2021年國外載人航天發展綜述

宋國梁（北京空間科技信息研究所）

2021年，國外載人航天領域共開展16次發射任務，其中包括6次載人飛船發射任務、8次貨運飛船發射任務、2次空間站艙段發射任務。美國“載人龍”（Crew Dragon）飛船開展3次任務，“貨運龍”（Cargo Dragon）飛船開展3次任務，“天鵝座”（Cygnus）飛船開展2次貨運任務；俄羅斯“聯盟MS”（Soyuz MS）飛船執行3次載人任務，“進步MS”（Progress MS）飛船執行3次貨運任務，“進步M—UM”執行1次空間站艙段運送任務，質子—M（Proton—M）運載火箭執行1次空間站艙段發射任務。另外，太空船二號（SpaceShipTwo）、“新謝潑德”（New Shepard）系統在2021年執行亞軌道飛行任務5次。

2021年，載人航天繼續快速發展。美國“貨運龍”飛船完成重復使用并創下飛船新的復用周轉紀錄，“載人龍”飛船實現世界首次載人飛船重復使用；NASA為確保在近地空間站不出現能力斷檔風險，努力將“國際空間站”（ISS）延壽至2030年并促進商業空間站建設；放棄激進的登月時間表，繼續推進“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃的實施，擴展新的合作伙伴。俄羅斯成功發射科學號（Nauka）多功能實驗艙和停泊號（Prichal）節點艙，完成“國際空間站”俄羅斯艙段擴建，大幅提升其在軌應用能力；繼續推進“雄鷹”（Orel）等新一代載人飛船研制工作，目標在2030年前后完成載人登月。除政府載人航天任務外，“星艦”（Starship）系統的研制和試驗工作持續推進，商業軌道和亞軌道旅游實現快速發展。

1 圍繞“國際空間站”項目持續增強近地軌道載人航天能力

載人飛船和貨運飛船相繼實現重復使用，近地軌道運輸系統效能大幅提升

太空探索技術公司（SpaceX）于2021年4月23日利用獵鷹—9（Falcon—9）運載火箭成功發射“載人龍”飛船，執行第2次“國際空間站”業務化商業乘員運輸服務，實現世界首次載人飛船復用，以及首次復用火箭和復用飛船的組合發射。執行本次任務的“載人龍”飛船是執行過演示—2（Demo—2）載人飛行試驗任務的奮進號（Endeavour）飛船。SpaceX公司與美國國家航空航天局（NASA）工作人員合作，花費數月對飛船進行翻修，用以執行本次飛行任務。為確保乘員安全，通常情況下“載人龍”飛船的翻修需要對艙內的部分閥門、熱防護系統組件、降落傘系統等進行替換。此次翻修過程中，SpaceX公司還對飛船進行了其他重要改進，使飛船具有更寬松的發射和著陸氣象條件準則。其中一項是對結構進行加強，使飛船能夠在更大風速和浪高情況下返回并濺落，擴大著陸窗口；另一項重要改進是增加逃逸系統推進劑的加注量，提升飛船的發射中止性能，降低發射限制，使飛船在地面風速較強的情況下也可以發射。

SpaceX公司于8月29日首次復用升級的“貨運龍”飛船完成第二階段商業再補給服務（CRS）合同的第3次任務，復用代號為C208的“貨運龍”飛船。該飛船曾在2020年12月首次執行“國際空間站”任務，在軌飛行近40天后于2021年1月14日安全從軌道返回地球。C208飛船在不到8個月后再次發射入軌，創下“龍”飛船新的周轉時間紀錄，凸顯了該升級型飛船重復使用性的顯著提高。

“載人龍”飛船（左）、“貨運龍”飛船（右）（來源：SpaceX）

“國際空間站”俄羅斯艙段完成擴展工作，進一步提升空間站在軌能力

2021年7月21日，質子—M火箭成功將科學號多功能實驗艙送入預定軌道。科學號主要由儀器加壓艙和球形加壓適配器組成，在軌質量20350kg，長13.12m，最大直徑4.25m，加壓艙體積70m，太陽電池陣面積56m，太陽能翼展24m，供電功率2.5kW。科學號作為“國際空間站”俄羅斯艙段部分最大艙段，包含應用、生保、推進、飛控、熱控等多個分系統，相互配合支持其在軌穩定運行。實驗艙共設有33個科學實驗通用工位，計劃在軌開展13類科學實驗。

2021年11月24日，停泊號節點艙由進步M飛船送往“國際空間站”。停泊號節點艙為帶有6個對接口的加壓球形艙段，質量為4650kg，長4.91m，直徑3.3m，內部加壓空間19m，設計壽命超過30年。在6個對接口中，1個為主動對接口（天頂方向），用于與“國際空間站”科學號對接，另5個為被動對接口，用于支持其他飛船、艙段等對接。

