2015國外載人航天發展綜合分析

王巖松，廖小剛(中國國防科技信息中心)

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2015國外載人航天發展綜合分析

王巖松，廖小剛
(中國國防科技信息中心)

2015年，國外主要航天國家依據本國國情持續推進載人航天活動，美國完善了載人航天技術頂層規劃，俄羅斯繼續進行航天機構重組，美、俄新型航天運輸系統研制進展順利；國際空間站延壽至2024年，將繼續扮演著技術驗證和科學實驗平臺的重要角色，發揮人類火星之旅的前哨作用；美國商業航天發展快速，未來可承擔近地軌道、月球軌道的運輸任務；各國深空探測目標與計劃更加明確，探測活動取得顯著成果。

1　持續加強載人航天頂層規劃，進一步明確發展重點

2015年，國外主要航天國家持續推進載人航天活動，美國公布新版技術路線圖和載人火星探索的“三步走”戰略；俄羅斯在經費銳減的情況下，調整《2016 - 2025年聯邦航天規劃》，并積極推進航天機構改革，以重塑航天領域優勢。

1. 1 美國繪制新版技術發展路線圖，發布載人火星探索戰略

2015年5月，美國國家航空航天局(NASA)在其網站公布《2015 NASA技術路線圖》草案報告。該路線圖是在2012年版《NASA技術路線圖》基礎上的進一步完善，重點關注未來20年及更長時期重點發展的技術方向。一直以來，美國重視技術開發和技術創新，出臺了一系列技術發展路線和投資計劃，加大技術開發力度，做好技術儲備，一旦條件成熟，所擁有的技術將具備實現抵達任何目的地的能力。為加強技術發展的頂層規劃，NASA通過定期發布和更新《NASA技術路線圖》，詳細規劃與指導具體技術的研發與投資，從而確保美國在載人航天和深空探索領域的技術優勢、保持全球領先地位。

2015年10月，NASA公布《NASA火星之旅:開拓太空探索新篇章》報告，進一步明確美國載人火星探索的“三步走”戰略。“三步走”戰略將人類登陸火星計劃分為三個階段:第一階段——“地球依賴”階段，主要在國際空間站(ISS)上開展科學研究，為深空探索任務做準備；第二階段——“試驗場”階段，側重于在深空環境中，如地月空間，開展復雜操作的試驗與研究，驗證人類火星探索任務所需要的能力，重點工作包括新型“航天發射系統”(SLS) /“獵戶座”飛船的試驗、實施“小行星重定向任務”等；第三階段——“地球獨立”階段將載人飛船送入火星軌道，最終將航天員送到火星表面。在過去40多年中，NASA實施了多次機器人火星探測計劃。依靠當前國際空間站及地面實驗室中正在進行的科學和技術研究活動，NASA已向最終目標邁出了第一步。“授權法案”和“美國國家空間政策”的指示。

2015年12月，美國參議院和眾議院通過了2016財年NASA撥款法案，將在2016財年為NASA撥款192. 85億美元，比2月份NASA提交的預算申請多出近8億美元。其中，受益最大的項目之一是航天發射系統(SLS)項目，收到了20億美元的投資，比最初請求的13. 6億美元高出了近一半；NASA的行星科學項目也得到了可觀的增加，法案為該項目撥款16. 31億美元，比NASA請求的數額要高2. 7億美元；NASA備受爭議的商業乘員計劃收到了12. 438億美元的撥款，滿足了NASA在商業航天方面的需求。法案強調，充分的資金是為了確保目前由波音公司和SpaceX公司開發的商業乘員系統能夠在2017年投入使用。此次撥款的大幅度增長，表明美國意欲加強新型空間運輸系統的研制進度、早日擺脫對俄羅斯依賴的決心，從而保持在載人航天領域的領導地位。

1. 2 俄羅斯制定十年發展規劃，持續改革意欲重塑優勢

受金融危機影響，俄羅斯航天局重新評估了《2016 - 2025年聯邦航天發展規劃》，未來10年俄聯邦航天預算將由2萬億盧布降至1. 4萬億盧布，大幅縮減載人航天項目，將“繞月”探測的時間將從2025年推遲到2025～2030年，首次載人月球任務從2030年推遲至2035年。2015年2月，俄羅斯聯邦航天局科技委著手制定《2030年前及以遠載人航天發展構想》，該《構想》提出支持國際空間站運行至2024年，隨后在與國際空間站分離的模塊基礎上建成本國軌道基礎設施，并以此為跳板實現俄羅斯深空探索目標。

