2021年國外載人航天發(fā)展綜述

小飛俠cawdbof0 2022-02-06

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來源：中國載人航天

作者：宋國梁

2021年，國外載人航天領(lǐng)域繼續(xù)保持快速發(fā)展。美國“載人龍”飛船實(shí)現(xiàn)世界首次載人飛船重復(fù)使用，“貨運(yùn)龍”飛船完成重復(fù)使用并創(chuàng)下飛船新的復(fù)用周轉(zhuǎn)紀(jì)錄；NASA努力將“國際空間站”延壽至2030年并促進(jìn)商業(yè)空間站建設(shè)；放棄激進(jìn)的登月時(shí)間表，繼續(xù)推進(jìn)“阿爾忒彌斯”計(jì)劃的實(shí)施。俄羅斯成功發(fā)射科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙和停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙，完成“國際空間站”俄羅斯艙段擴(kuò)建，大幅提升其在軌應(yīng)用能力；繼續(xù)推進(jìn)“雄鷹”等新一代載人飛船研制，目標(biāo)在2030年前后完成載人登月；歐洲、日本積極參與“國際空間站”項(xiàng)目，同時(shí)投入“阿爾忒彌斯”計(jì)劃分系統(tǒng)研制工作；印度繼續(xù)推進(jìn)全自主載人飛船研制工作。除政府載人航天任務(wù)外，商業(yè)軌道和亞軌道旅游實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

2021年，國外載人航天領(lǐng)域共開展16次發(fā)射任務(wù)，其中包括6次載人飛船發(fā)射任務(wù)、8次貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)、2次空間站艙段發(fā)射任務(wù)。美國“載人龍”飛船開展3次任務(wù)，“貨運(yùn)龍”飛船開展3次任務(wù)，“天鵝座”飛船開展2次貨運(yùn)任務(wù)；俄羅斯“聯(lián)盟MS”飛船執(zhí)行3次載人任務(wù)，“進(jìn)步MS”飛船執(zhí)行3次貨運(yùn)任務(wù)，“進(jìn)步M-UM”執(zhí)行1次空間站艙段運(yùn)送任務(wù)，質(zhì)子-M運(yùn)載火箭執(zhí)行1次空間站艙段發(fā)射任務(wù)。另外，太空船二號(hào)、“新謝潑德”系統(tǒng)在2021年執(zhí)行亞軌道飛行任務(wù)5次。

2021

近地軌道載人航天活動(dòng)

1.載人飛船和貨運(yùn)飛船相繼實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，近地軌道運(yùn)輸系統(tǒng)效能大幅提升

SpaceX公司于2021年4月23日利用獵鷹-9運(yùn)載火箭成功發(fā)射“載人龍”飛船執(zhí)行第二次商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)世界首次載人飛船復(fù)用，以及首次復(fù)用火箭和復(fù)用飛船的組合發(fā)射。執(zhí)行本次任務(wù)的“載人龍”飛船是執(zhí)行過演示-2載人飛行試驗(yàn)任務(wù)的奮進(jìn)號(hào)飛船。SpaceX公司對(duì)飛船進(jìn)行了重要改進(jìn)，包括對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)及增加逃逸系統(tǒng)推進(jìn)劑的加注量，擴(kuò)大著陸窗口并提升了飛船的發(fā)射中止性能。

SpaceX公司于8月29日首次復(fù)用升級(jí)的“貨運(yùn)龍”飛船完成第二階段商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)（CRS）合同的第三次任務(wù)，復(fù)用代號(hào)為C208的“貨運(yùn)龍”飛船。該飛船曾在2020年12月首次執(zhí)行“國際空間站”任務(wù)，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飛船在不到八個(gè)月后再次發(fā)射入軌，創(chuàng)下“龍”飛船新的周轉(zhuǎn)時(shí)間紀(jì)錄，凸顯了該升級(jí)型飛船重復(fù)使用性的顯著提高。

“載人龍”飛船（左）、“貨運(yùn)龍”飛船（右）

2.“國際空間站”俄羅斯艙段完成擴(kuò)展工作，進(jìn)一步提升空間站在軌能力

2021年7月21日，質(zhì)子-M火箭成功將科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙送入預(yù)定軌道?？茖W(xué)號(hào)作為“國際空間站”俄羅斯艙段部分最大艙段，包含應(yīng)用、生保、推進(jìn)、飛控、熱控等多個(gè)分系統(tǒng)，相互配合支持其在軌穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)艙共設(shè)有33個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)通用工位，計(jì)劃在軌開展13類科學(xué)實(shí)驗(yàn)。11月24日，停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙進(jìn)入預(yù)定軌道，對(duì)接到科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙天底點(diǎn)。

