2019年国外载人航天发展综述

廖小刚，王岩松

1 引言

2019年是人类首次载人登月50周年。人类的足迹再次踏上月球一直都是载人航天的主要目标之一。美国政府宣布要提前在2024年实现载人重返月球，“航天发射系统”、“猎户座”飞船、“门户”与载人月球着陆系统等稳步推进；俄罗斯加紧制定月球开发计划，并积极推动“叶尼塞”重型火箭研制；日本、欧洲等国家和地区积极参与美国的“门户”建设，希望借此实现登月梦想。美国商业载人运输能力发展遭遇挫折，未能实现首次商业载人航天飞行。作为未来载人深空探索与地球科学技术的试验场，国际空间站发挥的作用更加明显，新的亮点与创新不断出现。

2 战略与规划

2019年，美国、俄罗斯继续推进载人登月研究，引领国际载人航天发展；日本、加拿大与欧洲在推进自身载人航天建设的同时，积极参与国际合作；印度、土耳其、埃及等新兴载人航天国家则以实现载人航天飞行为目标发展相关能力。

美国在2018年确定2028年载人重返月球目标的基础上[1]，2019年又明确提出提前四年在2024年实现载人登月。美国副总统彭斯3月发表演讲强调美国将在5年内，即2024年之前将把美国首位女航天员送上月球[2]，并在月球表面建立永久性基地。随后，NASA发布《飞向月球：NASA月球探索战略计划》[3]，将载人登月任务代号命名为“阿尔忒弥斯”，明确2024年前尽快实现载人登月、2028年后再进行月球基地建设与开发的两阶段实施方案。为此，NASA在2020财年预算的基础上追加16亿美元的研制经费[4]，专门用于相关系统与技术的研发。此外，NASA于10月发布新版《2020年 NASA技术分类》[5]，对2015年版《NASA技术路线图》进行修订，推进未来技术的研发，以支持包括载人登月在内的各种探索目标。虽然美国载人登月未尝没有政治考量的因素，但通过登月美国可继续引领国际载人航天的发展，提升美国商业航天工业的能力与水平，提高美国经济的竞争力，并为美国未来载人登陆火星提供强大的技术储备。

俄罗斯也十分重视载人航天及载人登月的发展。俄总统普京4月12日在纪念加加林首飞太空58周年暨俄罗斯航天日晚会上致辞[6]，强调未来将继续发展下一代载人飞船和重型运载火箭，扩大深空探测及太空飞行计划，保持俄罗斯在太空领域的领先地位。俄罗斯国家航天集团公司向政府提交《关于探测月球、金星和火星》的可行性研究报告[7]，计划2030年左右实现载人登月并开始月球基地建设，2035年后全面完善月球基地，建成人类居住地，并在月球上开采资源，建立天体观测站。与此同时，俄罗斯还继续进行机构重组，以提高生产效率与国际竞争力。俄国家航天集团公司将把其下属公司整合形成发动机制造集团、火箭制造集团及仪器和卫星制造集团等三大集团[8]，并于2月公布建立国家航天中心的初步计划方案[9]，计划用3年半的时间建成集工程、工业和科学于一体的综合科技中心。俄罗斯希望通过这些举措确保航天领域的活动顺利开展，并完成航天科技的研究和人才培养等基础工作。

欧洲航天局11月召开航天峰会[10]，载人航天被确定为其四大支柱产业之一，将继续支持国际空间站运行，积极参与美国“门户”月球空间站项目，加速实施“月球村”构想；加拿大、日本、澳大利亚纷纷表态将为美国的“门户”空间站提供本国的模块或构件[11-13]，并希望通过合作实现本国航天员的登月；印度在加紧准备首次载人航天飞行的同时，计划建设小型空间站并开展空间研究[14]；阿联酋在实现首名阿联酋航天员进入太空后，又在积极准备派遣第二名阿联酋航天员进入太空[15]；土耳其、沙特阿拉伯、埃及都希望仿效阿联酋，通过与俄罗斯的合作将本国首名航天员送入太空[16]。

3 主要载人航天系统

3.1 重型运载火箭稳步发展

重型运载火箭是实现载人登月与开发的前提与基础，因此美、俄、日都在积极发展重型运载火箭。

尽管“航天发射系统”(Space Launch System，SLS)进度多次滞后，美国国内也有改用其他火箭执行载人登月任务的呼声，但NASA仍高度重视SLS的发展，坚持将SLS作为执行登月任务的唯一火箭，已向波音公司提供初步经费[17]，启动第三枚SLS火箭的生产，同时还将采购最多10枚SLS火箭，以确保该火箭未来的核心发展地位。SLS在2019年进展显著，先后完成首飞火箭芯级的研制、总装、地面测试及软件测试[18]，为首飞做好各项准备。芯级研制的多次滞后一直是SLS火箭首飞一再推迟的主要原因之一，此次芯级的顺利总装将为2021年首飞执行“阿尔忒弥斯-1”任务奠定基础。