為扭轉俄羅斯航天工業逐步削弱、人才流失嚴重、航天工業監管不到位、航天事故頻發的現狀，俄羅斯開啟了第二輪航天工業改革。12月28日，俄羅斯總統普京簽署總統令，將俄聯邦航天局與聯合-火箭航天集團合并為俄羅斯航天國家集團。俄羅斯希望通過此番改革，大幅度削減管理機構，將管理和生產職能集中化以提升航天工業效率，解決航天工業目前存在的諸多問題。

2　載人航天各大系統進展順利，重要系統研制穩步推進

2015年，美國下一代載人航天系統——SLS和“獵戶座”飛船的研制都順利通過了關鍵設計評審，即將進入生產制造階段。俄羅斯未來將重點發展“安加拉”火箭和新型飛船研制。日本、印度以及歐洲也相繼投入資金發展航天運輸系統，提升本國載人航天能力。

2. 1 主要航天國家積極推進新型運載火箭研制

2015年7月，NASA完成了對“航天發射系統”(SLS) Block 1型火箭的關鍵設計評審。此前，助推器、發射臺、發動機均已通過關鍵性設計評審。此次關鍵設計評審的是SLS火箭三種配型中的第一個:火箭高約98米，重約2500噸，近地軌道運載能力70噸。其第一次任務“探索任務”-1將發射不載人的“獵戶座”飛船，以驗證SLS火箭與“獵戶座”飛船集成系統的性能。馬歇爾太空飛行中心SLS項目經理稱，通過關鍵設計評審，NASA能夠確保SLS的設計安全可靠，滿足未來的深空任務要求。此次關鍵設計評審表明，SLS火箭的設計滿足系統要求，可繼續進行全面生產、組裝、集成以及測試工作。

2015年，俄羅斯《2016 - 2025年聯邦航天規劃》草案中稱，“安加拉”5V的研制、試驗和發射仍是該框架下的工作重點。根據俄羅斯聯邦航天局評估，研制重型運載火箭及建設其基礎設施需耗資近1萬億盧布(約合175億美元)，包括在RD -170(推力為800噸)的基礎上研制RD -175發動機(推力為1000噸)所需的費用。此外，俄羅斯擬研制新型“聯盟”5系列運載火箭，“聯盟”5系列火箭包含中型“聯盟”5. 1、大型“聯盟”5. 3及重型三種構型，采用模塊化設計，推進劑采用液氧/甲烷，由東方港發射場發射。“聯盟”5. 1采用兩級構型，使用“弗雷蓋特”上面級，起飛質量約269噸，最大高度50. 1米，近地軌道運載能力為9噸。“聯盟”5. 3采用三級構型，使用“弗雷蓋特”SBU上面級，捆綁2枚芯級助推器，起飛質量約690噸，最大高度56. 7米，近地軌道運載能力24噸，用于發射載人和載貨飛船、衛星。

歐洲航天局8月向空客賽峰集團售出26億美元的“阿里安”6火箭研制合同，標志著該型火箭研制工作正式啟動，并將于2020年實現首飛，逐步替代現役“阿里安”5大型火箭。

日本航空航天探索局(JAXA)7月宣布已經開始研發的新型H -3火箭，計劃于2020年首次發射升空。H -3火箭的總研發費用預計為1900億日元，旨在擴大其在全球火箭市場的地位。

印度空間研究組織負責研制的“地球同步軌道衛星運載火箭”- MK3(GSLV-MK3)的大推力低溫火箭發動機CE20成功實現連續635秒的熱試車，對于印度航天運載能力的發展具有重要意義。

2. 2 穩步推進新型飛船研制

2015年，“獵戶座”飛船成功完成了一系列技術研制:8月對飛船結構、火藥燃燒、發射中止系統、軟件、導航與控制等進行關鍵設計評審；9月通過關鍵決策點- C里程碑，同時開始“獵戶座”飛船主結構的焊接工作，表明飛船結構設計已足夠成熟，可以進行全規模的制造、裝配、集成與測試。該飛船將在2018年執行“探索任務”-1。

