2011年世界載人航天發展綜合分析

孫 龍，劉映國

（中國國防科技信息中心，北京100036）

2011年，聯合國將4月12日確定為國際載人航天日，以紀念人類首次載人航天飛行50周年，表達人類持續不懈探索宇宙的共同愿望。隨著美國航天飛機退役和俄羅斯“進步”號貨運飛船發射失敗，近地軌道載人航天活動面臨挑戰。美國推進“月球以遠”載人深空探索戰略，后國際空間站時代主要國家載人航天發展方向選擇艱難。航天大國以載人為背景的深空探索持續升溫，火星探測出現熱潮，近期以突破載人深空探索關鍵技術為重點。

1 主要國家載人航天長遠發展步伐放緩

2011年，國際金融危機對各國經濟發展影響進一步加深，主要大國財政預算面臨嚴峻挑戰，導致載人航天經費預算吃緊，美、俄等國家載人航天長遠發展規劃受到影響。

1.1 美國謹慎推進載人深空探索戰略[1-3]

到2011年底，美國經濟發展仍在低謎中徘徊，國家財政赤字高達1.6萬億美元，致使國家航空航天局（NASA）年度撥款下降。2011財年NASA獲得的撥款為184.5億美元，比2010財年減少約2.4億美元；2012財年撥款為178億美元，比上一年減少了6.48億美元（3.5%）。由于受國家財政預算的限制，NASA用于“月球以遠”深空探索項目的設計方案遲遲難以出臺。就9月14日NASA正式公布的新一代重型運載火箭設計方案看，“航天發射系統”（SLS）計劃耗資至少180億美元，目標是2017年進行無人發射試驗，2021年底前實現載人發射，2025年將嘗試登陸近地小行星。按照現在的設計方案，近地軌道130t（貨運）運載能力，難以完成繞火星飛行任務。NASA在年初提出的“多目標乘員飛行器”（MPCV）設計方案，可搭載4名航天員執行21d飛行任務，也不可能執行登（或繞）火星飛行。

考慮到載人登陸火星的巨大技術挑戰，以及2011財年授權法案中“控制研發成本”和“經濟可承受”的制約，美國“月球以遠”空間探索目標戰略面臨著技術和預算挑戰。目前，提出的新一代重型運載火箭和新型載人航天器具備短期內載人登月的能力，其計劃安排的首次飛行任務也是環月飛行，與2035年繞火星飛行的目標有較大距離。總體來看，在政府預算與技術挑戰雙重壓力下，美國的深空探索計劃有放緩的趨勢。同時，隨著政府的更迭和其他國家登月計劃的實施，不排除其再拾“重返月球”計劃的可能。

1.2 俄羅斯載人航天長遠規劃面臨重大現實挫折挑戰

2011年4月7日，普京總理表示將在2010-2011年投資71億美元用于航天工業現代化改造，提出2011年底完成航天長遠發展規劃的制定，以使俄未來15年在勘探月球、火星和一些小行星等領域保持領先地位。其設想是俄羅斯將于2030年左右在月球北極附近區域建立月球基地，以此作為人類登陸火星的補給站。2011年，俄羅斯正式啟動“東方”航天發射場建設工作，目標是在2018-2020年進行首次載人飛船發射。同時，俄“能源”火箭航天集團正在研制重約20t的新一代多功能載人飛船，計劃于2015年進行首次無人飛行試驗，2018年實現載人飛行。

然而，受一年以來6次航天發射事故的影響，俄羅斯航天工業遭受重大挫折，特別是在航天質量管理與人才隊伍方面面臨著嚴峻挑戰。俄羅斯聯邦航天局10月決定暫停“羅斯”-M新型登月運載火箭的研發工作。盡管，俄羅斯在載人登月領域面臨著經費與技術的多重挑戰，但在該領域爭奪領先地位的潛力和意圖仍十分明顯。

