2020 年全球載人航天發展綜述

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紛呈，“載人龍”（Crew Dragon）飛船正式投入服務，美國重新具備乘員運輸能力；“貨運龍”（Cargo Dragon）飛船首飛，完成對第一代“龍”（Dragon）飛船的升級；美國推出《阿爾忒彌斯協定》（Artemis Accords），并先后與8 個國家簽署協定，強化其載人航天話語權；中國長征五號B 運載火箭成功發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推動載人航天發展，既定乘員和貨物運輸任務有序推進，但部分新系統的研制進度受到影響。

1 航天強國加快制定戰略政策，為本國載人航天后續發展營造有利環境

2020 年，航天強國高度重視載人航天發展，出臺多項戰略政策，牽引載人航天系統研制，并為后續發展構建良好軟環境。

2020 年4 月，美國白宮發布了《關于鼓勵國際社會支持空間資源獲取和利用的行政命令》，提出美國有權開采和利用空間資源，為未來月球、火星、小行星資源開發利用掃除障礙；7 月，美國國家航天委員會（NSC）發布《深空探索和發展的新時代》報告，提出在月球、火星和其他太陽系天體長期駐留和開發的發展目標，并號召政府各部門支持“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃；12 月，美國政府發布《國家航天政策》，進一步強調“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 年實現在月球上建立可持續的任務，隨后實施人類首次載人登陸火星任務”，并提出“鼓勵擴大美國商業載人太空探索規?！保淮送?，還簽發了《航天政策6 號令》（SPD－6）—《空間核電源與核推進國家戰略》，推動空間核電源與核推進能力的發展，服務后續載人及無人深空探索計劃；美國國家航天委員會于12 月發布《行星保護國家戰略》，對行星保護近期工作做了頂層規劃，在保護其他行星以及地球免受探索活動帶來的生物威脅的同時，適應未來載人深空探索以及商業航天任務發展需求。

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

《阿爾忒彌斯協定》線上簽署情況

俄羅斯繼續將航天作為優先發展方向，強調保持載人航天的領先地位，俄羅斯航天國家集團（Roskosmos）啟動未來20 年航天探索路線圖研究，確定繼續開發近地軌道、開展載人登月、進行月球持續開發等多項目標。

2 持續開展近地軌道載人航天活動，正式開啟系統升級

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

2020 年，全球共實施13 次載人航天器發射任務，其中包括1 次發射逃逸試驗、2 次軌道飛行試驗、10 次“國際空間站”正式任務。整體看，繼“聯盟”（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，中國新一代載人飛船試驗船開展飛行試驗；貨運飛船方面，“貨運龍”飛船完成對“龍”飛船的升級換代，進步 MS（Progress MS）、“H-2 轉移飛行器”（HTV）、“龍”飛船、“貨運龍”飛船、“天鵝座”（Cygnus）飛船等5 型飛船共完成7 次“國際空間站”補給任務。

空間站持續深化應用，陸續部署新艙段提升能力

（1）瞄準發揮更大應用效益，持續部署商業艙段和平臺

“國際空間站”在2010 年完成大規模建設，隨后，參與國家仍在持續補充重要設施，提升空間站的應用效能。2020 年，空間站除了通過貨運補給任務運送科學儀器設備外，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統計

“巴托洛梅奧”外部平臺通過艙外機器人安裝到空間站哥倫布號（Columbus）實驗艙外部，該平臺專門用于為商業和研究機構用戶提供在空間站外開展科學研究的機會，可用于開展地球觀測、技術驗證、天體物理和太陽物理學、材料科學、空間設備、商業太空探索等領域的研究；“象氣閘艙”安裝在空間站寧靜號節點艙（Tranquility Node）上，是空間站第一個商業建造和運營的氣閘艙，能夠用于艙外實驗和釋放小衛星等任務，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，即將發射入軌

2020 年，俄羅斯繼續推進“國際空間站”艙段研制工作。俄羅斯航天國家集團于6 月完成了科學號多功能實驗艙（MLM Nauka）的密封性、發動機加壓系統、外部液壓管路等全面檢查測試，并于7 月運往拜科努爾航天中心。該艙段主要用于開展科學實驗研究，在艙內外均設有實驗平臺，能夠減少航天員出艙次數。

