2017年国外载人航天发展综述

2018-12-07 07:41廖小刚王岩松
载人航天 2018年2期
关键词:航天员载人空间站

廖小刚,王岩松,宋 尧

(1.军事科学研究院,北京100142;2.中国航天员科研训练中心,北京100194)

1 引言

2017年是世界载人航天发展取得显著进展的一年。在这一年,美国重新确立了重返月球的国家目标,月球将再次成为美国和全球载人航天发展的共同目标;美、俄等国同意联合建设月球轨道空间站,不仅为载人登陆月球提供支持,同时为后国际空间站时代的载人航天国际合作奠定坚实的基础;以“航天发射系统”和猎户座飞船为代表的航天系统继续稳步推进,计划于2019年实现首飞;以“猎鹰”9火箭和“龙”飞船等近地轨道运输系统实现重复使用为代表,商业航天的技术与能力不断跃升;无人月球、火星等深空探测任务热度不减,将为未来的载人深空任务提供支撑。

2 战略与政策

2017年,各主要航天国家高度重视载人航天的顶层规划,进一步明确未来发展目标,确保本国载人航天持续高速发展。

美国特朗普政府积极调整载人航天发展政策与目标,意图通过发展载人航天提升美国的航天竞争力,同时促进国内经济发展。美国总统特朗普6月签署总统指令,重新建立国家航天委员会;该委员会将从国家层面对载人航天、商业航天与军事航天进行顶层谋划,负责审议美国的国家航天政策,制定国家航天活动战略,以确保美国在空间探索和技术创新中的领先地位;在该委员会的推动下,特朗普12月签署总统备忘录,正式将载人重返月球确定为美国的航天目标;NASA随后发表声明,将在2019财年预算中体现出重返月球的计划[1]。重返月球目标的确立不仅是美国载人航天发展、也是全球载人航天发展的里程碑事件,标志着人类在不久的未来将再次登陆月球,并将进行长期开发,实现人类对首个地外星体的开发利用。

俄罗斯也积极做好载人航天的顶层规划。俄罗斯航天国家公司2017年已经启动“2050年前航天发展规划”的拟制工作,其目标是巩固俄罗斯在航天市场的地位,并继续发展载人航天事业[2]。载人航天领域主要任务包括:向国际空间站发射新舱段,同时进行载人登月和月球开发。尽管由于经济持续低迷,俄罗斯载人航天发展面临较大挑战,但俄罗斯还是多方筹措,确保载人航天重点项目的发展,希望借此拉动国内经济发展和树立国际地位。

日本公布2018财年航天预算,继续维持国际空间站日本“希望”实验舱的运行、发射货运飞船“鹳”,还将继续研发H-3火箭与下一代货运飞船(HTV-X)等新型系统[3]。由于不具备独立的载人航天能力,日本、欧洲等积极谋求通过国际合作发展载人航天。日本6月宣布,利用参加美国新建月球轨道空间站的机会,力争到2030年实现日本航天员的登月之旅[4]。欧洲也积极参与美俄联合建设的月球轨道空间站,考虑研制“阿里安”6火箭和“太空拖船”为月球轨道空间站提供运输服务[5]。澳大利亚9月25日宣布将成立澳大利亚航天局以促进航天事业的发展[6]。根据本国实际情况,澳大利亚航天局将仿效英国航天局,发展重点主要以卫星应用、拉动国内经济发展为主,病通过国际合作方式积极参与载人航天研究。

3 载人航天系统

3.1 各国竞相发展新型火箭

2017年,各国积极发展重型、中型等火箭,不断提高空间进入能力,并为未来深空探索做准备。

美国将重型运载火箭视为国家的战略资产,加紧“航天发射系统”(SLS)的生产。目前SLS芯级五个部段飞行件全部制造完毕;上面级飞行件已完成最终测试和检查,并运抵肯尼迪航天中心与其他部段集成,力争在2019年12月实现火箭的首飞[7]。

俄罗斯不仅重视中型运载火箭,以抢占国际发射市场,同时关注重型运载火箭发展以实现未来深空探索。俄“联盟”5中型运载火箭进展顺利,其一子级RD-171MV发动机已完成设计工作,预计2021年首飞,将代替“安加拉”A5P火箭用于发射未来的“联邦”号载人飞船[8]。俄总统普京5月要求加快超重型运载火箭研制,目前俄航天国家集团已经起草了计划书的拟定,该型火箭近地轨道运载能力将达到160 t,2028年首飞,其目标是进行月球、火星等深空探索[9]。

