2013年國外載人航天發展綜合分析

廖小剛，王巖松，張 峰，程紹馳，劉 爽，張智慧

(中國國防科技信息中心，北京100142)

1 引言

2013年，國外主要航天國家以審慎務實的態度持續推進載人航天發展，各國更加注重關鍵基礎技術研發和推動商業航天發展，深空探索活動持續升溫，空間科學研究和技術驗證取得豐碩成果，將有利于進一步推動載人航天長遠發展目標的實現。

2 美、俄完善頂層設計，引入競爭機制，務實發展載人航天

2013年，國外主要航天國家以審慎務實的態度積極調整載人航天發展策略，加速推進載人航天技術研發計劃進程，確保載人航天持續健康發展。

2.1 美國謀求創新技術驅動整體能力躍升

2011-2012年，美國制定了載人航天技術路線圖及優先發展方向，為完善載人航天技術體系，2013年，美國制定了《NASA空間技術戰略投資規劃》(SSTIP)［1］，用于指導對完成 NASA 任務、實現國家目標至關重要的各優先級技術的投資，為NASA未來4年計劃投資、20年內要發展的空間技術提供重點投資方法。根據該規劃，NASA未來的技術投資重點集中在能夠快速推進關鍵能力建設的技術開發活動上，這些技術創新性強，能夠對未來載人探索活動帶來革命性改變。NASA制定了完善的技術發展規劃，開創了全新的技術發展理念，對重塑NASA的技術優勢，實現美國持續、高效、低成本地探索“月球以遠”空間產生不可估量的作用。

2013年，以空間探索技術(SpaceX)公司和軌道科學公司為代表的國際空間站商業貨運任務的成功，標志著美國商業航天能力已趨于成熟［2］。2013年11月，美國政府公布的《空間運輸政策》也再次強調，積極引導商業公司進入航天發射領域，將技術較為成熟的近地軌道運輸交給商業公司承擔，此舉引入了航天競爭機制、打破了航天運輸的壟斷、降低了航天運輸的成本，不僅能夠使NASA擺脫對俄羅斯的依賴，而且為NASA可以集中資金和精力發展前沿探索技術、全面投入載人深空探索奠定了基礎。

2.2 俄羅斯強調提升整體航天水平鞏固大國地位

俄羅斯延用了以往漸進式發展目標牽引能力提升的做法，按照2015年、2020年和2030年的階段目標，規劃其載人航天能力發展進程。2013年，俄羅斯公布的《2030年前及未來俄聯邦航天活動領域國家政策原則的基本規定》(簡稱《政策原則》)是普京總統再次入主克里姆林宮后對俄航天長遠發展的戰略謀劃，旨在加大航天投資規模，加快航天工業體制改革，確保航天發展優勢地位，為俄經濟社會快速發展提供重要支撐。《政策原則》依據俄羅斯目前國情突出發展重點，同時采用更加務實的載人航天發展方式，對近年來提出的一些研發思路進行了調整，終止了諸如“快船”載人飛船、“羅斯”載人運載火箭的研發設想，對各個階段目標的重點任務與實施措施也做出妥善安排，有助于國家載人航天能力的穩步提升。

持續推進航天工業體制改革，夯實載人航天可持續發展的基礎。2013年9月，俄羅斯公布改革方案［3］，通過組建新的“聯合火箭-航天集團”(ORKK)來整合原合同工業企業，保留俄羅斯聯邦航天局。俄羅斯希望通過改革，引入競爭，提高企業的生產效率和質量，同時吸引私營業主的資金，從而扭轉航天業近年事故頻發的頹勢，重振昔日航天大國雄風。

3 載人航天活動成效斐然，重要系統研制穩步推進

2013年針對國際空間站共進行了12次飛船發射，其中俄羅斯發射了4艘貨運飛船，4艘載人飛船，美國發射了2艘貨運飛船，歐洲和日本各進行了1次貨運飛船發射。美國的2次貨運飛船任務均由商業公司承擔，表明NASA于2005年開始推進的商業乘員與貨物運輸計劃(C3P)初見成效。此外，美俄兩國還在積極發展用于未來深空探索的新型航天運輸系統，航天員系統研究也成果豐碩。

