國外載人航天發展回顧

王霄（北京空間科技信息研究所）

國外載人航天發展回顧

2016 Year in Review: Foreign Human Spacef l ight

王霄
（北京空間科技信息研究所）

2016年，全球共計進行了14次載人航天任務，成功13次，失敗1次。其中，5次載人飛船發射任務，8次貨運飛船發射任務，1次空間實驗室任務，發射數量與2015年持平。俄羅斯發射4艘“聯盟”（Soyuz）載人飛船和3艘“進步”（Progress）貨運飛船，其中進步 MS－04飛船任務失敗，是俄羅斯近1年半以來發生的首次航天事故；美國商業公司成功發射4艘貨運飛船；日本成功發射1艘貨運飛船，即第6個“H-2轉移飛行器”（HTV－6）；中國發射首個空間實驗室，1艘載人飛船。

1 概述

2016年，載人航天領域發展較為平穩。重點圍繞低地球軌道（LEO）開展空間應用，同時積極推進低地球軌道以遠的系統建設，以載人火星為長遠目標持續推進。在任務執行上，美、俄圍繞“國際空間站”開展運營維護。美國仍然依靠商業公司的“龍”（Dragon）、“天鵝座”（Cygnus）飛船進行了貨物運輸；俄羅斯載人飛船再升級，聯盟 MS－01首飛成功，聯盟－U火箭再遇發射失利，進步 MS－04飛船損毀。在系統建設和技術研發上，美國持續推進以“獵戶座”（Orion）飛船和“航天發射系統”（SLS）為主的探索系統開發，受預算影響，小行星計劃面臨推遲；俄羅斯新一代載人飛船聯邦號（Federation）進展緩慢，東方發射場完成首次發射，計劃2023－2025年進行首次載人發射，2030年起開展月球探索任務。在空間應用方面，重點圍繞“國際空間站”這一在軌平臺開展技術開發與驗證試驗。

在商業化發展方面，低地球軌道商業運輸穩步推進，商業公司進軍太空旅游和開發，美國航空航天局（NASA）不斷開拓新型公私合作伙伴關系。NASA授出第二輪“商業補給服務”（CRS2）合同，美國太空探索技術公司（SpaceX）、軌道-ATK公司和內華達山脈公司（SNC）均獲勝，將從2019年起分別用“龍”飛船、“天鵝座”飛船和“追夢者”（Dream Chaser）太空飛機為“國際空間站”提供貨物補給；波音公司（Boeing）、太空探索技術公司有望2017－2018年實現低地球軌道商業乘員運輸；畢格羅航天公司（Bigelow Aerospace）研制的“畢格羅充氣式試驗艙”（BEAM）在軌成功展開，成為全球首個與“國際空間站”對接并成功展開的充氣式活動太空艙；太空旅游呈現重大進展，維珍銀河公司（Virgin Galactic）成功進行了第二艘太空船－2（SpaceShipTwo）首次無動力滑翔飛行試驗；此外，洛馬公司（LM）、軌道-ATK、聯合發射聯盟公司（ULA）、太空探索技術公司等諸多商業公司提出地月空間及載人火星探索規劃。

即將為“國際空間站”提供載人天地往返服務的“追夢者”太空飛機

2016年9月和10月，天宮－2空間實驗室和神舟－11載人飛船先后成功發射，形成組合體并穩定運行，開展了較大規模的空間科學實驗與技術試驗，突破掌握了航天員中期駐留、地面長時間任務支持和保障等技術。目前，中國已突破掌握載人天地往返、空間出艙、空間交會對接、組合體運行、航天員中期駐留等載人航天領域重大技術。

2 各國圍繞“國際空間站”積極開展空間活動

俄羅斯發射首艘新型聯盟 MS載人飛船

2016年7月7日，俄羅斯成功發射載人飛船聯盟MS。聯盟 MS是俄羅斯“聯盟”系列載人飛船的最新一代型號，繼承了聯盟 TMA－M飛船的設計，同時也將成為“聯盟”系列的最后一代飛船，之后俄羅斯將啟用新一代載人飛船聯邦號。

