2021年國外載人航天發(fā)展綜述

宋國梁（北京空間科技信息研究所）

2021年，國外載人航天領(lǐng)域共開展16次發(fā)射任務(wù)，其中包括6次載人飛船發(fā)射任務(wù)、8次貨運飛船發(fā)射任務(wù)、2次空間站艙段發(fā)射任務(wù)。美國“載人龍”（Crew Dragon）飛船開展3次任務(wù)，“貨運龍”（Cargo Dragon）飛船開展3次任務(wù)，“天鵝座”（Cygnus）飛船開展2次貨運任務(wù)；俄羅斯“聯(lián)盟MS”（Soyuz MS）飛船執(zhí)行3次載人任務(wù)，“進步MS”（Progress MS）飛船執(zhí)行3次貨運任務(wù)，“進步M—UM”執(zhí)行1次空間站艙段運送任務(wù)，質(zhì)子—M（Proton—M）運載火箭執(zhí)行1次空間站艙段發(fā)射任務(wù)。另外，太空船二號（SpaceShipTwo）、“新謝潑德”（New Shepard）系統(tǒng)在2021年執(zhí)行亞軌道飛行任務(wù)5次。

2021年，載人航天繼續(xù)快速發(fā)展。美國“貨運龍”飛船完成重復(fù)使用并創(chuàng)下飛船新的復(fù)用周轉(zhuǎn)紀(jì)錄，“載人龍”飛船實現(xiàn)世界首次載人飛船重復(fù)使用；NASA為確保在近地空間站不出現(xiàn)能力斷檔風(fēng)險，努力將“國際空間站”（ISS）延壽至2030年并促進商業(yè)空間站建設(shè)；放棄激進的登月時間表，繼續(xù)推進“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃的實施，擴展新的合作伙伴。俄羅斯成功發(fā)射科學(xué)號（Nauka）多功能實驗艙和停泊號（Prichal）節(jié)點艙，完成“國際空間站”俄羅斯艙段擴建，大幅提升其在軌應(yīng)用能力；繼續(xù)推進“雄鷹”（Orel）等新一代載人飛船研制工作，目標(biāo)在2030年前后完成載人登月。除政府載人航天任務(wù)外，“星艦”（Starship）系統(tǒng)的研制和試驗工作持續(xù)推進，商業(yè)軌道和亞軌道旅游實現(xiàn)快速發(fā)展。

1 圍繞“國際空間站”項目持續(xù)增強近地軌道載人航天能力

載人飛船和貨運飛船相繼實現(xiàn)重復(fù)使用，近地軌道運輸系統(tǒng)效能大幅提升

太空探索技術(shù)公司（SpaceX）于2021年4月23日利用獵鷹—9（Falcon—9）運載火箭成功發(fā)射“載人龍”飛船，執(zhí)行第2次“國際空間站”業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運輸服務(wù)，實現(xiàn)世界首次載人飛船復(fù)用，以及首次復(fù)用火箭和復(fù)用飛船的組合發(fā)射。執(zhí)行本次任務(wù)的“載人龍”飛船是執(zhí)行過演示—2（Demo—2）載人飛行試驗任務(wù)的奮進號（Endeavour）飛船。SpaceX公司與美國國家航空航天局（NASA）工作人員合作，花費數(shù)月對飛船進行翻修，用以執(zhí)行本次飛行任務(wù)。為確保乘員安全，通常情況下“載人龍”飛船的翻修需要對艙內(nèi)的部分閥門、熱防護系統(tǒng)組件、降落傘系統(tǒng)等進行替換。此次翻修過程中，SpaceX公司還對飛船進行了其他重要改進，使飛船具有更寬松的發(fā)射和著陸氣象條件準(zhǔn)則。其中一項是對結(jié)構(gòu)進行加強，使飛船能夠在更大風(fēng)速和浪高情況下返回并濺落，擴大著陸窗口；另一項重要改進是增加逃逸系統(tǒng)推進劑的加注量，提升飛船的發(fā)射中止性能，降低發(fā)射限制，使飛船在地面風(fēng)速較強的情況下也可以發(fā)射。

SpaceX公司于8月29日首次復(fù)用升級的“貨運龍”飛船完成第二階段商業(yè)再補給服務(wù)（CRS）合同的第3次任務(wù)，復(fù)用代號為C208的“貨運龍”飛船。該飛船曾在2020年12月首次執(zhí)行“國際空間站”任務(wù)，在軌飛行近40天后于2021年1月14日安全從軌道返回地球。C208飛船在不到8個月后再次發(fā)射入軌，創(chuàng)下“龍”飛船新的周轉(zhuǎn)時間紀(jì)錄，凸顯了該升級型飛船重復(fù)使用性的顯著提高。