欧洲、日本则继续推进各自新型火箭的研制,希望在降低成本的同时,提高运输能力。欧洲航天局6月签署合同,将研制“普罗米修斯”低成本可重复使用发动机的验证机,将作为2030年以后的欧洲航天发动机的先驱[10]。欧洲航天局还将研制“太空骑士”可重复使用航天飞机,将利用欧洲“过渡性试验飞行器”的相关技术,实现重复使用6次,将800 kg的载荷送入近地轨道[11]。日本11月公开展示将用于未来H-3火箭的新型LE9发动机,新发动机比现役H-2火箭使用的发动机零部件减少约两成,但推力约为目前的1.4倍,将为H-3火箭2020年首飞提供动力[12]。

3.2 飞船研发平稳推进

美国用于未来深空载人探索任务的“猎户座”飞船2017年取得多个里程碑进展。8月完成首次系统带电测试,验证了飞船的核心计算机、供电及数据设备的健康状态。9月首艘载人型“猎户座”飞船开始组装。12月,该飞船还进行了意外降落模拟验证,验证飞船在主伞无法全部打开时的应急措施[13]。

俄罗斯也在稳步推进新一代“联邦”号载人飞船的研制工作。3月,俄罗斯航天国家公司载人航天领域总设计师叶甫盖尼·米克林在接受采访时表示,主要用于载人登月的“联邦”号飞船计划于2021年进行首次自主无人飞行试验,届时将搭乘费“奥多尔”机器人,首次载人飞行任务计划于 2023 年实现[14]。

3.3 美、俄等国选拔新一代深空任务航天员

为更好地执行深空探索任务,美、俄等国提前布局,开始招收新一代航天员,为未来执行深空任务做准备。

NASA于6月从超过18300名申请者中选出了12名预备航天员,这是NASA自2000年以来选出的最大班底。经过两年的训练后,这些航天员未来将乘坐“猎户座”飞船执行月球等深空探索任务[15]。加拿大于7月宣布第4次航天员选拔结果,从最后的17名候选人中选出两人作为加拿大航天局的第13和第14位航天员。这两位新入选的航天员将同期加入NASA 2017年航天员训练班,开展为期两年的预备航天员训练[16]。

俄罗斯新一轮航天员选拔工作于3月启动,新一批航天员将学习俄罗斯未来的“联邦”号飞船的操作,将乘坐新飞船执行国际空间站和探月任务。此次选拔是俄罗斯航天员的第17次选拔,此次选拔的特点是开放的,申请人不局限于军人飞行员和火箭航天部门的工作人员,预计最后选拔 6 ~8 人[17]。

12月,阿联酋宣布启动首个航天员选拔培训计划,要在5年内把4名本国航天员送往国际空间站,这将使阿联酋成为中东少数几个有人上天的国家之一,从而兑现其“要在未来50年成为太空探索领域全球领先者”的誓言[18]。

3.4 美、俄发射场建设步伐加快

美、俄继续发射场建设,为未来火箭发射提供便利。

2月,自2011年一直停用的美国肯尼迪航天中心LC-39 A发射台再次启用,SpaceX公司的“猎鹰”9火箭从该发射台发射执行第10次国际空间站货运任务。LC-39 A发射台曾执行过人类首次登月发射任务和首次航天飞机发射任务,极具历史意义,但自2011年7月“亚特兰蒂斯”号航天飞机执行退役前最后一次任务之后一直停用[19]。SpaceX后来租赁该发射台进行改造,未来将主要用于发射载人任务和“猎鹰重型”运载火箭。

俄罗斯“东方”航天发射场自2016年实现首飞之后,继续加紧建设,2017年不仅实现了第二次发射,同时还启动了二期工程的建设,将建造“安加拉”运载火箭发射台[20],为实现载人发射奠定基础。俄总统普京9月表示,东方发射场将成为俄罗斯国内最大的民用航天发射场,它将确保俄罗斯对外太空的探索,完成载人航天发射任务[21]。

4 国际空间站

2017年,国际空间站第50~53长期考察组进驻,继续在国际空间站开展多项实验研究任务;国际空间站商业化步伐明显加快,以获得效益的最大化,并为今后的深空探索和改善地球生活做准备。