俄羅斯新型載人飛船PTK NP的研制工作持續跟進。2015年俄羅斯公布新飛船將選擇改進型“桿-錐”對接系統，該系統已在國際空間站俄羅斯艙段和俄現有貨運、載人飛船上得到驗證。由俄羅斯能源火箭航天集團研制的新型載人飛船能夠運送6人到近地軌道或者4人到達月球，其研制工作從2009年開始，無人和載人發射分別于2021年和2024年進行。

歐洲航天局最后一艘自動貨運飛船于2月結束太空使命，歐洲航天局及其歐洲工業合作伙伴在設計、建造和運行五艘自動貨運飛船期間收獲的知識和經驗，為歐洲參與美國“獵戶座”飛船服務艙的建造打下重要基礎。

2. 3 面向長期飛行任務的航天員系統研究全面展開

2015年3月，美國航天員斯科特˙凱利和俄羅斯航天員米哈伊爾˙尼延科開始執行為期一年的國際空間站長期考察團任務。任務期間，航天員將開展72項共計688次實驗，重點關注的是長期空間飛行認知和心理，以及隔離、疲勞、晝夜循環交替的影響。開展一年期任務的主要目的是更好地了解人體應對太空惡劣環境的反應和適應性，所獲得的數據將被用來降低未來長期載人飛行任務的風險。這項一年期任務將是人類探索近地軌道以遠的跳板。

2015年7月，NASA 2013級航天員班學員圓滿完成了航天員訓練項目。NASA局長查爾斯˙博爾登7月宣布，NASA已選出4名航天員作為2017年美國商業太空飛行的首個乘組，這是美國結束單一依賴俄羅斯向空間站運送航天員并重返本土發射的重要里程碑，標志著近地軌道運輸市場進一步向私營開放，也使NASA 2030年向火星運送乘員的目標進一步邁進。

此外，面向未來載人深空探索的航天員及其裝備研究也在有條不紊地展開。2月，7名航天員在美國猶他州火星沙漠研究站進行為期2周的模擬登陸火星演練。演練的重點是原位資源利用技術，學習如何在遠離地球的其他星球上自給自足，其中3D打印技術將起到重要作用。7月，NASA派遣NEEMO -20(NASA極端環境任務實施)國際探險隊，在大西洋底完成14天的海下任務，為未來的深空任務做準備。NEEMO - 20的重點是評估用于未來太空行走的工具和技術，測試將在模擬小行星、火星衛星和火星等不同的表面和重力水平下進行。俄羅斯開展了名稱為“月球-25”的模擬繞月飛行的隔離試驗，這是一項研究女性機體對隔離條件適應的心理生理學試驗，有6名年齡在25～34歲的女性組成了試驗乘組，她們在封閉艙內度過8個晝夜。這些極端環境模擬試驗所取得的成果將幫助人類向適應更長期的航天飛行任務邁進。

3　國際空間站將延壽至2024年，繼續成為科學研究的重要平臺

2015年，俄航天局和美國航天局就延長空間站使用期限達成一致，確定國際空間站將使用至2024年。

3. 1 國際空間站出艙活動繼續開展，運輸事故頻發

2015年，國際空間站共進行了14次運輸任務，俄羅斯發射了5艘貨運飛船(1次失敗)和4艘載人飛船，美國商業公司發射4艘貨運飛船(1次失敗)，日本發射了1艘貨運飛船。國際空間站上航天員共進行了6次出艙活動，完成了架設電纜、清理安裝設備等任務。在國際空間站貨運任務中，俄羅斯“進步”M - 27M貨運飛船執行任務過程中出現故障，飛船未能與國際空間站對接，造成3億多元的損失；美國SpaceX公司的“獵鷹”9火箭6月28日在執行發射任務中發生爆炸，導致“龍”飛船及其攜帶的1. 8噸加壓貨物隨之焚毀。由于飛船攜帶大量駐站生活用品和科學實驗儀器，空間站上的物資儲備降低，計劃完成的科研工作不得不取消或推遲，對于將國際空間站利用率最大化的預期目標帶來不利影響。

3. 2 國際空間站完成大量技術驗證工作

2015年，國際空間站繼續進行大量的技術試驗，以應用于未來實現載人火星探索并能有效降低任務成本。3月，NASA噴氣動力實驗室首次使用OPALS演示驗證了空間站激光信號可聚焦到地面的單模激光光纖上，單模激光光纖在通信工業的標準寬度只有人類頭發的四分之一，這項技術可用于未來空間的高速互聯網連接。6月，ESA利用即時視頻和力反饋進行了首次天地遠程控制試驗驗證(Haptics-2試驗)，驗證了通信網絡、控制技術和天地連接軟件。7月，NASA重啟“機器人在軌燃料加注任務”(RRM)，測試了一種新型、多功能檢測工具。9月，國際空間站上的航天員通過觸覺感知技術對地球上的機器人進行遠程遙控，該技術有巨大的應用前景，人類可通過觸覺感知的方式在復雜的任務中指導機器人。

