2023 年國外載人航天發展初步分析

廖小剛，李建輝

（1.軍事科學院， 北京 100142； 2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

1 引言

2023 年，國外主要航天國家的載人航天活動繼續圍繞月球以及國際空間站持續開展。 美國繼續大力推進阿爾忒彌斯載人登月計劃，加緊組裝第二枚航天發射系統（Space Launch System，SLS）火箭與獵戶座飛船，為即將于2025 年發射的阿爾忒彌斯－2 任務做好準備；同時布局國際空間站2030 年后的發展，實現近地軌道活動的持續穩定發展。 俄羅斯高度重視載人航天的發展，在籌劃建設自己的近地空間站的同時，積極規劃未來的深空探測活動，計劃在2040 年前實現載人登月，2050 年前建立月球基地。 歐洲將發展獨立的載人航天能力確定為未來的載人航天探索工作的重點，提出以貨運飛船為基礎研制載人飛船，繼而具備獨立將歐洲航天員送入太空的能力。 印度積極推動首次載人航天飛行任務準備，完成首次逃逸飛行試驗，同時制定建設未來近地軌道空間站與實現載人登月的目標。 商業載人航天繼續快速發展，不僅有力支撐美國的阿爾忒彌斯月球探測計劃，同時成為更多國家開展載人航天活動的主要渠道。 國際空間站投入運營已滿25 年，并將繼續服役至2028 年，在推動深空載人探索技術與地球科學技術發展等方面將發揮更大作用。

2 戰略與規劃

2023 年，美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等國家和航天組織，繼續推進載人航天建設，以載人登月和近地軌道活動牽引各自相關能力建設。

2.1 美國

美國不斷推進載人登月與國際空間站建設，但由于月球載人著陸系統等存在進度延遲的問題，2025 年載人登月的目標將推遲到至少2026年。 2023 年3 月，NASA 發布2024 財年預算［1］，載人航天相關預算同比增加 6.8%， 達到125.05 億美元，占NASA 總預算的46%，重點資助航天發射系統重型火箭、獵戶座載人飛船、門戶月球空間站、月球載人著陸系統以及國際空間站等。 同月，美國發布《美國近地軌道開發戰略》［2］，提出美國在近地軌道研發的5 項戰略政策目標，旨在確保美國在未來幾十年內仍然是國際空間軌道平臺和其他空間研究設施的全球領導者。

為推進載人登月與火星探測，NASA 于3 月成立從月球到火星辦公室［3］，負責從月球到火星任務所需的硬件研發、任務集成和風險管理，包括航天發射系統火箭、獵戶座飛船、月球門戶空間站、載人著陸系統以及與深空探測相關的其他事項。

由于星艦月球載人著陸系統存在較大技術風險以及月球航天服進度延遲，美國載人登月時間可能進一步推遲。 NASA 負責探索系統開發的副局長弗里6 月稱［4］，由于星艦月球載人著陸系統需要10 余次軌道對接與燃料加注，存在較大技術不確定性，載人登月將從2025 年推遲到2026 年。美政府問責局則于2023 年11 月發布《NASA 阿爾忒彌斯計劃：載人登月面臨多重挑戰》報告稱，載人登月任務將至少推遲至2027 年［5］。 盡管遭遇了諸多困難與挑戰，但美國仍在繼續推進載人登月計劃的實施，強調將繼續堅持探索月球和載人登陸火星的長遠目標，以期在2040 年實現載人登陸火星的目標。

2.2 俄羅斯

俄羅斯盡管多項計劃與系統研發遭遇故障和延遲，但推動載人航天發展的決心并未受到影響。總統普京2023 年10 月表示［6］，不發展航天，國家就無法獲得崇高地位；沒有載人航天，就不能有效發展航天及太空服務。 11 月，俄羅斯聯邦載人航天系統總師弗拉基米爾·索洛維約夫公布俄羅斯月球基地建設路線圖［7］，提出將于2031—2040 年實現載人登月，2041—2050 年建設月球基地，并開展月球資源開采和原位資源開發工作。 考慮到俄羅斯目前重型運載火箭仍未開始研制、載人飛船首飛也被延遲到2028—2029 年，未來能否如期實現載人登月，還將面臨較大不確定性。

