2019國外航天活動大盤點

文/ 楊宇光

同2018年一樣，2019年是全球航天活動相對比較平靜的一年，雖然發射次數并不少，但大多是集中在近地軌道和地球同步軌道的商業航天或民用航天活動，只有印度和以色列向月球發射了著陸器，但均以失敗告終。全年除了已經在軌的深空探測器開展各種變軌和空間探測活動外，沒有新的深空探測器發射。

國際空間站任務 持續推進

在載人航天領域，國際空間站依然是整個人類唯一持續有人駐留的前哨基地。這個重量超過400噸的龐然大物，始終保持3～6名航天員在軌值守，并持續開展各方面的科學研究。2019年，分別由俄羅斯的進步MS-11、MS-12、MS-13，日本的HTV-8、美國的天鵝座NG-11、NG-12等為國際空間站提供補給，載人版龍飛船首次無人測試飛行也為國際空間站運送了部分物資。俄羅斯的“聯盟號”依然是唯一能夠為國際空間站提供乘組天地往返運輸服務的飛船。聯盟MS-12、MS-13和MS-15分別將第59～61批乘組送往國際空間站。而聯盟MS-15號是俄羅斯最后一次使用聯盟FG運載火箭發射聯盟號載人飛船，今后的發射都將更換為聯盟2.1a運載火箭。為確保可靠，俄羅斯還專門進行了聯盟MS-14號無人發射測試，預計2020年4月第一次進行有人發射。

自2011年美國阿特蘭蒂斯號航天飛機執行最后一次任務以來，美國已經連續8年喪失乘組天地往返運輸能力，而只能依靠俄羅斯的聯盟號實現乘組天地往返。美國目前開發的三型載人飛船—— 獵戶座、載人龍飛船和星際線飛船都遲遲無法投入使用，導致美國宇航局不得不繼續高價購買俄羅斯聯盟號的座位，在經費難以維持的情況下，美國甚至考慮減少駐站航天員的數量來節約經費。

2019年美國宇航局的一項重要舉措是將國際空間站向商業公司開放，可以預見這座以科學實驗為主的大型空間站將會出現更多的商業活動，包括太空旅游等。這也是美國宇航局為了節約資金，以便將重點目標轉移到月球門戶等項目的重要舉措。而商業公司的加入也為國際空間站的持續運行提供了新的希望，在各參與國宇航局同意將國際空間站運營到2024年的基礎上，后續有望使國際空間站一直運行到2030年甚至更久。

繼2018年國際空間站發生漏氣事故，最后發現聯盟號飛船的軌道艙被人為鉆了小孔之后，2019年在國際空間站又發生一起驚人的事件——第58/59批乘組成員，美國航天員安妮·麥克萊恩在駐站期間利用國際空間站能夠接入互聯網的通信鏈路，采用黑客手段進入已經與其分開的前同性戀伴侶、美國前空軍情報官員薩默爾·沃登的銀行賬戶，并挪動了資金。安妮·麥克萊恩在返回地球后進行的調查中辯稱自己是在打理兩人離婚前的共同財產。這被認為有可能是人類歷史上第一起太空犯罪案件，因為從來沒有先例，這一事件引起了國際空間領域，特別是國際空間法學界的熱議。但在另一方面，這一事件也說明了人類的載人航天活動趨于成熟—— 駐扎在國際空間站的航天員可以像在日常生活中一樣訪問互聯網，管理銀行賬號或進行網上交易。而這一過程中，跟蹤和數據中繼衛星起到了不可替代的作用。

▲ 安妮·麥克萊恩在執行第58次空間站飛行任務時使用電腦與地面聯絡

此外，2019年國際空間站的亮點活動還包括人類首次完全由女航天員進行的多人太空行走，阿聯酋首位航天員，以及對國際空間站最大的科學儀器—— 曾經有中國參與的阿爾法磁譜儀的維修等。其中全女性太空行走本來計劃在3月進行，但因為兩位女航天員缺少合適尺寸的艙外航天服而導致計劃推遲。在美國宇航局看來，這次太空行走具有極為重大的意義，表明女性在載人航天活動中扮演了越來越重要的角色。