隨著科學號多功能實驗艙、停泊號節點艙的部署，“國際空間站”俄羅斯艙段的能力大幅提升。在任務能力方面，一是航天員支持能力增強，科學號多功能實驗艙為俄羅斯航天員增設了第3個鋪位、第2個衛生間，此前由于缺乏工作和居住空間，俄羅斯若有3名航天員同時在軌則需要在美國艙段借宿，2017年俄羅斯將在軌航天員數量從3人減至2人，科學號成功部署后極大改善了航天員在軌生活與工作條件。二是對接能力增強，為了支持“聯盟”“進步”飛船對接，滿足任務重疊期間的對接需求，“國際空間站”俄羅斯艙段保持有4個對接口可用，停泊號節點艙部署后，俄羅斯標準的對接/停泊口數量增加至8個，能夠進一步提升未來任務的靈活性。

各國高度重視保持近地軌道長期載人能力

“國際空間站”經歷2次延壽，目前計劃持續運營至2024年。美國國會、NASA等均有意支持“國際空間站”延壽，拜登政府也在2021年承諾將“國際空間站”運行延長至2030年。

此外，美俄均已著眼后“國際空間站”時代，開展提前研究和布局，確保近地軌道載人航天能力不出現斷檔。NASA在2021年3月通過“商業近地軌道目的地”（CLD）項目，于12月2日以航天法案協議方式，向藍源公司（Blue Origin）、納米架公司（Nanoracks）、諾格公司（NG）提供了總計4.156億美元的資金，支持商業空間站的發展，促使商業空間站在2030年接替“國際空間站”運行，實現由美國持續主導、穩健發展的近地軌道商業經濟。與此同時，俄羅斯提出在“國際空間站”退役后，構建獨立的俄羅斯軌道服務站（ROSS）。俄羅斯新空間站的建設分兩個階段進行，第一階段將于2025～2030年發射核心艙、科學能源艙、節點艙和氣閘艙4個艙段；第二階段預計在2030～2035年為空間站補充空間有效載荷、實驗艙及航天器維護平臺，將艙段數量增加到6個，所有艙段容積大約667m。同時，空間站的外部工作點達到48個，除了開展近地軌道載人航天活動外，還能夠支持載人月球和深空探測。

2 美俄穩步推進載人月球探測計劃

美國載人登月計劃延遲，與國際合作伙伴穩步推進各系統進度

2021年11月9日，NASA正式宣布將登月時間推遲到最早2025年。NASA提到了以下幾點原因：藍源公司對該局選擇SpaceX作為“載人著陸系統”（HLS）研發團隊的訴訟；國會沒有為載人著陸系統撥出足夠的資金；新航天服無法在2024年登月前完成研發。11月13日，NASA總監察長辦公室公布審計報告，認為2025年的登月目標是不現實的，要想把航天員送上月球，必須解決包括航天服和著陸系統研制進度、資金短缺以及疫情考驗等問題，預計要到2028年才能完成登月。

《阿爾忒彌斯協定》成員（來源：NASA）

美國繼續推進“航天發射系統”（SLS）、“獵戶座”飛船（Orion）的研發，發展商業合作，研發“載人著陸系統”和“門戶”月球空間站（Lunar Gateway），進行前沿科學和技術研究，促進商業航天的健康發展。2021年共有韓國、新西蘭、巴西、波蘭和墨西哥5個國家同美國簽署了《阿爾忒彌斯協定》（Artemis Accords），這些參與國在加入協定后，將進一步擴大同美國在太空領域的合作，今后將參與“阿爾忒彌斯”計劃及其后續計劃。例如，韓國正與NASA合作研發韓國探月衛星，將于2022年8月發射升空，上面搭載了NASA設計的陰影攝像頭，將為“阿爾忒彌斯”計劃探索著陸候選地點。美國主導的《阿爾忒彌斯協定》單邊制定了人類太空行為規范，為美國在未來國際空間立法中獲得先發優勢；協定提出的原則并不明確，為參與國家未來的太空探索活動留有很大操作空間；協定中提出“安全區”概念，試圖在月表特定區域內確立政府航天管理機構開展活動和商業公司享有資源的排他性權利；構建國際太空探索標準壟斷與準入限制，確保美國的太空領先地位。

俄羅斯進一步明確載人登月技術路線

在載人登月領域，2021年，俄羅斯由于葉尼塞號（Yenisei）火箭技術參數暫未確定，火箭研制工作暫停。鑒于此種情況，俄羅斯首次載人登月將計劃采用安加拉（Angara）火箭/“小鷹”飛船+空間拖船的技術實施方案。