2.3 歐洲

歐洲航天局在與俄羅斯全面中斷航天合作之后，對擁有獨立載人航天的能力更加迫切。 2023年3 月，歐洲航天局負責制定未來歐洲載人航天發展計劃的高級別咨詢小組發布首份研究報告［8］，呼吁使用更商業化的方法發展獨立的載人航天能力，包括商業載人飛船和商業空間站，并在十年內實現載人登月。 根據該報告，在11 月召開的峰會上，歐洲航天局啟動商業貨運飛船計劃［9］，用以在2028 年提供國際空間站貨運服務，并在此基礎上研制載人飛船。

2.4 日本

日本高度重視載人航天及太空探索，希望通過國際合作實現近地軌道開發與月球探測活動。2023 年1 月，日美兩國簽署《太空探索及利用外層空間框架協議》［10］，再次重申將日本航天員送上月球的承諾。 6 月，日本發布新版《宇宙基本計劃》［11］，對日本未來十年在航天領域的政策和主要活動進行了規劃。 《宇宙基本計劃》將載人航天及太空探索確定為未來太空發展的四大目標之一，明確要求繼續研發下一代HTV?X 飛船，參與國際空間站建設；同時積極參與美國阿爾忒彌斯計劃，實現載人登月與月球基地開發。

2.5 印度

印度繼續推進首次載人航天飛行準備工作，并開始規劃未來空間站及月球基地建設。 2023年10 月，總理莫迪召開專題會議［12］，討論印度首次載人航天飛行任務及未來太空探索目標，要求制定新的、更遠大的太空探索目標，包括2035 年建立月球空間站、2040 年載人登月。 同月，印度完成載人飛船逃逸系統測試［13］，為2025 年的載人飛船首飛奠定基礎。 印度空間研究組織主席索馬納特11 月在印度測繪年會上稱［14］，該組織已經根據莫迪的指示，制定了太空探索綜合路線圖，即2035 年建立空間站，2040 年使用國產硬件將印度航天員送上月球表面，以及在2047 年即印度獨立100 周年時建立月球基地，并成為全球航天超級大國。 為此，印度空間研究組織需要開展一系列載人航天、月球探測等任務，并研發新的重型運載火箭，最終實現月球商業運營，包括采礦、運營深空任務和月球旅游等。

2.6 其他國家

2023 年，更多國家希望參與載人航天活動與月球探測任務。 捷克、西班牙、厄瓜多爾、阿根廷、德國、荷蘭、冰島、保加利亞、安哥拉等9 個國家，先后與美國簽署《阿爾忒彌斯協定》［15］，使得簽署該協定的國家總數達到33 個（圖1）。 瑞典、波蘭都提出了將本國航天員送入太空的計劃［16?17］，以提升國家威望和國際形象，并帶動太空技術發展。

圖1 33 個國家簽署《阿爾忒彌斯協定》［15］Fig.1 33 countries sign Artemis Agreement［15］

3 主要載人航天系統

3.1 新型運載火箭首飛推遲

2023 年，原定于該年首飛的美國超重－星艦、火神與新格倫火箭、俄羅斯的聯盟5 火箭、日本的H－3 火箭以及歐洲的阿里安6 火箭都因遭遇技術難題，未能如期實現首飛或是首飛失敗。

美國超重－星艦系統分別于2023 年4 月和11 月進行2 次綜合飛行試驗［18］（圖2），2 次均未能成功入軌。 但在第二次試驗中，超重－星艦取得部分成功，實現多個重要目標，包括：一級33 臺發動機全程持續工作；超重助推級和星艦飛船級實現熱分離；飛船6 臺發動機長程點火工作。2024 年，超重－星艦系統還將繼續開展飛行試驗［19］，通過反復迭代進行火箭的升級改造，最終實現發射入軌的目標。 火神［19］和新格倫火箭［20］原定2023 年首飛，但由于發動機在試驗中出現故障，導致首飛將延遲至2024 年。

