国外载人航天发展回顾

王霄（北京空间科技信息研究所）

国外载人航天发展回顾

2016 Year in Review: Foreign Human Spacef l ight

王霄
（北京空间科技信息研究所）

2016年，全球共计进行了14次载人航天任务，成功13次，失败1次。其中，5次载人飞船发射任务，8次货运飞船发射任务，1次空间实验室任务，发射数量与2015年持平。俄罗斯发射4艘“联盟”（Soyuz）载人飞船和3艘“进步”（Progress）货运飞船，其中进步 MS－04飞船任务失败，是俄罗斯近1年半以来发生的首次航天事故；美国商业公司成功发射4艘货运飞船；日本成功发射1艘货运飞船，即第6个“H-2转移飞行器”（HTV－6）；中国发射首个空间实验室，1艘载人飞船。

1 概述

2016年，载人航天领域发展较为平稳。重点围绕低地球轨道（LEO）开展空间应用，同时积极推进低地球轨道以远的系统建设，以载人火星为长远目标持续推进。在任务执行上，美、俄围绕“国际空间站”开展运营维护。美国仍然依靠商业公司的“龙”（Dragon）、“天鹅座”（Cygnus）飞船进行了货物运输；俄罗斯载人飞船再升级，联盟 MS－01首飞成功，联盟－U火箭再遇发射失利，进步 MS－04飞船损毁。在系统建设和技术研发上，美国持续推进以“猎户座”（Orion）飞船和“航天发射系统”（SLS）为主的探索系统开发，受预算影响，小行星计划面临推迟；俄罗斯新一代载人飞船联邦号（Federation）进展缓慢，东方发射场完成首次发射，计划2023－2025年进行首次载人发射，2030年起开展月球探索任务。在空间应用方面，重点围绕“国际空间站”这一在轨平台开展技术开发与验证试验。

在商业化发展方面，低地球轨道商业运输稳步推进，商业公司进军太空旅游和开发，美国航空航天局（NASA）不断开拓新型公私合作伙伴关系。NASA授出第二轮“商业补给服务”（CRS2）合同，美国太空探索技术公司（SpaceX）、轨道-ATK公司和内华达山脉公司（SNC）均获胜，将从2019年起分别用“龙”飞船、“天鹅座”飞船和“追梦者”（Dream Chaser）太空飞机为“国际空间站”提供货物补给；波音公司（Boeing）、太空探索技术公司有望2017－2018年实现低地球轨道商业乘员运输；毕格罗航天公司（Bigelow Aerospace）研制的“毕格罗充气式试验舱”（BEAM）在轨成功展开，成为全球首个与“国际空间站”对接并成功展开的充气式活动太空舱；太空旅游呈现重大进展，维珍银河公司（Virgin Galactic）成功进行了第二艘太空船－2（SpaceShipTwo）首次无动力滑翔飞行试验；此外，洛马公司（LM）、轨道-ATK、联合发射联盟公司（ULA）、太空探索技术公司等诸多商业公司提出地月空间及载人火星探索规划。

即将为“国际空间站”提供载人天地往返服务的“追梦者”太空飞机

2016年9月和10月，天宫－2空间实验室和神舟－11载人飞船先后成功发射，形成组合体并稳定运行，开展了较大规模的空间科学实验与技术试验，突破掌握了航天员中期驻留、地面长时间任务支持和保障等技术。目前，中国已突破掌握载人天地往返、空间出舱、空间交会对接、组合体运行、航天员中期驻留等载人航天领域重大技术。

2 各国围绕“国际空间站”积极开展空间活动

俄罗斯发射首艘新型联盟 MS载人飞船

2016年7月7日，俄罗斯成功发射载人飞船联盟MS。联盟 MS是俄罗斯“联盟”系列载人飞船的最新一代型号，继承了联盟 TMA－M飞船的设计，同时也将成为“联盟”系列的最后一代飞船，之后俄罗斯将启用新一代载人飞船联邦号。

俄罗斯发射首艘新型联盟 MS载人飞船

自20世纪60年代以来，“联盟”系列飞船就在外观设计上保持了一致性。但在飞船内部，联盟 MS型号则进行了众多明显改动，包括将乌克兰制造的量子－V（Kvant－V）无线电通信系统替换为统一指令遥测系统，结束了俄罗斯对乌克兰天线、馈线和通信电子设备产品的依赖；新的遥测指令系统能够使用“射线”（Luch）地球静止轨道（GEO）通信卫星向地面中继遥测数据并接受中继指令。有了新的通信系统，“联盟”飞船能在70%在轨时间内保持与地面的联系。

