2020年國外航天發(fā)展重要進展

文|方勇

軍事科學院軍事科學信息研究中心

2020年，主要航天國家加緊太空力量建設(shè)，太空實戰(zhàn)化進程加速；美國加快推進下一代太空體系架構(gòu)發(fā)展，引領(lǐng)未來太空體系變革；商業(yè)載人航天取得重大進展，將深刻影響未來航天發(fā)展格局；航天前沿技術(shù)不斷取得新突破，推動航天領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。

一、戰(zhàn)略規(guī)劃與航天力量建設(shè)

1.美國密集發(fā)布航天戰(zhàn)略規(guī)劃

2020年以來，美國密集發(fā)布航天建設(shè)戰(zhàn)略規(guī)劃，推動航天力量建設(shè)。

4月，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布《月球持續(xù)探索與開發(fā)規(guī)劃》，指出美國將于2023年抵達近月空間，于2024年再次實現(xiàn)載人登月，隨后將在月球南極建設(shè)“阿爾忒彌斯”（Artemis）營地，開展長期經(jīng)濟與科技活動，并支持21世紀30年代的首次載人登火。

6月，美國防部發(fā)布《國防太空戰(zhàn)略》，提出了“維持太空優(yōu)勢、為國家和聯(lián)合作戰(zhàn)提供太空支持、確保太空穩(wěn)定”三大目標，將“建立全面太空軍事優(yōu)勢、整合聯(lián)合作戰(zhàn)體系、塑造戰(zhàn)略環(huán)境、加強與盟友及其他政府機構(gòu)合作”作為美國未來軍事太空力量建設(shè)的四大優(yōu)先事項。

8月，太空軍首次發(fā)布軍種頂層條令《太空力量》，指導太空力量建設(shè)發(fā)展?！短樟α俊访鞔_提出美國太空軍作為國家太空力量和軍事太空力量的三大核心職責：維護在太空、自太空和向太空的行動自由，提高聯(lián)合部隊的殺傷力和作戰(zhàn)效能，為國家領(lǐng)導層提供獨立的作戰(zhàn)選項。五大核心能力：太空安全、作戰(zhàn)力量投送、太空機動與后勤、信息機動、太空域感知。七類學科：軌道戰(zhàn)、太空電磁戰(zhàn)、太空作戰(zhàn)管理、太空進出與維持、軍事情報、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)、工程/采辦。

9月，美國白宮發(fā)布《五號太空政策令：太空系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全原則》，旨在指導美政府機構(gòu)和商業(yè)企業(yè)，合作構(gòu)建太空系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范。政策令提出，適用地面系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全原則和做法也適用于太空系統(tǒng)。為強化太空系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全，美國將采取以下措施：一是防止與關(guān)鍵航天器功能相關(guān)的未經(jīng)授權(quán)的訪問；二是旨在減少航天器指揮、控制與遙測接收器系統(tǒng)漏洞的物理保護措施；三是防止通信干擾和欺騙；四是采用審慎的網(wǎng)絡(luò)安全最佳做法來保護地面系統(tǒng)、運行技術(shù)與信息處理系統(tǒng)；五是采取適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全“凈網(wǎng)”做法，確保自動化信息系統(tǒng)的物理安全；六是通過跟蹤制造的產(chǎn)品，管理影響太空系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的供應(yīng)鏈風險。

11月，太空軍發(fā)布《太空作戰(zhàn)部長規(guī)劃指南》，提出未來十年太空軍建設(shè)的五大優(yōu)先事項：一是建立精簡敏捷的部隊，減少官僚主義；二是培養(yǎng)新型聯(lián)合作戰(zhàn)人員，利用虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)訓練提高作戰(zhàn)和決策能力；三是發(fā)展輔助太空作戰(zhàn)的新能力，根據(jù)太空作戰(zhàn)分析設(shè)計部隊結(jié)構(gòu)，提高采辦效率，增強民用和商業(yè)太空力量競爭優(yōu)勢；四是擴大與其他軍種、情報界、工業(yè)界、學術(shù)界及盟國的合作；五是發(fā)展數(shù)字化太空軍以加速創(chuàng)新，開發(fā)數(shù)字化采辦系統(tǒng)，應(yīng)用機器學習等技術(shù)輔助決策，推動太空軍數(shù)字化作戰(zhàn)。