1.3 歐、日、印意欲極力突破獨立載人航天活動能力瓶頸

2011年，歐債危機在歐元區持續漫延，正在嚴重影響著歐共體經濟復蘇，使歐洲航天局（ESA）的載人航天經費預算面臨挑戰。日本由于受海嘯及其后續效應的影響，災后重建與經濟恢復使其載人航天發展步伐放緩。特別是隨著美國航天飛機退役，使得主要依賴美國天地往返系統開展載人航天活動的歐洲和日本，在突破自主載人航天活動能力方面更加緊迫[4]。而美國將其載人航天活動重心轉向“月球以遠”，國際空間站使用壽命定在2020年底，此后歐、日載人航天長遠發展規劃的決策面臨著更為艱難的選擇。

歐洲一直致力于建立獨立的空間探索體系，以實現自主開展載人航天活動的戰略目標。但是，由于受歐共體及歐洲航天局組成與決策體制的限制，達成需較大規模投入開展載人航天長遠發展的決議尚有難度。3月16日，歐洲航天局召開理事會議，正式同意將國際空間站使用壽命延長至2020年底，通過了關于歐洲運載火箭發射短期措施的決議，重申了維持“獨立、可靠、有成本效益、經濟可承受”的進入空間能力的需求。今年以來，歐洲航天局進行了一系列調整，減少內部開支，增設載人航天等新部門，以期提高效率和競爭力。

日本圍繞國際空間站應用制定了多項計劃，包括釋放小衛星、開發類人機器人等項目。同時，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）目前也正在發展一種新型返回式貨運飛船，以突破自主載人航天活動能力。然而，鑒于當前嚴峻的財政形勢和海嘯影響，日本宇宙開發戰略總部專門調查會8月公布了《有關空間政策應重點培養領域的建議》，指出國際空間站上的“希望”號實驗艙在現階段有助于提升產業競爭力的效果不明確，要求縮減未來國際空間站活動經費。

作為重要的新興航天國家，印度則加快了首次載人航天飛行的準備工作。2月28日，印度發布2011—2012財年預算，將航天領域的經費提高了35%，其載人航天項目和“月球航行”-2任務經費均大幅增長。此外，印度積極開展下一代大型運載火箭研制計劃GSLV MarkIII和太空艙返回試驗，印度空間研究組織（ISRO）官員透露，若一切順利將在2015年左右實現首次載人航天飛行。

2 近地軌道載人航天活動面臨新的挑戰

2011年，航天飛機先后完成了3次國際空間站運輸任務退役，宣告美國航天飛機時代終結。隨即出現的俄羅斯“進步”號貨運飛船發射失敗，打亂了國際空間站補給與人員更替計劃。美國極力倡導的商業載人航天運輸計劃的實現尚需時日，且投入運行也受到國際空間站相關協議的制約。因此，國際空間站運輸問題成為關注的焦點，主要國家近地軌道載人航天活動面臨新的挑戰。

2.1 美國航天飛機時代終結

航天飛機是“阿波羅”計劃之后，美國載人航天事業又一個重要的里程碑，也是人類航天史上一個時代的象征。在運行30年的135次飛行任務中，航天飛機實現了部分可重復使用，驗證了大量創新航天概念與技術，9次與“和平”號空間站對接，37次飛往國際空間站，將355名航天員送入太空，運送貨物1750多噸，開展空間科學研究與試驗2000多項，完成了“哈勃”太空望遠鏡的部署與維修，在近地軌道載人航天活動中發揮了不可或缺的作用。

盡管由于安全風險大、運行成本高等因素，特別是“挑戰者”號和“哥倫比亞”號兩次災難性事故，使美國決定在完成國際空間站建造后退役所有航天飛機。但是，航天飛機作為一個時代標志，極大地推動了先進航天運輸技術的進步，而且對人類載人航天事業發展產生了深刻的影響。

2.2 國際空間站實驗平臺作用得到進一步發揮

2011年，美國航天飛機執行了3次國際空間站飛行任務，俄羅斯“聯盟”號載人飛船與“進步”號貨運飛船分別進行了5次與3次飛行，歐洲航天局發射了第二個貨運飛船ATV-2，日本發射了第二個H-2轉移飛行器，先后完成了國際空間站建造、軌道提升、航天員輪換、物資補給任務，為空間科學研究與實驗提供了重要保障。美國將未來10年的載人航天項目重點確定為開發國際空間站應用效益，為載人深空探索提供技術探索研究平臺。7月26日，各成員國在國際空間站多邊協調委員會（MCB）上，就如何發揮國際空間站作用，為載人航天長遠發展提供支持展開討論。同時，各成員國也紛紛加大利用國際空間站實驗平臺開展空間科學研究與實驗的力度。