“載人龍”飛船（左）、“貨運龍”飛船（右）（來源：SpaceX）

“國際空間站”俄羅斯艙段完成擴展工作，進一步提升空間站在軌能力

2021年7月21日，質(zhì)子—M火箭成功將科學(xué)號多功能實驗艙送入預(yù)定軌道?？茖W(xué)號主要由儀器加壓艙和球形加壓適配器組成，在軌質(zhì)量20350kg，長13.12m，最大直徑4.25m，加壓艙體積70m，太陽電池陣面積56m，太陽能翼展24m，供電功率2.5kW。科學(xué)號作為“國際空間站”俄羅斯艙段部分最大艙段，包含應(yīng)用、生保、推進、飛控、熱控等多個分系統(tǒng)，相互配合支持其在軌穩(wěn)定運行。實驗艙共設(shè)有33個科學(xué)實驗通用工位，計劃在軌開展13類科學(xué)實驗。

2021年11月24日，停泊號節(jié)點艙由進步M飛船送往“國際空間站”。停泊號節(jié)點艙為帶有6個對接口的加壓球形艙段，質(zhì)量為4650kg，長4.91m，直徑3.3m，內(nèi)部加壓空間19m，設(shè)計壽命超過30年。在6個對接口中，1個為主動對接口（天頂方向），用于與“國際空間站”科學(xué)號對接，另5個為被動對接口，用于支持其他飛船、艙段等對接。

隨著科學(xué)號多功能實驗艙、停泊號節(jié)點艙的部署，“國際空間站”俄羅斯艙段的能力大幅提升。在任務(wù)能力方面，一是航天員支持能力增強，科學(xué)號多功能實驗艙為俄羅斯航天員增設(shè)了第3個鋪位、第2個衛(wèi)生間，此前由于缺乏工作和居住空間，俄羅斯若有3名航天員同時在軌則需要在美國艙段借宿，2017年俄羅斯將在軌航天員數(shù)量從3人減至2人，科學(xué)號成功部署后極大改善了航天員在軌生活與工作條件。二是對接能力增強，為了支持“聯(lián)盟”“進步”飛船對接，滿足任務(wù)重疊期間的對接需求，“國際空間站”俄羅斯艙段保持有4個對接口可用，停泊號節(jié)點艙部署后，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的對接/停泊口數(shù)量增加至8個，能夠進一步提升未來任務(wù)的靈活性。

各國高度重視保持近地軌道長期載人能力

“國際空間站”經(jīng)歷2次延壽，目前計劃持續(xù)運營至2024年。美國國會、NASA等均有意支持“國際空間站”延壽，拜登政府也在2021年承諾將“國際空間站”運行延長至2030年。

此外，美俄均已著眼后“國際空間站”時代，開展提前研究和布局，確保近地軌道載人航天能力不出現(xiàn)斷檔。NASA在2021年3月通過“商業(yè)近地軌道目的地”（CLD）項目，于12月2日以航天法案協(xié)議方式，向藍(lán)源公司（Blue Origin）、納米架公司（Nanoracks）、諾格公司（NG）提供了總計4.156億美元的資金，支持商業(yè)空間站的發(fā)展，促使商業(yè)空間站在2030年接替“國際空間站”運行，實現(xiàn)由美國持續(xù)主導(dǎo)、穩(wěn)健發(fā)展的近地軌道商業(yè)經(jīng)濟。與此同時，俄羅斯提出在“國際空間站”退役后，構(gòu)建獨立的俄羅斯軌道服務(wù)站（ROSS）。俄羅斯新空間站的建設(shè)分兩個階段進行，第一階段將于2025～2030年發(fā)射核心艙、科學(xué)能源艙、節(jié)點艙和氣閘艙4個艙段；第二階段預(yù)計在2030～2035年為空間站補充空間有效載荷、實驗艙及航天器維護平臺，將艙段數(shù)量增加到6個，所有艙段容積大約667m。同時，空間站的外部工作點達(dá)到48個，除了開展近地軌道載人航天活動外，還能夠支持載人月球和深空探測。