3. 3 國際空間站載人飛行15年成效顯著

11月2日，國際空間站實現載人飛行15周年，據NASA發布的第二版《空間站造福人類》報告稱，國際空間站在軌15年來，取得了豐富的科學、技術和教育成果，這些成果已經或者將對地球生活產生影響。國際空間站為開展多學科研究與應用發展提供了理想的實驗平臺，對長期空間飛行和未來深空探測任務提供了有力支持；空間站作為開展地球科學研究的理想觀測平臺，其長期飛行條件可提供空間觀測數據；利用空間站微重力條件開展微重力科學研究，有可能實現基礎理論突破、發現物質新特性及潛在應用前景。

4　美國商業航天發展迅速，安全性引發廣泛關注

2015年，美國政府繼續大力扶持商業航天的發展，以SpaceX公司為代表的商業航天企業技術水平不斷提高，商業航天處于快速發展的新階段。但是，“獵鷹”9火箭的爆炸事故再次引發公眾對快速發展的商業航天安全性的擔憂。

4. 1 美國通過立法為商業航天發展掃清障礙

2015年，美國會通過《鼓勵私營航空航天競爭力與創業法》，明確要求為商業載人航天飛行提供第三方信用擔保、發射強制競爭等良好的政策環境；特別是11月，美國總統奧巴馬簽署《美國商業航天發射競爭法》，明確授權美國公民、商業公司或機構享有從小行星和其他地外天體開采的水、礦產資源的所有、使用及出售等權力，從法律層面為未來的商業空間采礦掃清障礙。這一舉措將進一步激發商業公司開展深空探測的興趣，向他們開啟星際采礦的大門。

4. 2 “獵鷹”9火箭發射爆炸引發對商業航天安全性的擔憂

6月，SpaceX的“獵鷹”9火箭發射后發生爆炸并解體，事故初步調查是因為火箭子部件產品質量不過關。此次事故對SpaceX公司產生嚴重負面影響，同時也不利于國際空間站的長期運營，許多科學實驗不得不推遲或取消。在不到8個月的時間之內，美國商業載人航天發展接連遇挫(2014年10月“安塔瑞斯”火箭發生爆炸、“太空船2號”商業飛船飛行測試時墜毀)，頻發的商業航天事故給美國商業航天發展潑了冷水，引發各方對此前一直快速發展的商業航天的擔憂。盡管美國發展商業航天的決心和信心不會因為一兩次事故而發生改變，但考慮到未來將由商業航天公司承擔載人發射任務，美國政府預計將加強監管力度，進一步嚴格要求，確實保證商業航天發射特別是載人發射任務的安全性和可靠性。

4. 3 商業載人航天發展前景依然樂觀

NASA繼續推進商業載人航天項目。在2014年選定波音公司和SpaceX公司為商業載人運輸服務上之后，2015年，NASA授予分別授予上述兩家公司承擔載人運輸任務的合同，這兩家公司將于2017年通過各自的新型飛船首次將航天員送至國際空間站。繼商業貨運補給任務之后，人員運輸也將由商業公司承擔，標志著商業航天的發展邁上了新的臺階。

以SpaceX公司、藍源公司為代表的商業航天公司不斷推進航天系統的研發，多個系統取得顯著性成果。美國SpaceX公司5月首次試驗第二代載人“龍”飛船的發射中止系統，證明了“龍”飛船具備在發射臺出現危及生命的情況下能夠將航天員運送到安全地點的能力，標志著“龍”飛船在邁向載人道路的一個里程碑，對Space X公司未來的載人航天飛行任務至關重要。11月，該公司獲得NASA的首份訂單，將于2017年將執行首次載人任務，將航天員送往國際空間站。藍源公司11月完成首次火箭軟著陸試驗，成為全球第一家將火箭發射至“卡門線”(高度約100千米)后又完好無損地返回地面的公司，這為實現火箭的重復使用大大地向前推進了一大步。

