2019年國外載人航天發(fā)展綜述

廖小剛，王巖松

1 引言

2019年是人類首次載人登月50周年。人類的足跡再次踏上月球一直都是載人航天的主要目標(biāo)之一。美國政府宣布要提前在2024年實現(xiàn)載人重返月球，“航天發(fā)射系統(tǒng)”、“獵戶座”飛船、“門戶”與載人月球著陸系統(tǒng)等穩(wěn)步推進(jìn)；俄羅斯加緊制定月球開發(fā)計劃，并積極推動“葉尼塞”重型火箭研制；日本、歐洲等國家和地區(qū)積極參與美國的“門戶”建設(shè)，希望借此實現(xiàn)登月夢想。美國商業(yè)載人運輸能力發(fā)展遭遇挫折，未能實現(xiàn)首次商業(yè)載人航天飛行。作為未來載人深空探索與地球科學(xué)技術(shù)的試驗場，國際空間站發(fā)揮的作用更加明顯，新的亮點與創(chuàng)新不斷出現(xiàn)。

2 戰(zhàn)略與規(guī)劃

2019年，美國、俄羅斯繼續(xù)推進(jìn)載人登月研究，引領(lǐng)國際載人航天發(fā)展；日本、加拿大與歐洲在推進(jìn)自身載人航天建設(shè)的同時，積極參與國際合作；印度、土耳其、埃及等新興載人航天國家則以實現(xiàn)載人航天飛行為目標(biāo)發(fā)展相關(guān)能力。

美國在2018年確定2028年載人重返月球目標(biāo)的基礎(chǔ)上[1]，2019年又明確提出提前四年在2024年實現(xiàn)載人登月。美國副總統(tǒng)彭斯3月發(fā)表演講強調(diào)美國將在5年內(nèi)，即2024年之前將把美國首位女航天員送上月球[2]，并在月球表面建立永久性基地。隨后，NASA發(fā)布《飛向月球：NASA月球探索戰(zhàn)略計劃》[3]，將載人登月任務(wù)代號命名為“阿爾忒彌斯”，明確2024年前盡快實現(xiàn)載人登月、2028年后再進(jìn)行月球基地建設(shè)與開發(fā)的兩階段實施方案。為此，NASA在2020財年預(yù)算的基礎(chǔ)上追加16億美元的研制經(jīng)費[4]，專門用于相關(guān)系統(tǒng)與技術(shù)的研發(fā)。此外，NASA于10月發(fā)布新版《2020年 NASA技術(shù)分類》[5]，對2015年版《NASA技術(shù)路線圖》進(jìn)行修訂，推進(jìn)未來技術(shù)的研發(fā)，以支持包括載人登月在內(nèi)的各種探索目標(biāo)。雖然美國載人登月未嘗沒有政治考量的因素，但通過登月美國可繼續(xù)引領(lǐng)國際載人航天的發(fā)展，提升美國商業(yè)航天工業(yè)的能力與水平，提高美國經(jīng)濟的競爭力，并為美國未來載人登陸火星提供強大的技術(shù)儲備。

俄羅斯也十分重視載人航天及載人登月的發(fā)展。俄總統(tǒng)普京4月12日在紀(jì)念加加林首飛太空58周年暨俄羅斯航天日晚會上致辭[6]，強調(diào)未來將繼續(xù)發(fā)展下一代載人飛船和重型運載火箭，擴大深空探測及太空飛行計劃，保持俄羅斯在太空領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。俄羅斯國家航天集團公司向政府提交《關(guān)于探測月球、金星和火星》的可行性研究報告[7]，計劃2030年左右實現(xiàn)載人登月并開始月球基地建設(shè)，2035年后全面完善月球基地，建成人類居住地，并在月球上開采資源，建立天體觀測站。與此同時，俄羅斯還繼續(xù)進(jìn)行機構(gòu)重組，以提高生產(chǎn)效率與國際競爭力。俄國家航天集團公司將把其下屬公司整合形成發(fā)動機制造集團、火箭制造集團及儀器和衛(wèi)星制造集團等三大集團[8]，并于2月公布建立國家航天中心的初步計劃方案[9]，計劃用3年半的時間建成集工程、工業(yè)和科學(xué)于一體的綜合科技中心。俄羅斯希望通過這些舉措確保航天領(lǐng)域的活動順利開展，并完成航天科技的研究和人才培養(yǎng)等基礎(chǔ)工作。