2 美俄穩(wěn)步推進載人月球探測計劃

美國載人登月計劃延遲，與國際合作伙伴穩(wěn)步推進各系統(tǒng)進度

2021年11月9日，NASA正式宣布將登月時間推遲到最早2025年。NASA提到了以下幾點原因：藍(lán)源公司對該局選擇SpaceX作為“載人著陸系統(tǒng)”（HLS）研發(fā)團隊的訴訟；國會沒有為載人著陸系統(tǒng)撥出足夠的資金；新航天服無法在2024年登月前完成研發(fā)。11月13日，NASA總監(jiān)察長辦公室公布審計報告，認(rèn)為2025年的登月目標(biāo)是不現(xiàn)實的，要想把航天員送上月球，必須解決包括航天服和著陸系統(tǒng)研制進度、資金短缺以及疫情考驗等問題，預(yù)計要到2028年才能完成登月。

《阿爾忒彌斯協(xié)定》成員（來源：NASA）

美國繼續(xù)推進“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）、“獵戶座”飛船（Orion）的研發(fā)，發(fā)展商業(yè)合作，研發(fā)“載人著陸系統(tǒng)”和“門戶”月球空間站（Lunar Gateway），進行前沿科學(xué)和技術(shù)研究，促進商業(yè)航天的健康發(fā)展。2021年共有韓國、新西蘭、巴西、波蘭和墨西哥5個國家同美國簽署了《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords），這些參與國在加入?yún)f(xié)定后，將進一步擴大同美國在太空領(lǐng)域的合作，今后將參與“阿爾忒彌斯”計劃及其后續(xù)計劃。例如，韓國正與NASA合作研發(fā)韓國探月衛(wèi)星，將于2022年8月發(fā)射升空，上面搭載了NASA設(shè)計的陰影攝像頭，將為“阿爾忒彌斯”計劃探索著陸候選地點。美國主導(dǎo)的《阿爾忒彌斯協(xié)定》單邊制定了人類太空行為規(guī)范，為美國在未來國際空間立法中獲得先發(fā)優(yōu)勢；協(xié)定提出的原則并不明確，為參與國家未來的太空探索活動留有很大操作空間；協(xié)定中提出“安全區(qū)”概念，試圖在月表特定區(qū)域內(nèi)確立政府航天管理機構(gòu)開展活動和商業(yè)公司享有資源的排他性權(quán)利；構(gòu)建國際太空探索標(biāo)準(zhǔn)壟斷與準(zhǔn)入限制，確保美國的太空領(lǐng)先地位。

俄羅斯進一步明確載人登月技術(shù)路線

在載人登月領(lǐng)域，2021年，俄羅斯由于葉尼塞號（Yenisei）火箭技術(shù)參數(shù)暫未確定，火箭研制工作暫停。鑒于此種情況，俄羅斯首次載人登月將計劃采用安加拉（Angara）火箭/“小鷹”飛船+空間拖船的技術(shù)實施方案。

俄羅斯“雄鷹”載人飛船主要用于月球探測任務(wù)，并能夠完成低地球軌道（LEO）空間站的技術(shù)維護，自主開展空間實驗和研究。飛船發(fā)射質(zhì)量為20t，在短期向月飛行時，飛船可重復(fù)使用10次；在與近月軌道站對接進行長期飛行時，飛船可重復(fù)使用不少于3次?！靶埴棥憋w船最多可搭載4人，可在軌自主飛行近30天，也可?？吭诳臻g站上在軌駐留近1年的時間。俄羅斯“雄鷹”飛船在2021年進行了單個結(jié)構(gòu)元件、儀器和組件的制造和測試工作。俄羅斯計劃于2023年完成“雄鷹”飛船首飛，2025年利用“雄鷹”飛船完成載人飛行，2029年利用“雄鷹”飛船完成載人繞月飛行，并在此基礎(chǔ)上完成輕便型“小鷹”飛船首飛，2030年搭載俄羅斯航天員登上月球。

“雄鷹”飛船（來源：俄羅斯航天國家集團）

3 商業(yè)公司在載人航天系統(tǒng)與模式創(chuàng)新方面發(fā)揮關(guān)鍵作用

“星艦”系統(tǒng)開展多次飛行試驗，創(chuàng)新型商業(yè)載人航天系統(tǒng)進展迅速

2021年，SpaceX公司快速推進“星艦”系統(tǒng)的研制和試驗工作，包括星艦SN9/10/11/15等，主要用于開展高空飛行試驗?！靶桥灐毕到y(tǒng)于2021年5月5日實現(xiàn)10km跳躍飛行，并獲得NASA商業(yè)載人月球著陸器研制合同。盡管在藍(lán)源公司等競爭對手的抗議下，NASA暫停了商業(yè)月球著陸器合同，但最終SpaceX公司于11月最終贏下了合同，成為中標(biāo)載人月球著陸器研制與驗證合同的唯一研制商。

