2021 年國外載人航天發展初步分析

廖小剛， 王巖松

(軍事科學院， 北京 100142)

1 引言

2021 年是人類首次進入太空60 周年，世界主要航天國家的載人航天活動進入調整期。 美俄載人航天發展相對平穩，繼續圍繞月球和國際空間站持續開展載人航天活動。 美國新政府繼續推進載人登月計劃，由于主要航天系統研發進度延誤，2024 年載人登月的目標被迫推遲；俄羅斯不斷調整載人航天長遠計劃，工作重心從載人登月轉向近地軌道空間站；在繼續參與國際載人合作的同時，ESA(European Space Agency )繼續積極謀求發展獨立的載人航天能力。 商業太空旅游成為載人航天發展的新亮點，私營載人航天公司成功完成多次商業太空旅行。 國際空間站繼續促進深空載人探索技術與地球科學技術發展，但部分設施嚴重老化，未來走向面臨諸多不確定性。

2 戰略與規劃

2021 年，美國、俄羅斯、日本、歐洲等國家和航天組織，不斷調整載人航天戰略與發展路線，以載人登月和近地軌道活動牽引各自載人航天能力建設。

2.1 美國

美國新一屆政府上臺后，載人登月系統研發力度有所下降，延遲登月已成定局。 2021 年拜登上任后，一直沒有發布與載人航天相關的政策與規劃文件；在NASA 的2022 財年預算中，僅表示將繼續推進Artemis 計劃以及載人登陸火星設想，并沒有強調要在2024 年實現載人登月的目標，且預算經費增長幅度也無法滿足NASA 實現近期登月的需求。 由于載人著陸系統、登月航天服等主要系統研發先后遭遇進度延誤、經費不足等原因，NASA局長納爾遜于11 月宣布，原定2024 年的載人登月計劃將至少延遲到2025 年實現。 NASA 總監察長辦公室于11 月發布的評估報告認為，基于NASA 近年來重大航天飛行計劃的平均推遲情況，載人登月時間最晚將推遲到2028 年。 盡管遭遇了諸多困難與挑戰，但美國仍在繼續推進載人登月計劃的實施，強調將繼續堅持探索月球和載人登陸火星的長遠目標。

2.2 俄羅斯

圖1 阿爾忒彌斯載人登月[5]Fig.1 Artemis human lunar mission[5]

俄羅斯載人登月計劃遭遇諸多困難，其工作重心已實際轉向近地軌道空間站。 2021 年9 月，由于技術風險太大，采用安加拉火箭替代重型火箭實施登月的構想被放棄；10 月，俄羅斯暫停了重型運載火箭的所有研制工作，載人登月已無實施的物質基礎。 相對于載人登月，俄羅斯更加重視近地軌道空間站的建設。 11 月，俄國家航天集團正式啟動俄羅斯近地軌道空間站的研制工作。 俄羅斯載人航天工作重心的轉向，不僅是技術的原因，更是經費的考慮。 俄羅斯2022 年的航天經費約為29 億美元(遠低于NASA 2022財年的248 億美元預算)，根本無力同時承擔載人登月與建設屬于俄羅斯的空間站，因此只能選擇其一作為重點發展。

2.3 ESA

ESA 在開展載人航天國際合作的同時，積極謀求發展獨立的載人航天能力。 11 月，ESA 召開各國航天局長峰會，將發展獨立的載人航天能力列為五大優先任務之一。 歐洲希望借此確立其21 世紀航天強國(組織)的地位，并成為國際航天活動及載人航天活動中的重要角色。

2.4 日本

日本積極參與美國Artemis 計劃，持續支持載人航天活動開展。 由于不具備獨立的載人航天能力，日本一直依靠美國開展載人航天活動。 2021年1 月，日本與美國簽署月球門戶平臺合作協議，明確日本將為門戶空間站提供支持，以換取日本航天員進駐門戶空間站。 3 月，日本眾議院通過總額約41.4 億美元的2021 財年航天預算，比2020 財年大幅增長23.1%，主要原因就是要參與Artemis 載人登月計劃。

2.5 印度

印度在俄羅斯的支持下，積極推進首次載人航天任務。 3 月，印度航天員完成在俄羅斯的訓練任務，并開始接收俄羅斯出口的航天服、航天座椅和舷窗等載人航天飛行系統，為不早于2023 年的首次載人航天飛行任務做好準備。

2.6 其他國家

2021 年，一些非航天國家計劃參與航天大國載人航天活動與空間探索任務。 韓國、新西蘭、巴西、波蘭和墨西哥2021 年先后與美國簽署“阿爾忒彌斯協定”，希望通過與美國合作實現本國航天員的登月，以及發展本國的太空經濟。 土耳其于2 月發布規劃未來十年航天發展的“國家航天計劃”，提出2023 年借助他國火箭實現月球硬著陸、2028 年使用本國火箭實現月球軟著陸的目標。

