2020 年全球載人航天發(fā)展綜述

何慧東 肖武平 苑藝 張蕊（北京空間科技信息研究所）

2020 年全球載人航天亮點(diǎn)紛呈，“載人龍”（Crew Dragon）飛船正式投入服務(wù)，美國重新具備乘員運(yùn)輸能力；“貨運(yùn)龍”（Cargo Dragon）飛船首飛，完成對第一代“龍”（Dragon）飛船的升級；美國推出《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords），并先后與8 個國家簽署協(xié)定，強(qiáng)化其載人航天話語權(quán)；中國長征五號B 運(yùn)載火箭成功發(fā)射新一代載人飛船試驗船，開啟空間站建造序幕。整體上，在新冠肺炎疫情的影響下，2020 年全球主要航天國家繼續(xù)推動載人航天發(fā)展，既定乘員和貨物運(yùn)輸任務(wù)有序推進(jìn)，但部分新系統(tǒng)的研制進(jìn)度受到影響。

1 航天強(qiáng)國加快制定戰(zhàn)略政策，為本國載人航天后續(xù)發(fā)展?fàn)I造有利環(huán)境

2020 年，航天強(qiáng)國高度重視載人航天發(fā)展，出臺多項戰(zhàn)略政策，牽引載人航天系統(tǒng)研制，并為后續(xù)發(fā)展構(gòu)建良好軟環(huán)境。

2020 年4 月，美國白宮發(fā)布了《關(guān)于鼓勵國際社會支持空間資源獲取和利用的行政命令》，提出美國有權(quán)開采和利用空間資源，為未來月球、火星、小行星資源開發(fā)利用掃除障礙；7 月，美國國家航天委員會（NSC）發(fā)布《深空探索和發(fā)展的新時代》報告，提出在月球、火星和其他太陽系天體長期駐留和開發(fā)的發(fā)展目標(biāo)，并號召政府各部門支持“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃；12 月，美國政府發(fā)布《國家航天政策》，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)“至2024 年將下一位美國男人和第一位美國女人送上月球，至2028 年實(shí)現(xiàn)在月球上建立可持續(xù)的任務(wù)，隨后實(shí)施人類首次載人登陸火星任務(wù)”，并提出“鼓勵擴(kuò)大美國商業(yè)載人太空探索規(guī)?！?；此外，還簽發(fā)了《航天政策6 號令》（SPD－6）—《空間核電源與核推進(jìn)國家戰(zhàn)略》，推動空間核電源與核推進(jìn)能力的發(fā)展，服務(wù)后續(xù)載人及無人深空探索計劃；美國國家航天委員會于12 月發(fā)布《行星保護(hù)國家戰(zhàn)略》，對行星保護(hù)近期工作做了頂層規(guī)劃，在保護(hù)其他行星以及地球免受探索活動帶來的生物威脅的同時，適應(yīng)未來載人深空探索以及商業(yè)航天任務(wù)發(fā)展需求。

與此同時，美國國家航空航天局（NASA）提出《阿爾忒彌斯協(xié)定》，明確月球開發(fā)利用的一系列行為準(zhǔn)則，并先后與加拿大、澳大利亞、英國、意大利、盧森堡、日本、阿聯(lián)酋、烏克蘭等8 個國家完成簽署。通過簽訂這項雙邊協(xié)定，美國將自身理念作為國際規(guī)范進(jìn)行推廣，強(qiáng)化在世界航天中的話語權(quán)。

《阿爾忒彌斯協(xié)定》線上簽署情況

俄羅斯繼續(xù)將航天作為優(yōu)先發(fā)展方向，強(qiáng)調(diào)保持載人航天的領(lǐng)先地位，俄羅斯航天國家集團(tuán)（Roskosmos）啟動未來20 年航天探索路線圖研究，確定繼續(xù)開發(fā)近地軌道、開展載人登月、進(jìn)行月球持續(xù)開發(fā)等多項目標(biāo)。

2 持續(xù)開展近地軌道載人航天活動，正式開啟系統(tǒng)升級

近地軌道是現(xiàn)階段載人航天活動的主要空間，當(dāng)前，國外重點(diǎn)圍繞“國際空間站”開展載人航天任務(wù)，現(xiàn)役載人航天器均用于近地軌道的長期駐留、乘員和貨物運(yùn)輸。在未來很長一段時間內(nèi)，全球主要航天國家均計劃保持近地軌道連續(xù)有人存在，并將其作為邁向地月空間和更遠(yuǎn)深空的重要基地。