3.1 商業軌道運輸系統經過飛行驗證

大力推進商業航天發射能力建設，使其能夠安全、可靠地完成近地軌道發射任務，是NASA載人航天發展戰略的關鍵一環。得益于政府的技術支持，以及美國航天工業的高技術水平和完善的產業鏈，美國商業航天發射能力進展迅速。繼SpaceX公司2012年10月開啟國際空間站商業運輸時代，2013年3月完成第二次貨運補給任務，軌道科學公司也于2013年4月進行了“安塔瑞斯”火箭/“天鵝座”飛船運輸系統的首次飛行測試，9月進行了與國際空間站的驗證飛行。SpaceX公司還在積極推進可重復使用運載火箭的研制，10月進行了“蚱蜢”試驗火箭的第八次飛行，在飛行高度達到744米后，通過發動機反向推進的方式垂直降落在發射臺。SpaceX公司還計劃在未來的“獵鷹”9火箭發射任務中驗證可重復使用技術。2013年11月13日，NASA局長博爾登宣布“商業軌道運輸服務”(COTS)項目取得成功，并將加緊推進商業載人航天發射能力建設。11月21日，美國總統奧巴馬簽署的新版《國家空間運輸政策》強調，確保進入空間“越來越多地依賴于為美國政府和商業應用提供空間運輸服務和能力的美國私營企業”。可以預見，商業航天在近地軌道運輸中的作用將愈加重要。

3.2 積極推進重型運載火箭研發

重型運載火箭是實現未來深空探索戰略的關鍵，也承載著各國爭取航天領域國際地位的重任，因此重型運載火箭發展受到主要航天國家的高度重視。美國在遭受預算緊縮、政府停擺的情況下，國會依然給予新型航天發射系統(SLS)項目充足的資金支持，研制計劃穩步推進。3月，使用3D打印技術制造的火箭上面級發動機部件通過了點火測試;8月，NASA宣布SLS通過了初步設計評審;11月，NASA使用一架F/A-18飛機完成了新型重型運載火箭自主飛行控制系統的首次鑒定試驗。這是NASA首次設計用于火箭自主適應飛行狀況的控制系統，有利于增強火箭性能并提高載人航天的安全性。俄羅斯則在4月總統簽署的《政策原則》中明確提出要在2020年前研制用于發射新一代載人飛船、空間站艙段和航天器的重型火箭，2030年前研制載重能力超過50噸的超重型運載火箭，2030年后第一級可重復使用的火箭投入使用，運載火箭的載重能力將達到130～180噸。長遠來看，性能先進、技術復雜的新型重型運載火箭將成為國外主要航天國家爭奪載人航天領導地位的制高點，是航天大國政府在載人航天領域發展的一個重點［4］。

3.3 新型飛船研制向深空探索方向拓展

2013年，NASA繼續推進用于深空載人探索“獵戶座”多用途乘員飛行器(MPCV)的研制工作，開展了降落傘故障著陸試驗、模擬太空靜態荷載測試、第一次模擬回收測試、整流罩分離測試等系列試驗，為2014年9月首次開展“獵戶座”探索飛行試驗(EFT-1)奠定基礎。另外，10月底，MPCV首次通電啟動，這是“探索飛行試驗-1”(EFT-1)任務準備工作中的一項重要里程碑。但同時，由于質量超重及設計等問題，歐洲航天局(ESA)為“獵戶座”研制的推進艙進度推遲，初步設計評審兩次推遲，將不早于2014年5月完成，與MPCV的首次聯合飛行試驗將在2017年進行。俄羅斯繼續推進其可進行星際飛行的新型載人飛船研制。8月完成了新一代載人運輸系統的技術方案鑒定，認可其飛船技術方案。俄新一代載人運輸系統的主要任務是執行月球飛行任務，同時也能執行近地軌道空間站的飛行任務，以及以開展航天試驗和研究為目的的自主飛行。發射質量為20噸，機組人員數量為4人，自主載人飛行持續時間可達10晝夜。俄新型飛船研制得到政府部門大力支持，俄航天局在2016年前將為此撥款95.363億盧布。研制具備深空探索能力的新型載人飛船將是近期美、俄航天機構的一項重要任務。