歐洲航天局11月召開航天峰會[10]，載人航天被確定為其四大支柱產(chǎn)業(yè)之一，將繼續(xù)支持國際空間站運行，積極參與美國“門戶”月球空間站項目，加速實施“月球村”構(gòu)想；加拿大、日本、澳大利亞紛紛表態(tài)將為美國的“門戶”空間站提供本國的模塊或構(gòu)件[11-13]，并希望通過合作實現(xiàn)本國航天員的登月；印度在加緊準(zhǔn)備首次載人航天飛行的同時，計劃建設(shè)小型空間站并開展空間研究[14]；阿聯(lián)酋在實現(xiàn)首名阿聯(lián)酋航天員進(jìn)入太空后，又在積極準(zhǔn)備派遣第二名阿聯(lián)酋航天員進(jìn)入太空[15]；土耳其、沙特阿拉伯、埃及都希望仿效阿聯(lián)酋，通過與俄羅斯的合作將本國首名航天員送入太空[16]。

3 主要載人航天系統(tǒng)

3.1 重型運載火箭穩(wěn)步發(fā)展

重型運載火箭是實現(xiàn)載人登月與開發(fā)的前提與基礎(chǔ)，因此美、俄、日都在積極發(fā)展重型運載火箭。

盡管“航天發(fā)射系統(tǒng)”(Space Launch System，SLS)進(jìn)度多次滯后，美國國內(nèi)也有改用其他火箭執(zhí)行載人登月任務(wù)的呼聲，但NASA仍高度重視SLS的發(fā)展，堅持將SLS作為執(zhí)行登月任務(wù)的唯一火箭，已向波音公司提供初步經(jīng)費[17]，啟動第三枚SLS火箭的生產(chǎn)，同時還將采購最多10枚SLS火箭，以確保該火箭未來的核心發(fā)展地位。SLS在2019年進(jìn)展顯著，先后完成首飛火箭芯級的研制、總裝、地面測試及軟件測試[18]，為首飛做好各項準(zhǔn)備。芯級研制的多次滯后一直是SLS火箭首飛一再推遲的主要原因之一，此次芯級的順利總裝將為2021年首飛執(zhí)行“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

俄羅斯則繼續(xù)推進(jìn)新型重型運載火箭的研制。俄羅斯國家航天集團公司1月將新型重型運載火箭正式命名為“葉尼塞”[19]，10月完成“葉尼塞”重型火箭的初始設(shè)計評審[20]，該型火箭預(yù)計2028年首飛，為俄羅斯的2030年載人登月提供支持。俄羅斯還在研制運載能力更強的“頓河”重型運載火箭[21]，用以幫助俄羅斯未來的月球基地建設(shè)。

為了支持未來的美國登月任務(wù)，日本三菱重工10月宣布將研制“H-3重型”火箭[22]，將采用類似“獵鷹重型”的方式直接捆綁三個一級助推器而成，可將HTV-X飛船或是月球著陸器直接發(fā)射至“門戶”月球空間站，預(yù)計2030年前完成首飛。

3.2 新一代飛船進(jìn)展順利

美俄的“獵戶座”飛船和雄鷹號飛船2019年都有顯著進(jìn)展。在歐洲服務(wù)艙2018年底運抵美國之后，用于“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)的“獵戶座”飛船在完成總裝后，先后實施發(fā)射中止系統(tǒng)飛行試驗、推進(jìn)系統(tǒng)試驗、爆震沖擊試驗以及熱真空測試[23]，所有測試完成后將運回肯尼迪航天中心與SLS進(jìn)行集成，為首次“阿爾忒彌斯”任務(wù)做好準(zhǔn)備。此外，NASA于9月授予合同[24]，將繼續(xù)訂購最多12艘“獵戶座”飛船，確?！矮C戶座”飛船在未來10年的穩(wěn)定生產(chǎn)。