圖2 超重－星艦第二次發射［18］Fig.2 Superheavy?Starship second launch［18］

俄羅斯將恢復葉尼塞重型運載火箭的研制工作，為未來的載人登月任務做準備。 2023 年4月，俄羅斯國家航天集團總裁尤里·鮑里索夫表示，俄總統普京已經批準葉尼塞重型運載火箭于2024 年重新啟動設計工作［21］，整個研制與制造工作預計持續8 ～10 年，以保障俄羅斯的載人登月及月球開發等任務。 原定于2023 年度第四季度首飛的聯盟5 火箭再次遭遇延誤［22］，首飛時間被推到2025 年。 該火箭將取代現役聯盟2 火箭，成為俄羅斯近地軌道運輸的主力火箭，與美國的獵鷹和歐洲的阿里安系列火箭展開競爭。

日本的H－3 火箭首次發射失敗，并開始考慮研發下一代可重復使用火箭（圖3）。 2023 年3月，搭載先進光學衛星大地三號的H－3 火箭從種子島宇宙中心發射［23］，由于火箭二級未能成功點火，導致衛星沒有進入預定軌道。 日本宇宙航空研究開發機構于10 月完成事故調查研究［24］，計劃于2024 年再次進行H－3 火箭的試射。 盡管H－3 火箭還未服役，日本已經開始考慮研發下一代運載火箭［25］。 該新型火箭將采用液氧－甲烷作為燃料，一級可重復使用，發射成本比H－3 降低一半，預計2030 年左右投入使用，將主要承擔載人發射以及月球探測任務。

歐洲繼續推遲阿里安6 火箭的首飛，歐洲發射能力出現缺口。 2023 年8 月，歐洲航天局局長阿什巴赫表示［26］，由于試驗中出現多次故障，該局已決定將阿里安6 火箭的首飛延后至2024 年。由于阿里安5 火箭在7 月完成最后一次發射任務［27］，歐洲自此失去自主進入空間的能力，不得不依靠SpaceX 公司的獵鷹9 火箭將歐洲的衛星等載荷送入軌道。 歐洲還在積極研制下一代可重復使用運載火箭。 4 月，歐洲航天局授出4 份合同［28］，研究歐洲未來的運載火箭系統概念方案，涵蓋微型／小型、中型、重型和載人級應用，以在2030 年左右研發出可替代阿里安6 火箭的下一代運載系統。

3.2 新一代飛船試驗與規劃進度不一

2023 年10 月，NASA 宣布波音公司星際客船飛船的首次載人測試飛行任務將推遲到2024 年4 月［29］，首次國際空間站載人任務也從2024 年夏季延后到2025 年初。 波音公司曾計劃2023 年7月執行首次載人測試飛行任務［30］，但由于飛船的電纜和降落傘系統存在問題，導致首飛時間不得不推遲。 11 月，山脈空間公司的追夢者可重復使用飛船完成建造［31］，預計2024 年3 月進行首次發射。 作為NASA《商業補給服務－第二階段》合同的一部分，該飛船將與SpaceX 公司的龍飛船、諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座飛船一起為國際空間站提供貨運服務。

俄羅斯雄鷹飛船繼續延遲。 作為下一代載人飛船，雄鷹飛船將主要執行載人登月等深空探測任務，原計劃2015 年進入太空，但由于資金與技術原因，首飛時間不斷向后推遲。 2023 年11 月，俄羅斯國家航天集團科學執行董事亞歷山大·布洛申科稱［32］，由于東方發射場未能如期建造飛船的安裝與測試設施及火箭發射設施，導致雄鷹載人飛船的首飛時間將進一步推遲到2028 年或2029 年。 此外，俄羅斯已經啟動新型近地軌道載人飛船與進步－空間站貨運飛船的研制工作［33］，這兩型飛船將主要用于運送航天員與物資前往俄羅斯新空間站，預計2028—2029 年進行首飛。

