2016國外載人航天發展綜述

廖小剛 王巖松

（中國國防科技信息中心，北京100142）

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2016國外載人航天發展綜述

廖小剛 王巖松

（中國國防科技信息中心，北京100142）

2016年，國外主要航天國家依據本國國情推進載人航天發展戰略，規劃載人航天未來目標與重點；運載火箭、飛船、發射場等載人系統取得諸多顯著進展，為未來發展奠定基礎；國際空間站主要成員國都已同意延壽至2024年，將為載人航天發展發揮更大作用；以SpaceX公司等為代表的商業公司低地球軌道能力與技術不斷成熟，并正在向月球、火星等低地球以遠拓展；小行星、火星、木星等無人深空探測活動依然活躍，取得多項探測成果，為載人深空探測鋪平道路。

1 主要航天國家繼續做好載人航天的頂層規劃

美國2016年繼續重申載人登陸火星的目標，但由于特朗普當選下一任總統，美國未來的載人航天發展目標與重點將可能進行調整。美國總統奧巴馬10月撰文表示，將通過政府和私人創新者之間的不斷合作實現2030年載人登陸火星的目標，“這是美國航天重要的新篇章”。但由于共和黨人特朗普11月當選美國下任總統，其上任后將修改奧巴馬時期的載人航天發展政策，以符合其執政的理念。美國未來的載人航天發展目標與途徑可能發生變化，探索整個太陽系將取代登陸火星成為美國載人航天的長遠目標，月球將得到更多的關注。

俄羅斯政府3月批準《俄聯邦2016～2025年航天規劃》，到2025年將投入1.4萬億盧布（1美元約合68盧布）發展本國航天業。由于目前俄經濟狀況不好，其撥款額度比最初草案提出的2萬億盧布削減了30%，導致俄未來10年航天特別是載人航天計劃將大幅瘦身，可重復使用火箭研制推遲至2025年以后，載人登月計劃推遲至2030年以后。盡管如此，一些載人航天的相關項目還是得到了保留，包括：繼續發展“安加拉”運載火箭和新一代載人飛船，加速“東方”航天發射場建設，發射5枚月球探測器，開展月球考察等基礎研究，參與維護國際空間站等。普京12月在俄羅斯航天國家公司2030年前發展戰略研討會上強調未來應重點關注：提高國際空間站俄羅斯艙段工作對經濟和基礎科學方面的實際作用；重視新一代航天器及運載工具的研制生產；開展“東方”發射場二期建設等。此外，俄羅斯總統普京簽署總統令，俄聯邦航天局于2016年1月1日起撤銷，由新成立的俄羅斯航天國家公司取而代之，以提高工作效率、降低運行成本。

歐盟委員會10月發布新版《歐洲航天戰略》，旨在加快航天發展、提升歐洲航天在全球的領先地位以及在國際航天市場占有更高份額。新戰略強調繼續發展“阿里安?6”火箭和“織女星?C”火箭，研發可重復使用和低成本發射技術等。在12月舉行的部長級會議上，歐洲航天局局長強調在航天4.0時代實現歐洲航天一體化發展，并決定未來4年將投入103億歐元的航天預算。其中對于載人航天，歐洲航天局提出“月球村”概念，即通過全球聯合方式開展月球探測，該項目將吸收包括俄羅斯在內的多國參與。

2 載人航天各主要系統穩步推進

（一）新型運載器系統平穩發展

2016年，載人航天發射共12次，失敗1次；其中美國發射4次，俄羅斯7次（載人乘員運輸4次），日本1次。現役運載器2016年既有成績也有挫折。美國“安塔瑞斯”火箭10月成功復飛，將“天鵝座”飛船送往國際空間站，這是“安塔瑞斯”火箭自2014年發射失敗后的首次復飛。俄羅斯“聯盟”U運載火箭在12月執行國際空間站貨運任務時，由于火箭三級發生故障，導致飛船未能入軌，在大氣層中燒毀。而美國的“獵鷹?9”火箭在地面測試時因為燃料加注故障發生爆炸，導致其2016年后續的國際空間站貨運任務都不得不推遲到2017年。

