2019年國外載人航天發展綜述

何慧東 苑藝 肖武平

（北京空間科技信息研究所）

2019年，國外載人航天領域共實施15次發射任務，包括6次載人飛船發射任務，9次貨運飛船發射任務。其中，俄羅斯發射了4艘聯盟 MS（Soyuz MS）飛船、3艘進步 MS（Progress MS）飛船；美國商業公司開展了2次載人飛船無人飛行試驗，并利用“龍”（Dragon）、“天鵝座”（Cygnus）等貨運飛船提供了5次“商業再補給服務”（CRS）；日本成功發射了1艘“H-2轉移飛行器”（HTV）。

全球載人航天在2019年呈現出新的發展氣象。在戰略政策方面，美國發布了《NASA近地軌道商業開發計劃》，旨在擴大“國際空間站”的商業應用，將“國際空間站”更多地向商業企業開放；美國國家航天委員會（NSC）第五次會議提出加速載人重返月球，要在未來5年內（即2024年前）從美國本土、利用美國運載火箭、將美國航天員送上月球。在任務執行方面，俄羅斯、美國、日本主要圍繞“國際空間站”開展載人航天活動，俄羅斯利用聯盟 MS飛船、進步 MS飛船進行常態化的乘員和貨物運輸服務；美國通過“龍”、“天鵝座”等商業貨運飛船提供“商業再補給服務”；日本利用HTV飛船開展貨運任務。在空間應用方面，各國在“國際空間站”這一大型在軌試驗平臺上，開展了生物學和生物技術、人體研究、物理學和材料科學、對地觀測與空間科學、技術開發與驗證、教育活動與推廣等多種類型的應用。在載人航天商業化方面，商業載人飛船研制取得突破性進展，太空探索技術公司（SpaceX）成功開展“載人龍”（Crew Dragon）飛船無人飛行試驗，波音公司（Boeing）“星際客船”（Starliner）無人飛行試驗任務中，因飛船計時器故障未能入軌，經緊急處置后進入穩定軌道，隨后成功返回，這兩型飛船預計2020年投入服務；內華達山脈公司（SNC）的“追夢者”（Dream Chaser）航天飛機進入生產階段，計劃2021年完成總裝和測試；美國第一階段“商業再補給服務”合同已進入尾聲，逐步啟動第二階段合同。此外，美國參議院商業委員會再次通過了“國際空間站”延壽至2030年的法案，正在提交眾議院審議；美國國家航空航天局（NASA）也將 “國際空間站”上的“比格羅充氣式試驗艙”（BEAM）的工作壽命延長至2028年，同時還起草了支持商業空間站發展的征求意見書。在月球探測系統設計開發方面，美國推進“獵戶座”（Orion）飛船研制，并加緊月球“門戶”（Gateway）空間站、月球著陸器的研制工作，俄羅斯推進“雄鷹”（Orel）飛船研制，滿足未來載人月球探測任務需求。

1 各國圍繞“國際空間站”開展載人航天活動

“國際空間站”應用效益顯著，美俄正在推動延期運行

“國際空間站”作為全球最大的在軌航天器，已在軌運行超過20年，在空間應用領域取得了眾多成果。首先，“國際空間站”作為一個教育平臺，鼓勵、激勵、推動年輕一代從事數學、科學和工程領域的工作；其次，提高人們在人體生理學、生物學、材料和物理科學方面的認識，并將這些認識轉化成對健康、社會經濟效益和環境有益的成果；最后，“國際空間站”上開展的人體學研究、輻射、材料科學和工程領域的應用可應用于未來近地軌道以遠的載人探索任務中。2019年6月，美國發布了《NASA近地軌道商業開發計劃》，旨在擴大對“國際空間站”的商業應用，通過明確“國際空間站”商業使用和定價政策、推動私人航天員任務、在空間站上安裝商業設施、征集可持續的研究方案、預測長期近地軌道能力需求等多種方式，將“國際空間站”進一步向商業企業開放，推動近地軌道載人航天活動蓬勃發展。