歐洲航天局啟動商業太空貨運飛船的研制，為載人飛船奠定技術基礎。 2023 年11 月，歐洲航天局啟動新型商業太空貨運飛船［34］，該飛船將于2028 年首飛，負責國際空間站的物資補給任務。 這也是該局啟動載人飛船研制并獨立將航天員送往太空的第一步，該飛船后續將演進發展成載人飛船，為近地球軌道與月球等提供航天員運送服務。

3.3 航天員規模不斷擴大

為支持未來的阿爾忒彌斯登月計劃，俄、日都在擴大航天員規模。 2023 年7 月，俄國家航天集團宣布［35］，開始進行第四次航天員公開選拔。 本次選拔的重點對象是工程師、飛行員和IT 專家，招募結果將于2024 年3 月公布，新航天員將主要執行俄新空間站飛行任務。

日本宇宙航空研究開發機構2023 年2 月宣布［36］，已經選拔出2 名新航天員候選人，作為支持美國阿爾忒彌斯計劃的一部分（圖4）。 這也是日本自2009 年以來首次選拔新航天員。 這2 名航天員于4 月開始為期2 年的培訓，將有機會參加國際空間站任務并參與阿爾忒彌斯計劃。 日本希望通過日美合作，使日本成為世界上第二個將航天員送上月球的國家。

圖4 日本選拔2 名新航天員候選人［36］Fig.4 Japan selects two candidates for new astro?naut［36］

3.4 美、俄加緊航天發射場建設

美國NASA 主要針對阿爾忒彌斯任務，繼續對“探索地面系統”進行改造與測試；SpaceX 公司則對超重－星艦發射場進行升級改造，同時增加新的載人發射平臺。 2023 年5 月，NASA 開始建造用于航天發射系統－1B 重型火箭發射的2 號活動發射平臺［37］，預計2028 年之前完成，以保障航天發射系統－1B 重型火箭的首飛。 6 月，NASA 進行肯尼迪航天中心1＃活動發射平臺的適應性升級［38］，修復了因阿爾忒彌斯－1 任務造成的升降機破損，同時新增緊急逃生安全系統（圖5）。

圖5 加裝緊急逃生安全系統的1 號活動發射平臺［38］Fig.5 Mobile launch platform 1 equipped with e?mergency escape safety system［38］

針對超重－星艦首次發射中暴露的問題，SpaceX 公司于2023 年7 月完成博卡奇卡發射場的升級與改進［39］，如在發射臺基礎澆筑增加強度的混凝土，并加裝配備噴水降溫系統的多層鋼板等。 SpaceX 公司還在11 月對卡納維拉爾角40發射場進行改造［40］，使之成為該公司的第二個載人發射工位，以適應未來載人發射需求。

俄羅斯繼續推進東方航天發射場建設。 2023年1 月，俄羅斯國家航天集團總裁鮑里索夫在向總統普京匯報時表示［41］，正在加速推進安加拉－A5 發射臺的二期工程，所有建設工作計劃在2023 年中完成，安裝工作計劃在年底前完成。 預計俄羅斯將于2024 年從東方航天發射場進行載人發射任務［42］。

4 國際空間站

2023 年是國際空間站投入運行25 周年，截至12 月31 日，已有來自21 個國家的273 名航天員到訪過國際空間站，共完成108 個國家和地區的3300 多項實驗。 美、俄2023 年共向國際空間站發射13 艘飛船，其中5 次執行載人飛船任務（俄羅斯2 次、美國3 次），8 次執行貨運任務（俄羅斯、美國各4 次），將15 名航天員送上國際空間站。

4.1 繼續升級國際空間站設備

2023 年6 月，NASA 完成國際空間站太陽能電池陣列的升級［43］，為國際空間站安裝了3 對（共6 塊）可展開太陽能電池陣列，每塊陣列可提供20 kW 太陽能電力。 與此同時，NASA 還與波音公司和Redwire 公司簽署合同，將為國際空間站再提供1 組（2 塊）可展開太陽能電池陣列［43］，這些陣列將在2025 年底或2026 年初交付給國際空間站。 屆時，國際空間站還將再增加40 kW 太陽能電力供應，可極大提高國際空間站的工作效率。