俄羅斯國家航天集團公司9月將俄下一代載人飛船——“聯(lián)邦號”將改名為“雄鷹號”[25]，并明確該飛船將于2023年首飛，2025年執(zhí)行國際空間站載人任務(wù)的詳細(xì)計劃。雄鷹號未來將由“葉尼塞”重型火箭搭載執(zhí)行載人登月等深空任務(wù)。俄羅斯還在1月啟動改進(jìn)型“聯(lián)盟”和“進(jìn)步”飛船的研制[26]，用于未來的月球軌道載人和貨物運輸。

3.3 航天員系統(tǒng)建設(shè)不斷推進(jìn)

在結(jié)束一年期雙胞胎對比試驗之后，NASA 2019年在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章公布初步研究結(jié)果[27]。該對比試驗對一名在國際空間站執(zhí)行一年期任務(wù)的航天員進(jìn)行了飛行前、中、后監(jiān)測，并以他的同卵雙胞胎兄弟作為遺傳匹配的地面對照，通過縱向評估可以識別出一些太空飛行特定變化，以了解長期太空飛行對航天員健康的影響，為未來的長期載人深空探索任務(wù)準(zhǔn)備提供了強有力依據(jù)。

由于俄羅斯目前航天員只能確保2024年前國際空間站載人任務(wù)，為實現(xiàn)未來的載人登月任務(wù)，俄羅斯6月啟動新一批航天員的選拔工作[28]，將選出4~6名新航天員，并希望選拔出女航天員。

美國的新型xEMU登月航天服及“獵戶座”艙內(nèi)航天服[29]與俄羅斯的“獵鷹-M”新型艙外航天服[30]都首次向公眾展示，將為未來的載人探索活動及載人登月提供更強的生存能力、更靈活的操作與更舒適的穿著。

3.4 美俄航天發(fā)射場加緊建設(shè)

為了更好地保障“阿爾忒彌斯”登月計劃及后續(xù)的火星探索任務(wù)，NASA于6月啟動肯尼迪航天中心探索地面系統(tǒng)的第二活動發(fā)射平臺(ML-2)的設(shè)計與建造工作[31]，ML-2主要用于為SLS 1B型火箭和“獵戶座”飛船的組裝提供電力、通信、冷卻、燃料等服務(wù)，為載人登月提供直接輔助。同時，ML-1于6月完成最后一次行駛測試[32]，等待與SLS火箭進(jìn)行集成以執(zhí)行首次試飛任務(wù)。

俄羅斯于8月啟動?xùn)|方航天發(fā)射場的第二階段建造工作[33]，主要將建設(shè)“安加拉”系列運載火箭的發(fā)射臺，以實現(xiàn)2023年“安加拉”火箭的發(fā)射。未來東方發(fā)射場還將建設(shè)重型運載火箭發(fā)射臺，用于發(fā)射執(zhí)行探月與探火任務(wù)的重型運載火箭。

4 國際空間站

2019年是航天員進(jìn)駐國際空間站20周年，截至2019年11月，共有239名航天員到訪國際空間站[34]，開展了數(shù)千項科學(xué)實驗，在經(jīng)濟、科學(xué)、教育等領(lǐng)域取得了諸多成果。根據(jù)NASA公布的“國際空間站造福人類(第三版)”報告[35]，由于具備獨有的微重力環(huán)境和國際性與多學(xué)科的性質(zhì)，國際空間站先后取得工程建設(shè)、國際合作、科學(xué)研究與經(jīng)濟發(fā)展四大成就，在科學(xué)、技術(shù)、教育、太空經(jīng)濟發(fā)展、創(chuàng)新技術(shù)等領(lǐng)域獲得顯著成效，極大地提高了人類的科學(xué)知識水平，改善人類的健康狀況，促進(jìn)了先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

4.1 新的突破與創(chuàng)新不斷出現(xiàn)