在遭遇火箭發射失敗之后，軌道ATK公司和Space X公司于2015年12月先后實現了復飛。軌道ATK公司的天鵝座飛船搭乘“宇宙神”-5火箭于12月6日發射，執行該公司的第四次國際空間站貨運補給任務，并于9日成功與國際空間站對接，運輸共3. 5噸的貨物。Space X公司于12月底利用“獵鷹”9火箭成功將11顆小衛星送入低地球軌道。此次使用的是“獵鷹”9 1. 2型火箭是在6月發生事故的火箭改進而來，推力更大。

5　各國穩步推進深空探索計劃，探測活動持續升溫

國外各航天國家和組織均制定了各自的深空探索規劃，月球、小行星和火星將是未來很長一段時期主要航天國家競爭的“競技場”。盡管各國的近期發展目標并不一致，但都以載人登陸火星作為長遠發展目標，在深空探索領域能夠躋身國際前列也是成為航天大國的重要標志之一。

5. 1 航天國家細化深空探索計劃

針對月球、火星和小行星等深空探測目的地，美俄進一步明確探測計劃，積極推進相關探測活動。

作為走在深空探索前列的國家，美國3月明確了“小行星重定向任務”的方案，將于2020年發射“小行星轉向航天器”，從一顆較大的小行星(直徑數百米)表面抓取一塊直徑為4米的巖石，并于2025年前將其移至月球軌道；隨后再由航天員對巖石進行采樣并返回。“小行星重定向任務”是美國載人火星探索規劃中的重要一步，該任務中的很多技術和概念方案都可擴展到載人火星探索。

其他航天國家也在爭相制定本國的深空探索目標。日本4月宣布計劃于2018財年向月球發射無人探測器，這是日本首次嘗試登月探索項目。此外，日本還計劃在2021年前后發射無人探測器，在火星的衛星上著陸并采集砂土和冰等帶回地球。從火星的衛星采樣并返回的計劃在全世界尚無先例，若采樣成功，可以對火星、衛星的組成進行詳細調查，有助于解開火星形成之謎。印度宣布將在未來2～3年內獨立進行第二次月球探測任務，即“月球航行”-2探測器的發射。阿拉伯聯合酋長國航天局宣布計劃于2020年7月發射“希望”探測器，將生成人類首個關于火星大氣層的綜合模型，采集并回傳超過1000千兆比特新的火星數據。

5. 2 深空探索成績顯著

2015年，全球深空探測器發回的數據進一步增進了人類對地球和宇宙的了解，擴展了人類的空間知識和探索能力，同時也增加了人類進入更遙遠空間的機會。

NASA 4月宣布，“信使”探測器已完成既定任務，以每秒3. 91千米的速度撞擊水星表面，這次為期4年多的水星軌道任務搜集了非常可觀、有效的數據，“信使”探測器是人類首個也是目前唯一進入水星軌道的探測器。7月，“新視野”探測器以每小時4. 5萬千米的速度飛掠冥王星，最接近距離約為12470千米，首次向地球傳回高清冥王星照片，美國由此成為世界上唯一使用無人探測器探訪了太陽系中最大的九顆星體的國家。

NASA繼續利用“好奇”號和“機遇”號火星漫游車對火星進行探測并取得突破，首次證明火星地表水的存在和火星弱酸性土壤更適合微生物生存的理論。此外，印度的“曼加里安”號火星探測器由于燃料充足，探測任務期被延長，并發回數據。日本“隼鳥”2號小行星探測器3月進入正式飛行的巡航運行狀態，目標鎖定小行星1999 JU3，并將在此小行星上采集樣本物質并帶回地球。

6　結束語

展望2016年，美國在獲得更多財政經費的支持下將繼續保持強勁發展勢頭，新型航天運輸系統的研制將邁向全面制造、組裝、集成和測試階段，航天員為期一年的駐站研究和深空探索的成就將為實現“火星之旅”提供重要支撐；俄羅斯航天領域將打破傳統的“套娃”管理模式，體制革新對航天發展產生的影響或將初現成效；其他航天國家在空間探索領域也在加快發展步伐。

信息來源: http:/ / www. nasa. gov；http:/ / www. cmse. gov. cn；http:/ / www. isro. org；http:/ / global. jaxa. jp.

作者簡介:王巖松(1971 - )，女，碩士，副研究員，研究方向為載人航天信息。E-mail:zrhtbg@163. com

收稿日期:2015-11-10；修回日期:2016-01-10