俄罗斯则继续推进新型重型运载火箭的研制。俄罗斯国家航天集团公司1月将新型重型运载火箭正式命名为“叶尼塞”[19]，10月完成“叶尼塞”重型火箭的初始设计评审[20]，该型火箭预计2028年首飞，为俄罗斯的2030年载人登月提供支持。俄罗斯还在研制运载能力更强的“顿河”重型运载火箭[21]，用以帮助俄罗斯未来的月球基地建设。

为了支持未来的美国登月任务，日本三菱重工10月宣布将研制“H-3重型”火箭[22]，将采用类似“猎鹰重型”的方式直接捆绑三个一级助推器而成，可将HTV-X飞船或是月球着陆器直接发射至“门户”月球空间站，预计2030年前完成首飞。

3.2 新一代飞船进展顺利

美俄的“猎户座”飞船和雄鹰号飞船2019年都有显著进展。在欧洲服务舱2018年底运抵美国之后，用于“阿尔忒弥斯-1”任务的“猎户座”飞船在完成总装后，先后实施发射中止系统飞行试验、推进系统试验、爆震冲击试验以及热真空测试[23]，所有测试完成后将运回肯尼迪航天中心与SLS进行集成，为首次“阿尔忒弥斯”任务做好准备。此外，NASA于9月授予合同[24]，将继续订购最多12艘“猎户座”飞船，确保“猎户座”飞船在未来10年的稳定生产。

俄罗斯国家航天集团公司9月将俄下一代载人飞船——“联邦号”将改名为“雄鹰号”[25]，并明确该飞船将于2023年首飞，2025年执行国际空间站载人任务的详细计划。雄鹰号未来将由“叶尼塞”重型火箭搭载执行载人登月等深空任务。俄罗斯还在1月启动改进型“联盟”和“进步”飞船的研制[26]，用于未来的月球轨道载人和货物运输。

3.3 航天员系统建设不断推进

在结束一年期双胞胎对比试验之后，NASA 2019年在《科学》杂志上发表文章公布初步研究结果[27]。该对比试验对一名在国际空间站执行一年期任务的航天员进行了飞行前、中、后监测，并以他的同卵双胞胎兄弟作为遗传匹配的地面对照，通过纵向评估可以识别出一些太空飞行特定变化，以了解长期太空飞行对航天员健康的影响，为未来的长期载人深空探索任务准备提供了强有力依据。

由于俄罗斯目前航天员只能确保2024年前国际空间站载人任务，为实现未来的载人登月任务，俄罗斯6月启动新一批航天员的选拔工作[28]，将选出4~6名新航天员，并希望选拔出女航天员。

美国的新型xEMU登月航天服及“猎户座”舱内航天服[29]与俄罗斯的“猎鹰-M”新型舱外航天服[30]都首次向公众展示，将为未来的载人探索活动及载人登月提供更强的生存能力、更灵活的操作与更舒适的穿着。

3.4 美俄航天发射场加紧建设

为了更好地保障“阿尔忒弥斯”登月计划及后续的火星探索任务，NASA于6月启动肯尼迪航天中心探索地面系统的第二活动发射平台(ML-2)的设计与建造工作[31]，ML-2主要用于为SLS 1B型火箭和“猎户座”飞船的组装提供电力、通信、冷却、燃料等服务，为载人登月提供直接辅助。同时，ML-1于6月完成最后一次行驶测试[32]，等待与SLS火箭进行集成以执行首次试飞任务。

俄罗斯于8月启动东方航天发射场的第二阶段建造工作[33]，主要将建设“安加拉”系列运载火箭的发射台，以实现2023年“安加拉”火箭的发射。未来东方发射场还将建设重型运载火箭发射台，用于发射执行探月与探火任务的重型运载火箭。

4 国际空间站

2019年是航天员进驻国际空间站20周年，截至2019年11月，共有239名航天员到访国际空间站[34]，开展了数千项科学实验，在经济、科学、教育等领域取得了诸多成果。根据NASA公布的“国际空间站造福人类(第三版)”报告[35]，由于具备独有的微重力环境和国际性与多学科的性质，国际空间站先后取得工程建设、国际合作、科学研究与经济发展四大成就，在科学、技术、教育、太空经济发展、创新技术等领域获得显著成效，极大地提高了人类的科学知识水平，改善人类的健康状况，促进了先进技术的发展。