3 主要載人航天系統

3.1 新型運載火箭研制進度放緩

受疫情及技術等因素影響，各國新型運載火箭的首飛都向后延遲或是暫停研制工作。

美國的航天發射系統火箭首飛從2021 年推遲至2022 年。 2021 年1 月，航天發射系統火箭芯級首次靜態點火試驗失敗；3 月，改進后的航天發射系統火箭芯級完成靜態點火測試，標志著芯級完成發射前的所有測試任務。 隨后，芯級于4 月從斯坦尼斯中心運往肯尼迪航天中心，先后完成與固體助推器的總裝和安裝飛行軟件，并于10 月通過設計認證審查。 由于進度嚴重延誤，NASA 于10 月宣布SLS 的首飛任務從2021年推遲到2022 年。

圖2 航天發射系統火箭[25]Fig.2 Space Launch System[25]

俄羅斯的Yenisei 重型火箭暫停研制工作。為實現載人登陸月球并進行持續開發，俄羅斯于2018 年開始啟動研制重型運載火箭計劃，最初采用較為成熟的液氧/煤油火箭發動機技術；2021 年1 月，俄羅斯科學院認為，重型運載火箭應采用最前沿、最先進、成本最低的技術；隨后，Yenisei 重型運載火箭的技術設計工作從2 月開始暫停，考慮轉向研發更便于回收的甲烷火箭發動機；9 月，Yenisei 重型運載火箭的技術設計工作全部停止。 由于Yenisei 重型火箭是俄羅斯載人登月及建設月球基地的基礎，因此該型運載火箭的停止研制將嚴重影響俄羅斯的載人登月計劃的實施。

日本的H-3 火箭研制繼續推遲。 原定于2021 年首飛的H-3 重型運載火箭由于在7 月的試驗中再次出現故障，首飛將推遲到2022 年進行；歐洲的阿里安－6 運載火箭進展相對平穩，也推遲到2022 年進行首飛，比最初計劃的2020 年延遲2 年。

圖3 獵戶座與航天發射系統火箭組裝[32]Fig.3 Assembly of Orion and Space Launch System[32]

3.2 新一代飛船研制工作進度不一

美國獵戶座飛船研制2021 年穩步推進。 獵戶座飛船于1 月完成全部組裝工作，已經由洛克希德·馬丁公司移交給NASA 的探索地面系統部門；進行后續的推進劑加注、安裝發射中止系統等工作，并于10 月完成與航天發射系統火箭的集成工作，為2022 年Artemis-1 首飛任務奠定了基礎。俄羅斯雄鷹飛船的首次載人任務面臨延誤。5 月，雄鷹飛船發動機完成氣候、腐蝕和燃燒壽命等測試，隨后飛船模型進行飛行前的靜態和動態測試，暴露出的一些問題促使俄研發人員對飛船的熱防護系統進行重新設計；11 月，俄能源火箭與航天集團表示，雄鷹飛船的首次無人試飛任務仍將于2023 年進行，但首次載人飛行任務將從2025 年推遲到2027 年。

3.3 航天員規模不斷擴大

為滿足未來載人航天任務需要，繼美俄之后，ESA 和日本在2021 年先后啟動新航天員的招募與培訓工作，以不斷擴大航天員隊伍的規模。 歐洲航天局3 月開始招募新一批航天員，這也是ESA 十多年來首次發布招募航天員計劃；預計2022 年將選拔出4 名新航天員，以執行國際空間站及未來的月球任務。 為支持美國領導的Artemis 登月任務，日本宇宙航空研究開發機構于11 月啟動13 年來首次新航天員招募活動，選拔結果將于2023 年公布，新航天員將可能有機會進駐國際空間站或美國的門戶月球空間站。

3.4 美俄加緊航天發射場建設

NASA 圍繞探索地面系統和搜救回收開展工作。 NASA 于2021 年4 月完成肯尼迪航天中心新型航天器指令與控制系統的認證工作，該系統專門用于解決Artemis 發射時的數據處理和發射操作。 9 月，NASA 完成探索地面系統第一輪綜合性試驗，隨后開始獵戶座飛船的總裝工作。此外，SpaceX 公司12 月宣布將在肯尼迪航天中心39A 發射綜合設施內新建一個超重－星船的發射塔架，將用于執行星際探索任務。

俄羅斯繼續加快東方發射場二期建設和拜克努爾航天發射場改造。 俄總統普京9 月再度視察東方發射場，大大地促進了該發射場的建設工作。 二期任務的核心是建設安加拉運載火箭的發射工位，預定2023 年在東方發射場進行安加拉A5 火箭以及雄鷹載人飛船的首飛。