2019年3月2日，載人版龍飛船從佛羅里達州的肯尼迪航天中心39A發射臺升空，大約一天后與國際空間站對接，于2019年3月8日返回地球并成功在大西洋濺落。這次無人飛行測試本身堪稱完美。該飛船具備承載7名航天員往返國際空間站的能力。雖然本次飛行沒有載人，但承載了穿著太空探索技術公司新研航天服的假人，對未來載人飛行的各個環節進行了充分的測試。由于載人版的龍飛船要求能夠在空間站無人值守的情況下也能自動進行對接，而不是靠空間站內的航天員利用機械臂“抓捕”飛船并靠泊在空間站上，因此本次飛行還對龍飛船上的低沖擊交會對接機構以及對接過程進行了測試。雖然空間站在正常情況下一直保持有人值守，但若在緊急狀態下出現發射乘組全部撤離的情況，這樣的設計就能夠為后續乘組再次進入空間站或實施營救任務奠定基礎。

▲ 載人型龍飛船返回艙漂浮于海面

太空探索技術公司的目標是使這款載人飛船具備可重復使用的能力。它原來的設計相當激進，準備采用發動機在地面反推著陸而不是依靠降落傘著陸（雖然仍具有降落傘作為備份手段），這樣做的好處是最后著陸用的發動機和發射過程中緊急逃逸系統可以統一考慮設計，節約資源。太空探索技術公司也充分考慮了冗余備份措施，8臺超級天龍座發動機在飛船側面安裝，每兩臺發動機形成相互備份關系。這些發動機是利用3D打印技術制造的，具有非常優異的性能。但美國宇航局為了安全考慮還是讓太空探索技術公司改回了傳統的傘降方式。太空探索技術公司也在2019年進行了降落傘系統的多次測試，可以在4個主傘沒有全部都打開的情況下仍然確保安全濺落。

在2019年4月8日對已經經歷過一次飛行任務的載人版測試飛船進行地面測試的過程中，由于超級天龍座發動機的故障，導致整個飛船被炸毀，雖然沒有人員傷亡，但現場極其慘烈。在這次地面試驗過程中，用于姿態控制，且推力較小的天龍座發動機的測試是正常的，爆炸發生在之后對超級天龍座發動機的測試。根據試驗數據分析，導致故障的原因是飛船推進系統使用的四氧化二氮氧化劑泄漏到了為儲箱提供增壓的氦氣管路中，這是在試驗前的準備工作中發生的，進而在點火時導致了整個飛船的爆炸。在2019年11月13日進行的試驗中，成功復現了當時的故障，太空探索技術公司對超級天龍座發動機進行了改進，更換了導致4月爆炸事故的閥門，并增加措施在飛船濺落前將發動機噴管重新封住，以避免濺落后海水倒灌的影響。2019年11月，太空探索技術公司成功完成了改進后的整個推進系統全過程地面靜態測試。預計用于該項測試的飛船也將用于發射中止逃逸測試，為2020年計劃進行的載人飛行測試奠定基礎。此外，波音公司的星際線飛船已于12月20日首飛，但由于飛船內部時鐘出現故障，沒有達到預定軌道，無法與國際空間站對接。

太空探索技術公司 引領航天基礎創新

雖然2019年度太空探索技術公司在載人龍飛船的測試中遇到挫折，但該公司作為航天領域創新技術的引領者，在其它方面的航天活動開展得如火如荼。

太空探索技術公司為未來載人登陸火星任務研發的重型運載工具——“星艦”進行了若干次原理性測試。與以往獵鷹火箭的設計不同，該運載器采用兩級完全可重復使用設計，低地球軌道運載能力在150噸以上。為了平衡成本、性能和可重復使用所必須的再入過程放熱難題，“星艦”沒有采用運載火箭傳統使用的鋁合金，也沒有采用在獵鷹火箭上大量使用的鋁鋰合金，而是采用了不銹鋼！并且完全放棄了之前采用復合材料的方案。“星艦”的設計本身要面對巨大的技術挑戰，其在再入過程中對姿態控制的要求和對地面垂直著陸的要求在設計上存在沖突，并且發射過程中也缺乏緊急逃逸的手段。雖然太空探索技術公司對該火箭的可靠性信心十足，但可以預見將來要獲得美國聯邦航空管理局的載人發射許可并非易事。