（3）發生空氣泄漏事件，為進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，也是持續有人駐留的第20 年，期間取得了大量研究成果，同時也發生了多起故障。8 月20 日，NASA和俄羅斯航天國家集團分別公布信息，星辰號服務艙（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生后，美俄遲遲無法找到泄漏點和具體原因，外界表示對空間站“老化”問題的擔憂，空間站進一步延壽的不確定性增加。

乘員運輸能力開啟升級，新型載人飛船迎來集中服役時期

（1）聯盟 MS 飛船開展持續任務，取得兩項突破

2020 年，俄羅斯利用聯盟 MS 飛船開展了2 次“國際空間站”乘員運輸任務。在4 月9 日聯盟 MS－16任務中，俄羅斯首次利用聯盟－2.1a 火箭發射載人任務，實現了載人和貨運火箭的通用。在10 月14 日的聯盟 MS－17 任務中，俄羅斯首次驗證載人飛船的超快速（Ultrafast）交會對接模式，創造了聯盟MS 飛船與空間站的最短交會對接時間紀錄。

（2）“載人龍”飛船完成認證，投入正式商業乘員運輸服務

2020 年，美國商業乘員計劃取得重要成果。1 月19 日，“載人龍”成功開展了發射逃逸試驗，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，對飛船發射、交會、自主對接、停泊、再入、濺落、回收的整個飛行程序進行全流程測試和認證；11 月16 日，“載人龍”開啟首次正式商業乘員運輸服務，搭載4 名航天員飛抵空間站，計劃在軌開展為期約6 個月的科學任務，此次任務是世界首次利用商業載人飛船執行商業乘員運輸服務。

“載人龍”飛船載人飛行試驗任務乘組（來源：SpaceX）

（3）“星際客船”完成首飛異常調查，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驗證后返回地球。2020 年3 月6日，NASA 和波音公司聯合組建的獨立審查組完成對“星際客船”無人軌道飛行試驗異常事件的初步調查，并于7 月7 日正式完成事件調查，補充了19 條整改意見。波音公司接受相關調查意見，截至2020 年底，NASA 稱波音公司整改意見落實情況完成超過90%。

貨運能力繼續增強，新型商業飛船將提供全新能力

（1）進步 MS 飛船開展常態化貨運，計劃用于碼頭號離軌

2020 年，俄羅斯利用進步MS － 14 和15 飛 船 為 空 間 站提供了2 次貨運補給任務，兩次任務共計為空間站運送了約5500kg 貨物。

（2）“龍”飛船完成升級換代，整體性能大幅增強

2020 年，SpaceX 公司“龍”飛船順利實現升級換代，第一代“龍”飛船于3 月7 日執行完最后一次貨運任務，SpaceX 公司第一階段“商業補給服務”（CRS）合同順利完成；第二代“龍”飛船的貨運型號—“貨運龍”飛船于12 月6 日首飛，開啟SpaceX 公司第二階段“商業補給服務”合同。

NASA 授予SpaceX 公司的第一階段“商業補給服務”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”飛船執行20 次貨運補給任務?！褒垺憋w船最后一次貨運任務使用了重復使用的飛船，該飛船此前分別于2017 年2 月和2018 年12 月執行了CRS－10 和CRS－16 任務，這是其第3 次出征飛往空間站，提供物資和設備補給。

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

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

（3）“天鵝座”飛船提供商業貨運，離站后開展多項實驗并釋放小衛星

2020 年，諾格創新系統公司（NG Innovation Systems）利用“天鵝座”（Cygnus）飛船執行2 次空間站貨運補給任務。這兩次任務是NASA 授予該公司第二階段“商業補給服務”合同的第二、第三次任務，總共為空間站運送了超過6900kg 貨物。

兩艘“天鵝座”飛船均搭載了航天器燃燒安全實驗裝置，研究不同材料、不同環境下火災的發展、檢測、監視、火情后清理能力，實驗在飛船與空間站分離后進行，避免對航天員和空間站產生危險，研究成果還可應用于地面類似環境，例如潛艇、礦井等。此外，飛船還搭載了組織細胞培養裝置、小型化掃描電子顯微鏡等實驗裝置。兩次任務中，“天鵝座”均搭載了3 顆立方體衛星，在飛船與空間站分離后釋放入軌。

