2021 年國外載人航天發(fā)展初步分析

廖小剛， 王巖松

(軍事科學(xué)院， 北京 100142)

1 引言

2021 年是人類首次進(jìn)入太空60 周年，世界主要航天國家的載人航天活動進(jìn)入調(diào)整期。 美俄載人航天發(fā)展相對平穩(wěn)，繼續(xù)圍繞月球和國際空間站持續(xù)開展載人航天活動。 美國新政府繼續(xù)推進(jìn)載人登月計劃，由于主要航天系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)度延誤，2024 年載人登月的目標(biāo)被迫推遲；俄羅斯不斷調(diào)整載人航天長遠(yuǎn)計劃，工作重心從載人登月轉(zhuǎn)向近地軌道空間站；在繼續(xù)參與國際載人合作的同時，ESA(European Space Agency )繼續(xù)積極謀求發(fā)展獨(dú)立的載人航天能力。 商業(yè)太空旅游成為載人航天發(fā)展的新亮點(diǎn)，私營載人航天公司成功完成多次商業(yè)太空旅行。 國際空間站繼續(xù)促進(jìn)深空載人探索技術(shù)與地球科學(xué)技術(shù)發(fā)展，但部分設(shè)施嚴(yán)重老化，未來走向面臨諸多不確定性。

2 戰(zhàn)略與規(guī)劃

2021 年，美國、俄羅斯、日本、歐洲等國家和航天組織，不斷調(diào)整載人航天戰(zhàn)略與發(fā)展路線，以載人登月和近地軌道活動牽引各自載人航天能力建設(shè)。

2.1 美國

美國新一屆政府上臺后，載人登月系統(tǒng)研發(fā)力度有所下降，延遲登月已成定局。 2021 年拜登上任后，一直沒有發(fā)布與載人航天相關(guān)的政策與規(guī)劃文件；在NASA 的2022 財年預(yù)算中，僅表示將繼續(xù)推進(jìn)Artemis 計劃以及載人登陸火星設(shè)想，并沒有強(qiáng)調(diào)要在2024 年實(shí)現(xiàn)載人登月的目標(biāo)，且預(yù)算經(jīng)費(fèi)增長幅度也無法滿足NASA 實(shí)現(xiàn)近期登月的需求。 由于載人著陸系統(tǒng)、登月航天服等主要系統(tǒng)研發(fā)先后遭遇進(jìn)度延誤、經(jīng)費(fèi)不足等原因，NASA局長納爾遜于11 月宣布，原定2024 年的載人登月計劃將至少延遲到2025 年實(shí)現(xiàn)。 NASA 總監(jiān)察長辦公室于11 月發(fā)布的評估報告認(rèn)為，基于NASA 近年來重大航天飛行計劃的平均推遲情況，載人登月時間最晚將推遲到2028 年。 盡管遭遇了諸多困難與挑戰(zhàn)，但美國仍在繼續(xù)推進(jìn)載人登月計劃的實(shí)施，強(qiáng)調(diào)將繼續(xù)堅持探索月球和載人登陸火星的長遠(yuǎn)目標(biāo)。

2.2 俄羅斯

圖1 阿爾忒彌斯載人登月[5]Fig.1 Artemis human lunar mission[5]

俄羅斯載人登月計劃遭遇諸多困難，其工作重心已實(shí)際轉(zhuǎn)向近地軌道空間站。 2021 年9 月，由于技術(shù)風(fēng)險太大，采用安加拉火箭替代重型火箭實(shí)施登月的構(gòu)想被放棄；10 月，俄羅斯暫停了重型運(yùn)載火箭的所有研制工作，載人登月已無實(shí)施的物質(zhì)基礎(chǔ)。 相對于載人登月，俄羅斯更加重視近地軌道空間站的建設(shè)。 11 月，俄國家航天集團(tuán)正式啟動俄羅斯近地軌道空間站的研制工作。 俄羅斯載人航天工作重心的轉(zhuǎn)向，不僅是技術(shù)的原因，更是經(jīng)費(fèi)的考慮。 俄羅斯2022 年的航天經(jīng)費(fèi)約為29 億美元(遠(yuǎn)低于NASA 2022財年的248 億美元預(yù)算)，根本無力同時承擔(dān)載人登月與建設(shè)屬于俄羅斯的空間站，因此只能選擇其一作為重點(diǎn)發(fā)展。