12月，特朗普政府發(fā)布新版《國家航天政策》，修訂了2010年奧巴馬執(zhí)政期間頒布的《國家航天政策》。新版政策重申了美國在空間領(lǐng)域的領(lǐng)導地位和作為世界上最重要的航天國家的地位，認為空間是國家的當務(wù)之急。美國將鼓勵和促進商業(yè)航天部門的持續(xù)增長，在促進美國核心利益的同時創(chuàng)造新的市場和促進創(chuàng)業(yè)精神。新版《國家航天政策》還指出，美國繼續(xù)調(diào)整其國家安全戰(zhàn)略，以保護國家空間利益，新成立的太空軍將作為武裝部隊保護美國在太空的行動自由和進出太空的自由能力。

2.美國加快太空軍建設(shè)

2020年6月，美國太空軍宣布將在總部下設(shè)3個直屬司令部：太空作戰(zhàn)司令部，負責組織、訓練與裝備向美軍各作戰(zhàn)司令部派駐的太空部隊，以在全球遂行太空軍事行動；太空系統(tǒng)司令部，負責研發(fā)與部署太空系統(tǒng)；太空訓練與戰(zhàn)備司令部。

11月3-4日，美國太空軍首次主持了施里弗太空戰(zhàn)系列演習——“施里弗演習2020”。此次演習主題為戰(zhàn)略信息在聯(lián)盟間相互傳遞，以幫助提高聯(lián)盟的太空能力，共同應(yīng)對中俄的威脅活動?？紤]到疫情，演習利用“戰(zhàn)地信息利用與收集系統(tǒng)”采取虛擬形式進行，主要對“深入討論”形成的一系列建議進行演練與驗證。演習的成果將幫助新成立的“頂層聯(lián)盟委員會”，用于制定發(fā)展聯(lián)盟太空能力的路線圖。

3.美國與八個盟國簽署《阿爾忒彌斯協(xié)定》

2000年，美國NASA先后與澳大利亞、加拿大、日本、盧森堡、意大利、阿拉伯聯(lián)合酋長國、英國和烏克蘭8個國家簽署《阿爾忒彌斯協(xié)定》。2020年5月，NASA首次發(fā)布該協(xié)議，內(nèi)容主要包括互操作性、緊急援助、空間物體的登記、科學數(shù)據(jù)發(fā)布、保護遺產(chǎn)、太空資源開發(fā)、避免活動的相互沖突、軌道碎片和航天器處置等八條建議，從國際角度為開采太空資源掃清障礙，將打造以美國為首的“阿爾忒彌斯”月球開發(fā)聯(lián)盟，搶占月球資源開發(fā)的先機。

4.日本成立首支太空作戰(zhàn)中隊

5月18日，日本在航空自衛(wèi)隊下成立太空作戰(zhàn)中隊，初始規(guī)模約20人，駐扎東京都府中空軍基地，預(yù)計2023年擴至100人并具備全面作戰(zhàn)能力。該部隊主要任務(wù)是監(jiān)控可疑衛(wèi)星和太空碎片、隕石等，實時進行“太空狀況監(jiān)視”，以保護日本衛(wèi)星免遭其他國家的反衛(wèi)星武器以及太空碎片等襲擊。

該部隊將在日本山口縣安裝太空監(jiān)視雷達，并將通過日本防衛(wèi)省與美軍、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）共同構(gòu)建太空監(jiān)視體系，逐步建造以高性能雷達與光學望遠鏡為主的地基太空監(jiān)測設(shè)施，預(yù)計在2022～2023年具備太空監(jiān)測能力。此外，該部隊還將與美太空軍加強合作，其預(yù)備成員已被派往美國科羅拉多空軍基地接受美方培訓，并準備向新成立的美國聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心派遣聯(lián)絡(luò)官。