4.2 取得多項科學研究成果

2023 年，國際空間站航天員乘組共完成上百項科學研究任務，涉及技術開發及驗證、生物及生命科學、物理學、地球及太空科學等領域。 6 月，NASA 完成國際空間站環境控制與生命保障系統的試驗［44］，可實現98%的水回收與重復利用，而此前只能實現93%～94%的水回收與重復利用，這將大大節約未來深空探測所攜帶的水。 同月，NASA 首個激光通信中繼系統完成為期一年的演示驗證［45］，對天氣如何影響激光通信、自適應光學系統以及失真信號的測量與修正等技術進行了研究。 預計2024 年，國際空間站將開始使用該激光通信系統與地面進行數據傳輸。 2023 年11月，美國在國際空間站啟動創新抗菌涂層實驗［46］，旨在測試創新型抗菌涂層在太空中的有效性和耐用性，不僅有望提高未來月球和火星任務的安全性，還可為在地面上人口稠密地區保持衛生環境提供潛在的解決方案。

4.3 美、俄布局2027 年后國際空間站發展

美國繼續堅持其商業化近地軌道空間站的目標，但在商業空間站尚未成熟時，則希望國際空間站可運營到2030 年。 俄羅斯則規劃從2027 年開始建設自己的空間站。

NASA 于2023 年10 月發布需求建議書［47］，尋求工業部門對近地軌道商業空間站的需求與標準進行反饋，以幫助商業界了解NASA 載人飛行的安全標準，該文件是近地軌道運營向商業化發展的重要一步。 NASA 目前正在支持幾個商業空間站的概念開發工作，如山脈空間和藍源公司聯合研制的軌道礁商業空間站［48］、諾·格公司與Voyager 空間公司的星球實驗室商業空間站［49］（圖6）以及公理航天公司提出的國際空間站商業艙段［50］。 NASA 還于5 月發布《美國脫軌飛行器建議書》［51］，該飛行器可幫助國際空間站執行脫軌操作。 該脫軌飛行器預計最早2028 年發射，最晚則可能在2035 年發射，這表明NASA 保留將國際空間站延長至2030 年以后的能力。 NASA 負責太空運營的副局長鮑爾索克斯2023 年11 月稱［52］，2030 年退役國際空間站不是強制性的，如果商業空間站在2030 年沒有準備好接替國際空間站，國際空間站也可運營至2030 年之后。

圖6 星球實驗室商業空間站［49］Fig.6 Planet LABS commercial space station［49］

俄羅斯正式批準國際空間站延壽至2028 年，同時積極籌劃從2027 年開始建設俄羅斯新空間站。 2023 年4 月，俄羅斯政府已正式批準將國際空間站的工作延長至2028 年［53］。 同時，俄羅斯加緊推進新空間站建設。 11 月，俄總統普京表示［54］，為確保俄羅斯載人航天飛行不出現空白，俄羅斯軌道站首個艙段應于2027 年發射入軌。目前新空間站的初始設計已于6 月完成［55］，根據該設計，新空間站將于2027—2032 年建設，總投資約6090 億盧布（約68.2 億美元）。

5 商業載人航天

美國商業載人航天能力2023 年持續快速發展，為NASA 的近地軌道活動與載人登月提供支撐。 公理航天公司完成第二次國際空間站私人航天員任務；星際客船與追夢者飛船將于2024 年進行首飛，為國際空間站提供載人和貨運服務；藍源公司將NASA 的載人登月任務提供第二種月球載人著陸器。 此外，由于商業載人航天在NASA 的載人登月任務中占據重要地位，一旦出現技術問題，將嚴重影響NASA 載人登月任務的實施。

