2020 年全球载人航天发展综述

何慧东 肖武平 苑艺 张蕊（北京空间科技信息研究所）

2020 年全球载人航天亮点纷呈，“载人龙”（Crew Dragon）飞船正式投入服务，美国重新具备乘员运输能力；“货运龙”（Cargo Dragon）飞船首飞，完成对第一代“龙”（Dragon）飞船的升级；美国推出《阿尔忒弥斯协定》（Artemis Accords），并先后与8 个国家签署协定，强化其载人航天话语权；中国长征五号B 运载火箭成功发射新一代载人飞船试验船，开启空间站建造序幕。整体上，在新冠肺炎疫情的影响下，2020 年全球主要航天国家继续推动载人航天发展，既定乘员和货物运输任务有序推进，但部分新系统的研制进度受到影响。

1 航天强国加快制定战略政策，为本国载人航天后续发展营造有利环境

2020 年，航天强国高度重视载人航天发展，出台多项战略政策，牵引载人航天系统研制，并为后续发展构建良好软环境。

2020 年4 月，美国白宫发布了《关于鼓励国际社会支持空间资源获取和利用的行政命令》，提出美国有权开采和利用空间资源，为未来月球、火星、小行星资源开发利用扫除障碍；7 月，美国国家航天委员会（NSC）发布《深空探索和发展的新时代》报告，提出在月球、火星和其他太阳系天体长期驻留和开发的发展目标，并号召政府各部门支持“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划；12 月，美国政府发布《国家航天政策》，进一步强调“至2024 年将下一位美国男人和第一位美国女人送上月球，至2028 年实现在月球上建立可持续的任务，随后实施人类首次载人登陆火星任务”，并提出“鼓励扩大美国商业载人太空探索规模”；此外，还签发了《航天政策6 号令》（SPD－6）—《空间核电源与核推进国家战略》，推动空间核电源与核推进能力的发展，服务后续载人及无人深空探索计划；美国国家航天委员会于12 月发布《行星保护国家战略》，对行星保护近期工作做了顶层规划，在保护其他行星以及地球免受探索活动带来的生物威胁的同时，适应未来载人深空探索以及商业航天任务发展需求。

与此同时，美国国家航空航天局（NASA）提出《阿尔忒弥斯协定》，明确月球开发利用的一系列行为准则，并先后与加拿大、澳大利亚、英国、意大利、卢森堡、日本、阿联酋、乌克兰等8 个国家完成签署。通过签订这项双边协定，美国将自身理念作为国际规范进行推广，强化在世界航天中的话语权。

《阿尔忒弥斯协定》线上签署情况

俄罗斯继续将航天作为优先发展方向，强调保持载人航天的领先地位，俄罗斯航天国家集团（Roskosmos）启动未来20 年航天探索路线图研究，确定继续开发近地轨道、开展载人登月、进行月球持续开发等多项目标。

2 持续开展近地轨道载人航天活动，正式开启系统升级

近地轨道是现阶段载人航天活动的主要空间，当前，国外重点围绕“国际空间站”开展载人航天任务，现役载人航天器均用于近地轨道的长期驻留、乘员和货物运输。在未来很长一段时间内，全球主要航天国家均计划保持近地轨道连续有人存在，并将其作为迈向地月空间和更远深空的重要基地。

2020 年，全球共实施13 次载人航天器发射任务，其中包括1 次发射逃逸试验、2 次轨道飞行试验、10 次“国际空间站”正式任务。整体看，继“联盟”（Soyuz）飞船、“神舟”飞船之后，载人飞船再添新成员，“载人龙”飞船正式投入服务，中国新一代载人飞船试验船开展飞行试验；货运飞船方面，“货运龙”飞船完成对“龙”飞船的升级换代，进步 MS（Progress MS）、“H-2 转移飞行器”（HTV）、“龙”飞船、“货运龙”飞船、“天鹅座”（Cygnus）飞船等5 型飞船共完成7 次“国际空间站”补给任务。

空间站持续深化应用，陆续部署新舱段提升能力

（1）瞄准发挥更大应用效益，持续部署商业舱段和平台

“国际空间站”在2010 年完成大规模建设，随后，参与国家仍在持续补充重要设施，提升空间站的应用效能。2020 年，空间站除了通过货运补给任务运送科学仪器设备外，还先后安装了“巴托洛梅奥”（Bartolomeo）商用试验外部平台、“象气闸舱”（Bishop）。