今年以來，NASA開始在空間站上進行空間燃料加注站演示試驗；由16國合作研制的阿爾法磁譜儀已經在站上啟動工作，進行宇宙射線觀測；空間類人機器人、伴飛衛星、新型多功能顯微鏡等完成了站上測試。同時，用來評估作物生長期間狀態變化的空間站農業相機開始工作，利用空間特殊環境進行空間醫學、生物、輻照等實驗項目全面展開。10月，俄羅斯表示正在研究國際空間站2020年后的走向，歐洲和日本也在考慮國際空間站使用期限是否延長的問題。

2.3 “進步”號飛船發射失敗打亂國際空間站運輸計劃

8月24日，俄羅斯“進步”號貨運飛船發射失敗，導致原定于9月的兩艘“聯盟”號載人飛船發射任務和10月“進步”號貨運飛船發射任務推遲。此次發射影響了國際空間站的物資補給與人員更替，使空間站駐站人員減少為3人。盡管NASA表示，對俄羅斯能夠提供可靠的國際空間站載人飛行服務有信心，但同時也在研究剩余3名航天員撤離后，國際空間站無人值守狀態的運行措施。

目前，國際空間站只能依賴俄羅斯的“聯盟”號載人飛船運送航天員，但“聯盟”號載人飛船無法運回大型載荷，例如大型實驗設備或需要送回地面維修的設備。歐洲的ATV、日本的HTV以及俄羅斯“進步”號飛船都是貨運飛船，沒有重返地面的能力。因此，國際空間站的運輸問題成為各國關注的焦點。

2.4 商業載人近地軌道運輸尚需時日

隨著美國載人航天發展戰略的調整，NASA近年來投入大量資金扶持私營企業研發商業化載人運輸系統。奧巴馬政府計劃未來5年為“商業航天飛行”投入58億美元，將近地軌道載人航天活動的成熟技術向私營航天企業轉移，以應對后航天飛機時代美國載人航天運輸能力的缺失，確保其在近地軌道載人航天活動持續開展。

由于技術和資金等原因，NASA“商業軌道運輸服務”（COTS）合同下的發射任務被延緩，計劃2011年發射的“獵鷹”-9號運載火箭（攜帶“龍”太空艙）和“金牛座”-2號運載火箭分別推遲至2012年的1月和2月，計劃2012年2月進行“金牛座”-2號運載火箭的第二次發射（將首次攜帶“天鵝座”太空艙）推遲到5月。這兩種型號運載火箭原計劃于2012年開始承擔為國際空間站運送補給任務，其中“獵鷹”-9號將承擔國際空間站貨物運輸服務，但都未得到俄羅斯的認可。由于要與國際空間站對接，“獵鷹”-9的發射還受到2012年1月底“進步”號貨運飛船發射的限制。

即使“獵鷹”-9和“龍”太空艙能按計劃完成這些試驗飛行任務，美國航天員近期仍需依靠俄羅斯“聯盟”號飛船前往國際空間站。商業化近地軌道載人運輸系統投入實際使用，要到2015年私營公司航天器通過NASA載人標準評定之后。在航天飛機退役到商業載人航天系統開始承擔國際空間站運輸任務的5年時間內，俄羅斯擁有國際空間站運輸的絕對控制權。

3 深空探索活動持續升溫

2011年，以美國為代表的航天大國無人深空探測活動頻繁，積極推進深空探索創新概念研究與關鍵技術研發，探索火星飛行任務出現熱潮，載人探索火星模擬試驗取得重要進展。

3.1 無人深空探索活動更加頻繁[5，6]