2020 年，全球共實(shí)施13 次載人航天器發(fā)射任務(wù)，其中包括1 次發(fā)射逃逸試驗、2 次軌道飛行試驗、10 次“國際空間站”正式任務(wù)。整體看，繼“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船、“神舟”飛船之后，載人飛船再添新成員，“載人龍”飛船正式投入服務(wù)，中國新一代載人飛船試驗船開展飛行試驗；貨運(yùn)飛船方面，“貨運(yùn)龍”飛船完成對“龍”飛船的升級換代，進(jìn)步 MS（Progress MS）、“H-2 轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）、“龍”飛船、“貨運(yùn)龍”飛船、“天鵝座”（Cygnus）飛船等5 型飛船共完成7 次“國際空間站”補(bǔ)給任務(wù)。

空間站持續(xù)深化應(yīng)用，陸續(xù)部署新艙段提升能力

（1）瞄準(zhǔn)發(fā)揮更大應(yīng)用效益，持續(xù)部署商業(yè)艙段和平臺

“國際空間站”在2010 年完成大規(guī)模建設(shè)，隨后，參與國家仍在持續(xù)補(bǔ)充重要設(shè)施，提升空間站的應(yīng)用效能。2020 年，空間站除了通過貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)運(yùn)送科學(xué)儀器設(shè)備外，還先后安裝了“巴托洛梅奧”（Bartolomeo）商用試驗外部平臺、“象氣閘艙”（Bishop）。

2020 年全球載人航天任務(wù)統(tǒng)計

“巴托洛梅奧”外部平臺通過艙外機(jī)器人安裝到空間站哥倫布號（Columbus）實(shí)驗艙外部，該平臺專門用于為商業(yè)和研究機(jī)構(gòu)用戶提供在空間站外開展科學(xué)研究的機(jī)會，可用于開展地球觀測、技術(shù)驗證、天體物理和太陽物理學(xué)、材料科學(xué)、空間設(shè)備、商業(yè)太空探索等領(lǐng)域的研究；“象氣閘艙”安裝在空間站寧靜號節(jié)點(diǎn)艙（Tranquility Node）上，是空間站第一個商業(yè)建造和運(yùn)營的氣閘艙，能夠用于艙外實(shí)驗和釋放小衛(wèi)星等任務(wù)，是目前空間站上氣閘艙容積的5 倍。

“象氣閘艙”

（2）俄羅斯新艙段完成研制，即將發(fā)射入軌

2020 年，俄羅斯繼續(xù)推進(jìn)“國際空間站”艙段研制工作。俄羅斯航天國家集團(tuán)于6 月完成了科學(xué)號多功能實(shí)驗艙（MLM Nauka）的密封性、發(fā)動機(jī)加壓系統(tǒng)、外部液壓管路等全面檢查測試，并于7 月運(yùn)往拜科努爾航天中心。該艙段主要用于開展科學(xué)實(shí)驗研究，在艙內(nèi)外均設(shè)有實(shí)驗平臺，能夠減少航天員出艙次數(shù)。

（3）發(fā)生空氣泄漏事件，為進(jìn)一步延壽帶來不確定性

2020 年是“國際空間站”開啟建造的第22 年，也是持續(xù)有人駐留的第20 年，期間取得了大量研究成果，同時也發(fā)生了多起故障。8 月20 日，NASA和俄羅斯航天國家集團(tuán)分別公布信息，星辰號服務(wù)艙（Zvezda）存在空氣泄漏，截至2020 年底尚未找到具體泄露位置。此次空間站空氣泄露事件發(fā)生后，美俄遲遲無法找到泄漏點(diǎn)和具體原因，外界表示對空間站“老化”問題的擔(dān)憂，空間站進(jìn)一步延壽的不確定性增加。

乘員運(yùn)輸能力開啟升級，新型載人飛船迎來集中服役時期

（1）聯(lián)盟 MS 飛船開展持續(xù)任務(wù)，取得兩項突破

2020 年，俄羅斯利用聯(lián)盟 MS 飛船開展了2 次“國際空間站”乘員運(yùn)輸任務(wù)。在4 月9 日聯(lián)盟 MS－16任務(wù)中，俄羅斯首次利用聯(lián)盟－2.1a 火箭發(fā)射載人任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了載人和貨運(yùn)火箭的通用。在10 月14 日的聯(lián)盟 MS－17 任務(wù)中，俄羅斯首次驗證載人飛船的超快速（Ultrafast）交會對接模式，創(chuàng)造了聯(lián)盟MS 飛船與空間站的最短交會對接時間紀(jì)錄。

（2）“載人龍”飛船完成認(rèn)證，投入正式商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)