5.1 私人航天員任務

2023 年5 月，公理航天公司利用獵鷹9 運載火箭發射載人龍飛船，執行第二次私人航天員任務［56］，4 名航天員以私人航天員身份在軌開展為期8 天的短期考察任務。 私人航天員任務已經成為不具備載人航天能力的國家執行載人航天任務的主要方式。 2024 年，瑞典、波蘭都將借助私人航天員任務，將本國航天員送入太空［16?17］。

5.2 載人登月任務

2023 年5 月，NASA 授予藍源公司34 億美元的合同［57］，將由藍源公司開發藍月亮月球載人著陸器，用于2029 年的阿爾忒彌斯－5 載人登月任務（圖7）。 10 月，藍源公司公開展示貨運版藍月亮月球著陸器（MK 1）的模型［58］，載人版藍月亮月球著陸器（MK 2）將在此基礎上研制。

圖7 藍月亮月球載人著陸器［57］Fig.7 Blue Moon manned lunar lander［57］

美政府問責局2023 年11 月發布《NASA 阿爾忒彌斯計劃：載人登月面臨多重挑戰》報告稱［59］，星艦月球載人著陸系統的13 個關鍵環節中有8 個延遲6 個月，2 個延遲至2025 年，且存在軌道轉移和存儲火箭燃料、一次任務等技術難題；公理航天公司設計的月球航天服還有諸多設計問題尚未解決，例如，NASA 要求增加緊急生命維持系統功能，這些都將進一步延遲載人登月目標的實現。

6 深空探測

為推進未來的載人登月與月球基地開發，美國發布多項戰略文件，加強對未來月球科學任務進行規劃和指導；各國積極開展登月探測活動，以為未來的載人登月與月球開發提供幫助。

6.1 美國規劃未來月球科學任務

隨著載人登月任務的不斷推進，NASA 規劃未來的月球與火星科學任務。 2023 年4 月，NASA 發布《月球到火星架構定義文件》［60］。 該文件概述了最初的一系列阿爾忒彌斯登月任務，以及這些早期任務如何融入到60 多個長期目標中，以實現載人登陸月球和火星的長期計劃。 配合該架構文件，NASA 還同時發布了6 份白皮書來解釋架構的各個領域［61］，例如，繞月近直線暈軌道的使用以及月球門戶的運作等。 11 月，NASA 發布《阿爾忒彌斯時代NASA 綜合月球科學戰略實施計劃》（草案）［62］，提出月球科學任務關注的五大目標，即南極－艾特肯盆地采樣返回、月球物理網絡、低溫揮發性采樣返回、月球年表、月球的形成和演化，以及實現五大目標具體步驟等。 通過上述文件，NASA 將科學任務與載人探測有機結合在一起，相互促進、相互融合，為實現從月球到火星的目標提供支持。

6.2 加速登月探測

2023 年，俄羅斯、印度、日本先后發射登月探測器，對月球進行更詳細的探測，以為后續的月球任務提供支持。

2023 年8 月，俄羅斯首個月球探測器——月球－25 由于點火發動機計算錯誤、超時工作［63］，導致月球－25 墜毀月球。 盡管月球－25 探月任務失敗，但俄羅斯仍將繼續推進月球探測計劃［64］，將在2025—2026 年再次執行登月探測任務。 同月，印度月船－3 任務的維克拉姆著陸器成功實現月球軟著陸［65］，使印度成為繼美國、俄羅斯和中國之后世界上第四個實現登月的國家。 該任務也是全球首個在月球南極附近著陸的任務。 9 月，日本發射小型月球探測著陸器［66］，將演示驗證高精度月面軟著陸。 如果任務成功，日本將成為第五個在月球實現軟著陸的國家。

7 結語

展望2024 年，世界載人航天發展將迎來一個新的高潮，美國的阿爾忒彌斯－2 載人繞月任務將實施發射，可為阿爾忒彌斯－3 載人登月任務奠定基礎；SpaceX 公司的超重－星艦還將進行迭代發射試驗，以進一步驗證發射與回收技術；藍源公司的新格倫火箭、俄羅斯的聯盟5 火箭、日本的H－3火箭和歐洲的阿里安6 火箭都將實現首飛，這將為載人航天發射提供更強大的發射工具。