3.4 航天員系統研究成果顯著

2013年，美公開選拔的新一批航天員開始參加訓練，完成航天員的新老更替。6月NASA公布的新一批8名航天員中有4名女性，這是NASA載人航天活動中性別平等的一次飛躍。俄羅斯新入選的8名預備航天員及5名試驗航天員已經開始參加生物醫學培訓。國際空間站航天員未來為期一年的飛行為人體健康研究提供了更多機會，同時也對航天員健康保障提出更高要求。為此美、俄聯合開展了“功能任務測試”，并在9月針對3名在軌166天的航天員進行了首次測試。此外，空間飛行對航天員免疫系統、視力和骨質的影響等一批長期試驗也取得了新的成果。NASA配有先進便攜式生命保障系統的新一代Z-2型艙外航天服研制進展順利，該航天服將用于月球表面行走及載人登陸火星任務。日本航空航天探索局(JAXA)也于1月宣布，準備研制國產航天服，預計2-3年內研發出樣衣。NASA組織的水下空間環境模擬任務、由歐洲航天局組織的“洞穴”任務為航天員在極端環境下通過團隊合作順利完成任務積累了經驗。經過多年的發展，航天員系統的研究效果開始集中顯現，并且朝著執行長期在軌飛行任務方向發展，而多國航天員參與的團隊合作將是未來載人空間探索的重要方式。

4 國際空間站科學研究碩果累累，探索未來關鍵技術成為應用重點

2013年是國際空間站建站15周年，各參與國就15年來的科研活動展開了廣泛討論，梳理出一系列階段性與標志性成果。隨著近地軌道載人探索技術的不斷成熟，為未來深空探索驗證關鍵技術已成為國際空間站應用階段的發展重點。

4.1 科研活動取得多項階段性成果

NASA國際空間站計劃首席科學家朱莉·羅賓遜在9月召開的第64屆國際宇航聯大會上公布了國際空間站十大科學成就:第一名為化療藥物新型靶向輸送方法用于乳腺癌臨床試驗;第二名為機器人協助腦部手術;第三名為“阿爾法”磁譜儀實驗在暗物質觀測方面取得進展;第四名為4300萬名學生參與國際空間站應用與研究活動;第五名為細菌、病原體趨向高致命性的途徑;第六名為發現“冷焰”燃燒新現象;第七名為利用電場下膠體組裝制造納米材料;第八名為沿海海洋超光譜成像儀用于海岸成像和海洋保護;第九名為理解骨質疏松癥的機理及開發新的治療藥物;第十名為通過飲食和鍛煉預防在空間中骨質流失的發生。

6月，NASA發布最新一期《國際空間站應用統計信息》顯示，自1998年12月至2013年3月，國際空間站共開展了1502項研究，涉及人體研究、生物與生物技術、物理科學、技術驗證、地球與空間科學以及教育活動6大領域;各項科學研究的首席科學家及其合作研究者共計1667名，參與開展研究的國家達69個;總上行質量為48835.3千克，下行質量為11320.0千克，乘員參與時間達19623.2小時。國際空間站科學研究所取得的科學發現同樣碩果累累，有747篇期刊文章和189篇會議文章被發表，期刊中不乏《自然》、《美國國家科學院院刊》、《物理評論快報》等頂級刊物［5］。

4.2 技術驗證取得多項新突破

2013年，國際空間站上開展的技術驗證取得的新突破主要包括:NASA與加拿大航天局完成“機器人燃料加注任務”(RRM)第一階段試驗，成功演示剪切鎖線、移除安全鎖緊設備、切割隔熱毯、連接噴嘴、開啟閥門、傳輸模擬燃料等一系列操作，為衛星在軌服務技術和空間機器人技術發展驗證關鍵技術;俄羅斯完成空間激光通信技術第一階段演示驗證試驗，在國際空間站上首次進行了最大傳輸速率為622兆比特/秒的下行激光通信，對開發空間站通信甚至深空通信新模式具有重要的借鑒意義;NASA首次開展國際空間站遙控地面機器人試驗，測試遙控月球、火星和小行星上機器人所需關鍵技術;NASA利用“諧振電感近場生成系統”(RINGS)首次演示驗證電磁航天器編隊飛行和無線能量傳輸兩項創新技術，為發展航天器小型化、模塊化和編隊飛行提供技術支撐［9］。

隨著國際空間站進入全面應用階段，以支持未來空間探索任務為目的的試驗驗證活動，在規模、參與時間和復雜程度等方面都有了大幅度的提升。同時，2013年國際空間站上的技術驗證活動主要集中在推進、通信、測控和機械臂等領域，都是將空間探索活動從近地軌道拓展至月球、小行星、火星及更遠地區必須要創新的關鍵技術。由此可見，技術試驗已成為國際空間站運營的一個重要領域，為深空探索演示驗證關鍵技術已成為主攻方向。