4 國際空間站

2021 年，美、俄共向國際空間站發射16 艘飛船，其中5 次執行載人飛船任務(俄羅斯3 次、美國2 次)，8 次執行貨運任務(俄羅斯3 次、美國5次)，2 次俄羅斯艙段運輸任務，共向國際空間站運送了14 名航天員和2 個艙段，擴展了國際空間站的活動空間，并先后開展了數百項科學實驗任務，取得多項重大進展。

4.1 補充了新的國際空間站艙段與設備

2021 年，俄羅斯向國際空間站先后發射科學多功能艙和船塢號節點艙，完成國際空間站俄羅斯艙段的建造工作。 7 月，作為國際空間站俄羅斯艙段部分的最大艙段，科學號多功能實驗艙與國際空間站實現對接，大幅改善航天員在軌工作與生活條件，并提升了國際空間站的科學實驗能力；11 月，船塢號節點艙與國際空間站對接，可為國際空間站提供了5 個標準對接裝置，使國際空間站可同時對接更多的載人飛船、貨運飛船，進一步擴展國際空間站的使用效率。

此外，NASA 于6 月向國際空間站部署了2套新型太陽能電池陣列，以增強原來的太陽能電池陣列， 可支持國際空間站持續工作到2030 年。

圖4 科學號多功能實驗艙[48]Fig.4 Nauka multifunction module[48]

4.2 取得多項科學研究成果

2021 年，國際空間站航天員乘組共完成上百項科學研究任務，涉及技術開發及驗證、生物及生命科學、物理學、地球及太空科學等領域。 7 月，歐洲航天局的等離子體晶體系列實驗已持續進行滿20 周年，迄今已經發表100 余篇科學論文，幫助科學家了解行星是如何形成的。 同月，NASA航天員在國際空間站首次完成CRISPR/Cas9 基因組編輯，首次在太空中修復受損的酵母細胞DNA，也標志著活細胞首次在太空成功轉化。 12月，俄羅斯在國際空間站使用激光在太空中進行無線電能傳輸實驗，該技術未來可為圍繞國際空間站和其他航天器的小型衛星提供電能。

4.3 美、俄對于國際空間站未來發展存在分歧

美國繼續堅持其商業化近地軌道空間站的目標，但在商業空間站還未成熟時，則希望國際空間站至少運營到2028 年。 NASA 于8 月表示，從工程專業角度來看國際空間站能夠至少運營到2028 年或更長時間；12 月，NASA 授予納米架公司團隊、藍源公司團隊及諾斯羅普·格魯曼公司團隊共計4億美元的合同，進行近地軌道商業空間站的設計工作，希望在2030 年前完成從國際空間站向商業空間站的轉化。 俄羅斯則希望發展自己的軌道空間站，俄副總理鮑里索夫4 月表示，鑒于國際空間站已經嚴重老化，俄羅斯計劃著手建造自己的軌道空間站。 國際空間站俄羅斯艙段負責人8 月表示，俄羅斯艙段各系統目前處于嚴重老化狀態，星辰號艙段80%的系統超出使用壽命，無法保證2025 年后仍能正常工作。俄羅斯此舉也是希望獲得美國的經費支持，若沒有得到美國的經費，俄羅斯可能將從2025 年退出國際空間站項目，并將其相關任務轉移給國際空間站的合作伙伴，轉而建設自己的空間站。

5 商業載人航天

美國商業載人航天能力2021 年持續快速發展，SpaceX 公司、藍源公司、維基銀河公司等商業航天公司完成多次私人商業太空飛行，拉開商業太空旅行的大幕；以SpaceX 公司為代表的商業載人航天力量繼續快速發展，技術進一步成熟，并從近地軌道不斷向深空拓展。

5.1 商業太空旅行拉開序幕

7 月，維珍銀河公司、藍源公司先后完成太空船二號、新謝帕德系統的首次商業載人亞軌道旅游，進一步驗證了各自商業載人航天運載器的技術安全性，為后續開展常態化商業亞軌道飛行奠定了基礎，商業亞軌道旅游已經進入快速發展的新時期。

9 月，SpaceX 公司利用獵鷹－9 火箭/載人龍飛船成功完成激勵－4 飛行任務，將4 位普通民眾送入軌道。 本次任務是首次無專業航天員參與的軌道飛行任務，開啟了載人航天新的任務類型，使全平民、商業化的軌道太空旅游成為可能。未來，隨著多型軌道飛行器、亞軌道飛行器投入商業服務，太空旅游有望進入快速發展期，成為世界載人航天的重要組成部分。