2.3 ESA

ESA 在開展載人航天國際合作的同時，積極謀求發(fā)展獨(dú)立的載人航天能力。 11 月，ESA 召開各國航天局長峰會，將發(fā)展獨(dú)立的載人航天能力列為五大優(yōu)先任務(wù)之一。 歐洲希望借此確立其21 世紀(jì)航天強(qiáng)國(組織)的地位，并成為國際航天活動及載人航天活動中的重要角色。

2.4 日本

日本積極參與美國Artemis 計劃，持續(xù)支持載人航天活動開展。 由于不具備獨(dú)立的載人航天能力，日本一直依靠美國開展載人航天活動。 2021年1 月，日本與美國簽署月球門戶平臺合作協(xié)議，明確日本將為門戶空間站提供支持，以換取日本航天員進(jìn)駐門戶空間站。 3 月，日本眾議院通過總額約41.4 億美元的2021 財年航天預(yù)算，比2020 財年大幅增長23.1%，主要原因就是要參與Artemis 載人登月計劃。

2.5 印度

印度在俄羅斯的支持下，積極推進(jìn)首次載人航天任務(wù)。 3 月，印度航天員完成在俄羅斯的訓(xùn)練任務(wù)，并開始接收俄羅斯出口的航天服、航天座椅和舷窗等載人航天飛行系統(tǒng)，為不早于2023 年的首次載人航天飛行任務(wù)做好準(zhǔn)備。

2.6 其他國家

2021 年，一些非航天國家計劃參與航天大國載人航天活動與空間探索任務(wù)。 韓國、新西蘭、巴西、波蘭和墨西哥2021 年先后與美國簽署“阿爾忒彌斯協(xié)定”，希望通過與美國合作實(shí)現(xiàn)本國航天員的登月，以及發(fā)展本國的太空經(jīng)濟(jì)。 土耳其于2 月發(fā)布規(guī)劃未來十年航天發(fā)展的“國家航天計劃”，提出2023 年借助他國火箭實(shí)現(xiàn)月球硬著陸、2028 年使用本國火箭實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的目標(biāo)。

3 主要載人航天系統(tǒng)

3.1 新型運(yùn)載火箭研制進(jìn)度放緩

受疫情及技術(shù)等因素影響，各國新型運(yùn)載火箭的首飛都向后延遲或是暫停研制工作。

美國的航天發(fā)射系統(tǒng)火箭首飛從2021 年推遲至2022 年。 2021 年1 月，航天發(fā)射系統(tǒng)火箭芯級首次靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)失??；3 月，改進(jìn)后的航天發(fā)射系統(tǒng)火箭芯級完成靜態(tài)點(diǎn)火測試，標(biāo)志著芯級完成發(fā)射前的所有測試任務(wù)。 隨后，芯級于4 月從斯坦尼斯中心運(yùn)往肯尼迪航天中心，先后完成與固體助推器的總裝和安裝飛行軟件，并于10 月通過設(shè)計認(rèn)證審查。 由于進(jìn)度嚴(yán)重延誤，NASA 于10 月宣布SLS 的首飛任務(wù)從2021年推遲到2022 年。

圖2 航天發(fā)射系統(tǒng)火箭[25]Fig.2 Space Launch System[25]

俄羅斯的Yenisei 重型火箭暫停研制工作。為實(shí)現(xiàn)載人登陸月球并進(jìn)行持續(xù)開發(fā)，俄羅斯于2018 年開始啟動研制重型運(yùn)載火箭計劃，最初采用較為成熟的液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)；2021 年1 月，俄羅斯科學(xué)院認(rèn)為，重型運(yùn)載火箭應(yīng)采用最前沿、最先進(jìn)、成本最低的技術(shù)；隨后，Yenisei 重型運(yùn)載火箭的技術(shù)設(shè)計工作從2 月開始暫停，考慮轉(zhuǎn)向研發(fā)更便于回收的甲烷火箭發(fā)動機(jī)；9 月，Yenisei 重型運(yùn)載火箭的技術(shù)設(shè)計工作全部停止。 由于Yenisei 重型火箭是俄羅斯載人登月及建設(shè)月球基地的基礎(chǔ)，因此該型運(yùn)載火箭的停止研制將嚴(yán)重影響俄羅斯的載人登月計劃的實(shí)施。