新型運載器系統研制則進展順利。美國航天發射系統（SLS）研制工作繼續向前推進，先后完成火箭芯級液氧燃料罐測試版的焊接、固體火箭助推器段測試版的安裝，以及芯級發動機RS?25的多次靜態點火試驗，為SLS火箭在2018年8月的首飛做好準備。俄羅斯宣布開始研制新型超重型運載火箭。俄羅斯副總理羅戈津11月透露，俄羅斯正在研制新型重型運載火箭，將為建立月球基地鋪平道路。俄新型火箭預計5到7年就可研制成功，近地軌道運載能力將達120～160噸，將會成為俄羅斯實現登月的基礎。

除了國家層面，美國的商業公司也積極研制新型運載火箭。美國藍源公司9月正式宣布該公司正在研制“新格倫”運載火箭，計劃于2020年前進行首飛。該火箭包括兩級與三級構型，可用于近地軌道或更遠軌道的商業衛星發射和載人飛行任務。

（二）新型飛船研制步伐加快

2016年，美、俄的新型飛船（載人和貨運）都繼續推進，取得諸多成果。NASA在開發和測試“獵戶座”飛船上取得重要進展，完成“獵戶座”壓力艙的焊接工作。該壓力艙作為一個密閉環境，將為未來的載人任務乘員艙提供航天員生命保障。通過壓力測試后，將為壓力艙裝載航空電子設備及系統，然后與SLS火箭集成。NASA還對歐洲航天局提供的“獵戶座”服務艙結構測試體進行一系列關鍵測試，以驗證其結構完整性和發射過程中可承受的動力。

1月，俄羅斯為正在研制的新一代載人飛船命名為“聯邦”號。“聯邦”號飛船拋棄了目前聯盟號飛船的三艙段結構設計，采用全新的兩艙段設計，將取代目前的“聯盟”號飛船執行近地軌道任務，未來還可用于執行載人登月任務。除載人飛船外，俄已經開始新型高運載力貨運飛船的概念設計，由于新貨運飛船的運載能力更強，因此每年只需要發射三次就可滿足國際空間站的需要，而現行的“進步”貨運飛船則需要四次。

（三）航天員系統取得多項成果

1）航天員完成一年期駐站任務安全返回

2016年3月，NASA航天員斯科特·凱利和俄羅斯航天員米哈伊爾·科爾尼延科完成了國際空間站一年期駐站任務，在國際空間站共駐留340天，完成超過400項試驗。這是國際空間站建設以來連續飛行時間最長的一次任務，凱利也成為單次駐留太空時間最長的美國航天員。航天員駐站一年期任務旨在更好地了解長期空間飛行對人體的影響，為將要到來的載人小行星和火星任務提供數據和參考。

2）航天員開展多種形式的地面訓練以適應未來長期任務

2016年，針對未來載人深空長期飛行任務，各航天國家展開了多種形式的航天員水下、封閉及微重力條件下的模擬訓練。其中包括：6月，NASA人體研究計劃（HRP）模擬研究中的HERA?10模擬任務順利結束，為期30天的任務期間，乘員“訪問”了一個虛擬小行星，并采集了土壤和巖石，通過3D打印機制造了一部分設備，進行了植物栽培、鹽水蝦養殖等活動；7月，來自中國、俄羅斯、日本、歐洲航天局和美國五個航天機構共6名航天員在意大利撒丁區800米深的地下巖洞，共同完成歐洲航天局開展的洞穴培訓課程——合作冒險運動，評估航天員行為和績效能力；7月，“火星?160”計劃開始實施，來自美國、俄羅斯、法國、英國、日本等國的乘員在美國南部猶他州“火星荒漠研究站”開始為期80天模擬任務。

這些地面訓練旨在為未來的深空探索和火星之旅做準備，訓練航天員在多元文化團隊內，如何在狹小、隔離、陌生且相對危險的環境下克服心理與生理的多重挑戰，安全有效地開展各項工作，以及訓練他們的領導力、服從性、團隊協作及決策。