俄羅斯發射首艘新型聯盟 MS載人飛船

自20世紀60年代以來，“聯盟”系列飛船就在外觀設計上保持了一致性。但在飛船內部，聯盟 MS型號則進行了眾多明顯改動，包括將烏克蘭制造的量子－V（Kvant－V）無線電通信系統替換為統一指令遙測系統，結束了俄羅斯對烏克蘭天線、饋線和通信電子設備產品的依賴；新的遙測指令系統能夠使用“射線”（Luch）地球靜止軌道（GEO）通信衛星向地面中繼遙測數據并接受中繼指令。有了新的通信系統，“聯盟”飛船能在70%在軌時間內保持與地面的聯系。

聯盟 MS飛船的一個通信升級是安裝啟用了鄰近通信鏈路，與“國際空間站”交會過程中可建立連接實現相對導航，作為飛船導航數據的額外來源。聯盟MS裝置了“全球定位系統”（GPS）和“全球導航衛星系統”（GLONASS）接收器，用于準確測時、狀態向量計算和軌道確定，不再依賴于僅在經過地面站時才能使用的雷達跟蹤，之前雷達跟蹤只能在通過地面站時進行。聯盟 MS還安裝了改進型攝像系統，并采用數字視頻傳輸向“國際空間站”和地面傳送更佳畫質的畫面。聯盟 MS采用數字電視系統取代了模擬電視系統（Klyost），使視頻能夠作為數據流的一部分，通過天對天通信鏈路傳輸。對飛行控制系統、船載軟件和通信系統的改進，也將推動從模擬向數字視頻傳輸的轉換。

“航向”（Kurs）導航系統在最新一代的俄羅斯“進步”和“聯盟”飛船上有了重大的改進，飛船現有的航向－A交會對接設備將升級為使用俄羅斯國產現代化電子元器件的航向－NA系統。“進步”和“聯盟”飛船上的“航向”系統是基于無線電的系統，可以保證航天器能夠完全實現自主交會、最終逼近和對接序列。“航向”系統使用由目標飛行器發送到追蹤飛行器天線的信號來確定其視線角和始于距離200km的遠交會節面角，航向、視線角度線及近交會的距離和距離變化率。航向－NA使得烏克蘭制造的組件從系統中徹底被清除，而為飛船提供了整體質量更輕、系統能力更強的組件。航向－NA只需要1副天線便可以為聯盟 MS飛船提供更精準的測量，使其與“國際空間站”完全自主對接。

總裝中的俄羅斯進步 MS－04貨運飛船

此外，飛船太陽電池翼的有效面積增加了1.1m2，使電源系統效率提高了25%，同時增加了第5個蓄電池組，以提供額外電力儲能能力；推進系統將小推力的定位推力器替換為130N的發動機，讓飛船外部的推力器能得以重新布置。將所有發動機成對安裝，使系統更具魯棒性，現在能容許2臺推力器同時故障的情況發生；軌道艙加裝了碎片防護層，對接機構內加入了備份驅動機構。聯盟 MS還采用了新型數字式備份環路控制器（BURK）；飛船姿態控制系統采用了新型速率傳感器（BDUS－3A）；新型LED前燈可在對接序列過程中提供照明。

俄羅斯進步 MS－04貨運飛船發射失敗

截至2017年1月2日，俄羅斯共發射了3艘進步 MS貨運飛船至“國際空間站”。不過，莫斯科時間2016年12月1日，聯盟－U運載火箭搭載質量7290kg的進步MS－04貨運飛船從拜科努爾航天發射場發射升空，計劃進入193km×245km、傾角51.66°的軌道，并執行2天的飛行程序，于12月3日對接“國際空間站”星辰號（Zvezda）服務艙。然而，在起飛后383s時，火箭遙測信號突然消失。這是俄羅斯1年半以來首次重大航天事故。初步掌握的資料顯示，本次事故會讓俄羅斯航天國家集團（Roscosmos）損失超過40億盧布（約合6300萬美元）。

