2019年國外航天技術發展盤點

陳建光 許紅英 劉 博 梁曉莉 姚保寅 李薇濛/文

2019 年國外航天技術加速發展：重復使用和降低發射成本仍是航天運載器的主要發展方向；新型衛星系統陸續組網，商業衛星互聯網星座進入部署階段；高軌太空態勢感知、在軌服務機器人等太空對抗技術取得重要突破。

航天運載器及技術

國外新型主力運載火箭研制完成重要節點，而以“獵鷹”-9 火箭為代表子級重復使用技術得到更多應用；同時天地往返運載器持續發展。

運載火箭子級重復使用技術趨于成熟。首先，美國“獵鷹”-9 火箭一子級實現第4 次復用。美國太空探索技術公司在2019 年通過改進“獵鷹”-9 火箭一子級格柵舵材料、發動機熱防護罩設計、箭體熱防護涂層等方面，進一步提升回收復用性能，成功發射8 次復用火箭，占全年發射任務的72.7%。其中，“獵鷹重型”火箭在4 月份首次成功實現芯級和兩枚助推器同時回收，“獵鷹”-9 火箭在11 月份首次實現一子級第4 次復用。此外，該公司還成功實現火箭整流罩回收與復用，進一步壓縮了航天發射成本。

獵鷹九號火箭實現了第一級回收和重復使用

其次.美歐新型運載火箭驗證子級重復使用技術。美國火箭實驗室公司“電子”號火箭在12 月的發射任務中測試了子級回收所需的制導和導航硬件，包括采集火箭子級再入過程數據，但未配備減速裝置，后續計劃通過降落傘減速并利用直升機捕獲回收。歐洲阿里安集團、法國國家太空研究中心在2 月共同啟動“卡利斯托”垂直起降可重復使用火箭一子級項目，計劃2021 年試飛，成熟后有望應用于“阿里安”-6火箭。該火箭子級直徑1 米，高約13 米，設有格柵舵和著陸支架，采用推力可調的氫氧發動機，最大推力40 千牛。

新型主力運載火箭完成主發動機測試。美國、歐洲、日本的新型大中型主力火箭完成多輪動力系統測試，部分主發動機已達到首飛需求。美國“火神”“新格倫”火箭的主發動機BE-4 相繼完成75%推力和100%推力的試驗，發動機推力可達2400 千牛。歐洲“阿里安”-6 火箭主發動機“火神”-2.1 完成持續15 個月的靜態點火測試，共進行26 次試驗，點火總時長近4 小時，最大推力為1300 千牛；目前該火箭的上面級發動機和主發動機均已達到設計要求，固體助推器計劃在2020 年初完成最后一次試驗。日本H-3火箭完成首飛箭全部3 臺LE-9 發動機的多輪點火試驗，性能達到預期目標，發動機最大推力為1470 千牛。新型主力運載火箭將降低發射成本作為重要指標，其動力系統的成功測試，為2021 年前后提供低成本發射服務奠定基礎。

天地往返飛行器技術持續發展。首先，美國X-37B軌道機動飛行器驗證多任務能力。X-37B 軌道機動飛行器10 月成功返回，完成持續780 天的第五次任務，創造了新的留軌記錄。美空軍目前共2 架X-37B 飛行器，此次任務已是其中一架的第三次任務，不僅驗證了其重復使用能力，而且進行高軌道傾角運行、在軌釋放小衛星等試驗，擴展了任務能力。

其次，歐洲“空間騎士”軌道飛行器完成初步設計評審。“空間騎士”在6 月完成初步設計評審，計劃2022 年首飛。該飛行器為部分重復使用，“再入復用模塊” 可重復使用6 次，最高裝載800 千克載荷，可實現國際空間站補給、近地軌道小型載荷部署、微重力在軌試驗、軌道碎片清除等功能。

第三，英國“佩刀”發動機完成核心部件的高超環境測試。“佩刀”協同吸氣式火箭發動機3 月和10月分別完成馬赫數3.3 和5 條件下的預冷器性能測試，驗證了該組件對高溫氣流的快速冷卻能力。第一次試驗時，預冷器的熱交換功率達到1.5 兆瓦，在0.05秒內將氣流溫度從426 攝氏度冷卻至100 攝氏度；第二次試驗時，氣流溫度達到1000 攝氏度，在0.05 秒內被冷卻到100 攝氏度。此次試驗為研制兩級/單級入軌重復使用飛行器動力系統邁出關鍵一步。

衛星系統及技術

新型衛星系統陸續組網運行，創新型衛星技術持續發展，提升天基信息系統作戰支援能力。

遙感衛星系統與技術快速發展。一方面，新型偵察與預警衛星加快研發部署。美軍新型“鎖眼”光學成像偵察衛星1 月發射，采用傾角約74 度的低軌近圓軌道，可在整個軌道周期進行高分辨率成像，并獲取目標在不同光照條件下的圖像，從而提取更多特征信息；“下一代過頂持續紅外”系統完成地球靜止軌道衛星初步設計評審，計劃在2025 年部署首顆衛星，2029 年前部署3 顆地球靜止軌道衛星和2 顆極軌衛星。俄羅斯“統一空間系統”部署第3 顆衛星。這3 顆衛星均部署在高度1620 千米×38550 千米、傾角63.37度的大橢圓軌道，增強該系統對北半球中高緯度地區的覆蓋。印度天基偵察監視裝備加快部署，4 月部署首顆電子偵察衛星，使其成為全球較少具備天基電子偵察能力的國家，12 月部署“制圖衛星”-3 新型光學成像衛星，分辨率提高到0.25 米。