联盟 MS飞船的一个通信升级是安装启用了邻近通信链路，与“国际空间站”交会过程中可建立连接实现相对导航，作为飞船导航数据的额外来源。联盟MS装置了“全球定位系统”（GPS）和“全球导航卫星系统”（GLONASS）接收器，用于准确测时、状态向量计算和轨道确定，不再依赖于仅在经过地面站时才能使用的雷达跟踪，之前雷达跟踪只能在通过地面站时进行。联盟 MS还安装了改进型摄像系统，并采用数字视频传输向“国际空间站”和地面传送更佳画质的画面。联盟 MS采用数字电视系统取代了模拟电视系统（Klyost），使视频能够作为数据流的一部分，通过天对天通信链路传输。对飞行控制系统、船载软件和通信系统的改进，也将推动从模拟向数字视频传输的转换。

“航向”（Kurs）导航系统在最新一代的俄罗斯“进步”和“联盟”飞船上有了重大的改进，飞船现有的航向－A交会对接设备将升级为使用俄罗斯国产现代化电子元器件的航向－NA系统。“进步”和“联盟”飞船上的“航向”系统是基于无线电的系统，可以保证航天器能够完全实现自主交会、最终逼近和对接序列。“航向”系统使用由目标飞行器发送到追踪飞行器天线的信号来确定其视线角和始于距离200km的远交会节面角，航向、视线角度线及近交会的距离和距离变化率。航向－NA使得乌克兰制造的组件从系统中彻底被清除，而为飞船提供了整体质量更轻、系统能力更强的组件。航向－NA只需要1副天线便可以为联盟 MS飞船提供更精准的测量，使其与“国际空间站”完全自主对接。

总装中的俄罗斯进步 MS－04货运飞船

此外，飞船太阳电池翼的有效面积增加了1.1m2，使电源系统效率提高了25%，同时增加了第5个蓄电池组，以提供额外电力储能能力；推进系统将小推力的定位推力器替换为130N的发动机，让飞船外部的推力器能得以重新布置。将所有发动机成对安装，使系统更具鲁棒性，现在能容许2台推力器同时故障的情况发生；轨道舱加装了碎片防护层，对接机构内加入了备份驱动机构。联盟 MS还采用了新型数字式备份环路控制器（BURK）；飞船姿态控制系统采用了新型速率传感器（BDUS－3A）；新型LED前灯可在对接序列过程中提供照明。

俄罗斯进步 MS－04货运飞船发射失败

截至2017年1月2日，俄罗斯共发射了3艘进步 MS货运飞船至“国际空间站”。不过，莫斯科时间2016年12月1日，联盟－U运载火箭搭载质量7290kg的进步MS－04货运飞船从拜科努尔航天发射场发射升空，计划进入193km×245km、倾角51.66°的轨道，并执行2天的飞行程序，于12月3日对接“国际空间站”星辰号（Zvezda）服务舱。然而，在起飞后383s时，火箭遥测信号突然消失。这是俄罗斯1年半以来首次重大航天事故。初步掌握的资料显示，本次事故会让俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）损失超过40亿卢布（约合6300万美元）。

俄罗斯航天国家集团已经成立了调查委员会，着手调查联盟－U火箭通信异常的原因。初步分析显示，火箭直至火箭飞行383s遥测数据消失前，没有发现任何问题。

2017年1月11日，俄罗斯航天国家集团宣布了进步 MS-04货运飞船发射失败的可能性。这次事故是由于联盟-U火箭第三级未能按计划分离导致的。

测试中的日本第6个“H-2转移飞行器”

日本发射一艘“H-2转移飞行器”

2016年12月9日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）使用三菱重工（MHI）的H－2B火箭在日本种子岛航天中心成功将第6部“H-2转移飞行器”（HTV－6）送入预定轨道。除了向“国际空间站”运送饮用水、食物、日用品等补给物资外，它还搭载了7颗由大学及民间企业开发的超小型卫星、日本生产的锂离子电池组成的作为空间站电源的新型电池等总计约5.9t的物质。飞船于12月13日与“国际空间站”交会，站上日本航天员操作机械臂夹持飞船完成停靠、对接。由于欧洲“自动转移飞行器”（ATV）已于2016年年初退役，目前负责给“国际空间站”运送物资的国家仅剩美国、俄罗斯和日本，而“H-2转移飞行器”已成为目前运载能力最大的空间站货运飞船。