5.2 商業載人航天活動繼續加速發展

以SpaceX 公司為代表的商業載人航天力量繼續得到加速發展，已成為載人航天發展的新寵。4 月和10 月，SpaceX 公司利用獵鷹－9 火箭/載人龍飛船成功執行2 次商業乘員運輸服務任務，將8 名航天員送入國際空間站，并首次使用復用的載人龍飛船和復用的獵鷹－9 火箭組合執行載人發射任務。 在完成一系列星船原型機亞軌道飛行(飛行高度為10 ～12.5 km)及軟著陸試驗之后，SpaceX 公司8 月將首艘軌道級星船和超重火箭完成集成組裝，為2022 年超重－星船的首次軌道飛行試驗打下良好的基礎。 11 月，藍源公司推出新格倫火箭一子級模擬試驗件，將用于地面操作倒計時演練，幫助新格倫運載火箭于2022 年實現首飛。 電子公司也將推出新型的中子運載火箭，近地軌道運輸能力將達到8.5噸，也可用于執行載人航天發射任務，將為載人航天發射增添新的力量。

5.3 商業公司承擔更多深空探索系統研發工作

隨著商業航天力量的不斷成熟壯大，NASA越來越依靠商業航天力量來完成深空探索任務。其一是研制載人著陸系統。 2021 年4 月，NASA將載人著陸系統的研制工作授予SpaceX 公司，開發用于首次載人登月任務的載人月球著陸器，以幫助航天員從月球軌道到達月球表面并從月球表面返回。 7 月，NASA 還啟動了未來月球著陸器研制的招標工作，尋求商業公司開發用于后續載人登月任務的月球著陸器。 其二是參與門戶空間站的建設。 NASA 于7 月宣布由諾斯羅普·格魯曼公司負責研制門戶月球空間站的居住與后勤前哨艙段。 該艙段作為門戶平臺的首批艙段之一，主要用作訪問乘員的居住艙及月球軌道設施的指揮所。 其三是執行深空運輸任務。2 月，NASA 授予SpaceX 公司合同，將使用獵鷹重型運載火箭將門戶空間站的前2 個艙段——動力與推進艙和居住與后勤前哨艙段發射至月球預定軌道。 4 月，太空機器人技術也選擇獵鷹重型運載火箭發射格里芬月球著陸器，目標是在2023 年下半年將毒蛇號極地水資源探測車運送至月球南極。

6 深空探索

為推進未來的載人登陸火星及其他目的地，美國、俄羅斯2021 年加快了核推進技術的研發，以實現更快更安全地探索深空；以火星、小行星等為目標的無人深空探索的熱度持續升溫。

6.1 加快核推進技術研發

圖5 載人著陸系統[70]Fig.5 Manned landing system[70]

核推進技術在促進載人探索火星、月球等方面具有巨大潛力，為加速核推進技術發展，美國國家科學院2 月發布研究報告稱，核熱推進和核電推進兩項技術均能縮短火星探測飛行的時間，且核熱推進更加成熟，建議NASA 加速該技術研發，以確保2039 年可用于載人火星探索。 7 月，NASA 與能源部合作，啟動核熱推進系統反應堆概念設計工作，以支撐其未來的深空探索。 俄羅斯于7 月在莫斯科航展上展出宙斯核動力飛船模型，該核飛船將于2030 年發射，前往木星執行探測任務。

6.2 無人深空探索持續發展

2021 年2 月，NASA 火星2020 探測任務下的毅力號漫游車成功降落到火星表面的杰澤羅環形山內，開啟研究火星地質、搜尋生命存在跡象、驗證利用二氧化碳制造氧氣的能力，進行火星土壤的采樣工作，還要對車上搭載的火星直升機進行飛行試驗。 10 月，NASA 發射LUCY 小行星科學探測器，將開啟為期12 年的探索任務，以訪問特洛伊帶的8 顆小行星，并將創造單個航天器訪問小行星數目最多的紀錄。 11 月，NASA 發射撞擊小行星的DART 探測器，DART 將與雙小行星系統的小衛星相撞，以改變其繞母星運行的軌道，驗證通過撞擊將對地球具有威脅的天體改變軌跡的概念。

圖6 毅力號火星車降落火星[76]Fig.6 The rover YiLi landed on Mars[76]

7 結語

展望2022 年，世界載人航天發展將迎來新發展，美國的太空發射系統/獵戶座飛船將實現首次航天發射，將為美國未來的載人登月奠定基礎；SpaceX 公司的超重－星船將進行首次軌道級試飛，將推動在2024 年實現首次載人登陸火星和登陸月球；統一發射聯盟的火神火箭、藍源公司的新格倫火箭、俄羅斯的聯盟5 火箭、日本的H-3 火箭和歐洲的阿里安6 火箭都將實現首飛，為載人航天發射提供更強大的發射工具。