2020 年，美國商業(yè)乘員計劃取得重要成果。1 月19 日，“載人龍”成功開展了發(fā)射逃逸試驗，并安全濺落在海面完成回收；5 月30 日，“載人龍”成功開展了載人飛行試驗，成功搭載2 名航天員飛抵空間站，開展為期64 天的任務(wù)，對飛船發(fā)射、交會、自主對接、停泊、再入、濺落、回收的整個飛行程序進(jìn)行全流程測試和認(rèn)證；11 月16 日，“載人龍”開啟首次正式商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)，搭載4 名航天員飛抵空間站，計劃在軌開展為期約6 個月的科學(xué)任務(wù)，此次任務(wù)是世界首次利用商業(yè)載人飛船執(zhí)行商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)。

“載人龍”飛船載人飛行試驗任務(wù)乘組（來源：SpaceX）

（3）“星際客船”完成首飛異常調(diào)查，計劃重新開展無人試飛

波音公司（Boeing）研制的“星際客船”（Starliner）于2019 年12 月開展無人飛行試驗，但由于飛船計時器故障，“星際客船”未能與“國際空間站”對接，在NASA 和波音公司的緊急處置下，在軌開展一系列技術(shù)驗證后返回地球。2020 年3 月6日，NASA 和波音公司聯(lián)合組建的獨(dú)立審查組完成對“星際客船”無人軌道飛行試驗異常事件的初步調(diào)查，并于7 月7 日正式完成事件調(diào)查，補(bǔ)充了19 條整改意見。波音公司接受相關(guān)調(diào)查意見，截至2020 年底，NASA 稱波音公司整改意見落實(shí)情況完成超過90%。

貨運(yùn)能力繼續(xù)增強(qiáng)，新型商業(yè)飛船將提供全新能力

（1）進(jìn)步 MS 飛船開展常態(tài)化貨運(yùn)，計劃用于碼頭號離軌

2020 年，俄羅斯利用進(jìn)步MS － 14 和15 飛 船 為 空 間 站提供了2 次貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)，兩次任務(wù)共計為空間站運(yùn)送了約5500kg 貨物。

（2）“龍”飛船完成升級換代，整體性能大幅增強(qiáng)

2020 年，SpaceX 公司“龍”飛船順利實(shí)現(xiàn)升級換代，第一代“龍”飛船于3 月7 日執(zhí)行完最后一次貨運(yùn)任務(wù)，SpaceX 公司第一階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同順利完成；第二代“龍”飛船的貨運(yùn)型號—“貨運(yùn)龍”飛船于12 月6 日首飛，開啟SpaceX 公司第二階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同。

NASA 授予SpaceX 公司的第一階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同總金額約30.4 億美元，SpaceX 公司已順利完成，利用第一代“龍”飛船執(zhí)行20 次貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)。“龍”飛船最后一次貨運(yùn)任務(wù)使用了重復(fù)使用的飛船，該飛船此前分別于2017 年2 月和2018 年12 月執(zhí)行了CRS－10 和CRS－16 任務(wù)，這是其第3 次出征飛往空間站，提供物資和設(shè)備補(bǔ)給。

“龍”飛船（左）、“載人龍”飛船（中）、“貨運(yùn)龍”飛船（右）外形圖（來源：SpaceX）

“貨運(yùn)龍”飛船首飛任務(wù)開啟了第二階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，總金額約10.7 億美元，SpaceX公司需要利用第二代的“貨運(yùn)龍”飛船完成6 次補(bǔ)給任務(wù)。“貨運(yùn)龍”是基于“載人龍”飛船改進(jìn)而來，與第一代“龍”飛船相比，“貨運(yùn)龍”重點(diǎn)提升了運(yùn)輸能力和重復(fù)使用效率，回收檢修后能夠快速重復(fù)使用。

（3）“天鵝座”飛船提供商業(yè)貨運(yùn)，離站后開展多項實(shí)驗并釋放小衛(wèi)星

2020 年，諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司（NG Innovation Systems）利用“天鵝座”（Cygnus）飛船執(zhí)行2 次空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)。這兩次任務(wù)是NASA 授予該公司第二階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同的第二、第三次任務(wù)，總共為空間站運(yùn)送了超過6900kg 貨物。