▲ “星艦”MK1的三臺猛禽發動機

▲ 太空探索技術公司準備把 1.2 萬顆 Ku、Ka 和 V 波段衛星部署到不同高度的多個軌道

“星艦”的第一級，也就是大獵鷹火箭和第二級均采用以液氧/甲烷為推進劑的猛禽發動機。采用這樣的組合也是考慮到目前的液氧/煤油發動機在燃燒后有可能產生碳燒結并堵塞發動機管路，不利于可重復使用。因此目前世界上有多家公司開發大推力液氧/甲烷發動機。太空探索技術公司對“星艦”的第二級進行耐壓測試的過程中發生故障，儲箱的頂蓋被炸飛，但太空探索技術公司認為這不是大問題，并將在新的測試階段進行更全面的試驗。實際上，由于研發重型運載火箭固有的難度，可以預見“星艦”的第一級研制將遇到更大的困難。由于猛禽發動機的推力對于重型運載火箭來說仍然偏小，“星艦”的第一級將采用24到37臺猛禽發動機。同重型獵鷹火箭不同，它將面臨更加嚴重的動力學耦合問題，是否能夠解決仍然是未知數，再加上火箭高達9米的直徑，研制過程本身就具有極大難度。美國宇航局局長也對太空探索技術公司專注于該型火箭的開發，而對美國宇航局更為著急的載人版龍飛船的研發一拖再拖提出了批評。太空探索技術公司不可能在其計劃的2020年年底前將“星艦”發射入軌，具體拖延到什么時候還要看地面測試過程中是否會出現更多的故障。

2019年太空探索技術公司的獵鷹9號火箭一直保持不錯的飛行記錄。4月11日和6月25日，目前人類運載能力最強的現役運載火箭獵鷹重型實施了兩次商業發射，表明太空探索技術公司已經基本解決了多達27臺梅林發動機并聯帶來的復雜問題。但由于獵鷹重型火箭起飛時是由3個相同的“獵鷹9號”一級提供動力，也即27臺發動機被分成了3組，因此在動力學耦合方面比未來的大獵鷹火箭要簡單得多，在獵鷹重型火箭上積累的經驗是否適用于后續的大獵鷹火箭還很難說。

在2018年發射試驗衛星的基礎上，太空探索技術公司利用“獵鷹9號”分兩次將120顆星鏈衛星送入軌道，這兩次發射有諸多亮點。

該公司首次實現獵鷹9號火箭一級的第4次復用，同時還使用了之前發射回收的整流罩，在通過多次重復使用降低成本的技術途徑上又邁進了一步。比較有特色的是星鏈衛星的設計與發射方式。該衛星在節約成本上可以說和獵鷹火箭一樣做足了功夫。包括使用氪氣而不是昂貴的氙氣作為電推進系統的推進劑，盡管這樣做會在性能上有一定損失，但換來的是整體成本的大幅度降低。而星鏈衛星的發射也體現了很大的創新點—— 其核心是將衛星的主結構與發射多顆衛星的適配器一體化設計，也即衛星本身的結構就具備多星適配器的功能，這樣的設計使得星鏈衛星在利用獵鷹9號火箭發射時，可以充分利用整流罩內的空間，并且最大限度地利用運載能力。當然，這也給入軌后衛星的釋放帶來了一定難度。太空探索技術公司是通過末級火箭的自旋將衛星逐個分離。

雖然太空探索技術公司實施星鏈衛星發射有諸多技術創新和亮點，但也引起了巨大的爭議。現在很少有人再質疑太空探索技術公司能否將數萬顆低軌通信衛星發射入軌，而是聚焦在這些衛星入軌后帶來的頻率和軌位資源緊張問題。如此龐大數量的衛星必然導致空間碰撞的風險增加，歐空局希望與太空探索技術公司協調可能出現的碰撞事件，太空探索技術公司極不配合，最后歐空局被迫讓自己的衛星主動變軌規避。除了占用資源和產生空間碎片的風險，數量龐大的衛星還會給天文觀測帶來嚴重的干擾，一旦真的在近地軌道部署數萬顆衛星，很多天文觀測活動將無法進行。雖然人類今后會有更多的空間望遠鏡，但地面的天文觀測依然是無法替代的。如何解決這一矛盾，目前也看不到太好的方案。