隨著美國“月球以遠”載人探索戰略目標的確立，NASA擬定了一系列以載人為背景的深空探測活動項目，旨在為載人探索確定新的目的地。2011年2月15日，美國“星塵”號探測器飛抵“坦普爾”1號彗星179km處，成功拍攝70多張照片；3月，“信使”號水星探測器歷經6年飛行后，首次進入環水星軌道，開始為期一年的水星環繞探測；7月，“黎明”號小行星探測器與太陽系最主要的小行星之一“灶神”星交會并拍攝近景，將于2015年飛抵小行星帶最大的天體“谷神”星。8月5日，美國發射了一顆太陽能動力的“朱諾”號木星探測器，預計2016年7月抵達木星軌道。10月，美國還發射了一對“圣杯”號月球探測器，兩者將先訪問距地球1.5×107km的第一拉格朗日點，之后再用3個半月飛抵月球，進行為期9個月的探測活動。“圣杯”號總投資約5億美元，是第一個專門研究月球重力的探測項目，將對月球進行詳細考察，繪制月球重力場圖。

歐洲航天局計劃于2017年發射“太陽軌道器”，主要研究太陽風對空間環境的影響；2019年發射“歐幾里德”探測器，研究宇宙爆炸和暗能量對宇宙演變的影響。日本計劃于2014年發射“隼鳥”-2號小行星探測器，將于2018登陸“1999JU3”小行星開展探測活動[7，8]。

3.2 火星探索研究將取得新突破[9，10]

11月14日，由俄羅斯主導、多國聯合開展的首次模擬火星載人飛行實驗——“MARS-500”獲得圓滿成功。6名志愿者結束長達520d的往返火星與地球模擬實驗，走出模擬飛船“返回地球”。該實驗獲得了大量數據，是研究火星航天員心理和生理變化的寶貴資料，將為載人登陸火星積累經驗。美國11月26日發射了新一代火星探測器“好奇”號巡游車，預計2012年8月抵達火星，將開展為期一個火星年（約687個地球日）的探測。“好奇”號火星車總投資25億美元，是世界上最大的宇宙探測器，主要任務是探測火星是否有生命存在的跡象。

11月底，俄羅斯發射了“福布斯-土壤”使命探測器（目前已宣布任務失敗）。這是俄羅斯1996年“火星”-96發射失敗以來實施的第一個火星探測項目，主要目的是采集火星衛星“火衛一”的土壤樣品并返回地球進行分析，同時對火衛一與火星環境進行科學探測。英國航天局投入160萬英鎊用于支持探索火星的多個項目，其目的是使英國在歐洲航天局“極光”計劃中處于主導地位。

3.3 載人深空探索技術研發取得新進展

2011年初，NASA在其網站上發布了涵蓋14個領域的“一體化空間技術發展路線圖（草案）”，旨在研究與深空探索密切相關領域的技術發展現狀與能力需求，為美國擬定載人航天創新概念研究與技術發展投資戰略提供技術支撐。8月，NASA首批選擇了3個技術領域提案開展飛行演示驗證項目，包括激光通信中繼、深空原子鐘及太陽帆，旨在實現空間通信、深空導航和空間推進能力的變革。當前，NASA還在投資開發多項用于載人深空探索系統的創新概念和技術，包括低溫推進劑空間存儲、太空探測氣球、太陽能電推進技術，在軌燃料存儲、輻射防護和高可靠性生命支持系統等。

歐洲航天局選定了“宇宙愿景2015-2025”長期科學規劃下的4項候選方案，涉及黑洞研究、廣義相對論、近地小行星取樣和系外行星研究等領域。11月27日，歐洲航天局與德國宇航中心發射“微重力技術試驗”（Texus）探空火箭進入太空，首次演示驗證用于未來火箭的新技術。日本完成了世界上第一艘太陽帆試驗航天器“伊卡洛斯”號的全部試驗任務，并計劃于2020年前再發射一個擁有離子發動機的太陽帆航天器，以支持木星探測任務。此外，日本還開展了“Tri-StarIV”和“輕量行走機器人”兩種探月機器人行走試驗。