3）新型航天服研制進展順利

2016年，俄羅斯新型航天服——“海鷹”MKS艙外航天服研制完成，并裝備國際空間站（由于火箭發射失敗，該航天服未能送往國際空間站）。新航天服增加了2項創新設計：新增自動熱調節系統；對橡膠密封綁扎材料進行替換，更加耐磨耐用。此外，俄羅斯還將以“海鷹”航天服為基礎，研制新型月球航天服。

針對未來火星探測任務，NASA于2016年開始對兩種火星航天服進行測試評估：一是可在低重力和零重力環境中使用的“空間探索航天服”樣型；二是用于對實施火星表面探測的移動技術進行測試的航天服Z?2。這兩種航天服都將為載人登陸火星提供生命支持和保障。

（四）航天發射場建設持續推進

2016年，俄羅斯“東方”航天發射場完成首次發射，美國則繼續改造肯尼迪航天中心，以適應未來SLS新型火箭的發射。4月，俄羅斯的“聯盟－2.1a”運載火箭從俄遠東地區阿穆爾州的“東方”航天發射場發射，將三顆衛星送入預定軌道。這也是“東方”航天發射場自2012年開始動工以來的首次發射，目前，發射場一期項目已接近尾聲，可支持所有“聯盟?2”型火箭發射。2016年，俄羅斯政府還批準了“東方”航天發射場第二階段的建設預算，從2017年到2019年，每年約劃撥250億～300億盧布（3.828億～4.59億美元）用于新發射場的建設，預計2021年前完成“東方”航天發射場的基礎設施建設。“東方”航天發射場的首次發射標志著俄羅斯新建的本土航天發射場具備實際發射能力。可擺脫對位于別國航天發射設施的嚴重依賴，以及發射場距離邊境過近帶來的潛在安全風險；還可促進遠東地區經濟發展；以及獲得低緯地區發射優勢，是俄羅斯境內最具潛力的月球和火星探測器發射地點。

隨著SLS火箭首次發射日期的臨近，美國肯尼迪航天中心（KSC）的地面設施改造有序進行。改造的設備包括：活動發射平臺，由于SLS火箭的重量和高度增加，導致發射平臺的整體結構發生變化，平臺的重量也隨之增加240.36噸；發射臺，由于液氫的儲存用量需要，NASA擬增加建造一個容量為5300立方米的液氫儲罐和一個容量為11 360立方米的液氫儲罐。

3 國際空間站繼續平穩運行

截至2016年5月16日，國際空間站（ISS）實現了繞地飛行10萬圈的里程碑，共飛行超過42億千米；期間，共有來自18個國家的超過220名航天員到訪國際空間站，進行了1900多項科學實驗，并取得超過1200多項的科研成果。

（一）日常運行良好完成多項實驗

2016年，國際空間站共接納7艘無人貨運飛船，4艘載人飛船，共有3期9名航天員飛赴國際空間站，完成大量科學研究和技術試驗。4月，由“龍”飛船運輸的“充氣膨脹式太空艙”（BEAM）送抵國際空間站，并于5月成功展開，6月航天員進入BEAM，先后完成采集氣體樣本、檢查通風管道等任務，開啟BEAM為期兩年的測試任務。收縮時BEAM直徑2.36米、高2.4米，充氣后會膨脹至3.2米、高3.7米，內部空間16立方米。這種膨脹充氣的太空艙為現有太空站模式帶來變革，可取代大部分金屬外殼太空艙。相比較普通太空艙，充氣式太空艙價格較低，重量輕便很多，未膨脹展開前體積很小，便于運輸，發射費用低廉。這項技術未來可使用在月球與火星基地建設上，也可以用來組裝大規模空間結構。

（二）主要成員國同意國際空間站延壽至2024年

繼美國、俄羅斯、日本、加拿大之后，歐洲也批準了國際空間站延壽到2024年。美國于2014年最早提出將國際空間站延壽至2024年，隨后俄羅斯、日本、加拿大2015年都同意該延壽方案，但歐洲一直沒有明確表態。2016年11月，歐洲航天局舉行部長級會議，支持國際空間站延壽至2024年。國際空間站最初離軌時間定在2016年，后各方同意延壽至2020年，此次再次延壽將使其應用潛力實現最大化，并帶來更多經濟效益、社會效益與科學效益，為未來的載人深空探索提供經驗和技術準備。