猎鹰－9v1.1火箭第一级在海上平台回收试验成功

3 稳步推进商业载人航天的发展

美国对商业公司的培育推动发射服务业和航天器制造业的进一步发展，形成了载人航天服务市场，有助于航天产业化和国家经济发展。近年来，NASA推行商业航天的意志愈加坚决，涉及领域从近地空间拓展到深空。2016年，美国继续加大力度，推动商业载人航天的发展。

“龙”飞船复飞，充气验证舱段成功展开，

火箭第一级海面平台回收试验成功

美国东部时间2016年4月8日，猎鹰－9v1.1（Falcon－9v1.1）火箭成功将太空探索技术公司的“龙”货运飞船送入轨道，执行该公司第8次“商业补给服务”任务。这是继2015年6月第7次任务发射失败后，该公司发射的首次“国际空间站”货运补给任务。随“龙”飞船进入太空的还有存放在货舱中的“毕格罗充气式试验舱”，抵站后完成了在轨充气部署，进行居住技术验证试验。与此同时，火箭第一级在与第二级分离之后，受控返回位于海上的移动回收平台，并首次成功实施垂直软着陆。

此次任务中，“龙”飞船携带的最大有效载荷是毕格罗航天公司建造的“毕格罗充气式试验舱”，质量约1413kg。该试验舱充气后直径增加到3.23m，内部空间可达16m3。舱体装备有发电量1000W的太阳电池板，用于轨道和位置确定的GPS系统，用于姿态确定的磁强计和太阳敏感器，以及用于姿态控制的磁转矩仪。舱内采用被动热控方式，将平均温度保持在26℃。在接下来的2年测试期内，空间站乘员和地面工程师将收集该试验舱的性能数据，包括结构完整性和漏气率。试验舱内嵌入的各种仪器也将提供重要数据，包括相较于传统铝制舱段的辐射和温度变化等。航天员定期（每年4次，每次几个小时）进入舱内收集数据并进行检测。测试期结束后，该舱段将与空间站脱离，再入大气层烧毁。

“天鹅座”飞船成功执行2次正式合同任务

2016年3月23日，美国轨道-ATK公司的“天鹅座”飞船在卡纳维拉尔角空军基地发射升空，这是“天鹅座”飞船第5次为“国际空间站”运送货物。飞船带有3.5t货物，包括航天员补给物资和一些实验设备，其中还有一个升级版3D打印机。经过约3天的飞行，飞船于3月26日抵达“国际空间站”，2个月后，飞船携带近1.5t垃圾返回地球。与以往任务不同的是，本次飞船脱离空间站后，地面控制人员遥控在飞船上进行了“飞船火焰实验”，该实验有助于了解微重力环境对火情扩散蔓延的影响，以便研制更好的防火材料和技术。2016年10月17日，“天鹅座”飞船第6次为“国际空间站”执行货物运输任务，其运载火箭是继2014年上一次发射升空数秒后爆炸事故以来首次执行任务的“安塔瑞斯”（Antares）火箭。

私营公司获得商业合同

蓝色起源公司发射的“新谢泼德”亚轨道飞行器

“多用途乘员飞行器”在轨飞行示意图

2016年1月，NASA宣布第二轮“商业补给服务”竞争的获胜者，太空探索技术公司、轨道-ATK公司和内华达山脉公司均获合同，将从2019年起分别用“龙”飞船、“天鹅座”飞船和“追梦者”太空飞机为“国际空间站”提供货物补给。根据各家公司选用的航天器/运载火箭组合，初期的第二轮“商业补给服务”任务将向“国际空间站”运送22500～26500kg补给品和设备。之后，NASA可能会视空间站运行情况追加2021－2024年的补给任务。其中“追梦者”太空飞机首次飞行计划于2019年进行，将由宇宙神－5（Atlas）火箭发射。

继太空探索技术公司和轨道-ATK公司在第一轮“商业补给服务”取得成功之后，NASA就已正式开始第二轮合同授予的程序。原计划2015年初宣布合同授予结果，后一再推迟到2016年初。此外，NASA又相继增加了太空探索技术公司和轨道-ATK公司在第一轮“商业补给服务”阶段的任务次数，确保第二轮任务开始之前的货物补给工作。

虽然NASA未将内华达山脉公司列入其商业乘员项目的合作伙伴，但一直向内华达山脉公司的“追梦者”太空飞机试验项目给予投资，并将其列为“可合作的”空间运输合作伙伴。2016年7月11日，内华达山脉公司宣布完成“国际空间站”第二轮“商业补给服务”合同项目下的首个里程碑事件—NASA批准了“追梦者”太空飞机的设计、开发、测试和评价综合计划。