2020 年全球载人航天任务统计

“巴托洛梅奥”外部平台通过舱外机器人安装到空间站哥伦布号（Columbus）实验舱外部，该平台专门用于为商业和研究机构用户提供在空间站外开展科学研究的机会，可用于开展地球观测、技术验证、天体物理和太阳物理学、材料科学、空间设备、商业太空探索等领域的研究；“象气闸舱”安装在空间站宁静号节点舱（Tranquility Node）上，是空间站第一个商业建造和运营的气闸舱，能够用于舱外实验和释放小卫星等任务，是目前空间站上气闸舱容积的5 倍。

“象气闸舱”

（2）俄罗斯新舱段完成研制，即将发射入轨

2020 年，俄罗斯继续推进“国际空间站”舱段研制工作。俄罗斯航天国家集团于6 月完成了科学号多功能实验舱（MLM Nauka）的密封性、发动机加压系统、外部液压管路等全面检查测试，并于7 月运往拜科努尔航天中心。该舱段主要用于开展科学实验研究，在舱内外均设有实验平台，能够减少航天员出舱次数。

（3）发生空气泄漏事件，为进一步延寿带来不确定性

2020 年是“国际空间站”开启建造的第22 年，也是持续有人驻留的第20 年，期间取得了大量研究成果，同时也发生了多起故障。8 月20 日，NASA和俄罗斯航天国家集团分别公布信息，星辰号服务舱（Zvezda）存在空气泄漏，截至2020 年底尚未找到具体泄露位置。此次空间站空气泄露事件发生后，美俄迟迟无法找到泄漏点和具体原因，外界表示对空间站“老化”问题的担忧，空间站进一步延寿的不确定性增加。

乘员运输能力开启升级，新型载人飞船迎来集中服役时期

（1）联盟 MS 飞船开展持续任务，取得两项突破

2020 年，俄罗斯利用联盟 MS 飞船开展了2 次“国际空间站”乘员运输任务。在4 月9 日联盟 MS－16任务中，俄罗斯首次利用联盟－2.1a 火箭发射载人任务，实现了载人和货运火箭的通用。在10 月14 日的联盟 MS－17 任务中，俄罗斯首次验证载人飞船的超快速（Ultrafast）交会对接模式，创造了联盟MS 飞船与空间站的最短交会对接时间纪录。

（2）“载人龙”飞船完成认证，投入正式商业乘员运输服务

2020 年，美国商业乘员计划取得重要成果。1 月19 日，“载人龙”成功开展了发射逃逸试验，并安全溅落在海面完成回收；5 月30 日，“载人龙”成功开展了载人飞行试验，成功搭载2 名航天员飞抵空间站，开展为期64 天的任务，对飞船发射、交会、自主对接、停泊、再入、溅落、回收的整个飞行程序进行全流程测试和认证；11 月16 日，“载人龙”开启首次正式商业乘员运输服务，搭载4 名航天员飞抵空间站，计划在轨开展为期约6 个月的科学任务，此次任务是世界首次利用商业载人飞船执行商业乘员运输服务。

“载人龙”飞船载人飞行试验任务乘组（来源：SpaceX）

（3）“星际客船”完成首飞异常调查，计划重新开展无人试飞

波音公司（Boeing）研制的“星际客船”（Starliner）于2019 年12 月开展无人飞行试验，但由于飞船计时器故障，“星际客船”未能与“国际空间站”对接，在NASA 和波音公司的紧急处置下，在轨开展一系列技术验证后返回地球。2020 年3 月6日，NASA 和波音公司联合组建的独立审查组完成对“星际客船”无人轨道飞行试验异常事件的初步调查，并于7 月7 日正式完成事件调查，补充了19 条整改意见。波音公司接受相关调查意见，截至2020 年底，NASA 称波音公司整改意见落实情况完成超过90%。

货运能力继续增强，新型商业飞船将提供全新能力

（1）进步 MS 飞船开展常态化货运，计划用于码头号离轨

2020 年，俄罗斯利用进步MS － 14 和15 飞 船 为 空 间 站提供了2 次货运补给任务，两次任务共计为空间站运送了约5500kg 货物。

（2）“龙”飞船完成升级换代，整体性能大幅增强

2020 年，SpaceX 公司“龙”飞船顺利实现升级换代，第一代“龙”飞船于3 月7 日执行完最后一次货运任务，SpaceX 公司第一阶段“商业补给服务”（CRS）合同顺利完成；第二代“龙”飞船的货运型号—“货运龙”飞船于12 月6 日首飞，开启SpaceX 公司第二阶段“商业补给服务”合同。