重返月球和月球探測活動 如火如荼

2019年是阿波羅登月50周年，美國舉行了多場隆重的紀念活動。也就在這段時間，美國公布了2024年重返月球的計劃，該計劃以阿波羅的雙胞胎姐妹阿爾忒彌斯命名，如果該計劃進展順利，將實現女性航天員第一次踏足月球的壯舉，而且是實現人類第一次在月球南極區域著陸。美國目前正在研發的獵戶座飛船和SLS重型運載火箭已經為該計劃奠定了比較好的基礎，但這兩個項目均拖期嚴重。2019年7月2日，獵戶座飛船采用“和平衛士”MX洲際彈道導彈第一級固體發動機改進研制的助推器完成了飛行過程中的逃逸系統測試，比較可惜的是由于經費和進度緊張，本次飛行試驗只測試了逃逸系統本身，而沒有在逃逸系統完成工作后測試降落傘系統是否能正常工作，確保乘組安全濺落。本年度還進行了獵戶座飛船指令艙與歐洲研制的服務艙的對接測試。

與獵戶座飛船相比較，SLS重型運載火箭的拖延更為嚴重，該型運載火箭繼承了大量航天飛機的技術，其芯級火箭直接采用了航天飛機使用的主發動機，只不過從3臺增加到4臺。美國目前已決定今后幾年的阿爾忒彌斯任務均采用該火箭發射，而其它商業公司只負責將貨物和補給運送到環月軌道或月球表面。

要實現在2024年重返月球，比較緊迫的是登月艙的方案。在2019年正式公布重返月球計劃后，美國各大公司均提出了自己的登月艙方案，美國宇航局目前還沒有確定最終選擇。不過，由藍色起源、洛克希德·馬丁、諾斯羅普格魯門和Draper實驗室等幾家公司強強聯合提出的方案，目前看來中標的希望最大。其中藍色起源公司將作為主承包商負責登月艙的下降級研發，洛·馬公司負責登月艙上升級的研發，諾斯羅普格魯門公司將基于其天鵝座飛船的技術研發將登月艙從月球門戶轉移到低月球軌道的轉移級。整個登月艙將由藍色起源公司新研制的可重復使用新格倫火箭發射。

然而，美國宇航局所制定的阿爾忒彌斯計劃的核心是月球門戶軌道站。這是一個小型的載人空間站，將由美國、歐空局、日本、加拿大、俄羅斯等國聯合研制。它的推進模塊采用了已經被取消的“小行星重定向計劃”研制的50千瓦級大功率太陽能電池陣和高功率電推進發動機。美國宇航局長稱該空間站將實現未來登月任務的低成本和高安全性，同時為未來的載人火星任務積攢經驗。然而該計劃一直受到航天領域技術專家的質疑。美國首次登月航天員奧爾德林也表示月球門戶軌道站對于2024年實現返回月球沒有用處。

除了美國的重返月球計劃外，俄羅斯也公布了其載人登月計劃，但在具體實現上并沒有看到實質性已落實的步驟，缺乏資金是最重要的困難。而2019年月球探測的亮點是以色列和印度進行的月面軟著陸嘗試。

以色列私人公司研制的“創世紀號”由以色列非營利機構SpaceIL發起，以色列航空航天工業公司建造，該著陸器發射質量585 千克，于2019年2月22日由獵鷹9號Block 5火箭發射，于2019年4月11日嘗試在月球表面的澄海軟著陸時墜毀。測控數據表明，探測器軟著陸接近最后階段時，發動機在離月球表面約10公里處停止工作，最后探測器以超過130米/秒的速度撞擊月面墜毀。雖然遭遇失敗，但該探測器實現了以色列首次進入環月軌道，為以色列今后類似的嘗試積累了經驗。