5.日本時隔5年修訂太空基本計劃

日本內(nèi)閣府宇宙開發(fā)戰(zhàn)略本部于6月29日召開會議，對日本太空基本計劃進行修訂。日本將參與美國主導的月球“門戶”（Gateway）空間站建設(shè)，為日本航天員爭取活動機會；強化衛(wèi)星運用，并爭取在2030年左右實現(xiàn)日本約合111億美元太空產(chǎn)業(yè)規(guī)模的倍增等。主要目標有：①確保太空安全。將建設(shè)共7顆衛(wèi)星的“準天頂”衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）體系并開發(fā)后繼衛(wèi)星；2022年前發(fā)射第3顆X波段軍用通信衛(wèi)星；發(fā)射第10顆情報收集衛(wèi)星。②致力于解決災(zāi)害、國土強化和全球規(guī)模問題。③推動太空科學技術(shù)創(chuàng)新?；诂F(xiàn)有技術(shù)，推進太空科學與探索；通過參與美國“阿爾忒彌斯”計劃，為日本航天員爭取活動機會，實現(xiàn)載人登月。④實現(xiàn)以太空為推動力的經(jīng)濟增長與創(chuàng)新。將推進衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用，建設(shè)開放且自由的政府衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫，通過低軌道活動促進經(jīng)濟發(fā)展等。⑤強化產(chǎn)業(yè)及科技基礎(chǔ)支撐日本太空活動。將開發(fā)、利用運載火箭，研發(fā)低成本太空運輸系統(tǒng)，構(gòu)建戰(zhàn)略性衛(wèi)星開發(fā)與驗證框架；開發(fā)與驗證量子密碼通信、太空光通信、衛(wèi)星星座、太赫茲波等有關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)。修訂案明確表示日本將與同盟國采取合作，強化支持太空活動自主的產(chǎn)業(yè)和科技基礎(chǔ)，實現(xiàn)“成為自主的太空利用大國”目標。

二、航天新技術(shù)發(fā)展

1.俄羅斯開始研制首型可重復使用火箭

俄先期研究基金會宣布，將研發(fā)俄首款可重復使用運載火箭樣機飛翼-SV，計劃2023年首飛。俄先期研究基金會計劃未來4年，在亞聲速驗證機上測試火箭自動著陸和亞聲速飛行模式，在高超聲速驗證機上測試高超聲速飛行模式。飛翼-SV是可重復使用帶翼輕型火箭的一子級，長6m，直徑0.8m，樣機尺寸為實物的1/3；采用新型“旋風”發(fā)動機，飛行速度最高達馬赫數(shù)6；按照設(shè)計構(gòu)想將實現(xiàn)重復使用。飛翼-SV是先期研究基金會和俄國家航天集團公司的聯(lián)合項目。

2.美國加快提升太空態(tài)勢感知能力

3月27日，美國太空軍宣布S波段“太空籬笆”地基太空目標監(jiān)視雷達系統(tǒng)具備初始運行能力，標志美軍歷時十年研制的新一代地基監(jiān)視雷達正式投入使用。S波段“太空籬笆”系統(tǒng)目前基本確定由兩部雷達和一個運行中心構(gòu)成。首個雷達站在夸賈林環(huán)礁部署，第二個雷達站計劃在澳大利亞部署。

4月23日，美國太空軍太空與導彈系統(tǒng)中心宣布部署在澳大利亞的太空監(jiān)視望遠鏡（SST）組裝完畢，該望遠鏡于3月5日首次用于觀測軌道物體的圖像。SST旨在實現(xiàn)對高軌小目標的廣域搜索、探測和跟蹤，可進一步提高美國太空領(lǐng)域的實時感知能力，將用于太空交通管理與太空防御及保護等領(lǐng)域，可滿足美國和澳大利亞的更廣泛需求，預(yù)計2022年投入使用。

3.美國諾格公司開始提供全球首次在軌延壽服務(wù)

4月17日，國際通信衛(wèi)星公司宣布，美國諾格公司的任務(wù)擴展飛行器-1（MEV-1）航天器以對接并接管衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制功能的方式，使國際通信衛(wèi)星公司推進劑耗盡的國際通信衛(wèi)星-901（Intelsat-901）恢復運行，標志著在軌服務(wù)航天器首次實現(xiàn)工程應(yīng)用。

“任務(wù)擴展飛行器”可延長失去姿軌控功能衛(wèi)星的壽命或?qū)⑵渫现列碌能壍缊?zhí)行新任務(wù)，從而節(jié)省重新建造和發(fā)射衛(wèi)星的成本。MEV-1設(shè)計壽命15年，為Intelsat-901服務(wù)5年后，保守估計還能繼續(xù)服務(wù)2顆衛(wèi)星，使這些衛(wèi)星繼續(xù)發(fā)揮商業(yè)或軍事價值。隨著更多的“任務(wù)擴展飛行器”發(fā)射入軌，其服務(wù)規(guī)模將逐步擴大?！叭蝿?wù)擴展飛行器”具有太空攻防潛力，其機動能力強、通用對接性好，戰(zhàn)爭或沖突期間，可提供下列攻防操作：一是通過機動能力撞擊對手航天器使其偏離軌道；二是通過繞飛和巡視己方航天器，并與其他太空態(tài)勢感知裝備配合使用，可在發(fā)現(xiàn)威脅時告警；三是利用機動能力攜帶己方航天器躲避。