4.1 新的突破与创新不断出现

2019年，各国共向国际空间站发射13艘飞船，其中4次载人飞船任务(3次载人任务、1次机器人任务)，9次货运任务(6次美国+3次俄罗斯)，运送9名航天员进驻国际空间站，先后开展了数百项科学实验任务，取得多项重大进展。

NASA于2月在国际空间站成功安装世界首台兼具聚合物材料回收功能的空间3D打印机器人“再制造设施”[36]，未来可形成天基按需制造物件，更换零部件、工具以及医疗器械的能力，将降低未来空间探索的成本和风险，实现空间可持续制造。8月，俄罗斯首次发射“费多尔”机器航天员[37]，在国际空间站完成数十项试验任务，俄罗斯将利用此次试验成果规划未来机器航天员发展，以帮助开展载人深空探索。10月，国际空间站上的两名女性航天员克里斯蒂娜·科赫和杰西卡·梅尔完成出舱任务[38]，这是人类进行舱外活动54年来首次由全女性航天员完成的出舱活动。11月，欧洲航天局完成ANALOG-1的试验[39]，空间站上的航天员直接操作位于地面上(类似月球地形)的探测器进行地面采样任务，将为未来的月球探索验证可行性技术。

俄罗斯“联盟”2-1a型运载火箭7月发射进步MS-12货运飞船[40]，飞船再次采用超快速对接模式，起飞后约3小时19分成功对接国际空间站，再次刷新对接最快纪录。俄罗斯还希望该模式能用于今后的载人飞行，以减轻航天员和地面控制人员的工作负荷。俄罗斯联盟FG运载火箭9月执行最后一次载人运输任务[41]，将联盟MS-15载人飞船送上国际空间站。联盟FG火箭退役后，联盟2-1a火箭将于2020年承担首次载人发射任务[42]，将联盟MS-16飞船送入太空。

4.2 未来发展模式将更加多元

考虑到目前的技术状况，国际空间站可至少再运行10年，因此尽管目前还未达成正式协议，国际空间站延寿到2028年几乎可以确定，美参议院在NASA的2020财年预算草案中明确提出将国际空间站延寿至2030年[43]。对于国际空间站未来的发展模式，各方都有自己的考虑。美俄积极推进国际空间站的商业化运营，NASA于6月发布《国际空间站商业规划》[44]，该规划是NASA逐步从国际空间站向商业空间站过渡的远期构想一部分，旨在扩大国际空间站的商业利用，让NASA腾出资源来实施载人登月等深空任务。俄罗斯则强调，未来国际空间站应允许私人公司参与运营，以减少国家投入；2月还同美国太空旅游公司签署合同[45]，计划2021年将太空游客送往国际空间站。欧洲航天局认为[46]，国际空间站即使结束运营，也应当创建新的国际空间站对近地轨道继续进行探索和应用。

5 商业载人航天

美国商业载人运输能力2019年发展受挫，SpaceX公司的载人型“龙”飞船和波音公司的“星际客船”均未能实现年内载人航天飞行；SpaceX公司的“猎鹰重型”运载火箭执行商业发射任务，技术进一步成熟；“超重-星船”等火箭快速发展，将为未来深空探索提供动力。

5.1 商业载人运输能力发展受挫

由于遭遇发动机事故等问题，SpaceX公司的载人型“龙”飞船和波音公司的“星际客船”都没有在2019年内实现载人轨道运输。SpaceX公司3月实现载人型“龙”飞船的首飞[47]，这是自2011年航天飞机退役以来，美国第一次使用自主研制的载人火箭和载人飞船从本土进行发射。但随后载人“龙”飞船4月在进行逃逸系统的测试时发生爆炸事故[48]，导致整体进度严重推迟，首次载人飞行从7月推迟到2020年[49]。而“星际客船”逃逸发动机系统在2018年6月的试验中出现故障，导致“星际客船”的进度也一再延迟，从最初的2019年8月首次不载人试飞推迟到12月[50]，首次载人飞行也被推迟到2020年。此外，原定2019年实现亚轨道太空旅行的“新谢帕德”飞船也因为要确保人员安全等原因被推迟到2020年进行[51]。

5.2 新型商业运载系统进展顺利

SpaceX公司的“猎鹰重型”火箭在2018年实现首飞之后[52]，2019年3月和6月分别完成首次商业发射和空军试验计划的发射，并首次实现了对一瓣整流罩的张网捕获[53]，再次证明该型火箭的有效性与可靠性。除了“猎鹰重型”外，SpaceX公司还在积极推进下一代“超重-星船”星际运输系统的研制，9月公布系统的最新设计[54]。该运载系统将取代其现役的“猎鹰”9和“重型猎鹰”火箭以及“龙”货运和载人飞船，将150吨的货物或多达100人送上月球、火星和其它目的地，将为未来的深空探索提供强大技术基础。