兩艘“天鵝座”飛船均搭載了航天器燃燒安全實(shí)驗裝置，研究不同材料、不同環(huán)境下火災(zāi)的發(fā)展、檢測、監(jiān)視、火情后清理能力，實(shí)驗在飛船與空間站分離后進(jìn)行，避免對航天員和空間站產(chǎn)生危險，研究成果還可應(yīng)用于地面類似環(huán)境，例如潛艇、礦井等。此外，飛船還搭載了組織細(xì)胞培養(yǎng)裝置、小型化掃描電子顯微鏡等實(shí)驗裝置。兩次任務(wù)中，“天鵝座”均搭載了3 顆立方體衛(wèi)星，在飛船與空間站分離后釋放入軌。

（4）HTV 飛船執(zhí)行最后一次任務(wù)，后續(xù)將啟用新一代HTV-X 飛船

5 月21 日，日本發(fā)射HTV－9 貨運(yùn)飛船，向空間站提供補(bǔ)給服務(wù)，此次任務(wù)是日本第9 次、也是該型飛船最后一次執(zhí)行空間站補(bǔ)給任務(wù)。HTV 飛船又名“鸛”（KOUNOTORI），是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的一次性貨運(yùn)飛船，在歐洲“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）退役后，HTV 成為國外載貨能力最大的貨運(yùn)飛船。自2009 年9 月起，日本通過9 艘HTV 飛船向空間站運(yùn)送了約49t 貨物。

集成上述CPIKN中的點(diǎn)權(quán)與邊權(quán)權(quán)重，CPIKN的權(quán)重集合可表示為W={W(pi),W(kα),W(pipj),W(kαkβ),W(pikα)}，進(jìn)而得到協(xié)同產(chǎn)品創(chuàng)新加權(quán)知識超網(wǎng)絡(luò)模型：

HTV－9 任務(wù)后HTV 型號飛船將退役，2021年以后啟用HTV-X 型號飛船執(zhí)行補(bǔ)給任務(wù)。與HTV 相比，HTV-X 的整體結(jié)構(gòu)做了重大改進(jìn)，由加壓貨艙、非加壓貨艙、電子設(shè)備艙和推進(jìn)艙組成的4艙改為由加壓艙和服務(wù)艙組成的2 艙結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布局也進(jìn)行了優(yōu)化，加壓艙和非加壓艙可搭載貨物質(zhì)量分別提升了0.5t。

（5）“追夢者”航天飛機(jī)進(jìn)度推遲，并計劃向多用途方向發(fā)展

美國內(nèi)華達(dá)山脈公司（SNC）繼續(xù)推進(jìn)“追夢者”（Dream Chaser）航天飛機(jī)的研制工作。由于受到新冠肺炎疫情影響，該公司將“追夢者”航天飛機(jī)的首飛時間從2021年推遲到2022 年。

內(nèi)華達(dá)山脈公司計劃制造6 架“追夢者”航天飛機(jī)，近期為空間站提供貨物運(yùn)輸，同時在21 世紀(jì)30年代為商業(yè)空間站提供貨運(yùn)服務(wù)。此外，該公司還提出系統(tǒng)多用途化發(fā)展設(shè)想，包括發(fā)展載人型“追夢者”航天飛機(jī)；改造“追夢者”尾部的“流星”（Shooting Star）模塊，增加傳感器和分系統(tǒng)，形成低成本、獨(dú)立可執(zhí)行任務(wù)的“軌道前哨站”等。

月球軌道平臺“門戶”（來源：NASA）

3 加速載人深空探測系統(tǒng)研制，推進(jìn)運(yùn)輸能力建設(shè)

“阿爾忒彌斯”計劃研制工作加速，系統(tǒng)方案逐漸明朗

美國在2024 年載人重返月球的目標(biāo)驅(qū)動下，2020 年加速推進(jìn)“阿爾忒彌斯”計劃的實(shí)施。NASA公布了《NASA 持續(xù)性月球探測與開發(fā)規(guī)劃》《“阿爾忒彌斯”規(guī)劃—NASA 月球探索計劃概述》等多份文件，闡述“阿爾忒彌斯”計劃的整體情況，載人航天器系統(tǒng)研制工作快速推進(jìn)，“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）、“獵戶座”（Orion）飛船、月球“載人著陸系統(tǒng)”（HLS）、月球軌道平臺“門戶”（Gateway）均取得了重要進(jìn)展。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”完成了模態(tài)試驗、電子設(shè)備試驗、失效保護(hù)試驗等多項試驗任務(wù)，計劃2021 年開展首次發(fā)射；“獵戶座”已運(yùn)送至肯尼迪航天中心，進(jìn)行一系列發(fā)射前的最后測試和裝配。