4.芬蘭冰眼公司在軌驗證合成孔徑雷達視頻生成能力

3月9日，芬蘭冰眼公司宣布利用100kg以下的“冰眼”商業(yè)合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星驗證了視頻生成能力，幀頻1幀/2s，每幀分辨率1m。單顆衛(wèi)星過頂特定區(qū)域時，對其成像20s以上，將所得數(shù)據(jù)處理成多個高分辨率幀。SAR視頻數(shù)據(jù)有助于使分析人員對移動目標進行更深入的技術(shù)分析，可視化表達分析結(jié)果，更好地支撐決策，也將促進高級圖像分析市場繼續(xù)增長。這是世界首次基于微衛(wèi)星的天基視頻SAR在軌驗證，有望推動低成本、天基全球動態(tài)目標監(jiān)視能力發(fā)展。

5.美國推進航天下一代太空體系架構(gòu)發(fā)展

5月1日，美國太空發(fā)展局（SDA）發(fā)布《太空傳輸層0期工作說明》，正式啟動下一代太空體系架構(gòu)研制工作。傳輸層是美未來下一代太空體系架構(gòu)骨干，將為美軍全球作戰(zhàn)平臺提供有保證、韌性、低延遲的數(shù)據(jù)通信處理能力。傳輸層由太空段和地面段組成，太空段包括一個由20顆衛(wèi)星組成的異構(gòu)衛(wèi)星星座。傳輸層20顆衛(wèi)星將數(shù)據(jù)從衛(wèi)星沿高速在軌通道傳輸至武器系統(tǒng)，屬于美國防部“聯(lián)合全域指揮控制”的太空部分。

美國太空發(fā)展局將采取螺旋式開發(fā)方法，第0批衛(wèi)星將作為測試和訓練部分，演示驗證下一代太空體系架構(gòu)與其他作戰(zhàn)方式的集成。第0批衛(wèi)星有6個驗證目標：一是驗證通過光學星間鏈路網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)向作戰(zhàn)人員傳輸?shù)脱舆t數(shù)據(jù)；二是驗證通過傳輸層將數(shù)據(jù)從外部的天基傳感器向作戰(zhàn)人員傳輸?shù)哪芰?；三是驗證有限的戰(zhàn)斗管理功能；四是跨網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將“一體化廣播系統(tǒng)”數(shù)據(jù)傳輸至作戰(zhàn)人員；五是近乎實時地通過網(wǎng)絡(luò)存儲、中繼和傳輸Link 16數(shù)據(jù)；六是提供獨立于GPS的通用授時參考。預(yù)計該批衛(wèi)星將于2022財年第四季度發(fā)射。

6.在軌衛(wèi)星首次利用人工智能處理地球觀測圖像

愛爾蘭Ubotica技術(shù)公司宣布，人工智能技術(shù)首次成功應(yīng)用在一顆在軌衛(wèi)星上，利用硬件加速型人工智能技術(shù)對地球觀測圖像進行推斷。該衛(wèi)星是歐洲航天局（ESA）人工智能驗證立方體衛(wèi)星Pi-sat-1，于當?shù)貢r間9月2日由“織女星”運載火箭發(fā)射。衛(wèi)星傳回的初始數(shù)據(jù)顯示，人工智能驅(qū)動的自動云檢測算法已將衛(wèi)星傳感器提供的高光譜地球觀測圖像正確分為有云遮擋數(shù)據(jù)和無云遮擋數(shù)據(jù)。這是在在軌Pi-sat-1衛(wèi)星上，而非在地面上進行的，證明能夠預(yù)先對地球觀測數(shù)據(jù)進行過濾，將具有可用信息的圖像傳輸?shù)降孛?，從而提高帶寬利用率，顯著降低傳輸成本。Pi-sat-1演示了“終極邊緣”數(shù)據(jù)處理如何讓小型衛(wèi)星利用極其有限的資源取得更大成果。云檢測很容易實現(xiàn)，但真正的目標是通過原始圖像產(chǎn)生用戶友好、可直接發(fā)送給消費者的增值數(shù)據(jù)。

7.“星鏈”（Starlink）計劃快速部署

11月25日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)射第16批“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星60顆?！靶擎湣庇媱澘焖俨渴?，全年高密度發(fā)射14批800多顆，衛(wèi)星星座總量接近1000顆，并已在美國和加拿大開展公測。SpaceX表示，“星鏈”衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)目前能夠以低于30ms的延遲提供100Mbit/s的下載速度，與地面基站互聯(lián)網(wǎng)的速度差不多。“星鏈”計劃將從2021年中開始，面向全球提供高速、低延遲的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