隨著科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙、停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙的部署，“國際空間站”俄羅斯艙段的能力大幅提升。在任務(wù)能力方面，一是航天員支持能力增強(qiáng)，科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙為俄羅斯航天員增設(shè)了第3個(gè)鋪位、第2個(gè)衛(wèi)生間；二是對(duì)接能力增強(qiáng)，為了支持“聯(lián)盟”“進(jìn)步”飛船對(duì)接，滿足任務(wù)重疊期間的對(duì)接需求，進(jìn)一步提升未來任務(wù)的靈活性。

科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙外形圖

3.各國高度重視保持近地軌道長期載人能力

“國際空間站”經(jīng)歷兩次延壽，目前計(jì)劃持續(xù)運(yùn)營至2024年。美國國會(huì)、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(yùn)行延長至2030年。

此外，美俄均已著眼后“國際空間站”時(shí)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(xiàn)斷檔。NASA在2021年3月通過“商業(yè)近地軌道目的地”（CLD）項(xiàng)目，于12月2日以航天法案協(xié)議方式，向藍(lán)源公司、納米架公司、諾斯羅普-格魯門公司提供了總計(jì)4.156億美元的資金，支持商業(yè)空間站的發(fā)展。與此同時(shí)，俄羅斯提出在“國際空間站”退役后，構(gòu)建獨(dú)立的俄羅斯軌道服務(wù)站（ROSS），除了開展近地軌道載人航天活動(dòng)外，還能夠支持載人月球和深空探測。

藍(lán)源公司“軌道礁”空間站示意圖

4.其他國家積極參與近地軌道載人航天活動(dòng)

在近地軌道空間應(yīng)用方面，歐洲共有11個(gè)國家參與“國際空間站”項(xiàng)目。2021年7月21日，歐洲機(jī)械臂（ERA）和DMS-R多功能計(jì)算機(jī)隨科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射。新機(jī)械臂全長11.3m，擁有7自由度，抓取精度5mm，可抓取最大質(zhì)量為8000kg，成為首個(gè)能觸達(dá)俄羅斯艙段部分的機(jī)械臂。

2021年，日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙成功向太空中部署了13顆立方體衛(wèi)星，并完成了多項(xiàng)生物技術(shù)試驗(yàn)。8月29日，“貨運(yùn)龍”飛船將日產(chǎn)半自主半遙控機(jī)械臂GITAI S1送達(dá)“國際空間站”，該機(jī)械臂全長1m，擁有8自由度，用于幫助航天員執(zhí)行日常任務(wù)。

2021年，印度繼續(xù)推進(jìn)全自主載人飛船“天空飛船”的研制工作，但由于疫情影響，飛船首次無人軌道飛行測試任務(wù)推遲到2022年6月。

歐洲機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

2021

載人月球探測計(jì)劃

1.美國載人登月計(jì)劃延遲，與國際合作伙伴穩(wěn)步推進(jìn)各系統(tǒng)研制工作

2021年11月9日，NASA正式宣布將登月時(shí)間推遲到至少2025年。NASA提到了幾點(diǎn)原因：藍(lán)源公司對(duì)該局選擇SpaceX作為“載人著陸系統(tǒng)”（HLS）研發(fā)團(tuán)隊(duì)的訴訟；國會(huì)沒有為載人著陸系統(tǒng)撥出足夠的資金；新航天服無法在2024年登月前完成研發(fā)。11月13日，NASA總監(jiān)察長辦公室公布審計(jì)報(bào)告，認(rèn)為2025年的目標(biāo)是不現(xiàn)實(shí)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(tǒng)研制進(jìn)度、資金短缺以及疫情考驗(yàn)等問題，預(yù)計(jì)要到2028年才能完成登月。

美國繼續(xù)推進(jìn)“航天發(fā)射系統(tǒng)”、“獵戶座”飛船的研發(fā)，發(fā)展商業(yè)合作，研發(fā)“載人著陸系統(tǒng)”和“門戶”月球空間站，進(jìn)行前沿科學(xué)和技術(shù)研究，促進(jìn)商業(yè)航天的健康發(fā)展。2021年共有韓國、新西蘭、巴西、波蘭和墨西哥5個(gè)國家同美國簽署了《阿爾忒彌斯協(xié)定》，美國太空聯(lián)盟進(jìn)一步擴(kuò)大。2021年2月，空客公司與歐洲航天局簽署合同，為“獵戶座”飛船研制另外3個(gè)“歐洲服務(wù)艙”（ESM）。1月12日，日本政府與NASA簽訂了地月空間站項(xiàng)目的合作協(xié)議，日本將為月球“門戶”空間站提供蓄電池等組件，開發(fā)新一代HTV-X貨運(yùn)飛船。豐田公司將與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)合作，共同開發(fā)載人加壓月球車“月球巡洋艦”（Lunar Cruiser）。此外，日本計(jì)劃在2030年前將本國的航天員送上月球。