2019年，各國共向國際空間站發(fā)射13艘飛船，其中4次載人飛船任務(wù)(3次載人任務(wù)、1次機器人任務(wù))，9次貨運任務(wù)(6次美國+3次俄羅斯)，運送9名航天員進(jìn)駐國際空間站，先后開展了數(shù)百項科學(xué)實驗任務(wù)，取得多項重大進(jìn)展。

NASA于2月在國際空間站成功安裝世界首臺兼具聚合物材料回收功能的空間3D打印機器人“再制造設(shè)施”[36]，未來可形成天基按需制造物件，更換零部件、工具以及醫(yī)療器械的能力，將降低未來空間探索的成本和風(fēng)險，實現(xiàn)空間可持續(xù)制造。8月，俄羅斯首次發(fā)射“費多爾”機器航天員[37]，在國際空間站完成數(shù)十項試驗任務(wù)，俄羅斯將利用此次試驗成果規(guī)劃未來機器航天員發(fā)展，以幫助開展載人深空探索。10月，國際空間站上的兩名女性航天員克里斯蒂娜·科赫和杰西卡·梅爾完成出艙任務(wù)[38]，這是人類進(jìn)行艙外活動54年來首次由全女性航天員完成的出艙活動。11月，歐洲航天局完成ANALOG-1的試驗[39]，空間站上的航天員直接操作位于地面上(類似月球地形)的探測器進(jìn)行地面采樣任務(wù)，將為未來的月球探索驗證可行性技術(shù)。

俄羅斯“聯(lián)盟”2-1a型運載火箭7月發(fā)射進(jìn)步MS-12貨運飛船[40]，飛船再次采用超快速對接模式，起飛后約3小時19分成功對接國際空間站，再次刷新對接最快紀(jì)錄。俄羅斯還希望該模式能用于今后的載人飛行，以減輕航天員和地面控制人員的工作負(fù)荷。俄羅斯聯(lián)盟FG運載火箭9月執(zhí)行最后一次載人運輸任務(wù)[41]，將聯(lián)盟MS-15載人飛船送上國際空間站。聯(lián)盟FG火箭退役后，聯(lián)盟2-1a火箭將于2020年承擔(dān)首次載人發(fā)射任務(wù)[42]，將聯(lián)盟MS-16飛船送入太空。

4.2 未來發(fā)展模式將更加多元

考慮到目前的技術(shù)狀況，國際空間站可至少再運行10年，因此盡管目前還未達(dá)成正式協(xié)議，國際空間站延壽到2028年幾乎可以確定，美參議院在NASA的2020財年預(yù)算草案中明確提出將國際空間站延壽至2030年[43]。對于國際空間站未來的發(fā)展模式，各方都有自己的考慮。美俄積極推進(jìn)國際空間站的商業(yè)化運營，NASA于6月發(fā)布《國際空間站商業(yè)規(guī)劃》[44]，該規(guī)劃是NASA逐步從國際空間站向商業(yè)空間站過渡的遠(yuǎn)期構(gòu)想一部分，旨在擴大國際空間站的商業(yè)利用，讓NASA騰出資源來實施載人登月等深空任務(wù)。俄羅斯則強調(diào)，未來國際空間站應(yīng)允許私人公司參與運營，以減少國家投入；2月還同美國太空旅游公司簽署合同[45]，計劃2021年將太空游客送往國際空間站。歐洲航天局認(rèn)為[46]，國際空間站即使結(jié)束運營，也應(yīng)當(dāng)創(chuàng)建新的國際空間站對近地軌道繼續(xù)進(jìn)行探索和應(yīng)用。

5 商業(yè)載人航天

美國商業(yè)載人運輸能力2019年發(fā)展受挫，SpaceX公司的載人型“龍”飛船和波音公司的“星際客船”均未能實現(xiàn)年內(nèi)載人航天飛行；SpaceX公司的“獵鷹重型”運載火箭執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務(wù)，技術(shù)進(jìn)一步成熟；“超重-星船”等火箭快速發(fā)展，將為未來深空探索提供動力。