由于“國際空間站”的巨大應用效益，美俄均計劃保持其載人航天活動在近地軌道的持續存在，已確定將“國際空間站”延期運行至2024年，并正在研究進一步延長工作壽命的可能性。此前，NASA提出2025年后將“國際空間站”移交商業運營。2019年，美國參議院商業委員會通過了《2019年美國國家航空航天局（NASA）授權法案》（S.2800），該法案提出將“國際空間站”使用壽命從2024年延長至2030年，這是美國國會涉及“國際空間站”延壽的多項提案中的一項，也是第二項獲得參議院通過的提案，目前正在提交眾議院審議。

“國際空間站”超期服役，在增加綜合應用效益的同時，也增大了系統維護的負擔，故障增多的問題值得后續關注。2019年8月24日，在聯盟 MS-14飛船與“國際空間站”搜索號（Poisk）迷你研究艙-2最后對接階段，飛船在距離空間站約90m處懸停，自動交會對接系統無法鎖定對接目標，傳回的實時視頻顯示飛船姿態出現明顯晃動，俄羅斯專家判斷自動對接失敗。俄方采取一系列緊急處置措施，把對接口改為星辰號（Zvezda）服務艙并成功對接。專家判斷事件由“航向”（Kurs）自動交會對接系統故障造成，俄方航天員事后檢查系統發現第705號電纜處于完全脫落的狀態，將電纜重新連接后系統運行正常。此次事件中，俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）還成立了專門小組，對“國際空間站”俄羅斯所有艙段的現狀進行全面評估，包括站上的所有組件及設備，確定哪些可用，是否有備用件及其如何研制。美方也計劃對其所在艙段進行全面檢查，這些評估結果將直接影響“國際空間站”是否可以在2024年以后延期工作。

俄羅斯“聯盟”飛船持續為“國際空間站”運送航天員

俄羅斯“聯盟”飛船是目前國外唯一服役的載人飛船，在向“國際空間站”運輸乘員方面發揮了不可替代的關鍵作用。2019年，俄羅斯共發射了4艘聯盟 MS飛船。

聯盟 MS載人飛船

3月14日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場第1發射臺用聯盟-FG運載火箭成功將聯盟 MS-12載人飛船發射進入預定軌道，飛船經過約6h飛行后成功與“國際空間站”對接。飛船搭載了3名航天員，分別是俄羅斯籍阿列克謝·奧夫奇寧、美國籍尼克·黑格和克里斯蒂娜·科赫。

7月20日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場用聯盟-FG運載火箭成功將聯盟 MS-13載人飛船發射進入預定軌道，飛船經過4圈飛行成功與“國際空間站”對接。飛船搭載3名航天員，分別是俄羅斯籍亞歷山大·斯科沃爾佐夫、意大利籍盧卡·帕爾米塔諾和美國籍安德魯·摩根。本次任務原定于2019年7月6日發射，隨后NASA向俄方申請推遲2周發射，并將任務周期延長2個月，從原定的2019年12月延長至2020年2月返回。此舉意在保證“國際空間站”美國艙段有3名美國航天員，而非僅有1名航天員值守。

8月22日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場利用聯盟-2.1a運載火箭成功將聯盟 MS-14載人飛船發射進入預定軌道。飛船與空間站首次交會對接異常中止，俄方采取緊急處置措施，站上航天員手動操縱聯盟 MS-13飛船，從星辰號服務艙分離并重新對接到搜索號迷你研究艙-2上，聯盟MS-14飛船與空出的星辰號服務艙自動對接。此次任務為聯盟 MS飛船與聯盟-2.1a火箭首次結合后的無人試驗飛行任務，飛船搭載了俄羅斯首個人形機器人—天空機器人F-850（Skybot F-850）。

9月25日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場用聯盟-FG運載火箭成功將聯盟 MS-15載人飛船發射進入預定軌道，飛船經過近6h飛行后成功與“國際空間站”對接。飛船搭載了3名航天員，分別是俄羅斯籍奧列格·斯克里波奇卡、美國籍杰西卡·梅爾和阿聯酋籍哈扎·曼蘇里。哈扎·曼蘇里是阿聯酋的首位航天員，在“國際空間站”駐留8天后乘坐聯盟MS-12飛船返回地球。這次任務也是聯盟-FG運載火箭的最后一次任務，以及拜科努爾航天發射場第1發射臺（加加林發射臺）最后一次常規發射任務。后續，俄羅斯計劃利用聯盟-2.1a運載火箭從第31發射臺執行載人飛船發射任務。