另一方面，新型光學成像技術快速發展。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）提出研發地球靜止軌道光學成像衛星。衛星重約4 噸，光學相機口徑3.6 米，由6 個口徑1.4 米的子鏡環繞拼接而成，分辨率可達3 米，視場100 千米×100 千米，并可進行1 幀/秒的連續成像；從接收成像指令到下傳圖像的時間不超過30 分鐘。美空軍學院“獵鷹衛星”-7 衛星6 月發射，開展全球首次天基薄膜衍射光學成像技術試驗。該衛星僅重5 千克，其薄膜口徑0.2 米，厚28 微米，表面散布有25 億個微孔；角分辨率達0.4 微弧。

通信衛星系統持續提升信息傳輸能力。一是軍用通信衛星系統持續建設并加快運用。美國“寬帶全球衛星通信”“先進極高頻”系統分別部署1 顆衛星，前者完成10 星組網，具備對歐洲、中東、印太等地區的多重覆蓋；后者具備在極端條件下的生存能力。俄羅斯第4 顆“鐘鳴”衛星8 月發射，完成俄軍首個寬帶通信衛星系統組網，可在覆蓋俄羅斯全境的基礎上，實現對中東、歐洲的多重覆蓋。該型衛星設計壽命15 年，上行/下行鏈路使用Q/Ka 頻段，保障高速互聯網接入、數據傳輸、視頻會議通信等。

二是低軌衛星互聯網星座進入部署階段。“一網”系統2 月發射首批6 顆試驗衛星，其星座規模約3000顆，部署在高度1200 千米軌道，總容量達1000 太比特/秒，用戶接入的峰值速率可超過500 兆比特/秒，傳輸延遲低于50 毫秒；“星鏈”系統5 月和11 月發射兩批120 顆衛星，其星座規模約42000 顆，部署在高度300 ～1325 千米軌道，速率可超過1 吉比特/秒。

主要導航衛星系統發展總體穩定。美俄導航衛星系統有序發展。美軍首顆GPS-3 衛星已完成在軌測試，計劃在年底正式運行，并在10 月進行與地面應急系統的連通試驗，確保后者在新一代地面系統部署前對GPS-3 衛星的運控能力；第二顆GPS-3 衛星8月成功發射，在軌衛星共計32 顆。俄羅斯“格洛納斯”系統5 月補充1 顆衛星，在軌衛星共計27 顆。

此外，歐洲“伽利略”系統因地面系統故障導致服務中斷。7 月10 日～18 日，“伽利略”系統的2部地面精密授時設施同時發生故障，導致系統服務降級，甚至連續5 天中斷服務。這兩部設備分別位于意大利福齊諾控制中心和德國奧伯法芬霍芬控制中心，互為備份。“伽利略”系統盡管已恢復服務，并與GPS 系統聯合使用以查明故障原因，但此次故障將極大影響該系統未來獨立運行的可靠性。

太空對抗裝備及技術

太空態勢感知技術持續發展，已形成對地球靜止軌道以內太空域的多手段監測能力，太空攻防技術取得重要進展。

美俄太空態勢感知能力持續提升。首先，美軍小衛星抵近監測失聯高軌衛星。美空軍研究實驗室Mycroft 衛星10 月實施軌道機動，對失聯的S5 衛星進行為期數周的外部狀態監測。前者重約100 千克，部署在高度約3.9 萬千米軌道，可在距離目標衛星10千米處進行監視，后者是由1 顆商業通信衛星2 月在地球靜止軌道釋放的太空目標監視衛星，重60 千克，用于驗證低成本太空監視傳感器性能，但在3 月失聯。

此外，俄軍新型地基太空目標監視裝備開始部署。新型“沃羅涅日”-SM 雷達在克里米亞半島啟動建造，計劃在2020 年底完成，該型雷達工作在厘米波頻段，是俄羅斯目前探測精度最高的雷達。俄羅斯計劃2022年完成3 部該型雷達部署。

歐洲“伽利略”導航衛星

主要國家太空攻防裝備技術快速發展。一是美歐在軌服務機器人技術進入實用化階段。美國“任務擴展飛行器”衛星10 月成功發射，將與部署在地球同步軌道的“國際通信衛星”-901 通信衛星進行對接形成組合體，并轉移到新的定點位置繼續提供通信服務。該衛星重2.3噸，裝有電推進系統和化學推進系統，用于軌道轉移和位置保持，設計壽命達15 年。英國“太空碎片清除”衛星繼2018 年飛網捕獲技術之后完成世界首次魚叉捕獲太空碎片的在軌試驗，利用魚叉裝置以20 米/秒速度刺穿距離1.5 米的鋁制蜂窩靶板，并利用頭部倒刺勾住靶板回收。

二是俄羅斯太空攻防技術持續研發。俄中央機械制造研究所、衛星信息系統公司聯合研發天基離子束技術，用于清除高軌垃圾技術；核動力“船員”衛星啟動研制，可能用于太空電子戰；俄航天國家集團獲得一項衛星隱身技術專利，計劃通過改變太陽能電池板外形降低可探測性。

三是印度反衛星技術取得重要進展。印度3 月成功進行“女神力量行動”反衛星試驗，利用一枚改進型“大地防御飛行器”攔截彈擊毀了一顆高度284 千米的目標衛星。與普通攔截彈相比，該攔截彈增大了一級、二級固體助推段尺寸，使攔截彈射高從150 千米提高到300 千米；第三級“碰撞殺傷”段變化不大。后續將研制部署的實戰型號將具備攔截高度2000 千米衛星的能力，可覆蓋整個低地球軌道。