俄羅斯航天國家集團已經成立了調查委員會，著手調查聯盟－U火箭通信異常的原因。初步分析顯示，火箭直至火箭飛行383s遙測數據消失前，沒有發現任何問題。

2017年1月11日，俄羅斯航天國家集團宣布了進步 MS-04貨運飛船發射失敗的可能性。這次事故是由于聯盟-U火箭第三級未能按計劃分離導致的。

測試中的日本第6個“H-2轉移飛行器”

日本發射一艘“H-2轉移飛行器”

2016年12月9日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）使用三菱重工（MHI）的H－2B火箭在日本種子島航天中心成功將第6部“H-2轉移飛行器”（HTV－6）送入預定軌道。除了向“國際空間站”運送飲用水、食物、日用品等補給物資外，它還搭載了7顆由大學及民間企業開發的超小型衛星、日本生產的鋰離子電池組成的作為空間站電源的新型電池等總計約5.9t的物質。飛船于12月13日與“國際空間站”交會，站上日本航天員操作機械臂夾持飛船完成停靠、對接。由于歐洲“自動轉移飛行器”（ATV）已于2016年年初退役，目前負責給“國際空間站”運送物資的國家僅剩美國、俄羅斯和日本，而“H-2轉移飛行器”已成為目前運載能力最大的空間站貨運飛船。

獵鷹－9v1.1火箭第一級在海上平臺回收試驗成功

3 穩步推進商業載人航天的發展

美國對商業公司的培育推動發射服務業和航天器制造業的進一步發展，形成了載人航天服務市場，有助于航天產業化和國家經濟發展。近年來，NASA推行商業航天的意志愈加堅決，涉及領域從近地空間拓展到深空。2016年，美國繼續加大力度，推動商業載人航天的發展。

“龍”飛船復飛，充氣驗證艙段成功展開，

火箭第一級海面平臺回收試驗成功

美國東部時間2016年4月8日，獵鷹－9v1.1（Falcon－9v1.1）火箭成功將太空探索技術公司的“龍”貨運飛船送入軌道，執行該公司第8次“商業補給服務”任務。這是繼2015年6月第7次任務發射失敗后，該公司發射的首次“國際空間站”貨運補給任務。隨“龍”飛船進入太空的還有存放在貨艙中的“畢格羅充氣式試驗艙”，抵站后完成了在軌充氣部署，進行居住技術驗證試驗。與此同時，火箭第一級在與第二級分離之后，受控返回位于海上的移動回收平臺，并首次成功實施垂直軟著陸。

此次任務中，“龍”飛船攜帶的最大有效載荷是畢格羅航天公司建造的“畢格羅充氣式試驗艙”，質量約1413kg。該試驗艙充氣后直徑增加到3.23m，內部空間可達16m3。艙體裝備有發電量1000W的太陽電池板，用于軌道和位置確定的GPS系統，用于姿態確定的磁強計和太陽敏感器，以及用于姿態控制的磁轉矩儀。艙內采用被動熱控方式，將平均溫度保持在26℃。在接下來的2年測試期內，空間站乘員和地面工程師將收集該試驗艙的性能數據，包括結構完整性和漏氣率。試驗艙內嵌入的各種儀器也將提供重要數據，包括相較于傳統鋁制艙段的輻射和溫度變化等。航天員定期（每年4次，每次幾個小時）進入艙內收集數據并進行檢測。測試期結束后，該艙段將與空間站脫離，再入大氣層燒毀。