日本的H-3 火箭研制繼續(xù)推遲。 原定于2021 年首飛的H-3 重型運(yùn)載火箭由于在7 月的試驗(yàn)中再次出現(xiàn)故障，首飛將推遲到2022 年進(jìn)行；歐洲的阿里安－6 運(yùn)載火箭進(jìn)展相對平穩(wěn)，也推遲到2022 年進(jìn)行首飛，比最初計劃的2020 年延遲2 年。

圖3 獵戶座與航天發(fā)射系統(tǒng)火箭組裝[32]Fig.3 Assembly of Orion and Space Launch System[32]

3.2 新一代飛船研制工作進(jìn)度不一

美國獵戶座飛船研制2021 年穩(wěn)步推進(jìn)。 獵戶座飛船于1 月完成全部組裝工作，已經(jīng)由洛克希德·馬丁公司移交給NASA 的探索地面系統(tǒng)部門；進(jìn)行后續(xù)的推進(jìn)劑加注、安裝發(fā)射中止系統(tǒng)等工作，并于10 月完成與航天發(fā)射系統(tǒng)火箭的集成工作，為2022 年Artemis-1 首飛任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。俄羅斯雄鷹飛船的首次載人任務(wù)面臨延誤。5 月，雄鷹飛船發(fā)動機(jī)完成氣候、腐蝕和燃燒壽命等測試，隨后飛船模型進(jìn)行飛行前的靜態(tài)和動態(tài)測試，暴露出的一些問題促使俄研發(fā)人員對飛船的熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計；11 月，俄能源火箭與航天集團(tuán)表示，雄鷹飛船的首次無人試飛任務(wù)仍將于2023 年進(jìn)行，但首次載人飛行任務(wù)將從2025 年推遲到2027 年。

3.3 航天員規(guī)模不斷擴(kuò)大

為滿足未來載人航天任務(wù)需要，繼美俄之后，ESA 和日本在2021 年先后啟動新航天員的招募與培訓(xùn)工作，以不斷擴(kuò)大航天員隊伍的規(guī)模。 歐洲航天局3 月開始招募新一批航天員，這也是ESA 十多年來首次發(fā)布招募航天員計劃；預(yù)計2022 年將選拔出4 名新航天員，以執(zhí)行國際空間站及未來的月球任務(wù)。 為支持美國領(lǐng)導(dǎo)的Artemis 登月任務(wù)，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)于11 月啟動13 年來首次新航天員招募活動，選拔結(jié)果將于2023 年公布，新航天員將可能有機(jī)會進(jìn)駐國際空間站或美國的門戶月球空間站。

3.4 美俄加緊航天發(fā)射場建設(shè)

NASA 圍繞探索地面系統(tǒng)和搜救回收開展工作。 NASA 于2021 年4 月完成肯尼迪航天中心新型航天器指令與控制系統(tǒng)的認(rèn)證工作，該系統(tǒng)專門用于解決Artemis 發(fā)射時的數(shù)據(jù)處理和發(fā)射操作。 9 月，NASA 完成探索地面系統(tǒng)第一輪綜合性試驗(yàn)，隨后開始獵戶座飛船的總裝工作。此外，SpaceX 公司12 月宣布將在肯尼迪航天中心39A 發(fā)射綜合設(shè)施內(nèi)新建一個超重－星船的發(fā)射塔架，將用于執(zhí)行星際探索任務(wù)。