俄羅斯“雄鷹”載人飛船主要用于月球探測任務，并能夠完成低地球軌道（LEO）空間站的技術維護，自主開展空間實驗和研究。飛船發射質量為20t，在短期向月飛行時，飛船可重復使用10次；在與近月軌道站對接進行長期飛行時，飛船可重復使用不少于3次。“雄鷹”飛船最多可搭載4人，可在軌自主飛行近30天，也可停靠在空間站上在軌駐留近1年的時間。俄羅斯“雄鷹”飛船在2021年進行了單個結構元件、儀器和組件的制造和測試工作。俄羅斯計劃于2023年完成“雄鷹”飛船首飛，2025年利用“雄鷹”飛船完成載人飛行，2029年利用“雄鷹”飛船完成載人繞月飛行，并在此基礎上完成輕便型“小鷹”飛船首飛，2030年搭載俄羅斯航天員登上月球。

“雄鷹”飛船（來源：俄羅斯航天國家集團）

3 商業公司在載人航天系統與模式創新方面發揮關鍵作用

“星艦”系統開展多次飛行試驗，創新型商業載人航天系統進展迅速

2021年，SpaceX公司快速推進“星艦”系統的研制和試驗工作，包括星艦SN9/10/11/15等，主要用于開展高空飛行試驗。“星艦”系統于2021年5月5日實現10km跳躍飛行，并獲得NASA商業載人月球著陸器研制合同。盡管在藍源公司等競爭對手的抗議下，NASA暫停了商業月球著陸器合同，但最終SpaceX公司于11月最終贏下了合同，成為中標載人月球著陸器研制與驗證合同的唯一研制商。

在經歷了星艦SN9/10/11爆炸之后，SpaceX公司對星艦SN15進行了重大技術升級，采用了新的技術狀態，在結構、電子、軟件、發動機等方面進行了數百項設計改進，提升生產效率和飛行性能。為此，SpaceX公司決定不再繼續建造星艦SN12/13/14。2021年4月26日，星艦SN15完成了靜態點火試驗。2021年5月5日，星艦SN15開展第5次高空飛行試驗，并首次取得成功。試驗持續約6min，星艦SN15從博卡奇卡試驗場升空，飛行至10km最大高度后，以橫臥姿態下降，接近地面后轉為垂直姿態著陸在發射場。

后續，SpaceX公司計劃繼續推進“星艦”的研制和試驗工作，包括對星艦SN20進行重大技術升級，開展軌道飛行試驗，實現25馬赫再入和著陸。SpaceX公司計劃在2022年利用“星艦”進入近地軌道，在2023年飛往月球，2024年無人飛往火星，2026年載人飛往火星。

太空旅游業加快發展，成為世界載人航天的重要組成部分

隨著航天技術不斷發展成熟，商業航天迅猛發展，亞軌道、軌道飛行也從早期的試驗性質逐步向商業性質發展。2021年7月，維珍銀河公司（Virgin Galactic）和藍源公司分別利用太空船二號、“新謝潑德”系統成功完成載人亞軌道飛行；9月，SpaceX公司利用“載人龍”飛船成功開展首次無專業航天員參與的軌道旅游任務；12月，太空探險公司（Space Adventures）時隔12年再次利用“聯盟”飛船將兩名太空游客送達“國際空間站”。

近地軌道載人航天活動當前仍主要面向政府用戶，而亞軌道旅游則是直接面向公眾客戶，其競爭更加激烈。目前，軌道/亞軌道太空旅游價格仍較為高昂。除了價格外，優化服務和體驗也是重要的競爭點，藍源公司“新謝潑德”系統通過超大舷窗、有人參與的實驗等亮點吸引用戶，太空船二號以空天結合的飛行體驗作為自身特色。在激烈的競爭中，不斷創新發展模式、優化服務已經成為重要的發展方向。隨著太空船二號、“新謝潑德”系統、“載人龍”、“聯盟”飛船等多型系統投入常態化商業旅游服務并成為世界載人航天的重要組成部分，太空旅游業進入快速發展時期。太空旅游將為推動載人航天可持續發展、促進太空經濟增長作出重要貢獻。

4 結束語

2021年，世界載人航天取得了快速發展。近地軌道方面，“載人龍”飛船、“貨運龍”飛船等新型載人航天器成功重復使用，“國際空間站”俄羅斯艙段完成擴展，近地軌道載人航天能力得到加強。載人月球探測方面，美國載人登月計劃推遲，利用商業公司與國際合作伙伴推動各系統研制進度，俄羅斯明確新的載人登月實施方案，加快對“雄鷹”載人飛船的研制工作。載人航天新系統和模式方面，SpaceX公司對“星艦”系統進行多次高空飛行試驗，快速推進系統研制工作，多家商業航天公司積極參與軌道/亞軌道太空旅游項目，太空旅游業進入快速發展新時期。整體而言，主要航天國家均積極謀劃，推動載人航天活動可持續發展，并邁向更遠的深空。