“天鵝座”飛船成功執行2次正式合同任務

2016年3月23日，美國軌道-ATK公司的“天鵝座”飛船在卡納維拉爾角空軍基地發射升空，這是“天鵝座”飛船第5次為“國際空間站”運送貨物。飛船帶有3.5t貨物，包括航天員補給物資和一些實驗設備，其中還有一個升級版3D打印機。經過約3天的飛行，飛船于3月26日抵達“國際空間站”，2個月后，飛船攜帶近1.5t垃圾返回地球。與以往任務不同的是，本次飛船脫離空間站后，地面控制人員遙控在飛船上進行了“飛船火焰實驗”，該實驗有助于了解微重力環境對火情擴散蔓延的影響，以便研制更好的防火材料和技術。2016年10月17日，“天鵝座”飛船第6次為“國際空間站”執行貨物運輸任務，其運載火箭是繼2014年上一次發射升空數秒后爆炸事故以來首次執行任務的“安塔瑞斯”（Antares）火箭。

私營公司獲得商業合同

藍色起源公司發射的“新謝潑德”亞軌道飛行器

“多用途乘員飛行器”在軌飛行示意圖

2016年1月，NASA宣布第二輪“商業補給服務”競爭的獲勝者，太空探索技術公司、軌道-ATK公司和內華達山脈公司均獲合同，將從2019年起分別用“龍”飛船、“天鵝座”飛船和“追夢者”太空飛機為“國際空間站”提供貨物補給。根據各家公司選用的航天器/運載火箭組合，初期的第二輪“商業補給服務”任務將向“國際空間站”運送22500～26500kg補給品和設備。之后，NASA可能會視空間站運行情況追加2021－2024年的補給任務。其中“追夢者”太空飛機首次飛行計劃于2019年進行，將由宇宙神－5（Atlas）火箭發射。

繼太空探索技術公司和軌道-ATK公司在第一輪“商業補給服務”取得成功之后，NASA就已正式開始第二輪合同授予的程序。原計劃2015年初宣布合同授予結果，后一再推遲到2016年初。此外，NASA又相繼增加了太空探索技術公司和軌道-ATK公司在第一輪“商業補給服務”階段的任務次數，確保第二輪任務開始之前的貨物補給工作。

雖然NASA未將內華達山脈公司列入其商業乘員項目的合作伙伴，但一直向內華達山脈公司的“追夢者”太空飛機試驗項目給予投資，并將其列為“可合作的”空間運輸合作伙伴。2016年7月11日，內華達山脈公司宣布完成“國際空間站”第二輪“商業補給服務”合同項目下的首個里程碑事件—NASA批準了“追夢者”太空飛機的設計、開發、測試和評價綜合計劃。

2016年6月19日，美國藍色起源公司（Blue Origin）再次發射“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道飛行器，其推進模塊連續第4次實現了動力控制下的地面著陸，同時飛行器的乘員艙也試驗了其降落傘系統。NASA于2016年6月2日宣布授予藍色起源公司一份亞軌道研究飛行任務合同。

4 積極推進新型載人航天器系統發展

持續推進“獵戶座”的“多用途乘員飛行器”（MPCV）

2016年3月，NASA決定將“小行星重定向任務”（ARM）的發射日期推遲1年至2021年底。在NASA咨詢委員會的載人探索與運行委員會的會議上，該任務項目主管米歇爾·蓋茨稱，“小行星重定向任務”推遲旨在開展航天器平臺的先期設計研究工作。NASA副局長威廉·格斯登梅爾表示，推遲發射與項目技術無關，而是資金出現困難。綜合考慮一些意外因素，“獵戶座”飛船執行載人任務的發射時間將推遲到2026年12月。盡管“獵戶座”在一個關鍵節點上出現了延遲，但2016年度飛船的研制工作仍持續推進。據肯尼迪航天中心2016年8月《航天港》報道，NASA技術人員與承包商從7月開始在尼爾·阿姆斯特朗操作與檢測廠房的高跨區內進行了“獵戶座”飛船熱防護系統（TPS）防熱瓦的黏合。