俄羅斯繼續(xù)加快東方發(fā)射場二期建設(shè)和拜克努爾航天發(fā)射場改造。 俄總統(tǒng)普京9 月再度視察東方發(fā)射場，大大地促進(jìn)了該發(fā)射場的建設(shè)工作。 二期任務(wù)的核心是建設(shè)安加拉運(yùn)載火箭的發(fā)射工位，預(yù)定2023 年在東方發(fā)射場進(jìn)行安加拉A5 火箭以及雄鷹載人飛船的首飛。

4 國際空間站

2021 年，美、俄共向國際空間站發(fā)射16 艘飛船，其中5 次執(zhí)行載人飛船任務(wù)(俄羅斯3 次、美國2 次)，8 次執(zhí)行貨運(yùn)任務(wù)(俄羅斯3 次、美國5次)，2 次俄羅斯艙段運(yùn)輸任務(wù)，共向國際空間站運(yùn)送了14 名航天員和2 個艙段，擴(kuò)展了國際空間站的活動空間，并先后開展了數(shù)百項科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，取得多項重大進(jìn)展。

4.1 補(bǔ)充了新的國際空間站艙段與設(shè)備

2021 年，俄羅斯向國際空間站先后發(fā)射科學(xué)多功能艙和船塢號節(jié)點(diǎn)艙，完成國際空間站俄羅斯艙段的建造工作。 7 月，作為國際空間站俄羅斯艙段部分的最大艙段，科學(xué)號多功能實(shí)驗(yàn)艙與國際空間站實(shí)現(xiàn)對接，大幅改善航天員在軌工作與生活條件，并提升了國際空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?1 月，船塢號節(jié)點(diǎn)艙與國際空間站對接，可為國際空間站提供了5 個標(biāo)準(zhǔn)對接裝置，使國際空間站可同時對接更多的載人飛船、貨運(yùn)飛船，進(jìn)一步擴(kuò)展國際空間站的使用效率。

此外，NASA 于6 月向國際空間站部署了2套新型太陽能電池陣列，以增強(qiáng)原來的太陽能電池陣列， 可支持國際空間站持續(xù)工作到2030 年。

圖4 科學(xué)號多功能實(shí)驗(yàn)艙[48]Fig.4 Nauka multifunction module[48]

4.2 取得多項科學(xué)研究成果

2021 年，國際空間站航天員乘組共完成上百項科學(xué)研究任務(wù)，涉及技術(shù)開發(fā)及驗(yàn)證、生物及生命科學(xué)、物理學(xué)、地球及太空科學(xué)等領(lǐng)域。 7 月，歐洲航天局的等離子體晶體系列實(shí)驗(yàn)已持續(xù)進(jìn)行滿20 周年，迄今已經(jīng)發(fā)表100 余篇科學(xué)論文，幫助科學(xué)家了解行星是如何形成的。 同月，NASA航天員在國際空間站首次完成CRISPR/Cas9 基因組編輯，首次在太空中修復(fù)受損的酵母細(xì)胞DNA，也標(biāo)志著活細(xì)胞首次在太空成功轉(zhuǎn)化。 12月，俄羅斯在國際空間站使用激光在太空中進(jìn)行無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，該技術(shù)未來可為圍繞國際空間站和其他航天器的小型衛(wèi)星提供電能。

4.3 美、俄對于國際空間站未來發(fā)展存在分歧

美國繼續(xù)堅持其商業(yè)化近地軌道空間站的目標(biāo)，但在商業(yè)空間站還未成熟時，則希望國際空間站至少運(yùn)營到2028 年。 NASA 于8 月表示，從工程專業(yè)角度來看國際空間站能夠至少運(yùn)營到2028 年或更長時間；12 月，NASA 授予納米架公司團(tuán)隊、藍(lán)源公司團(tuán)隊及諾斯羅普·格魯曼公司團(tuán)隊共計4億美元的合同，進(jìn)行近地軌道商業(yè)空間站的設(shè)計工作，希望在2030 年前完成從國際空間站向商業(yè)空間站的轉(zhuǎn)化。 俄羅斯則希望發(fā)展自己的軌道空間站，俄副總理鮑里索夫4 月表示，鑒于國際空間站已經(jīng)嚴(yán)重老化，俄羅斯計劃著手建造自己的軌道空間站。 國際空間站俄羅斯艙段負(fù)責(zé)人8 月表示，俄羅斯艙段各系統(tǒng)目前處于嚴(yán)重老化狀態(tài)，星辰號艙段80%的系統(tǒng)超出使用壽命，無法保證2025 年后仍能正常工作。俄羅斯此舉也是希望獲得美國的經(jīng)費(fèi)支持，若沒有得到美國的經(jīng)費(fèi)，俄羅斯可能將從2025 年退出國際空間站項目，并將其相關(guān)任務(wù)轉(zhuǎn)移給國際空間站的合作伙伴，轉(zhuǎn)而建設(shè)自己的空間站。