NASA 授予SpaceX 公司的第一阶段“商业补给服务”合同总金额约30.4 亿美元，SpaceX 公司已顺利完成，利用第一代“龙”飞船执行20 次货运补给任务。“龙”飞船最后一次货运任务使用了重复使用的飞船，该飞船此前分别于2017 年2 月和2018 年12 月执行了CRS－10 和CRS－16 任务，这是其第3 次出征飞往空间站，提供物资和设备补给。

“龙”飞船（左）、“载人龙”飞船（中）、“货运龙”飞船（右）外形图（来源：SpaceX）

“货运龙”飞船首飞任务开启了第二阶段“商业补给服务”合同，总金额约10.7 亿美元，SpaceX公司需要利用第二代的“货运龙”飞船完成6 次补给任务。“货运龙”是基于“载人龙”飞船改进而来，与第一代“龙”飞船相比，“货运龙”重点提升了运输能力和重复使用效率，回收检修后能够快速重复使用。

（3）“天鹅座”飞船提供商业货运，离站后开展多项实验并释放小卫星

2020 年，诺格创新系统公司（NG Innovation Systems）利用“天鹅座”（Cygnus）飞船执行2 次空间站货运补给任务。这两次任务是NASA 授予该公司第二阶段“商业补给服务”合同的第二、第三次任务，总共为空间站运送了超过6900kg 货物。

两艘“天鹅座”飞船均搭载了航天器燃烧安全实验装置，研究不同材料、不同环境下火灾的发展、检测、监视、火情后清理能力，实验在飞船与空间站分离后进行，避免对航天员和空间站产生危险，研究成果还可应用于地面类似环境，例如潜艇、矿井等。此外，飞船还搭载了组织细胞培养装置、小型化扫描电子显微镜等实验装置。两次任务中，“天鹅座”均搭载了3 颗立方体卫星，在飞船与空间站分离后释放入轨。

（4）HTV 飞船执行最后一次任务，后续将启用新一代HTV-X 飞船

5 月21 日，日本发射HTV－9 货运飞船，向空间站提供补给服务，此次任务是日本第9 次、也是该型飞船最后一次执行空间站补给任务。HTV 飞船又名“鹳”（KOUNOTORI），是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的一次性货运飞船，在欧洲“自动转移飞行器”（ATV）退役后，HTV 成为国外载货能力最大的货运飞船。自2009 年9 月起，日本通过9 艘HTV 飞船向空间站运送了约49t 货物。

集成上述CPIKN中的点权与边权权重，CPIKN的权重集合可表示为W={W(pi),W(kα),W(pipj),W(kαkβ),W(pikα)}，进而得到协同产品创新加权知识超网络模型：

HTV－9 任务后HTV 型号飞船将退役，2021年以后启用HTV-X 型号飞船执行补给任务。与HTV 相比，HTV-X 的整体结构做了重大改进，由加压货舱、非加压货舱、电子设备舱和推进舱组成的4舱改为由加压舱和服务舱组成的2 舱结构，内部布局也进行了优化，加压舱和非加压舱可搭载货物质量分别提升了0.5t。

（5）“追梦者”航天飞机进度推迟，并计划向多用途方向发展

美国内华达山脉公司（SNC）继续推进“追梦者”（Dream Chaser）航天飞机的研制工作。由于受到新冠肺炎疫情影响，该公司将“追梦者”航天飞机的首飞时间从2021年推迟到2022 年。

内华达山脉公司计划制造6 架“追梦者”航天飞机，近期为空间站提供货物运输，同时在21 世纪30年代为商业空间站提供货运服务。此外，该公司还提出系统多用途化发展设想，包括发展载人型“追梦者”航天飞机；改造“追梦者”尾部的“流星”（Shooting Star）模块，增加传感器和分系统，形成低成本、独立可执行任务的“轨道前哨站”等。

月球轨道平台“门户”（来源：NASA）

3 加速载人深空探测系统研制，推进运输能力建设

“阿尔忒弥斯”计划研制工作加速，系统方案逐渐明朗

美国在2024 年载人重返月球的目标驱动下，2020 年加速推进“阿尔忒弥斯”计划的实施。NASA公布了《NASA 持续性月球探测与开发规划》《“阿尔忒弥斯”规划—NASA 月球探索计划概述》等多份文件，阐述“阿尔忒弥斯”计划的整体情况，载人航天器系统研制工作快速推进，“航天发射系统”（SLS）、“猎户座”（Orion）飞船、月球“载人着陆系统”（HLS）、月球轨道平台“门户”（Gateway）均取得了重要进展。