5 深空探測活動持續升溫，火星成為競相追逐的目標

隨著科學技術的不斷發展和創新，人類的軌跡已向更遠更深宇宙空間延伸。2013年，NASA宣布“旅行者1號”探測器飛出太陽系，取得了科學編年史上最重要的技術成就，開啟了人類星際探索之路;ESA“2015-2025宇宙愿景首個大型任務”—“木星探測器”的研制穩步推進［7］;JAXA發射了世界上首個從環地球軌道觀測金星、火星、木星的空間望遠鏡。月球、火星依然是各主要航天國家競相探索的熱點［8］。

5.1 月球探測活動日益頻繁

月球是距離地球最近的天體，其獨特的空間位置、空間環境和自然資源，都成為人類拓展與開發利用的理想場所和前哨，同時也是航天技術驗證的重要平臺。

2013年9月，美國“月球大氣與粉塵環境探測器”(LADEE)成功發射升空，10月進入月球軌道后，利用攜帶載荷進行了NASA首次利用激光作為載波的雙向月地通信試驗，同時LADEE對月球大氣與粉塵進行了分析;2013年3月，俄羅斯科學院公布了探月計劃，俄羅斯將在2015年—2020年發射5顆月球探測器，之后將建立月球基地，作為未來人類深空探索的前哨;2013年1月，印度宣布將獨立開展“月球航行”2項目，放棄此前與俄羅斯的合作，獨立設計并建造月球著陸器和漫游車［6］;此外，歐洲、日本積極尋求國際合作開展對月探測。月球探索成為人類通往更遙遠空間的重要一步。

5.2 火星/小行星探測成為熱點

火星被認為是目前已知的與地球性質最為接近的行星，長期以來被視為人類探索的重要目的地。通過開展載人火星探索，不僅可以研究人類在地外星球生活的可能性，同時驗證了深空探索關鍵技術，為人類向著更遠目標邁進奠定基礎。

2013年，美國“好奇”號火星漫游車對火星巖石、土壤、大氣進行了詳細的探測研究并取得了卓越的技術成就。此外，NASA制定了“2020火星規劃”，根據“火星2020”任務將采集火星巖石和土壤樣本并帶回地球進行分析，以解決未來人類移居火星所面臨的重大疑問。盡管受到預算資金的壓力，NASA依舊希望推進其小行星捕獲計劃，計劃在2025年捕獲一顆小行星并將其拖拽至月球附近，實現載人登陸小行星并開展研究;2013年3月，ESA與俄羅斯聯邦航天局簽署了“火星生物學”項目的合作協議，將在2016年和2018年執行兩次任務，對火星大氣和地質情況進行研究。日本在新的5年發展規劃中指出，將繼續支持“隼鳥”小行星采樣返回任務;印度發射了第一顆火星探測器—“曼加里安”，成為第七個執行火星計劃的國家。

6 結語

2013年，國外主要航天國家按照其戰略目標持續推進載人航天活動，依據本國國情制定發展規劃，注重創新基礎技術研發，推進商業航天發展，新型空間運輸系統的研制成為主要國家爭奪的制高點。各領域研究取得豐碩成果，將為實現載人航天長遠發展目標奠定堅實的基礎。

［1］NASA.2013 Year in Review［EB/OL］.2013［2014］.http://www.nasa.gov/externalflash/YIR13/index.html

［2］王巖松.2013年 NASA主要成就回顧［EB/OL］.2013［2014］.http://www.cmse.gov.cn/news/list.php?catid=7

［3］俄羅斯公布航天改革案.［EB/OL］2013［2014］http://radiovr.com.cn/science/

［4］侯丹.美國太空發射系統(SLS)設計通過NASA評審.［EB/OL］.2013［2014］.http://www.space.cetin.net.cn/index.asp?modelname=new%5Fspace%2Fnews%5Fgjht%5Fgd＆titleno=XWEN0000

［5］JoshuaBuck.［EB/OL］.2013［2014］.http://www.nasa.gov/press/2013/september/international-partnership-releasesspace-exploration-benefits-paper/#.UsVymHmS2Uk

［6］Mars Orbiter Mission［EB/OL］.2013［2014］.http://www.isro.org/

［7］JUICE is Europe＇s next large science mission.［EB/OL］.2013［2014］.http://www.esa.int/Our_Activities/Space_News

［8］劉爽.俄羅斯制定新探月計劃.［EB/OL］.http://www.cmse.gov.cn/news/type.php?catid=7＆typeid=13

［9］FrankMorring.ISS Crew To Test Electromagnetic Station-Keeping［EB/OL］.2013［2014］.http://www.aviationweek.com/Article.aspx?id=/article-xml/asd_10_21_2013_p01-02-628403.xml