進步 MS-11貨運飛船

俄羅斯“進步”貨運飛船實施3次補給任務

“進步”飛船是俄羅斯研制的貨運飛船，目前發展的最新型號是進步 MS飛船。2019年，進步MS飛船共執行3次“國際空間站”貨運補給任務。

4月4日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場第31發射臺用聯盟-2.1a運載火箭成功發射進步 MS-11貨運飛船，飛船采用2圈超短程飛行模式，創造了與“國際空間站”最短交會對接時間紀錄（3h 21min）。進步 MS-11貨運飛船載有超過2500kg貨物，包括1400kg干貨物、900kg燃料、420kg水和47kg壓縮氣體，貨艙內載有科學設備、生命保障系統配套組件，以及食品箱和航天員所需的衣物、藥物和個人衛生用品。

7月31日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場用聯盟-2.1a運載火箭成功發射進步 MS-12貨運飛船，并再次刷新與“國際空間站”最快交會對接紀錄（3h 19min）。本次任務是第3次、也是最后一次超快速交會對接模式飛行驗證，隨后俄方將固化系統狀態，并計劃進一步在載人飛船上應用該模式，提升航天員飛行體驗。進步 MS-12貨運飛船載有超過2670kg貨物，包括1200kg干貨物、超過1000kg燃料、420kg水和50kg壓縮氣體。

12月6日，俄羅斯在拜科努爾航天發射場利用聯盟-2.1a運載火箭成功發射進步 MS-13貨運飛船。由于美國“龍”飛船在進步 MS-13任務前一天發射，為避免對接任務干擾，此次任務沒有采用此前的快速交會對接模式，而是采用72h交會對接模式，對接在“國際空間站”碼頭號(Pirs)對接艙上。此次發射的進步 MS-13貨運飛船載有超過2487kg貨物，包括1367kg干貨物、超過650kg燃料、420kg水和50kg壓縮氣體。

日本HTV飛船開展一次大載貨量補給

日本HTV貨運飛船是日本宇宙航空研究開發機構研制的一次性貨運飛船，也是國外載貨能力最大的現役貨運飛船，僅次于中國的“天舟”貨運飛船。2009年9月至2019年年底，日本已向“國際空間站”成功發射了7艘HTV貨船，累計運送超過37t貨物。

日本HTV貨運飛船被“國際空間站”上的機械臂捕獲

2 商業載人航天取得里程碑進展

美國大力推進載人航天商業化發展，目前商業貨物運輸已經成熟，SpaceX公司和諾格創新系統公司（Northrop Grumman Innovation Systems） 與 NASA 簽訂的第一階段“商業再補給服務”合同已經進入尾聲，逐步啟動第二階段合同，發展成效顯著。商業乘員運輸系統研制也取得里程碑進展；“載人龍”飛船與“國際空間站”對接并順利返回，成功完成無人飛行試驗；“星際客船”無人飛行試驗發生波折，最終安全返回，兩型飛船均計劃2020年投入服務，使美國重新具備乘員運輸能力。

貨運“龍”飛船飛抵“國際空間站”

SpaceX公司“龍”飛船提供3次“商業再補給服務”

5月4日，美國SpaceX公司從卡納維拉爾角空軍基地第40發射臺（LC-40）利用獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭成功發射“龍”飛船，執行“國際空間站”第17次“商業再補給服務”。“龍”飛船搭載約2500kg貨物，包括乘員補給、科學裝置、儀器設備等。在“龍”飛船非密封艙中，裝載了軌道碳觀測-3（OCO-3）、“空間試驗計劃-休斯頓6”（STP-H6）等載荷，用于開展一系列試驗和探測活動。

7月25日，SpaceX公司利用獵鷹-9運載火箭成功發射“龍”飛船，執行第18次“商業再補給服務”。此次“龍”飛船運送了約2500kg貨物，包括：國際對接適配器-3（IDA-3）、航天員補給、數十項科學實驗所需的材料等，此外還搭載了數顆立方體衛星。