“航天发射系统”完成了模态试验、电子设备试验、失效保护试验等多项试验任务，计划2021 年开展首次发射；“猎户座”已运送至肯尼迪航天中心，进行一系列发射前的最后测试和装配。

针对“门户”的研制，NASA 于5 月向美国麦克萨技术公司（MAXAR Technologies）授出了电源和推进模块（PPE）的研制合同，并于7 月向诺格公司授出了居住和后勤舱（HALO）的研制合同，并决定将两个舱段合并发射。与此同时，面对进度风险，NASA 决定在“阿尔忒弥斯”计划下的首次载人登月任务中不使用“门户”。

“星舰”开展多次试验，实现高空跳跃飞行

2020 年，SpaceX 公 司 快 速 推 进“ 星 舰”（Starship）试验工作，开展了“星舰”150m 和12.5km 跳跃飞行试验。

“星舰”设计方案与此前的运载火箭和飞船不同，是一种完全可重复使用系统，由两级组成，第一级为“超重型”（Super Heavy）火箭，第二级为“星舰”。SpaceX 公司研制了多个“星舰”试验飞行器，包括“星跳虫”（Starhopper）、星舰Mark － 1/2、星舰SN－1/2/3/4/5/6/7/8 等，用于验证一系列分系统和关键技术，扩展“星舰”的飞行包线。SpaceX公司表示将发展至少20 个版本的“星舰”试验飞行器，逐步改进“星舰”的设计。

星舰SN－5、SN－6 试验飞行器成功开展了150m 跳跃飞行试验，并实现了12.5km 高度跳跃飞行试验。由于燃料箱压力过低导致推力不足，SN－8 以30m/s 的速度撞向着陆平台并发生爆炸。

根据最新消息，SpaceX 公司计划利用“星舰”开展火星探测，其中，无人火星探测飞行不早于2022 年实施，载人火星探测飞行不早于2024 年实施。

“雄鹰”飞船研制工作正常推进，计划2023 年首飞

俄罗斯围绕2030 年载人登月发展目标，正在推进“雄鹰”（Orel）飞船的研制工作。2020 年6 月，俄罗斯航天国家集团开展了“雄鹰”飞船绳索逃生装置的测试，验证飞船在海面着陆的情况下，航天员沿绳索逃生至船外的任务情况。

“雄鹰”飞船具有可重复使用能力，在近地轨道任务中能够使用10 次，在月球轨道任务中能够使用3 次。在载人月球探测任务中，飞船将飞至地球磁场以外空间，在高辐射环境下运行，并以第二宇宙速度再入地球大气层。

根据最新计划，俄罗斯拟于2023 年从东方航天发射中心（Vostochny Cosmodrome）利用安加拉－A5（Angara－A5）运载火箭发射“雄鹰”飞船开展无人首飞，2025 年开展载人试飞，2029 年载人绕月飞行，2030 年载人登月。

中国成功发射新一代载人飞船试验船，验证多项关键技术

5 月5 日，中国在文昌航天发射场利用长征五号B运载火箭发射新一代载人飞船试验船，任务取得成功。此次任务共发射2 个航天器，分别是新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱。

新一代载人飞船试验船在轨飞行2 天19 小时，验证了新一代载人飞船高速再入返回防热、控制、群伞回收及部分重复使用等关键技术。经过任务验证，新一代载人飞船试验船的主要技术指标已经达到国际先进水平，具备适应多任务需求能力、更大的轨道机动能力、兼顾陆上和水上着陆能力等。

4 结语

2020 年，载人航天取得了快速发展。近地轨道方面，“国际空间站”深化商业应用，商业公司部署了商业平台和首个商业气闸舱，“载人龙”、“货运龙”等新型航天器成功投入正式服务，为现役载人航天器引入全新能力。载人月球探测方面，美国积极落实加速载人重返月球计划，与8 个国家正式签署《阿尔忒弥斯协定》，“猎户座”飞船、月球“载人着陆系统”、“门户”等系统研制工作有序推进，但在经费和进度方面存在一定困难。俄罗斯方面着力发展新型的“雄鹰”载人飞船，研制进展顺利。整体而言，主要航天国家均积极谋划，推动载人航天活动可持续发展，并迈向更远的深空。