俄羅斯持續推進新載人飛船聯邦號的研制工作

2016年1月15日，俄羅斯公布了其正在研制的新一代載人飛船的名字∶聯邦號。該飛船放棄了目前“聯盟”飛船的三艙段結構設計，采用全新的兩艙段設計，整體設計外觀與美國正在研制的“獵戶座”飛船相似。飛船計劃由正在研制的安加拉－A5（Angara－A5）運載火箭發射，將取代目前的“聯盟”飛船執行近地軌道任務，未來還可用于執行載人登月任務。

聯邦號飛船較“聯盟”飛船進行了大量的改進，其內部空間是“聯盟”飛船的2倍大，可搭乘4名航天員和500kg貨物。返回著陸前，飛船將伸出4個裝有減震器的支架，使飛船不會有強烈的撞擊感。俄羅斯能源火箭航天集團（RSC Energia）總經理羅伯塔于2016年10月11日披露了聯邦號飛船的技術細節，特別是研制的新飛船將采用降落傘和噴氣式著陸系統相結合的方式，從而使著陸精度提升至5km以內。

5 載人航天政策、規劃和評估

美國

2016年2月，美國白宮發布了2017財年預算申請，NASA為190.25億美元，較2016財年批準的192.85億美元減少了2.6億美元。美國希望通過為NASA提供的190億美元預算，推進國家級空間探索計劃，并確保美國在未來幾年內處于空間探索、航空研究和科學發現的世界領先地位。在NASA 2017財年預算申請中，“探索”和“空間運行”預算項分別為33.37億美元和50.76億美元，這兩部分同屬NASA載人探索與運行任務部，合計84.13億美元，占總數的44.2%。

該預算案稱，載人探索與運行部分資金將繼續美國商業乘員運輸系統的研制，確保在2017年底之前完成驗證，徹底結束對俄羅斯載人飛船的依賴；繼續研制“航天發射系統”系列火箭和“獵戶座”載人飛船，用于今后的深空載人任務；推進先進探索系統研制，通過公司合作伙伴關系發展基礎技術；繼續為用戶提供任務關鍵性空間通信和導航服務，包括載人、商業載人科學任務和貨運任務。

此外，NASA瞄準未來太陽系及以遠探測任務，在“小企業技術轉移”（STTR）項目第二階段中，從美國41家企業和研究機構中篩選了21項研究和技術提議，簽署了總價值約1.58億美元的合同。這些技術大致可分為6個領域∶①自主通信系統；②航天服氣體探測技術發展；③太空氣象預測；④行星物質組成分析與測繪技術；⑤智能和自適應空間機器人相關的信息技術；⑥先進推進系統地面試驗與發射技術。NASA的“小企業技術轉移”項目利用高度競爭、三階段獎勵的形式，為符合資質的小企業和研究機構提供合作機會，解決NASA的特定技術差距。

俄羅斯

2016年3月23日，俄羅斯政府正式出臺第230號決議《2016－2025年聯邦航天規劃》。該規劃指出，未來10年將為聯邦航天活動劃撥14000億盧布（約合216.6億美元），2022年后或再補充劃撥1150億盧布（約合17.79億美元）。該規劃共包括7部分內容∶10年規劃的總體目標、實施階段、主要任務、各領域發展目標、主要領域的先進工藝、規劃實施的主要原則以及優先發展方向。

該規劃明確提出，未來俄羅斯航天將發展3個優先方向∶一是發展通信和對地觀測衛星系統及相應的運載火箭，到2025年保證在軌運行的民商及科學衛星從49顆增至73顆，保證新型“聯盟”和“安加拉”火箭逐步投入使用，并開展超重型運載火箭的研制；二是建造滿足科研需求的航天設施，繼續開展“火星生物學”（ExoMars）聯合火星探測項目，以及機器人月球探測活動；三是實施載人飛行，支持“國際空間站”運行至2024年，繼續研制新型載人飛船，繼續建設東方航天發射場。此外，結合當前俄羅斯實際情況，將可重復使用火箭研制推遲至2025年以后。