12月5日，SpaceX公司用獵鷹-9運載火箭成功發射“龍”飛船，執行第19次“商業再補給服務”。此次“龍”飛船貨運補給任務為“國際空間站”運送了2617kg貨物，包括38項實驗所需材料，以及站上設備、航天員補給等，此外還搭載了數顆立方體衛星。飛船攜帶了超光譜成像裝置（HISUI），該裝置由日本經濟產業省開發，是下一代超光譜對地觀測系統，將安裝在“國際空間站”上，服務于石油、天然氣、礦產、農業、森林、海岸監測等多個行業。

諾格公司“天鵝座”飛船提供2次“商業再補給服務”

4月17日，諾格公司（Northrop Grumman）利用安塔瑞斯-230（Antares-230）運載火箭從沃羅普斯發射場成功發射“天鵝座”貨運飛船。此次任務中，“天鵝座”飛船為“國際空間站”運送了約3400kg有效載荷，包括研究設備、乘員補給和硬件等，還有28顆小衛星與飛船同時發射。此次任務的成功標志著諾格公司與NASA第一階段“商業再補給服務”合同順利完成。

11月2日，諾格公司首次使用推力優化的安塔瑞斯-230+運載火箭從沃羅普斯發射場成功發射“天鵝座”貨運飛船。“天鵝座”飛船為“國際空間站”運送了約3700kg有效載荷，包括研究設備、乘員補給和硬件等。飛船上搭載了物理學、生物學等領域的科學實驗設備，在軌開展宇宙環境探測實驗、宇宙輻射防護、改善飲食、聚合物材料回收、遙操作、材料試驗、生物鐘研究等。

“天鵝座”飛船飛抵“國際空間站”

“追夢者”航天飛機

“載人龍”飛船無人飛行試驗任務示意圖

內華達山脈公司“追夢者”航天飛機研制進展順利

內華達山脈公司在2018年底獲準開始生產第一架全尺寸“追夢者”航天飛機。“追夢者”航天飛機利用運載火箭發射入軌，并能夠再入大氣層、水平降落在機場跑道上，預計重復使用超過15次，其上行運載能力5500kg，下行運載能力1850kg，同時還能在貨艙內攜帶3400kg載荷返回大氣層燒毀。

內華達山脈公司在洛馬公司（LM）交付全復合材料機身后，于2019年10月公布“追夢者”航天飛機進入最后的總裝和測試階段，并瞄準在2021年4月前完成全部的總裝和測試工作。同時，該公司確定選用聯合發射聯盟的發射服務，利用“火神”（Vulcan）運載火箭發射“追夢者”航天飛機，如果“火神”火箭研制進度延誤，則采用其宇宙神-5（Atlas-5）運載火箭發射。

SpaceX公司“載人龍”飛船成功開展無人飛行試驗

3月2日，美國SpaceX公司在肯尼迪航天中心第39A發射臺利用獵鷹-9運載火箭成功將“載人龍”飛船發射入軌，開展無人飛行試驗任務。“載人龍”飛船順利完成與“國際空間站”的交會對接，并于3月8日再入返回。該任務是NASA“商業乘員計劃”(CCP)的重要組成部分，也是商業建造并運營的美國載人飛船的首次發射。

4月20日，在肯尼迪航天中心1號著陸區簡易試車臺開展的“載人龍”飛船靜態點火試驗中發生爆炸，飛船損毀嚴重。事故調查認為飛船上意外泄露的四氧化二氮進入高壓氦管引發連鎖反應，導致止回閥內的結構失效并引起爆照。SpaceX公司表示將在未來所有“載人龍”飛船中更換這些部件，確保爆炸和泄漏不會再次發生。

波音公司“星際客船”開展無人飛行試驗

11月4日，波音公司在白沙導彈試驗場成功開展“星際客船”發射逃逸系統試驗。“星際客船”在發射逃逸發動機、軌道機動和姿態控制發動機的作用下，飛至最高約1350m，并利用降落傘減速、氣囊緩沖著陸。此次試驗原計劃使用3具主傘，實際只打開了2具，另一具降落傘由于引導傘和主傘之間的連接銷釘插放不當而未能打開。除降落傘外，此次發射逃逸試驗的各環節均正常工作，并證明了在只有2具降落傘情況下系統的安全性。波音公司宣布將通過調整裝配程序，確保銷釘安裝正確。