5 商業(yè)載人航天

美國商業(yè)載人航天能力2021 年持續(xù)快速發(fā)展，SpaceX 公司、藍(lán)源公司、維基銀河公司等商業(yè)航天公司完成多次私人商業(yè)太空飛行，拉開商業(yè)太空旅行的大幕；以SpaceX 公司為代表的商業(yè)載人航天力量繼續(xù)快速發(fā)展，技術(shù)進(jìn)一步成熟，并從近地軌道不斷向深空拓展。

5.1 商業(yè)太空旅行拉開序幕

7 月，維珍銀河公司、藍(lán)源公司先后完成太空船二號、新謝帕德系統(tǒng)的首次商業(yè)載人亞軌道旅游，進(jìn)一步驗(yàn)證了各自商業(yè)載人航天運(yùn)載器的技術(shù)安全性，為后續(xù)開展常態(tài)化商業(yè)亞軌道飛行奠定了基礎(chǔ)，商業(yè)亞軌道旅游已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展的新時期。

9 月，SpaceX 公司利用獵鷹－9 火箭/載人龍飛船成功完成激勵－4 飛行任務(wù)，將4 位普通民眾送入軌道。 本次任務(wù)是首次無專業(yè)航天員參與的軌道飛行任務(wù)，開啟了載人航天新的任務(wù)類型，使全平民、商業(yè)化的軌道太空旅游成為可能。未來，隨著多型軌道飛行器、亞軌道飛行器投入商業(yè)服務(wù)，太空旅游有望進(jìn)入快速發(fā)展期，成為世界載人航天的重要組成部分。

5.2 商業(yè)載人航天活動繼續(xù)加速發(fā)展

以SpaceX 公司為代表的商業(yè)載人航天力量繼續(xù)得到加速發(fā)展，已成為載人航天發(fā)展的新寵。4 月和10 月，SpaceX 公司利用獵鷹－9 火箭/載人龍飛船成功執(zhí)行2 次商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)任務(wù)，將8 名航天員送入國際空間站，并首次使用復(fù)用的載人龍飛船和復(fù)用的獵鷹－9 火箭組合執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)。 在完成一系列星船原型機(jī)亞軌道飛行(飛行高度為10 ～12.5 km)及軟著陸試驗(yàn)之后，SpaceX 公司8 月將首艘軌道級星船和超重火箭完成集成組裝，為2022 年超重－星船的首次軌道飛行試驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。 11 月，藍(lán)源公司推出新格倫火箭一子級模擬試驗(yàn)件，將用于地面操作倒計時演練，幫助新格倫運(yùn)載火箭于2022 年實(shí)現(xiàn)首飛。 電子公司也將推出新型的中子運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)輸能力將達(dá)到8.5噸，也可用于執(zhí)行載人航天發(fā)射任務(wù)，將為載人航天發(fā)射增添新的力量。