《阿爾忒彌斯協(xié)定》

2.俄羅斯進(jìn)一步明確載人登月技術(shù)路線

在載人登月領(lǐng)域，2021年，俄羅斯由于葉尼塞號(hào)火箭技術(shù)參數(shù)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(jì)劃采用安加拉火箭/小鷹號(hào)飛船+空間拖船的技術(shù)實(shí)施方案。

俄羅斯雄鷹號(hào)飛船在2021年進(jìn)行了單個(gè)結(jié)構(gòu)元件、儀器和組件的制造和測試工作。俄羅斯計(jì)劃于2023年完成雄鷹號(hào)飛船首飛，2025年利用雄鷹號(hào)飛船完成載人飛行，2029年利用雄鷹號(hào)飛船完成載人繞月飛行，并在此基礎(chǔ)上完成輕便型小鷹號(hào)飛船首飛，2030年搭載俄羅斯航天員登上月球。

雄鷹號(hào)飛船

2021

載人航天新系統(tǒng)與新模式

1.“星艦”系統(tǒng)開展多次飛行試驗(yàn)，創(chuàng)新商業(yè)載人航天系統(tǒng)進(jìn)展迅速

2021年，SpaceX公司快速推進(jìn)“星艦”（Starship）系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)工作，包括星艦SN9/10/11/15等，主要用于開展高空飛行試驗(yàn)。于2021年5月5日實(shí)現(xiàn)10km跳躍飛行，并獲得NASA商業(yè)載人月球著陸器研制合同。盡管在藍(lán)源公司等競爭對(duì)手的抗議下，NASA暫停了商業(yè)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(biāo)載人月球著陸器研制與驗(yàn)證合同的唯一研制商。

后續(xù)，SpaceX公司計(jì)劃繼續(xù)推進(jìn)“星艦”的研制和試驗(yàn)工作，包括對(duì)星艦SN20進(jìn)行重大技術(shù)升級(jí)，開展軌道飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)25馬赫再入和著陸。SpaceX公司計(jì)劃在2022年利用“星艦”進(jìn)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。

星艦SN9/10/11/15飛行試驗(yàn)過程

2.太空旅游業(yè)加快發(fā)展，成為世界載人航天的重要組成部分

隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展成熟，商業(yè)航天迅猛發(fā)展，亞軌道、軌道飛行也從早期的試驗(yàn)性質(zhì)逐步向商業(yè)性質(zhì)發(fā)展。2021年7月，維珍銀河公司和藍(lán)源公司分別利用太空船二號(hào)、“新謝潑德”系統(tǒng)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(yè)航天員參與的軌道旅游任務(wù)；12月，太空探險(xiǎn)公司時(shí)隔12年再次利用“聯(lián)盟”飛船將兩名太空游客送達(dá)“國際空間站”。

軌道/亞軌道旅游直接面向公眾客戶，其競爭十分激烈。目前，軌道/亞軌道太空旅游價(jià)格仍較為高昂。除了價(jià)格外，優(yōu)化服務(wù)和體驗(yàn)也是重要的競爭點(diǎn)。在激烈的競爭中，不斷創(chuàng)新發(fā)展模式、優(yōu)化服務(wù)已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向。隨著太空船二號(hào)、“新謝潑德”系統(tǒng)、“載人龍”、“聯(lián)盟”飛船等多型系統(tǒng)投入常態(tài)化商業(yè)旅游服務(wù)并成為世界載人航天的重要組成部分，太空旅游業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。太空旅游將為推動(dòng)載人航天可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)太空經(jīng)濟(jì)增長作出重要貢獻(xiàn)。

太空船二號(hào)與“新謝潑德”系統(tǒng)

2021年，世界載人航天取得了快速發(fā)展。近地軌道方面，“載人龍”飛船、“貨運(yùn)龍”飛船等新型載人航天器成功重復(fù)使用，“國際空間站”俄羅斯艙段完成擴(kuò)展，近地軌道載人航天能力得到加強(qiáng)，多國積極參與載人航天項(xiàng)目并取得一定成果。

載人月球探測方面，美國載人登月計(jì)劃推遲，利用商業(yè)公司與國際合作伙伴推動(dòng)各系統(tǒng)研制進(jìn)度，俄羅斯明確新的載人登月實(shí)施方案，加快對(duì)“雄鷹”載人飛船的研制工作。

太空旅游方面，多家商業(yè)航天公司積極參與軌道/亞軌道太空旅游項(xiàng)目，太空旅游業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展新時(shí)期。

整體而言，主要航天國家均積極謀劃，推動(dòng)載人航天活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，并邁向更遠(yuǎn)的深空。

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