2016年6月19日，美国蓝色起源公司（Blue Origin）再次发射“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道飞行器，其推进模块连续第4次实现了动力控制下的地面着陆，同时飞行器的乘员舱也试验了其降落伞系统。NASA于2016年6月2日宣布授予蓝色起源公司一份亚轨道研究飞行任务合同。

4 积极推进新型载人航天器系统发展

持续推进“猎户座”的“多用途乘员飞行器”（MPCV）

2016年3月，NASA决定将“小行星重定向任务”（ARM）的发射日期推迟1年至2021年底。在NASA咨询委员会的载人探索与运行委员会的会议上，该任务项目主管米歇尔·盖茨称，“小行星重定向任务”推迟旨在开展航天器平台的先期设计研究工作。NASA副局长威廉·格斯登梅尔表示，推迟发射与项目技术无关，而是资金出现困难。综合考虑一些意外因素，“猎户座”飞船执行载人任务的发射时间将推迟到2026年12月。尽管“猎户座”在一个关键节点上出现了延迟，但2016年度飞船的研制工作仍持续推进。据肯尼迪航天中心2016年8月《航天港》报道，NASA技术人员与承包商从7月开始在尼尔·阿姆斯特朗操作与检测厂房的高跨区内进行了“猎户座”飞船热防护系统（TPS）防热瓦的黏合。

俄罗斯持续推进新载人飞船联邦号的研制工作

2016年1月15日，俄罗斯公布了其正在研制的新一代载人飞船的名字∶联邦号。该飞船放弃了目前“联盟”飞船的三舱段结构设计，采用全新的两舱段设计，整体设计外观与美国正在研制的“猎户座”飞船相似。飞船计划由正在研制的安加拉－A5（Angara－A5）运载火箭发射，将取代目前的“联盟”飞船执行近地轨道任务，未来还可用于执行载人登月任务。

联邦号飞船较“联盟”飞船进行了大量的改进，其内部空间是“联盟”飞船的2倍大，可搭乘4名航天员和500kg货物。返回着陆前，飞船将伸出4个装有减震器的支架，使飞船不会有强烈的撞击感。俄罗斯能源火箭航天集团（RSC Energia）总经理罗伯塔于2016年10月11日披露了联邦号飞船的技术细节，特别是研制的新飞船将采用降落伞和喷气式着陆系统相结合的方式，从而使着陆精度提升至5km以内。

5 载人航天政策、规划和评估

美国

2016年2月，美国白宫发布了2017财年预算申请，NASA为190.25亿美元，较2016财年批准的192.85亿美元减少了2.6亿美元。美国希望通过为NASA提供的190亿美元预算，推进国家级空间探索计划，并确保美国在未来几年内处于空间探索、航空研究和科学发现的世界领先地位。在NASA 2017财年预算申请中，“探索”和“空间运行”预算项分别为33.37亿美元和50.76亿美元，这两部分同属NASA载人探索与运行任务部，合计84.13亿美元，占总数的44.2%。

该预算案称，载人探索与运行部分资金将继续美国商业乘员运输系统的研制，确保在2017年底之前完成验证，彻底结束对俄罗斯载人飞船的依赖；继续研制“航天发射系统”系列火箭和“猎户座”载人飞船，用于今后的深空载人任务；推进先进探索系统研制，通过公司合作伙伴关系发展基础技术；继续为用户提供任务关键性空间通信和导航服务，包括载人、商业载人科学任务和货运任务。

此外，NASA瞄准未来太阳系及以远探测任务，在“小企业技术转移”（STTR）项目第二阶段中，从美国41家企业和研究机构中筛选了21项研究和技术提议，签署了总价值约1.58亿美元的合同。这些技术大致可分为6个领域∶①自主通信系统；②航天服气体探测技术发展；③太空气象预测；④行星物质组成分析与测绘技术；⑤智能和自适应空间机器人相关的信息技术；⑥先进推进系统地面试验与发射技术。NASA的“小企业技术转移”项目利用高度竞争、三阶段奖励的形式，为符合资质的小企业和研究机构提供合作机会，解决NASA的特定技术差距。

俄罗斯

2016年3月23日，俄罗斯政府正式出台第230号决议《2016－2025年联邦航天规划》。该规划指出，未来10年将为联邦航天活动划拨14000亿卢布（约合216.6亿美元），2022年后或再补充划拨1150亿卢布（约合17.79亿美元）。该规划共包括7部分内容∶10年规划的总体目标、实施阶段、主要任务、各领域发展目标、主要领域的先进工艺、规划实施的主要原则以及优先发展方向。