5.1 商業(yè)載人運輸能力發(fā)展受挫

由于遭遇發(fā)動機事故等問題，SpaceX公司的載人型“龍”飛船和波音公司的“星際客船”都沒有在2019年內(nèi)實現(xiàn)載人軌道運輸。SpaceX公司3月實現(xiàn)載人型“龍”飛船的首飛[47]，這是自2011年航天飛機退役以來，美國第一次使用自主研制的載人火箭和載人飛船從本土進(jìn)行發(fā)射。但隨后載人“龍”飛船4月在進(jìn)行逃逸系統(tǒng)的測試時發(fā)生爆炸事故[48]，導(dǎo)致整體進(jìn)度嚴(yán)重推遲，首次載人飛行從7月推遲到2020年[49]。而“星際客船”逃逸發(fā)動機系統(tǒng)在2018年6月的試驗中出現(xiàn)故障，導(dǎo)致“星際客船”的進(jìn)度也一再延遲，從最初的2019年8月首次不載人試飛推遲到12月[50]，首次載人飛行也被推遲到2020年。此外，原定2019年實現(xiàn)亞軌道太空旅行的“新謝帕德”飛船也因為要確保人員安全等原因被推遲到2020年進(jìn)行[51]。

5.2 新型商業(yè)運載系統(tǒng)進(jìn)展順利

SpaceX公司的“獵鷹重型”火箭在2018年實現(xiàn)首飛之后[52]，2019年3月和6月分別完成首次商業(yè)發(fā)射和空軍試驗計劃的發(fā)射，并首次實現(xiàn)了對一瓣整流罩的張網(wǎng)捕獲[53]，再次證明該型火箭的有效性與可靠性。除了“獵鷹重型”外，SpaceX公司還在積極推進(jìn)下一代“超重-星船”星際運輸系統(tǒng)的研制，9月公布系統(tǒng)的最新設(shè)計[54]。該運載系統(tǒng)將取代其現(xiàn)役的“獵鷹”9和“重型獵鷹”火箭以及“龍”貨運和載人飛船，將150噸的貨物或多達(dá)100人送上月球、火星和其它目的地，將為未來的深空探索提供強大技術(shù)基礎(chǔ)。

藍(lán)源公司的“新格倫”火箭與統(tǒng)一發(fā)射聯(lián)盟的“火神”火箭繼續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，“新格倫”火箭BE-4發(fā)動機的生產(chǎn)工廠開始建造[55]，2020年開始將為“新格倫”火箭與“火神”火箭每年提供數(shù)十臺BE-4發(fā)動機。統(tǒng)一發(fā)射聯(lián)盟開始將“宇宙神”、“德爾它”火箭的生產(chǎn)設(shè)施向生產(chǎn)“火神”火箭轉(zhuǎn)移[56]，以實現(xiàn)2021年首飛的目標(biāo)。內(nèi)華達(dá)山脈公司的“追夢者”飛船通過NASA的關(guān)鍵技術(shù)評估后，已經(jīng)完成首艘飛船主體結(jié)構(gòu)的組裝[57]，將于2021年執(zhí)行首次國際空間站貨運補給任務(wù)。未來該公司還將推出載人版“追夢者”飛船，躋身商業(yè)載人航天市場。

6 深空探索

隨著美國“阿爾忒彌斯”計劃的加速實施，“門戶”空間站各模塊加速建設(shè)，其他國家也更加關(guān)注月球探測，而以火星、小行星等為目標(biāo)的無人深空探測的熱度持續(xù)升溫。