（三）開始研究后國際空間站時代未來發展

由于國際空間站項目將于2024年結束，各參與方開始討論國際空間站退役后如何聯合開展載人航天研究。2016年，國際空間站各合作方在專家組層面已經完成了一份有關建造一個國際月球軌道空間工作站的實施構想，建議在月球軌道聯合建立一個新的國際空間站，為探索月球、載人登陸月球、月球資源開發以及探索火星提供幫助。專家組已開展了有關其設計構型以及組成要素和接口的技術參數的商討，希望能在2017年上半年將這個項目的建造與運營可行性方案提交給國際空間站各合作方的高層。

與此同時，美國和俄羅斯也開始研究國際空間站退役后離軌處置問題。美、俄航天機構于4月底舉行雙邊技術交流會，就國際空間站在退役或緊急情況時的離軌處置問題交換了意見，并達成了戰略性協議和應急反應計劃。目前再入大氣層燃燒是唯一的方案，但該方案需要多個對接的航天器同時點火才能實現。美、俄預計在2017年9月間可使ISS具備進行安全離軌燃燒的能力。

4 商業載人航天開始向低地球軌道以遠拓展

商業航天作為載人航天發展的重要力量，其技術水平不斷提高，在繼續承擔低地球軌道任務的同時，已經關注的眼光投向低地球軌道以遠。

（一）重復使用技術不斷取得突破

以“獵鷹?9”火箭和“新謝帕德”亞軌道火箭為代表，商業航天公司的火箭重復使用技術進一步成熟，有望大幅降低航天發射的成本。繼2015年12月首次實現低軌任務的海上回收后，2016年美國SpaceX公司的“獵鷹?9”火箭先后實現低軌任務的陸地回收以及高軌任務的海上回收；全年發射7次，成功回收5次，總回收成功率為75%。這標志著SpaceX公司已經基本掌握火箭回收技術。藍源公司10月成功測試“新謝帕德”飛船的逃生系統，同時第五次成功回收火箭。這使該飛船距載人目標又近了一步。藍源公司的目標是2018年利用“新謝帕德”火箭與飛船把人送到約100千米高處的亞軌道旅行。

英國維珍銀河公司12月成功進行第二艘“太空船二號”首次無動力滑翔飛行試驗，標志著該商業亞軌道飛行器無動力滑翔測試正式開始。該飛行器最終將搭載太空游客和科研設備，最大高度達100千米左右，可體驗幾分鐘的微重力狀態，實現太空旅行。

（二）低地球軌道運輸任務不斷成熟

隨著商業載人航天能力的不斷提高，NASA越來越多低地球軌道任務都將由商業公司完成。NASA于1月宣布，SpaceX、軌道科學ATK和內華達山脈公司三家公司獲得第二輪國際空間站商業補給服務合同（CRS2）。2019年到2024年，這三家公司各自將為NASA提供6次國際空間站的貨運服務。內華達山脈公司是首次中標，將提供“追夢者”飛船承擔貨運任務。“追夢者”是小型航天飛機，可利用運載火箭垂直發射，最后像飛機一樣水平著陸，可重復使用。4月，美國聯合發射聯盟（ULA）與畢格羅宇航公司簽署協議，將聯手打造大型“充氣膨脹式太空艙”，首個艙段將在2020年升空。相比較普通太空艙，充氣式太空艙價格較低，重量輕便很多，未膨脹展開前體積很小，便于運輸，發射費用低廉。這項技術一旦成功，甚至可以被用在遠離地球的深空空間站、月球和火星基地上。

俄羅斯也逐漸開始關注商業航天的發展。俄羅斯航天國家公司3月向太空旅行公司授予首個載人航天飛行許可。這是俄羅斯私營企業首次獲準開展亞軌道載人飛行業務。該公司開發的系統將由可重復使用亞軌道運載火箭和可重復使用亞軌道飛行器組成，可將6人送入亞軌道，進行時長15分鐘的飛行，其中約6分鐘為失重飛行。