印度的“月船2號”是印度空間研究組織ISRO在“月船1號”基礎上研制的第二個月球探測器。該探測器總重3.85噸，由軌道器、著陸器和巡視器3部分組成。其中著陸器重量為1.471噸，攜帶有27千克重的微型巡視車。由于探測器過重，印度目前能力最強的GSLV運載火箭也不能將其直接送到奔月軌道，而是將它送至大橢圓軌道后，軌道器依靠自身的發動機不斷抬升遠地點，最終進入奔月軌道。該探測器于2019年7月22日發射，8月22日進入環月軌道。該探測器的著陸點位于南緯70度，若著陸成功將是人類最靠近月球南極點的探測器。但可惜的是在9月7日嘗試進行軟著陸時，探測器在距離月面2.1公里處與地面失聯。后續與探測器重新建立聯系的嘗試均告失敗。

▲ “月船2號”在月球上空飛行

以色列和印度的月球軟著陸嘗試失敗，再次證明了月球軟著陸技術的復雜性和難度。雖然月球的質量僅為地球的1/80，但從整個太陽系來看，仍然屬于大質量天體。環繞月球運行的人造衛星的速度超過1600米/秒，要想實現軟著陸，必須將這個速度降為0，同時將高度也降為0。要想節約推進劑，這個過程必須在很短的時間內完成，因此從環繞月球的軌道出發，到完成整個軟著陸過程，探測器的速度改變能力要超過2000米/秒，也因此在月球著陸的探測器有超過一半的重量都給了推進劑。更為重要的是，在月球軟著陸過程不同階段對于探測器推進系統的加速能力要求也不一樣。如果探測器保持相同的推力，隨著推進劑的消耗，其加速度會越來越大，遠遠超出最后階段減速過程的要求，因此，大多數在月面實施軟著陸的飛行器都選擇了能夠大范圍調節其推力的發動機，這本身在工程上就是很大的挑戰。而印度采用多發動機并聯的方式解決該問題，又帶來了發動機開關控制復雜等新問題和風險。

由于月球表面環境的復雜性，表面地形崎嶇不平，任何探測器都不可能在坡度很大的地方安全軟著陸，而且月球表面遍布隕石坑和各種大尺寸的巖石，再加上目前人類對月球表面環境勘察能力有限，還不能給出月面所有區域超高分辨率的圖像，因此，在降落前增加一個懸停階段有利于規避表面的不利地形，確保實現安全著陸，而懸停階段對于著陸區域表面的探測和狀態確認本身就很難。

另外，由于地球到月球的距離達38萬公里，以光速進行的測控通信過程的時間延遲就超過1秒，而著陸過程又是在極短的時間內完成的，這就決定了著陸過程只能靠探測器自主完成，而不是在地面控制中心的操縱下完成。因此，探測器著陸過程對制導控制系統的性能與可靠性都提出了嚴格的要求。一般來說對于測量探測器本身位置、速度、姿態，以及到月面距離的傳感器都采用多種不同手段相互備份，以確保整個過程的高可靠。

對于從繞月軌道下降實施軟著陸這樣的關鍵過程，設計師都希望能夠監視整個過程的進行，但由于地月距離非常遙遠，探測器要消耗很大的能量才能將信息傳輸到地面站，為了節約能源，一般都采用窄波束的遙測發射天線，以便集中能量向地球發射信息，但這樣也提出了天線對準精度的要求，一旦天線的伺服機構或探測器的姿態出現偏差，就有可能導致傳輸信息的波束不能對準地面站而導致失聯。

深空探測任務 有序進行

在深空探測領域，雖然2019年沒有新的探測器發射，但已經在軌的幾個深空探測器都取得了不俗的成績。洞察號火星探測器在2018年實現軟著陸后，和好奇號火星車等繼續在火星表面堅守，為科學家提供更多的數據。朱諾號探測器在環繞木星運行的過程中也已經完成了多個圈次的考察，每次在運行到近木點時都要經受木星強大而危險的磁場和輻射的考驗。帕克號探測器2019年兩次通過近日點，并在飛掠金星的過程借力加速，最終將實現“觸摸太陽”的壯舉。

“新視野號”在造訪冥王星之后，在2019年1月飛越其在遙遠的柯伊伯帶的第二個目標(486958)2014 MU69，該小行星于2014年由哈勃空間望遠鏡發現，“新視野號”傳回的圖像表明這顆小行星是由一大一小兩個物體連接而成，直徑在30到45公里之間，其最初的中文譯名為“天涯海角”。“新視野號”完成探測后，美國宇航局宣布將其正式命名為Arrokoth，在美洲原住民部落波瓦坦語中這個名字有“天空”的意思。