该规划明确提出，未来俄罗斯航天将发展3个优先方向∶一是发展通信和对地观测卫星系统及相应的运载火箭，到2025年保证在轨运行的民商及科学卫星从49颗增至73颗，保证新型“联盟”和“安加拉”火箭逐步投入使用，并开展超重型运载火箭的研制；二是建造满足科研需求的航天设施，继续开展“火星生物学”（ExoMars）联合火星探测项目，以及机器人月球探测活动；三是实施载人飞行，支持“国际空间站”运行至2024年，继续研制新型载人飞船，继续建设东方航天发射场。此外，结合当前俄罗斯实际情况，将可重复使用火箭研制推迟至2025年以后。

该规划指出，俄罗斯将利用“安加拉”火箭执行新一代载人飞船的飞行试验任务；2023年起，将使用东方航天发射场执行“国际空间站”货物和人员发射任务；发射5个月球探测器，开展月球考察等基础空间研究；月球计划第二阶段将于2021年开始，2021年进行新一代载人飞船的无人飞行试验，2023年飞船将首次飞往“国际空间站”。该规划还指出，将为2025-2030年载人登月做足准备，完成充分必要的技术储备。

欧洲和日本

2016年10月26日，欧盟委员会发布了其新版《欧洲航天战略》，旨在提升欧洲航天在全球的领先地位，在国际航天市场占有更高份额，紧密把握发展时机，加快航天发展。该战略将于2017年正式实施。该战略提出，首先将继续维护“国际空间站”至2024年；其次，增加预算，将欧洲航天局（ESA）的现有航天探测项目整合到一个项目中，并加强欧洲在机器人领域和载人探测方面的能力。先在2017－2019年进行过渡，到2020年将开展以下主要项目∶

1）完成“国际空间站”欧洲负责的部分，并有效利用科学和技术发展进行成果转化；

2）完成NASA“猎户座”飞船的“欧洲服务舱”（ESM）的第一个任务；

3）履行与NASA签订的贸易协议直到2020年，这是欧洲技术首次嵌入到NASA的载人空间探测项目中；

4）完成“欧洲服务舱”的第二个飞行模块的制造，满足“国际空间站”一般系统运行成本，并保证到2021－2024年可以满足航天员任务；

5）完成火星计划的跟踪气体轨道器，探测火星大气；

6）完成火星2020年任务的研发，包括其先进的漫游车，对火星进行首次表面探测；

7）从“国际空间站”、非“国际空间站”空间平台和空间类似环境中获得研究结果，推动欧洲的空间科学研究，以便支持其经济发展，并为未来空间探测做准备。此外，在空间探测领域首次进行欧洲商业化合作。

经过日本宇宙政策委员会多次审议后，航天战略本部于2016年3月末公布了其对2015年《航天基本计划》的修订版。修订版较前一版本主要变动为“情报采集卫星”（IGS）系统、空间科学探测中的“遴选性小型计划”和用于“国际空间站”物资补给的“H-2转移飞行器”。

文部科学省在2015年提出了降低载人探索成本，设计新型“H-2转移飞行器”的设想，并将新型飞船暂定名为H-2转移飞行器-X（HTV-X）。目前的“H-2转移飞行器”有6t货物运送能力，H-2转移飞行器-X将在保持现有运送能力的基础上大幅减轻飞船的质量，将制造费用从目前的200亿日元减少至100亿日元左右。此次修订版中计划于2020年发射首艘H-2转移飞行器-X，至2024年共发射5艘。

6 结语

2016年是全球载人航天发展55周年，载人航天发展稳中有变。主要航天大国仍将载人航天作为国家重要战略而持续投入，近地轨道载人航天技术发展成熟，各国围绕“国际空间站”开展全面应用，面向近地轨道以远的月球、小行星、火星等目标探索的相关先进技术、系统研发持续推进。美国以保持和巩固全球领导地位为目标，以能力提升为基础，以技术创新为手段，积极探索商业化运营模式，将初步成熟的近地轨道载人航天活动推向市场，积极调动商业力量服务载人航天发展；俄罗斯为巩固载人航天的优势地位，明确载人航天长远发展思路和重点，包括继续运营空间站、研制新一代载人飞船、实施载人登月项目，并提出国际月球轨道站构想；欧洲和日本通过国际合作开展载人航天活动。