（三）開始向低地球軌道以遠拓展

8月，美國聯邦航空管理局宣布已批準美國私企月球快車公司（Moon Express）于2017年進行機器人登陸月球的申請，這也是首家被批準進行登月的美國商業公司。此舉為其他有意進行外太空商業化的公司提供了參考的范例，將極大提升美國私企開發月球的熱情。

SpaceX公司創始人馬斯克9月宣布了登陸并開發火星的計劃。火星登陸任務由“星際運輸系統”來執行，近地軌道運載能力達550噸，一次搭乘超過100名旅客前往火星，所有部分都可重復使用。SpaceX公司計劃，2019年將開始對“星際運輸系統”進行首次測試，最早于2024年將人類送往火星。為支持登陸火星的計劃，SpaceX公司計劃2018年執行“紅龍”任務，發射無人“龍”飛船抵達火星。如果SpaceX公司火星登陸計劃成功，將成為全球各大宇航機構火星探索領域的領軍者。NASA表示，“紅龍”任務可提供可靠的抵達火星任務的軌道、降落和著陸的詳細數據，可NASA的火星任務提供幫助。

5 深空探測依然活躍

火星和月球的探索已成為全球空間探索活動的重點，作為彰顯大國地位的重要戰略性領域，深空探索越來越受到重視。2016年，各航天國家依據本國國情和發展戰略，逐步開始規劃和實施其深空探索活動。

（一）美國啟動小行星探索任務

2016年，聯合發射聯盟的“宇宙神?5”火箭成功發射了NASA的“起源、光譜釋義、資源識別與安全－風化層探測器”（OSIRIS?REx）。這是美國進行的首個小行星采樣返回任務。OSIRIS?Rex是NASA“新前沿”計劃的第三個任務，任務成本8億美元。OSIRIS?REx探測器重約2087千克，探測器將飛往直徑500米的一顆近地小行星“貝努”，預計2018年8月到達。探測器將研究小行星2年，然后與小行星表面近距離接觸并采集塵埃和巖石樣品。探測器的“接觸即分離”樣品獲取機械臂（TAGSAM）將使用噴出的氮氣攪動小行星表面，并用過濾器采集材料樣品，可以收集超過60克樣品。探測器將儲存由TAGSAM收集的樣品，放入基于“星辰”號彗星采樣返回任務樣品艙研發的樣品返回艙。OSIRIS?REx將于2021年3月離開“貝努”，2年半后返回地球。樣品返回艙將于2023年9月著陸。科學家希望，這項任務能增進對太陽系形成乃至地球生命起源的認識。

此外，2016年，NASA對小行星重定向任務進行了更為深化對論證。完成了小行星重新定向機器人任務（ARRM）和關鍵決策點?B的評審，完成了ARRM／ARCM（ARM任務中的載人操作任務部分）的初步安全評審。NASA就如何成功實施ARM科研任務成立了一個研究團隊，在3～5年內針對ARM任務開展科研、星際防御、原位資源利用、技術演示驗證領域給予支持。但新政府執政后，NASA的探索途徑是否會隨著長遠探索目標的轉移而發生改變，小行星重定向任務是否會持續進行，還需要進一步關注。

2016年，除了小行星任務外，已在太空飛行4年11個月的“朱諾”號成功進入木星軌道，這是自2003年“伽利略”探測器結束木星任務以后，13年來首顆繞木星工作的探測器，開拓了人類對太陽系行星的認知領域。

隨著美國載人航天戰略的進一步推進和實施，美國在低地球軌道上的技術日臻成熟，商業航天的迅速崛起和廣泛加入，NASA下一步的發展目標和重點將轉入深空探索。雖然美國還沒有最后明確載人火星任務的具體時間，但依據目前的形勢看，各系統的研發和技術進展良好，已經為載人深空探索奠定了重要的技術基礎。

（二）俄羅斯規劃首次月球和火星探索任務

隨著俄羅斯未來十年航天發展規劃的公布和航天管理機構的確立，俄開始其未來深空探索的進一步規劃。

2016年底，俄航天官員透露，俄羅斯的首次載人登月將在Poligon區（Poligon區是航天員登月前在月球極地建立的一個實驗地區，前期配備機器人和一些簡單的設施）著陸，著陸月球的時間為1～2周。長期載人登月任務將在Poligon區建造完成月球極地站后才能開展，這種月球極地站將主要配置防輻射型載人艙及生命保障系統。如果能獲得充足的任務資金，俄羅斯航天部門擬于2030年實施首次載人登月。在此之前，航天員們將在近月球軌道的“聯邦”號飛船上工作，并能通過飛船對月球表面上的機器人進行遠程控制。