在2018年穿過日球層邊緣，到達星際空間的旅行者2號探測器，回傳了豐富的探測數據，任務團隊在2019年公布了這些研究成果，為人類了解太陽系外圍區域的空間環境提供了更多的參考。除了已經能源耗盡的“先驅者10號”“先驅者11號”之外，可以預見“旅行者1號”“旅行者2號”和“新視野號”在飛離太陽系的過程中將繼續為人類了解柯伊伯帶附近的星際空間努力工作。

2019年深空探測領域最令人矚目的事件是日本隼鳥2號探測器對龍宮小行星進行的探測和采樣工作。“隼鳥2號”由日本NEC公司研制，設計是在“隼鳥1號”的基礎上通過改進完成。探測器重達609千克，其干重約為409千克，它配備了4臺離子電推進發動機，其中3臺為主份，另外一臺為備份。三臺同時工作時推力達到28毫牛，發動機的比沖高達3000秒。離子電推進系統的干重約66千克，攜帶了66千克的氙氣，雖然推進劑加注量不多，但因為采用了先進的電推進系統，可以為飛行器提供2000米/秒的速度增量。整個飛行器的本體尺寸為1米×1.6米×1.25米，太陽能帆板尺寸達到6米×4.23米，當“隼鳥2號”與太陽距離1個天文單位時，可以提供2.6千瓦的電力輸出，即使達到距離太陽最遠處（約1.4個天文單位），其供電能力依然在1.4千瓦以上。飛行器攜帶的鋰離子蓄電池容量達到13.2安時。

▲ 旅行者 2 號飛行征途示意圖

“隼鳥2號”在進入環繞龍宮小行星的軌道后，初始階段保持在與龍宮表面距離20公里的高度，對其表面進行勘察和測繪。2018年6月16日，“隼鳥2號”開始降低軌道。2018年9月21日，“隼鳥2號”在55米高度彈射了巡視器1A和巡視器1B到龍宮表面。這兩個巡視器工作正常，并發回了探測數據。此后，“隼鳥2號”在2018年10月3日釋放了由德國宇航中心研制的MASCOT子探測器，它在龍宮表面按計劃運行了16小時。

最初，日本宇宙開發署計劃讓“隼鳥2號”進行3次采樣。“隼鳥2號”原計劃在2018年10月進行首次樣本收集，但由于巡視器發回的數據表明龍宮的表面地形過于復雜，且原計劃的采樣點有大小石塊，卻沒有可采的土壤，因此，采樣操作被推遲到2019年進行，并由此增加了很多操作。2019年2月21日“隼鳥2號”完成了第一次采樣，7月11日完成了第二次采樣。

在完成科學探測活動后，“隼鳥2號”使用其離子電推進發動機變軌，開始返回地球。探測器于2019年11月13日正式離開龍宮小行星。當“隼鳥2號”在2020年年底飛經地球時，它將以每3秒1轉的速度使返回艙起旋以保持再入過程中姿態穩定。返回艙將以12公里/秒的速度進入大氣層，并在距離地面10公里高度展開可反射雷達波的降落傘，拋掉防熱罩，并發射位置信標信號。返回艙計劃在澳大利亞的烏美拉靶場著陸，“隼鳥2號”總飛行距離將為52.4億公里。

▲ 龍宮小行星外觀

▲ “隼鳥2號”的外形

▲ “隼鳥2號”的離子發動機

截至目前為止，“隼鳥2號”已經在太空飛行5年，而整個任務周期長達6年。預計完成采樣返回任務后，“隼鳥2號”還將剩余30千克氙氣用于推進，可拓展探測其它天體。目前一個可選的目標是在2023年6月27日對2001 WR1小行星進行飛掠探測。

除了上面提到的2019年國外航天領域的重大事件，歐洲伽利略衛星導航系統的故障也引起了人們的廣泛關注。由于是整個系統出了問題，不可能是某顆或某幾顆衛星出現的問題，最后定位是地面站故障導致。目前伽利略系統還未建設完成，這一故障必將對今后該系統的應用和推廣產生不利的影響。