（4）HTV 飛船執行最后一次任務，后續將啟用新一代HTV-X 飛船

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

集成上述CPIKN中的點權與邊權權重，CPIKN的權重集合可表示為W={W(pi),W(kα),W(pipj),W(kαkβ),W(pikα)}，進而得到協同產品創新加權知識超網絡模型：

HTV－9 任務后HTV 型號飛船將退役，2021年以后啟用HTV-X 型號飛船執行補給任務。與HTV 相比，HTV-X 的整體結構做了重大改進，由加壓貨艙、非加壓貨艙、電子設備艙和推進艙組成的4艙改為由加壓艙和服務艙組成的2 艙結構，內部布局也進行了優化，加壓艙和非加壓艙可搭載貨物質量分別提升了0.5t。

（5）“追夢者”航天飛機進度推遲，并計劃向多用途方向發展

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

內華達山脈公司計劃制造6 架“追夢者”航天飛機，近期為空間站提供貨物運輸，同時在21 世紀30年代為商業空間站提供貨運服務。此外，該公司還提出系統多用途化發展設想，包括發展載人型“追夢者”航天飛機；改造“追夢者”尾部的“流星”（Shooting Star）模塊，增加傳感器和分系統，形成低成本、獨立可執行任務的“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研制，推進運輸能力建設

“阿爾忒彌斯”計劃研制工作加速，系統方案逐漸明朗

美國在2024 年載人重返月球的目標驅動下，2020 年加速推進“阿爾忒彌斯”計劃的實施。NASA公布了《NASA 持續性月球探測與開發規劃》《“阿爾忒彌斯”規劃—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，載人航天器系統研制工作快速推進，“航天發射系統”（SLS）、“獵戶座”（Orion）飛船、月球“載人著陸系統”（HLS）、月球軌道平臺“門戶”（Gateway）均取得了重要進展。

“航天發射系統”完成了模態試驗、電子設備試驗、失效保護試驗等多項試驗任務，計劃2021 年開展首次發射；“獵戶座”已運送至肯尼迪航天中心，進行一系列發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公司（MAXAR Technologies）授出了電源和推進模塊（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射。與此同時，面對進度風險，NASA 決定在“阿爾忒彌斯”計劃下的首次載人登月任務中不使用“門戶”。

“星艦”開展多次試驗，實現高空跳躍飛行

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

“星艦”設計方案與此前的運載火箭和飛船不同，是一種完全可重復使用系統，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和關鍵技術，擴展“星艦”的飛行包線。SpaceX公司表示將發展至少20 個版本的“星艦”試驗飛行器，逐步改進“星艦”的設計。

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

根據最新消息，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 年實施，載人火星探測飛行不早于2024 年實施。

“雄鷹”飛船研制工作正常推進，計劃2023 年首飛

俄羅斯圍繞2030 年載人登月發展目標，正在推進“雄鷹”（Orel）飛船的研制工作。2020 年6 月，俄羅斯航天國家集團開展了“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情況。

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

根據最新計劃，俄羅斯擬于2023 年從東方航天發射中心（Vostochny Cosmodrome）利用安加拉－A5（Angara－A5）運載火箭發射“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。

中國成功發射新一代載人飛船試驗船，驗證多項關鍵技術

5 月5 日，中國在文昌航天發射場利用長征五號B運載火箭發射新一代載人飛船試驗船，任務取得成功。此次任務共發射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使用等關鍵技術。經過任務驗證，新一代載人飛船試驗船的主要技術指標已經達到國際先進水平，具備適應多任務需求能力、更大的軌道機動能力、兼顧陸上和水上著陸能力等。

4 結語

2020 年，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，商業公司部署了商業平臺和首個商業氣閘艙，“載人龍”、“貨運龍”等新型航天器成功投入正式服務，為現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《阿爾忒彌斯協定》，“獵戶座”飛船、月球“載人著陸系統”、“門戶”等系統研制工作有序推進，但在經費和進度方面存在一定困難。俄羅斯方面著力發展新型的“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。