在經(jīng)歷了星艦SN9/10/11爆炸之后，SpaceX公司對星艦SN15進行了重大技術(shù)升級，采用了新的技術(shù)狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)、電子、軟件、發(fā)動機等方面進行了數(shù)百項設(shè)計改進，提升生產(chǎn)效率和飛行性能。為此，SpaceX公司決定不再繼續(xù)建造星艦SN12/13/14。2021年4月26日，星艦SN15完成了靜態(tài)點火試驗。2021年5月5日，星艦SN15開展第5次高空飛行試驗，并首次取得成功。試驗持續(xù)約6min，星艦SN15從博卡奇卡試驗場升空，飛行至10km最大高度后，以橫臥姿態(tài)下降，接近地面后轉(zhuǎn)為垂直姿態(tài)著陸在發(fā)射場。

后續(xù)，SpaceX公司計劃繼續(xù)推進“星艦”的研制和試驗工作，包括對星艦SN20進行重大技術(shù)升級，開展軌道飛行試驗，實現(xiàn)25馬赫再入和著陸。SpaceX公司計劃在2022年利用“星艦”進入近地軌道，在2023年飛往月球，2024年無人飛往火星，2026年載人飛往火星。

太空旅游業(yè)加快發(fā)展，成為世界載人航天的重要組成部分

隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展成熟，商業(yè)航天迅猛發(fā)展，亞軌道、軌道飛行也從早期的試驗性質(zhì)逐步向商業(yè)性質(zhì)發(fā)展。2021年7月，維珍銀河公司（Virgin Galactic）和藍(lán)源公司分別利用太空船二號、“新謝潑德”系統(tǒng)成功完成載人亞軌道飛行；9月，SpaceX公司利用“載人龍”飛船成功開展首次無專業(yè)航天員參與的軌道旅游任務(wù)；12月，太空探險公司（Space Adventures）時隔12年再次利用“聯(lián)盟”飛船將兩名太空游客送達(dá)“國際空間站”。

近地軌道載人航天活動當(dāng)前仍主要面向政府用戶，而亞軌道旅游則是直接面向公眾客戶，其競爭更加激烈。目前，軌道/亞軌道太空旅游價格仍較為高昂。除了價格外，優(yōu)化服務(wù)和體驗也是重要的競爭點，藍(lán)源公司“新謝潑德”系統(tǒng)通過超大舷窗、有人參與的實驗等亮點吸引用戶，太空船二號以空天結(jié)合的飛行體驗作為自身特色。在激烈的競爭中，不斷創(chuàng)新發(fā)展模式、優(yōu)化服務(wù)已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向。隨著太空船二號、“新謝潑德”系統(tǒng)、“載人龍”、“聯(lián)盟”飛船等多型系統(tǒng)投入常態(tài)化商業(yè)旅游服務(wù)并成為世界載人航天的重要組成部分，太空旅游業(yè)進入快速發(fā)展時期。太空旅游將為推動載人航天可持續(xù)發(fā)展、促進太空經(jīng)濟增長作出重要貢獻。

4 結(jié)束語

2021年，世界載人航天取得了快速發(fā)展。近地軌道方面，“載人龍”飛船、“貨運龍”飛船等新型載人航天器成功重復(fù)使用，“國際空間站”俄羅斯艙段完成擴展，近地軌道載人航天能力得到加強。載人月球探測方面，美國載人登月計劃推遲，利用商業(yè)公司與國際合作伙伴推動各系統(tǒng)研制進度，俄羅斯明確新的載人登月實施方案，加快對“雄鷹”載人飛船的研制工作。載人航天新系統(tǒng)和模式方面，SpaceX公司對“星艦”系統(tǒng)進行多次高空飛行試驗，快速推進系統(tǒng)研制工作，多家商業(yè)航天公司積極參與軌道/亞軌道太空旅游項目，太空旅游業(yè)進入快速發(fā)展新時期。整體而言，主要航天國家均積極謀劃，推動載人航天活動可持續(xù)發(fā)展，并邁向更遠(yuǎn)的深空。