4.1 开展大量科学实验

2017年,各国共向国际空间站发射13艘飞船,其中4次载人任务,9次货运任务[22],不仅运送了人员和补给,同时运输了大量的科学设备,利用国际空间站独特的环境开展激光通信、自动交会对接等科学试验,为未来的深空探测进行技术探索。特别是由美国毕格罗航空航天公司研制BEAM充气舱通过了一年测试期,初步研究结果显示,BEAM在阻抗空间碎片方面达到了设计要求。由于其良好的应用性能,可帮助NASA了解和掌握到充气式居住舱如何应对辐射、微流星体与轨道碎片。NASA考虑在2018年试验到期后继续延长BEAM任务,从而帮助人类利用柔性材料充气舱开展深空探索[23]。

4.2 商业化趋势进一步加速

为充分发挥国际空间站的效益,节省开支,各参与方都积极利用国际空间站开始商业化运作。美国特朗普政府一直希望在在国际空间站运行方面纳入更多商业合作,拓展公私航天机构合作和国际空间站科学研究与商业性应用,以实现技术效益最大化的承诺[24]。欧洲也决定启动“冰立方”计划,允许研究人员在国际空间站欧洲“哥伦布”舱内开展实验,“这项计划是欧洲在太空开展研究的首个商业机会”,将开启欧洲国际空间站商业化的大门[25]。

5 商业航天

SpaceX公司、波音公司、蓝源公司等商业航天公司继续保持高速发展,首次实现火箭的重复使用,新型重型运载火箭即将首飞,商业载人运输项目进步明显。

5.1 火箭一级重复使用技术实现实用化

在2016年首次成功回收火箭的基础上,2017年SpaceX公司实现了“猎鹰”9火箭一级和“龙”飞船的重复使用,全年发射18次,其中5次使用的是回收的火箭、两次使用的是回收的“龙”飞船[26]。此外,SpaceX公司还在研制更容易实现重复使用的BLOCK 5型“猎鹰”9火箭,发射间隔将缩短为1天,重复使用10次以上[27]。火箭重复使用可以大大降低火箭的发射成本,并能提高发射频率,将给未来的航天发展带来颠覆性的影响。受SpaceX公司成功复用火箭的鼓舞,其他公司、国家也纷纷加入火箭重复使用技术研究的行列,都希望能够掌握火箭复用技术,降低深空探索的成本,赢得未来的发射市场[28]。

5.2 新型商业航天系统加速发展

2017年,以“猎鹰”系列和“新格伦”运载火箭为代表的商业航天系统进步显著。“猎鹰重型”运载火箭完成组装,即将在2018年1月首飞,一旦成功,将成为现役最强大的火箭[29];运载能力超过“猎鹰重型”火箭的“新格伦”运载火箭3月公布了设计方案,将于2020年首飞[30]。这些新型运载火箭一旦成功,将大大弥补NASA运载能力的不足,帮助NASA实现月球和火星探索。

除火箭外,SpaceX公司和波音公司的载人飞船也继续向载人飞行大步前进。2017年,波音公司“星际客车”飞船结构测试部件通过相关测试,首艘“星际客车”飞船已完成初始加电启动,同时正在生产第二、第三艘“星际客车”飞船[31];SpaceX已完成其“龙”飞船所用航天服的首次加压测试,并开始了首飞任务所用飞船的组装[32]。SpaceX和波音公司均已完成着陆降落伞的测试,并将于2018年实现首次载人飞行。此外,NASA于1月分别向波音公司和SpaceX公司授予4次载人发射服务,使每家公司均有6次载人发射服务。NASA希望此举能促进恢复美国自己的载人航天运输能力,提供更灵活强大的人员运送,从而增加空间站航天员人数,使NASA能充分利用国际空间站上的资源[33]。

5.3 商业航天系统向月球和火星拓展

受政府开发月球的吸引,美国各家航天公司都已开始了针对月球的布局,SpaceX、毕格罗公司、蓝源公司等新兴航天公司也相继推出了月球探索的计划。2月,SpaceX宣布2018年将送两名付费游客进行环月飞行[34],并于9月公开展示了月球基地的渲染图[35];毕格罗公司和ULA公司10月宣布将合作开发月球轨道居住舱,将支持国际或商业月球任务,为后续远征火星作准备[36];蓝源公司推出“蓝色月球”计划,其开发的月球着陆器将能够在月球表面着陆5 t货物[37]。这些商业公司的月球开发计划将帮助美国以较低成本尽快实现重返月球的计划,并实现长期驻留和月球资源开发。