蓝源公司的“新格伦”火箭与统一发射联盟的“火神”火箭继续稳步发展，“新格伦”火箭BE-4发动机的生产工厂开始建造[55]，2020年开始将为“新格伦”火箭与“火神”火箭每年提供数十台BE-4发动机。统一发射联盟开始将“宇宙神”、“德尔它”火箭的生产设施向生产“火神”火箭转移[56]，以实现2021年首飞的目标。内华达山脉公司的“追梦者”飞船通过NASA的关键技术评估后，已经完成首艘飞船主体结构的组装[57]，将于2021年执行首次国际空间站货运补给任务。未来该公司还将推出载人版“追梦者”飞船，跻身商业载人航天市场。

6 深空探索

随着美国“阿尔忒弥斯”计划的加速实施，“门户”空间站各模块加速建设，其他国家也更加关注月球探测，而以火星、小行星等为目标的无人深空探测的热度持续升温。

6.1 “门户”月球空间站与载人月球着陆系统进展顺利

由于“门户”和载人月球着陆系统在“阿尔忒弥斯”计划中将充当重要的角色，因此在美国政府明确2024年登月的目标之后，NASA迅速调整建设方案，充分利用美国的商业航天能力，加速推进各个模块的建设。为尽快实现载人登月，NASA只要求建设一座“最简版”的“门户”空间站[58]，只包括推进舱和“迷你居住舱”2个舱段；这2个舱段加上SLS火箭和“猎户座”飞船以及月球着陆器，将能帮助实现2024年载人登月。5月，NASA选定由麦克萨技术公司研制其月球“门户”的电力与推进组件[59]，为“门户”提供电力与推力；7月，选定诺斯罗普·格鲁曼公司为“门户”建造居住舱[60]，将以“天鹅座”货运飞船为基础进行改进。此外，NASA于8月正式发布了“门户”货运补给服务招标文件[61]，计划采取国际空间站商业货运补给计划的模式采购“门户”的货物补给服务，合同总额将高达70亿美元。

9月，NASA发布载人登月着陆器的招标文件[62]，该登陆器由转移级、下降级和上升级组成，转移级将运送航天员从“门户”到近月轨道，下降级将携带航天员着陆月球表面，上升级将携带航天员返回“门户”。NASA将选出两家公司，分别承担2024年和2025年载人登月着陆器系统的研制。

6.2 无人深空探测热度不减

除月球外，各航天机构还针对火星、水星、木星等太阳系行星实施或启动无人探索项目。

NASA已经选定12个月球科学与技术载荷[63]，对月球及月面开展研究，为载人重返月球提供支持。印度7月发射“月船”2号任务[64]，尽管“维克拉姆”着陆器月面软着陆失败，但轨道器仍可正常使用，继续绕月飞行执行观测任务，可帮助印度继续未来的深空探测活动。

日本“隼鸟”2号小行星探测器在“龙宫”小行星表面实施首次采样任务[65]，并进行撞击试验，在撞击坑中采集“新鲜”样品，用于太阳系演化和生命起源的研究。NASA选定“蜻蜓”任务[66]对土卫六表面几十个不同的地点进行探测，采集样品探寻土卫六环境的可居住性，并搜寻过去或现存生命的化学证据。对于火星探测，NASA“机遇”号巡视器在完成近15年的工作后于2月正式关闭[67]，“机遇”号是美国NASA第二代火星巡视探测器，是在火星表面运行时间最长、行驶距离最远的探测器，在探索过程中发现了火星上曾存在地表水和大量水资源的证据，为科学家了解火星的地质形成过程提供了巨大帮助。NASA还将于2020年再发射“火星2020”火星探测器继续探索火星[68]，为未来的载人登陆火星做好准备。

7 结语

2019年，“阿尔忒弥斯”任务极大地促进了美国乃至世界的载人登月步伐，SLS火箭、“猎户座”飞船、“门户”、载人月球着陆系统、“叶尼塞”重型火箭的研制稳步推进；国际空间站发挥的科学试验与研究作用更加明显，新的创新层出不穷；载人“龙”飞船和“星际客船”虽然完成未载人首飞试验，但未能实现载人首飞任务；下一代“超重-星船”运载系统开始验证飞行，将为未来的深空探索提供更多的可能。展望2020年，美国的载人“龙”飞船和“星际客船”将完成首次商业载人飞行，美国从此将再次拥有本土运输航天员进入空间的能力；俄罗斯将完成“叶尼塞”重型火箭的详细设计评审并向国际空间站发射“科学”多功能舱；功能更加强大的“火星2020”探测器将登陆火星，实现更大范围的火星探测。世界载人航天将呈现出快速发展的局面。