5.3 商業(yè)公司承擔(dān)更多深空探索系統(tǒng)研發(fā)工作

隨著商業(yè)航天力量的不斷成熟壯大，NASA越來越依靠商業(yè)航天力量來完成深空探索任務(wù)。其一是研制載人著陸系統(tǒng)。 2021 年4 月，NASA將載人著陸系統(tǒng)的研制工作授予SpaceX 公司，開發(fā)用于首次載人登月任務(wù)的載人月球著陸器，以幫助航天員從月球軌道到達(dá)月球表面并從月球表面返回。 7 月，NASA 還啟動了未來月球著陸器研制的招標(biāo)工作，尋求商業(yè)公司開發(fā)用于后續(xù)載人登月任務(wù)的月球著陸器。 其二是參與門戶空間站的建設(shè)。 NASA 于7 月宣布由諾斯羅普·格魯曼公司負(fù)責(zé)研制門戶月球空間站的居住與后勤前哨艙段。 該艙段作為門戶平臺的首批艙段之一，主要用作訪問乘員的居住艙及月球軌道設(shè)施的指揮所。 其三是執(zhí)行深空運(yùn)輸任務(wù)。2 月，NASA 授予SpaceX 公司合同，將使用獵鷹重型運(yùn)載火箭將門戶空間站的前2 個艙段——動力與推進(jìn)艙和居住與后勤前哨艙段發(fā)射至月球預(yù)定軌道。 4 月，太空機(jī)器人技術(shù)也選擇獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射格里芬月球著陸器，目標(biāo)是在2023 年下半年將毒蛇號極地水資源探測車運(yùn)送至月球南極。

6 深空探索

為推進(jìn)未來的載人登陸火星及其他目的地，美國、俄羅斯2021 年加快了核推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更快更安全地探索深空；以火星、小行星等為目標(biāo)的無人深空探索的熱度持續(xù)升溫。

6.1 加快核推進(jìn)技術(shù)研發(fā)

圖5 載人著陸系統(tǒng)[70]Fig.5 Manned landing system[70]

核推進(jìn)技術(shù)在促進(jìn)載人探索火星、月球等方面具有巨大潛力，為加速核推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，美國國家科學(xué)院2 月發(fā)布研究報告稱，核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)兩項技術(shù)均能縮短火星探測飛行的時間，且核熱推進(jìn)更加成熟，建議NASA 加速該技術(shù)研發(fā)，以確保2039 年可用于載人火星探索。 7 月，NASA 與能源部合作，啟動核熱推進(jìn)系統(tǒng)反應(yīng)堆概念設(shè)計工作，以支撐其未來的深空探索。 俄羅斯于7 月在莫斯科航展上展出宙斯核動力飛船模型，該核飛船將于2030 年發(fā)射，前往木星執(zhí)行探測任務(wù)。

6.2 無人深空探索持續(xù)發(fā)展

2021 年2 月，NASA 火星2020 探測任務(wù)下的毅力號漫游車成功降落到火星表面的杰澤羅環(huán)形山內(nèi)，開啟研究火星地質(zhì)、搜尋生命存在跡象、驗(yàn)證利用二氧化碳制造氧氣的能力，進(jìn)行火星土壤的采樣工作，還要對車上搭載的火星直升機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。 10 月，NASA 發(fā)射LUCY 小行星科學(xué)探測器，將開啟為期12 年的探索任務(wù)，以訪問特洛伊帶的8 顆小行星，并將創(chuàng)造單個航天器訪問小行星數(shù)目最多的紀(jì)錄。 11 月，NASA 發(fā)射撞擊小行星的DART 探測器，DART 將與雙小行星系統(tǒng)的小衛(wèi)星相撞，以改變其繞母星運(yùn)行的軌道，驗(yàn)證通過撞擊將對地球具有威脅的天體改變軌跡的概念。

圖6 毅力號火星車降落火星[76]Fig.6 The rover YiLi landed on Mars[76]

7 結(jié)語

展望2022 年，世界載人航天發(fā)展將迎來新發(fā)展，美國的太空發(fā)射系統(tǒng)/獵戶座飛船將實(shí)現(xiàn)首次航天發(fā)射，將為美國未來的載人登月奠定基礎(chǔ)；SpaceX 公司的超重－星船將進(jìn)行首次軌道級試飛，將推動在2024 年實(shí)現(xiàn)首次載人登陸火星和登陸月球；統(tǒng)一發(fā)射聯(lián)盟的火神火箭、藍(lán)源公司的新格倫火箭、俄羅斯的聯(lián)盟5 火箭、日本的H-3 火箭和歐洲的阿里安6 火箭都將實(shí)現(xiàn)首飛，為載人航天發(fā)射提供更強(qiáng)大的發(fā)射工具。