三、載人航天與深空探測

1.美國“載人龍”飛船首次執(zhí)行商業(yè)載人航天任務(wù)

11月15日，“載人龍”飛船由獵鷹九號火箭從佛羅里達州肯尼迪航天中心發(fā)射升空。發(fā)射大約12分鐘后，飛船與火箭分離，繼續(xù)飛向國際空間站。參與這次航天任務(wù)的4名航員分別是NASA航天員霍普金斯、格洛韋爾、沃克和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的航天員野口聰一。此次飛行任務(wù)是NASA 認證的首個商業(yè)載人航天任務(wù)，也是美國聯(lián)邦航空局商業(yè)太空運輸辦公室許可的首次軌道載人飛行任務(wù)，將使美國擺脫依賴俄羅斯載人航天系統(tǒng)長達9年的局面，開啟商業(yè)載人航天的新紀元。

2.阿聯(lián)酋、美國發(fā)射火星探測器

7月20日，阿聯(lián)酋的首個火星探測器希望號升空。希望號攜帶3組研究火星大氣層和監(jiān)測氣候變化的設(shè)備，自升空以來，已經(jīng)成功完成了3次軌道修正，飛行了約3億多千米，目前距離火星還有約1.35億千米，預(yù)計將在2021年2月9日到達火星軌道，隨后將環(huán)繞火星飛行，主要針對火星大氣進行探測。

7月30日，美國發(fā)射“火星2020”（Mars 2020）探測器，它由巡航級、下降級、減速器和毅力號（Perseverance）火星車等部件組成，最后只有毅力號火星車降落在火星表面。毅力號上裝有23臺相機，包括工程相機、避險相機，以及可實現(xiàn)彩色成像、三維成像、微距成像、發(fā)射紫外激光等一系列復雜功能的相機。毅力號探測器將進行一次近7個月的火星旅行，并于2021年2月18日在火星“杰澤羅”隕坑內(nèi)以“空中起重機”方式安全著陸。

3.美國“奧西里斯-雷克斯”探測器執(zhí)行首次小行星采樣

10月20日，美國“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探測器執(zhí)行首次小行星表面采樣。該探測器采用名為“自然特征跟蹤”的新導航技術(shù)，引導其精確到達小行星“班努”表面的主采樣點“夜鶯”撞擊坑；然后，探測器上伸出的“接觸即分離樣品獲取機構(gòu)”（TAGSAM）在撞擊坑中停留幾秒鐘，期間TAGSAM發(fā)射加壓氮氣，將小行星表面細小物質(zhì)噴起并收集這些物質(zhì)。

4.NASA研發(fā)6大關(guān)鍵技術(shù)推動載人火星任務(wù)

為在2030年代實現(xiàn)載人火星任務(wù)，NASA正在積極研發(fā)6大關(guān)鍵技術(shù)。①推進技術(shù)：目前NASA的主要研究方向是核電推進與核熱推進。②充氣式隔熱罩：充氣式隔熱罩可有效幫助航天器在進入火星大氣層時完成減速，以實現(xiàn)安全著陸。③高科技火星太空服：NASA正在研制的高科技火星太空服采用模塊化設(shè)計、配備便攜式生命保障系統(tǒng)，并加強了對宇宙輻射的防護等。④加壓式火星漫游車：備有航天員所需的一切生活用品和實驗設(shè)備，可維持數(shù)周使用。⑤可持續(xù)動力系統(tǒng)：NASA已經(jīng)在地球上測試了核裂變動力技術(shù)，并證明了該技術(shù)安全、高效、可長時間供能。NASA計劃首先在月球上演示并使用核裂變動力系統(tǒng)，然后在火星上演示。⑥激光通信系統(tǒng)：激光通信系統(tǒng)可向地球發(fā)送大量的實時信息和數(shù)據(jù)，包括高清圖像、視頻等。使用當前的無線電系統(tǒng)，向地球發(fā)送火星地圖可能需要9年，而使用激光通信則僅需要9周。

5.日本隼鳥二號小行星取樣返回

日本隼鳥二號小行星探測器在完成了對“龍宮”小行星采樣返回任務(wù)后，于2020年12月6日，回收艙在澳大利亞南部著陸，完成回收任務(wù)。12月15日，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)宣布，在隼鳥二號送回地球的密封艙內(nèi)確認了直徑數(shù)毫米肉眼可見的大量黑色沙粒，樣本為探測器在小行星“龍宮”采集，從地球外帶回樣本的取樣返回獲得成功。