啟動(dòng)研制2部新型地基空間目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)，分別監(jiān)視低地軌道和地球同步軌道，計(jì)劃在2023年建成。

空間攻防技術(shù)取得重要突破。美軍完成軌道機(jī)器人項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)評(píng)審。7月，DARPA“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（RSGS）項(xiàng)目通過初步設(shè)計(jì)評(píng)審，其海軍研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的機(jī)器人載荷符合目標(biāo)，可與勞拉空間系統(tǒng)公司的衛(wèi)星平臺(tái)兼容，確保了在2021年進(jìn)行在軌試驗(yàn)的進(jìn)度要求。此外，DARPA計(jì)劃與NASA合作建造“在軌機(jī)器人服務(wù)站”，平時(shí)用于燃料加注、修理等任務(wù)，戰(zhàn)時(shí)則可破壞敵方衛(wèi)星。

俄羅斯積極推動(dòng)發(fā)展反衛(wèi)技術(shù)。2018年，俄羅斯積極發(fā)展機(jī)載激光、地基激光、電子戰(zhàn)飛機(jī)等反衛(wèi)技術(shù)。金剛石-安泰公司2月完成可攻擊敵方衛(wèi)星的新型激光武器研發(fā)。該系統(tǒng)安裝在別里耶夫A-60SE飛機(jī)上，利用激光脈沖致盲敵方衛(wèi)星或燒穿敏感的光學(xué)器件，有效作用距離為1500千米。此外，俄羅斯加快研發(fā)可用于反衛(wèi)星的“伐木人”-2新型電子戰(zhàn)飛機(jī)和地基激光器等，其中“伐木人”-2飛機(jī)據(jù)報(bào)道可關(guān)閉導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星的星載電子設(shè)備，以及對(duì)地面、空中、海上任何目標(biāo)進(jìn)行電子抑制；地基激光器計(jì)劃改造阿勒泰光學(xué)激光中心的望遠(yuǎn)鏡，用于發(fā)射可燒灼摧毀太空垃圾的激光束。

歐洲開展在軌碎片移除技術(shù)試驗(yàn)。9月，英國(guó)“空間碎片移除”（RemoveDEBRIS）衛(wèi)星成功開展世界首次真實(shí)太空環(huán)境下飛網(wǎng)抓捕立方星技術(shù)驗(yàn)證，后續(xù)還將驗(yàn)證魚叉穿刺靶板、運(yùn)動(dòng)跟蹤、拖曳帆離軌等技術(shù)。該系列試驗(yàn)將加速空間碎片移除技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程，對(duì)空間對(duì)抗技術(shù)發(fā)展也將產(chǎn)生影響。