6.1 “門戶”月球空間站與載人月球著陸系統(tǒng)進(jìn)展順利

由于“門戶”和載人月球著陸系統(tǒng)在“阿爾忒彌斯”計劃中將充當(dāng)重要的角色，因此在美國政府明確2024年登月的目標(biāo)之后，NASA迅速調(diào)整建設(shè)方案，充分利用美國的商業(yè)航天能力，加速推進(jìn)各個模塊的建設(shè)。為盡快實現(xiàn)載人登月，NASA只要求建設(shè)一座“最簡版”的“門戶”空間站[58]，只包括推進(jìn)艙和“迷你居住艙”2個艙段；這2個艙段加上SLS火箭和“獵戶座”飛船以及月球著陸器，將能幫助實現(xiàn)2024年載人登月。5月，NASA選定由麥克薩技術(shù)公司研制其月球“門戶”的電力與推進(jìn)組件[59]，為“門戶”提供電力與推力；7月，選定諾斯羅普·格魯曼公司為“門戶”建造居住艙[60]，將以“天鵝座”貨運飛船為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)。此外，NASA于8月正式發(fā)布了“門戶”貨運補給服務(wù)招標(biāo)文件[61]，計劃采取國際空間站商業(yè)貨運補給計劃的模式采購“門戶”的貨物補給服務(wù)，合同總額將高達(dá)70億美元。

9月，NASA發(fā)布載人登月著陸器的招標(biāo)文件[62]，該登陸器由轉(zhuǎn)移級、下降級和上升級組成，轉(zhuǎn)移級將運送航天員從“門戶”到近月軌道，下降級將攜帶航天員著陸月球表面，上升級將攜帶航天員返回“門戶”。NASA將選出兩家公司，分別承擔(dān)2024年和2025年載人登月著陸器系統(tǒng)的研制。

6.2 無人深空探測熱度不減

除月球外，各航天機構(gòu)還針對火星、水星、木星等太陽系行星實施或啟動無人探索項目。

NASA已經(jīng)選定12個月球科學(xué)與技術(shù)載荷[63]，對月球及月面開展研究，為載人重返月球提供支持。印度7月發(fā)射“月船”2號任務(wù)[64]，盡管“維克拉姆”著陸器月面軟著陸失敗，但軌道器仍可正常使用，繼續(xù)繞月飛行執(zhí)行觀測任務(wù)，可幫助印度繼續(xù)未來的深空探測活動。

日本“隼鳥”2號小行星探測器在“龍宮”小行星表面實施首次采樣任務(wù)[65]，并進(jìn)行撞擊試驗，在撞擊坑中采集“新鮮”樣品，用于太陽系演化和生命起源的研究。NASA選定“蜻蜓”任務(wù)[66]對土衛(wèi)六表面幾十個不同的地點進(jìn)行探測，采集樣品探尋土衛(wèi)六環(huán)境的可居住性，并搜尋過去或現(xiàn)存生命的化學(xué)證據(jù)。對于火星探測，NASA“機遇”號巡視器在完成近15年的工作后于2月正式關(guān)閉[67]，“機遇”號是美國NASA第二代火星巡視探測器，是在火星表面運行時間最長、行駛距離最遠(yuǎn)的探測器，在探索過程中發(fā)現(xiàn)了火星上曾存在地表水和大量水資源的證據(jù)，為科學(xué)家了解火星的地質(zhì)形成過程提供了巨大幫助。NASA還將于2020年再發(fā)射“火星2020”火星探測器繼續(xù)探索火星[68]，為未來的載人登陸火星做好準(zhǔn)備。

7 結(jié)語

2019年，“阿爾忒彌斯”任務(wù)極大地促進(jìn)了美國乃至世界的載人登月步伐，SLS火箭、“獵戶座”飛船、“門戶”、載人月球著陸系統(tǒng)、“葉尼塞”重型火箭的研制穩(wěn)步推進(jìn)；國際空間站發(fā)揮的科學(xué)試驗與研究作用更加明顯，新的創(chuàng)新層出不窮；載人“龍”飛船和“星際客船”雖然完成未載人首飛試驗，但未能實現(xiàn)載人首飛任務(wù)；下一代“超重-星船”運載系統(tǒng)開始驗證飛行，將為未來的深空探索提供更多的可能。展望2020年，美國的載人“龍”飛船和“星際客船”將完成首次商業(yè)載人飛行，美國從此將再次擁有本土運輸航天員進(jìn)入空間的能力；俄羅斯將完成“葉尼塞”重型火箭的詳細(xì)設(shè)計評審并向國際空間站發(fā)射“科學(xué)”多功能艙；功能更加強大的“火星2020”探測器將登陸火星，實現(xiàn)更大范圍的火星探測。世界載人航天將呈現(xiàn)出快速發(fā)展的局面。