9月,SpaceX公司还公布了其火星移民计划,将研制具备150 t的近地轨道(LEO)运载能力的巨型火箭,于2024年左右实现登陆火星[38]。洛克希德·马丁公司同时推出其“火星大本营计划”,使航天员可从“火星大本营”乘飞船登陆火星表面[39]。

6 深空探测

在美国重新确立重返月球的目标,主要国家与组织的注意力都被吸引到月球的同时,作为人类远景目标的火星也依旧是各国探测的重点。

6.1 月球

月球仍是各国载人探索最可行的目标之一,各国纷纷将载人登月与月球开发作为未来航天发展的重点。在9月召开的第68届国际宇航大会上,俄罗斯航天国家公司和NASA就在月球轨道联合建成“深空之门”月球空间站已达成一致,将于2024~2026年发射首个舱段[40]。在第一阶段建成空间站后,其技术将应用到月球开发及探索火星任务中。随后欧洲、日本等纷纷表示愿意参与该计划,希望借此“搭车”实现载人登月[4-5]。这也为国际空间站2024年到期后的国际载人航天合作开辟了新的方向,国际社会可以继续通过合作实现优势互补,整合力量共同进行深空探索。

俄罗斯“能源”火箭公司10月首次公布了“国家太空计划”的四阶段实施计划,拟在月球表面建造载人月球车、辐射掩蔽所、实验设施、矿产资源综合体等,实现2031年载人登陆月球,2050年建设月球基地,并作为进入深空探索其他行星的中转站[41]。

欧洲航天局启动探月立方星竞赛促进对月球的探测,将征集来自欧洲的公司、大学和研究中心的方案,利用立方星实现对月球的探测,为载人月球任务提供帮助,同时使欧洲能够在绕月任务中迅速获得利益[42]。

6.2 火星

4月,NASA公布了2030年左右载人探索火星的五阶段计划,将通过多次地月空间任务最终实现载人登陆火星[43]。法国和日本4月签署合作协议,将联合开展“火星卫星探索任务”,实现对火星卫星采样并返回[44]。俄罗斯宣布ExoMars-2020火星任务将于2020年7月发射,2021年3月着陆火星,寻找火星大气中存在甲烷的证据[45]。

除月球和火星外,其他太阳系星体也是深空探索的目标。NASA的“卡西尼”土星探测器于9月坠落土星,结束其近20年的探测任务,曾做出土卫二拥有全球性海洋、土卫六上存在液态甲烷海洋等重大发现[46]。美欧4月决定合作开展“联合欧罗巴任务”,包括一个轨道器和一个着陆器。着陆器将降落木卫二表面,工作35天,收集生命迹象;轨道器则将对木卫二进行多方面测量,并撞击木卫二,收集并传输木卫二大气层的数据。整个计划将持续6年半[47]。

7 结语

2017年,越来越多的国家将载人航天作为国家重要战略目标而持续投入,月球已经明确成为全球载人航天发展的目标,各国围绕月球积极研发新型航天系统与技术;“航天发射系统”/“猎户座”、“联盟”5运载火箭、“联邦”号飞船等新型载人航天系统加快发展,国际空间站应用商业化趋势进一步加剧,商业航天继续快速发展,无人月球、火星等深空探测热度不减。展望2018年,美国政府载人航天政策的调整和探索目标的转移将为载人航天活动带来新的生机和活力,同时驱动美国国内经济快速发展,美国还将出台详细的载人登月计划,以尽快实现重返月球;俄罗斯的航天长远发展规划将进一步明晰,其载人航天重点项目和投资方向将围绕国际空间站和月球开发展开;商业航天或将出现较大突破,“猎鹰重型”火箭将进行首次试飞并启动环月之旅,“龙”飞船和“星际客车”将完成首次载人飞行,将使美国再次具备近地轨道的载人运输能力;中国将在2018年继续空间站工程,受人瞩目的“嫦娥”4号探测器将飞赴月球,尝试首次月球背面着陆,世界载人航天将呈现出更加蓬勃发展的局面。

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[44] France, Japan aim to land probe on Mars moon[N/OL].(2017-04-13)[2018-01].https://phys.org/news/2017-04-france-japan-aim-probe-mars.html.

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[46] Cassini at Saturn[N/OL]. (2017-09-26)[2018-01].https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/index.html.

[47] Report: NASA, ESA plan joint mission to explore Jupiter Moon[N/OL]. (2017-04-27)[2018-01].http://www.executivegov.com/2017 /04 /report-nasa-esa-could-launch-jointmission-to-jupiters-europa-moon/.

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