關于載人火星探索，俄羅斯主要通過國際合作的形式開展。首次載人登陸火星任務將于2040—2050年實施。俄羅斯計劃采取在數周內快速飛往火星的方案。登陸火星的飛船需要配置速度更快的核動力火箭發動機，目前技術尚未成熟且資金缺口嚴重。

俄羅斯一直以來延用了以往漸進式發展目標牽引能力提升的做法推進其載人航天能力發展進程。俄保持著良好的技術優勢和雄厚的技術儲備，在深空探索領域也始終占據著領先水平。但近幾年來，俄羅斯的經濟衰退，航天管理體制和航天工業的改革進程一度影響著新型系統研發和技術進步，特別是《俄羅斯聯邦2016—2025年航天規劃》中對載人航天投資的大幅縮減，資金缺口或阻滯其深空探索的發展。

（三）歐洲通過開展合作啟動火星計劃

歐洲航天局一直采用國際合作的方式開展載人航天探索活動，無論是低地球軌道的國際空間站計劃還是深空探索的“火星生物學”（ExoMars）計劃，這樣既可以節約成本共擔風險，又能滿足歐洲航天局研究任務的需求。3月，歐、俄合作的“火星生物學”（ExoMars）計劃第一階段任務啟動。俄“質子?M”火箭在拜科努爾發射場成功發射“微量氣體軌道器”（TGO）和“斯基亞帕雷利”著陸器。10月19日，按計劃“斯基亞帕雷利”將在火星表面軟著陸，驗證進入、下降和著陸技術。但在著陸前大約50秒內，該著陸器陷入了失聯狀態。10月21日，ESA公布了NASA“火星勘測軌道飛行器”（MRO）拍攝的圖像，表明“斯基亞帕雷利”號已經在著陸過程中墜落并爆炸。此次Exo?Mars任務雖未完全成功，但其火星探測器TGO已成功進入環火星軌道，并傳回圖像。TGO距離火星表面大約230～310千米，沿著橢圓形軌道每4.2天運行約98 000千米。此次ExoMars任務中，通過合作快速提升了歐洲航天局火星無人探測技術，重點開展了火星空間科學研究與試驗活動，在無人深空探測領域積蓄了一定的實踐經驗與技術能力。

此外，歐洲的“羅塞塔”彗星探測器按計劃撞向楚留莫夫—格拉西門彗星，結束了長達12年的任務。“羅塞塔”于2004年發射，2014年進入彗星軌道，實現了彗星的首次環繞和著陸。

6 結語

2016年，國外主要航天國家在載人航天領域持續推進本國發展戰略，雖有挫折但成果顯著。“空間發射系統”／“獵戶座”飛船等新型載人航天系統穩步推進，為2018年首飛鋪平道路；俄羅斯“東方”航天發射場實現首次發射；國際空間站平穩延壽，為航天技術進一步發展帶來良好機遇；商業航天的蓬勃發展為低地球軌道以遠探索帶來新的活力。展望2017年，美國新一屆政府是否制定新的航天政策，載人航天長遠發展目標和重點是否會改變，NASA實現載人登陸火星的途徑是否發生變化都需要值得密切關注；俄羅斯依據新的十年發展規劃，新的航天管理體制將給未來的載人航天活動帶來新的契機；商業航天將繼續快速發展，SPACEX公司的“獵鷹?9”火箭將首次實現重復使用，“獵鷹重型”新型運載火箭將完成首飛，為火星殖民計劃奠定基礎；以月球和火星為代表的深空探索活動仍是各國關注的焦點，載人航天將在人類探索未知世界的征途上發揮越來越重要的作用。

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

廖小剛，男，碩士，副研究員，研究方向為載人航天戰略及應用。E?mail：13911377807＠139.com