4 載人航天國際合作持續發展

2011年，國際組織與航天機構在推進載人航天合作交流中發揮著越來越重要的橋梁與紐帶作用。4月7日，第65屆聯合國大會通過決議，將每年4月12日確定為國際載人航天日，以紀念1961年4月12日蘇聯航天員尤里·加加林實現人類首次載人航天飛行，進一步促進國際載人航天合作與發展。決議認為，聯合國大會高度重視和平空間活動中的國際合作，聯合國應繼續成為這種合作的一個協調中心。8月30日，來自10個國家或組織的航天機構代表出席國際空間探索協調組會議，討論《全球探索路線圖》相關工作，并重申國際空間探索協調組的任務是：推動各國航天機構間的合作關系。11月14日，22個國家和組織航天機構100多名代表出席了聯合國外空司召開的“載人航天技術倡議”（HSTI）會議，旨在為國際載人航天合作提供交流平臺與機會，促進更多國家，特別是發展中國家參與載人航天空間應用和空間教育活動。

載人航天雙邊合作日益普遍，各國航天機構及公司自主選擇合作伙伴。歐洲阿斯特里姆公司與美國阿聯特技術系統公司開展合作，聯合研發低成本的“自由”號新型運載火箭，以期為NASA提供商業載人航天服務。繼美國已將印度空間研究組織的四個部門從出口管制企業名單中移除之后，波音公司提議與印度在載人航天飛行和商業乘員運輸系統領域開展合作。

隨著中國載人航天事業的快速發展，與我開展交流與合作成為眾多航天國家的重要選擇。2011年，法國空間研究中心、意大利航天局、德國宇航中心、歐洲航天局、加拿大航天局官員先后訪問和參觀了中國載人航天工程管理部門和相關設施，并就載人航天領域的合作展開交流與探討。同時，中國也在多個國際場合表達了“愿與世界分享載人航天成果，共同為全人類做貢獻”的誠摯意愿，為中國載人航天領域對外合作與交流創造了有利條件。2011年11月，中國天宮一號/神舟八號首次交會對接試驗取得圓滿成功。在神舟八號飛船飛行期間，中國和德國利用裝載在飛船上的通用生物培養裝置，合作開展17項空間生命科學實驗，這是中國載人航天工程首次在空間科學應用領域開展的國際合作。中國也明確表示，在未來空間實驗室、空間站階段，將繼續在相互尊重、平等互利、透明開放原則基礎上，與世界各國開展務實合作與積極交流[11]。

5 結束語

2011年，是世界載人航天事業發展50周年，也是美國航天飛機時代謝幕之年。主要國家在調整載人航天長遠發展步伐的同時，圍繞載人深空探索，積極推進載人航天技術的不斷進步，人類空間探索的領域不斷向近地軌道以遠拓展。載人登月仍將是主要國家爭奪的焦點，載人航天領域的國際合作也將進一步發展。 ◇

［1］11 Things Americans Will Be Doing in Space in 2011 http://www.space.com/10556-11-americans-space-2011.html.

［2］House appropriators cut deeper at NASA http://www.spacepolitics.com/2011/02/12/house-appropriators-cut-deeper-at-nasa/.

［3］NASA Moon Mission in Final Preparations for September Launch http://www.space -travel.com/reports/NASA_Moon_Mission_in_Final_Preparations_for_September_Launch_999.html.

［4］High costs，risks，policy shift make U.S.quit space shuttle program http://www.space-travel.com/reports/High_costs_risks_policy_shift_make_U_S__quit_space_shuttle_program_999.html.

［5］What Next For U.S.Human Spaceflight http://www.aviationweek.com.

［6］NASA Announces Design for New Deep Space Exploration System:New Heavy-Lift Rocket Will Take Humans Far Beyond Earth http://www.sciencedaily.com.

［7］ESA’s Council decisions 22 March 2011 http://www.esa.int/esaCP/SEMGN71U5LG_index_0.html.

［8］主要航天國家討論《全球探索路線圖》相關工作http://www.cmse.gov.cn/.

［9］火星500-中國在人航天工程網http://www.cmse.gov.cn/mars500/.

［10］俄羅斯發射事故憂及空間站.人民日報.2011年08月26日22版.

［11］天宮一號/神舟八號交會對接任務總指揮部第二場新聞發布會實錄http://www.cmse.gov.cn/news/show.php?itemid=1912.