12月20日，“星際客船”搭乘宇宙神-5運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地第41發射臺成功發射。“星際客船”原計劃與“國際空間站”對接并停靠一周，由于船箭分離后飛船計時器異常導致未能進入預定軌道，NASA和波音公司采取緊急處置措施將飛船送入安全軌道。飛船開展一系列在軌技術驗證后返回地球，于美國山地標準時間12月22日安全著陸在白沙導彈基地。“星際客船”成功返回，標志著無人軌道飛行試驗完成。NASA和波音公司總結稱，此次任務沒有進行飛船與“國際空間站”的交會對接，但成功進行了火箭發射、飛船再入返回，并對“星際客船”上大多數系統進行了在軌驗證。

“星際客船”透視圖及外形圖

3 美俄加速推進載人月球探測計劃

美國快速推進“阿爾忒彌斯”計劃

美國特朗普政府《航天政策1號令》（SPD-1）調整了載人航天發展方向，提出載人重返月球計劃。2019年，美國國家航天委員會第五次會議要求進一步加速重返月球，要在2024年前將美國航天員送上月球表面。

為 此，NASA調整了相關任務安排，提出“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃整體分兩個階段實施，第一個階段關注速度，計劃在2024年實現載人登月；第二個階段關注可持續性，將支持月面長期活動，并為載人火星探測做準備。

“阿爾忒彌斯”計劃由地-月運輸系統（運載火箭、載人飛船、貨運飛船）、月球軌道空間站、月球軌道-月球表面運輸系統（月球著陸器）、月球表面系統（月球基地）、月球-火星運輸系統（深空運輸飛船）、火星表面系統（火星基地）等部分構成。2019年5月，NASA選擇加拿大麥克薩技術公司（Maxar Technologies）為其開發月球“門戶”空間站的首個艙段—動力和推進組件（PPE）。同年7月，NASA發布載人著陸系統工作草案，計劃通過公私合作方式開發集成著陸器，目前已經選定11家企業開展相關研究，最終計劃選擇最多兩家公司為2024年任務開發初始著陸器。載人飛船方面，“獵戶座”飛船于2019年7月成功進行發射中止系統試驗，模擬發射過程中飛船經受最大動壓的情況下的逃逸能力。NASA和洛馬公司計劃通過可重復使用部件將長期使用成本降低50%。NASA于9月23日授予洛馬公司長期生產“獵戶座”飛船的合同，內容涵蓋了12艘飛船，足以滿足21世紀30年代NASA的需求。

“阿爾忒彌斯”系統登陸月球設想圖

“雄鷹”載人飛船

俄羅斯推進自主載人月球探測系統研制

俄羅斯方面正按照俄羅斯聯邦航天規劃研制新一代載人飛船—通用版“雄鷹”飛船[此前名為聯邦號（PTK NP）飛船]，該飛船可用于執行近地軌道飛行和飛往月球的任務，同時具備以第二宇宙速度返回的能力。“雄鷹”飛船計劃于2023年從東方航天發射場搭乘安加拉-A5P（Angara-A5P）火箭進行首次試驗發射；2024年和2025年分別進行無人飛行和載人飛行前往“國際空間站”；2026年和2027年飛船仍將采用“安加拉”系列火箭進行發射；2028年計劃采用“葉尼塞”（Yenisei）超重型系列火箭進行首次發射，同年完成飛船的飛行測試工作并投入運營；2029年飛船開始進行繞月飛行；2030年飛船將俄羅斯航天員送達月球表面。目前有2艘“雄鷹”飛船正在研制過程中，第一艘是全尺寸原型飛船，主要用于搭乘安加拉-A5P火箭和超重型火箭進行試驗飛行；第二艘則是真正可重復使用（10次飛行）的飛船，用于飛行測試及后續運營。

4 結束語

2019年，世界載人航天取得了快速發展。近地軌道方面，“國際空間站”深化商業應用，“載人龍”飛船、“星際客船”等新型載人航天器成功開展試驗成為本年度的重大突破，盡管遭遇波折，但均未造成重大損失，載人航天活動穩步推進。載人月球探測方面，美國提出加速載人重返月球，“門戶”地月空間站、月球著陸器、“獵戶座”飛船等系統研制進展順利，歐洲、日本、加拿大等國積極參與；俄羅斯方面瞄準2030年載人登月，著力發展新型的“雄鷹”載人飛船，研制進展順利。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發展，并邁向更遠的深空。