針對“門戶”的研制，NASA 于5 月向美國麥克薩技術(shù)公司（MAXAR Technologies）授出了電源和推進(jìn)模塊（PPE）的研制合同，并于7 月向諾格公司授出了居住和后勤艙（HALO）的研制合同，并決定將兩個艙段合并發(fā)射。與此同時，面對進(jìn)度風(fēng)險，NASA 決定在“阿爾忒彌斯”計劃下的首次載人登月任務(wù)中不使用“門戶”。

“星艦”開展多次試驗，實(shí)現(xiàn)高空跳躍飛行

2020 年，SpaceX 公 司 快 速 推 進(jìn)“ 星 艦”（Starship）試驗工作，開展了“星艦”150m 和12.5km 跳躍飛行試驗。

“星艦”設(shè)計方案與此前的運(yùn)載火箭和飛船不同，是一種完全可重復(fù)使用系統(tǒng)，由兩級組成，第一級為“超重型”（Super Heavy）火箭，第二級為“星艦”。SpaceX 公司研制了多個“星艦”試驗飛行器，包括“星跳蟲”（Starhopper）、星艦Mark － 1/2、星艦SN－1/2/3/4/5/6/7/8 等，用于驗證一系列分系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，擴(kuò)展“星艦”的飛行包線。SpaceX公司表示將發(fā)展至少20 個版本的“星艦”試驗飛行器，逐步改進(jìn)“星艦”的設(shè)計。

星艦SN－5、SN－6 試驗飛行器成功開展了150m 跳躍飛行試驗，并實(shí)現(xiàn)了12.5km 高度跳躍飛行試驗。由于燃料箱壓力過低導(dǎo)致推力不足，SN－8 以30m/s 的速度撞向著陸平臺并發(fā)生爆炸。

根據(jù)最新消息，SpaceX 公司計劃利用“星艦”開展火星探測，其中，無人火星探測飛行不早于2022 年實(shí)施，載人火星探測飛行不早于2024 年實(shí)施。

“雄鷹”飛船研制工作正常推進(jìn)，計劃2023 年首飛

俄羅斯圍繞2030 年載人登月發(fā)展目標(biāo)，正在推進(jìn)“雄鷹”（Orel）飛船的研制工作。2020 年6 月，俄羅斯航天國家集團(tuán)開展了“雄鷹”飛船繩索逃生裝置的測試，驗證飛船在海面著陸的情況下，航天員沿繩索逃生至船外的任務(wù)情況。

“雄鷹”飛船具有可重復(fù)使用能力，在近地軌道任務(wù)中能夠使用10 次，在月球軌道任務(wù)中能夠使用3 次。在載人月球探測任務(wù)中，飛船將飛至地球磁場以外空間，在高輻射環(huán)境下運(yùn)行，并以第二宇宙速度再入地球大氣層。

根據(jù)最新計劃，俄羅斯擬于2023 年從東方航天發(fā)射中心（Vostochny Cosmodrome）利用安加拉－A5（Angara－A5）運(yùn)載火箭發(fā)射“雄鷹”飛船開展無人首飛，2025 年開展載人試飛，2029 年載人繞月飛行，2030 年載人登月。

中國成功發(fā)射新一代載人飛船試驗船，驗證多項關(guān)鍵技術(shù)

5 月5 日，中國在文昌航天發(fā)射場利用長征五號B運(yùn)載火箭發(fā)射新一代載人飛船試驗船，任務(wù)取得成功。此次任務(wù)共發(fā)射2 個航天器，分別是新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙。

新一代載人飛船試驗船在軌飛行2 天19 小時，驗證了新一代載人飛船高速再入返回防熱、控制、群傘回收及部分重復(fù)使用等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過任務(wù)驗證，新一代載人飛船試驗船的主要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，具備適應(yīng)多任務(wù)需求能力、更大的軌道機(jī)動能力、兼顧陸上和水上著陸能力等。

4 結(jié)語

2020 年，載人航天取得了快速發(fā)展。近地軌道方面，“國際空間站”深化商業(yè)應(yīng)用，商業(yè)公司部署了商業(yè)平臺和首個商業(yè)氣閘艙，“載人龍”、“貨運(yùn)龍”等新型航天器成功投入正式服務(wù)，為現(xiàn)役載人航天器引入全新能力。載人月球探測方面，美國積極落實(shí)加速載人重返月球計劃，與8 個國家正式簽署《阿爾忒彌斯協(xié)定》，“獵戶座”飛船、月球“載人著陸系統(tǒng)”、“門戶”等系統(tǒng)研制工作有序推進(jìn)，但在經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度方面存在一定困難。俄羅斯方面著力發(fā)展新型的“雄鷹”載人飛船，研制進(jìn)展順利。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(xù)發(fā)展，并邁向更遠(yuǎn)的深空。