該規劃指出，俄羅斯將利用“安加拉”火箭執行新一代載人飛船的飛行試驗任務；2023年起，將使用東方航天發射場執行“國際空間站”貨物和人員發射任務；發射5個月球探測器，開展月球考察等基礎空間研究；月球計劃第二階段將于2021年開始，2021年進行新一代載人飛船的無人飛行試驗，2023年飛船將首次飛往“國際空間站”。該規劃還指出，將為2025-2030年載人登月做足準備，完成充分必要的技術儲備。

歐洲和日本

2016年10月26日，歐盟委員會發布了其新版《歐洲航天戰略》，旨在提升歐洲航天在全球的領先地位，在國際航天市場占有更高份額，緊密把握發展時機，加快航天發展。該戰略將于2017年正式實施。該戰略提出，首先將繼續維護“國際空間站”至2024年；其次，增加預算，將歐洲航天局（ESA）的現有航天探測項目整合到一個項目中，并加強歐洲在機器人領域和載人探測方面的能力。先在2017－2019年進行過渡，到2020年將開展以下主要項目∶

1）完成“國際空間站”歐洲負責的部分，并有效利用科學和技術發展進行成果轉化；

2）完成NASA“獵戶座”飛船的“歐洲服務艙”（ESM）的第一個任務；

3）履行與NASA簽訂的貿易協議直到2020年，這是歐洲技術首次嵌入到NASA的載人空間探測項目中；

4）完成“歐洲服務艙”的第二個飛行模塊的制造，滿足“國際空間站”一般系統運行成本，并保證到2021－2024年可以滿足航天員任務；

5）完成火星計劃的跟蹤氣體軌道器，探測火星大氣；

6）完成火星2020年任務的研發，包括其先進的漫游車，對火星進行首次表面探測；

7）從“國際空間站”、非“國際空間站”空間平臺和空間類似環境中獲得研究結果，推動歐洲的空間科學研究，以便支持其經濟發展，并為未來空間探測做準備。此外，在空間探測領域首次進行歐洲商業化合作。

經過日本宇宙政策委員會多次審議后，航天戰略本部于2016年3月末公布了其對2015年《航天基本計劃》的修訂版。修訂版較前一版本主要變動為“情報采集衛星”（IGS）系統、空間科學探測中的“遴選性小型計劃”和用于“國際空間站”物資補給的“H-2轉移飛行器”。

文部科學省在2015年提出了降低載人探索成本，設計新型“H-2轉移飛行器”的設想，并將新型飛船暫定名為H-2轉移飛行器-X（HTV-X）。目前的“H-2轉移飛行器”有6t貨物運送能力，H-2轉移飛行器-X將在保持現有運送能力的基礎上大幅減輕飛船的質量，將制造費用從目前的200億日元減少至100億日元左右。此次修訂版中計劃于2020年發射首艘H-2轉移飛行器-X，至2024年共發射5艘。

6 結語

2016年是全球載人航天發展55周年，載人航天發展穩中有變。主要航天大國仍將載人航天作為國家重要戰略而持續投入，近地軌道載人航天技術發展成熟，各國圍繞“國際空間站”開展全面應用，面向近地軌道以遠的月球、小行星、火星等目標探索的相關先進技術、系統研發持續推進。美國以保持和鞏固全球領導地位為目標，以能力提升為基礎，以技術創新為手段，積極探索商業化運營模式，將初步成熟的近地軌道載人航天活動推向市場，積極調動商業力量服務載人航天發展；俄羅斯為鞏固載人航天的優勢地位，明確載人航天長遠發展思路和重點，包括繼續運營空間站、研制新一代載人飛船、實施載人登月項目，并提出國際月球軌道站構想；歐洲和日本通過國際合作開展載人航天活動。