2020年国外航天发展重要进展

文|方勇

军事科学院军事科学信息研究中心

2020年，主要航天国家加紧太空力量建设，太空实战化进程加速；美国加快推进下一代太空体系架构发展，引领未来太空体系变革；商业载人航天取得重大进展，将深刻影响未来航天发展格局；航天前沿技术不断取得新突破，推动航天领域创新发展。

一、战略规划与航天力量建设

1.美国密集发布航天战略规划

2020年以来，美国密集发布航天建设战略规划，推动航天力量建设。

4月，美国国家航空航天局（NASA）发布《月球持续探索与开发规划》，指出美国将于2023年抵达近月空间，于2024年再次实现载人登月，随后将在月球南极建设“阿尔忒弥斯”（Artemis）营地，开展长期经济与科技活动，并支持21世纪30年代的首次载人登火。

6月，美国防部发布《国防太空战略》，提出了“维持太空优势、为国家和联合作战提供太空支持、确保太空稳定”三大目标，将“建立全面太空军事优势、整合联合作战体系、塑造战略环境、加强与盟友及其他政府机构合作”作为美国未来军事太空力量建设的四大优先事项。

8月，太空军首次发布军种顶层条令《太空力量》，指导太空力量建设发展。《太空力量》明确提出美国太空军作为国家太空力量和军事太空力量的三大核心职责：维护在太空、自太空和向太空的行动自由，提高联合部队的杀伤力和作战效能，为国家领导层提供独立的作战选项。五大核心能力：太空安全、作战力量投送、太空机动与后勤、信息机动、太空域感知。七类学科：轨道战、太空电磁战、太空作战管理、太空进出与维持、军事情报、网络战、工程/采办。

9月，美国白宫发布《五号太空政策令：太空系统网络安全原则》，旨在指导美政府机构和商业企业，合作构建太空系统网络安全规范。政策令提出，适用地面系统的网络安全原则和做法也适用于太空系统。为强化太空系统网络安全，美国将采取以下措施：一是防止与关键航天器功能相关的未经授权的访问；二是旨在减少航天器指挥、控制与遥测接收器系统漏洞的物理保护措施；三是防止通信干扰和欺骗；四是采用审慎的网络安全最佳做法来保护地面系统、运行技术与信息处理系统；五是采取适当的网络安全“净网”做法，确保自动化信息系统的物理安全；六是通过跟踪制造的产品，管理影响太空系统网络安全的供应链风险。

11月，太空军发布《太空作战部长规划指南》，提出未来十年太空军建设的五大优先事项：一是建立精简敏捷的部队，减少官僚主义；二是培养新型联合作战人员，利用虚拟现实等新技术训练提高作战和决策能力；三是发展辅助太空作战的新能力，根据太空作战分析设计部队结构，提高采办效率，增强民用和商业太空力量竞争优势；四是扩大与其他军种、情报界、工业界、学术界及盟国的合作；五是发展数字化太空军以加速创新，开发数字化采办系统，应用机器学习等技术辅助决策，推动太空军数字化作战。

12月，特朗普政府发布新版《国家航天政策》，修订了2010年奥巴马执政期间颁布的《国家航天政策》。新版政策重申了美国在空间领域的领导地位和作为世界上最重要的航天国家的地位，认为空间是国家的当务之急。美国将鼓励和促进商业航天部门的持续增长，在促进美国核心利益的同时创造新的市场和促进创业精神。新版《国家航天政策》还指出，美国继续调整其国家安全战略，以保护国家空间利益，新成立的太空军将作为武装部队保护美国在太空的行动自由和进出太空的自由能力。

2.美国加快太空军建设

2020年6月，美国太空军宣布将在总部下设3个直属司令部：太空作战司令部，负责组织、训练与装备向美军各作战司令部派驻的太空部队，以在全球遂行太空军事行动；太空系统司令部，负责研发与部署太空系统；太空训练与战备司令部。

11月3-4日，美国太空军首次主持了施里弗太空战系列演习——“施里弗演习2020”。此次演习主题为战略信息在联盟间相互传递，以帮助提高联盟的太空能力，共同应对中俄的威胁活动。考虑到疫情，演习利用“战地信息利用与收集系统”采取虚拟形式进行，主要对“深入讨论”形成的一系列建议进行演练与验证。演习的成果将帮助新成立的“顶层联盟委员会”，用于制定发展联盟太空能力的路线图。

3.美国与八个盟国签署《阿尔忒弥斯协定》

2000年，美国NASA先后与澳大利亚、加拿大、日本、卢森堡、意大利、阿拉伯联合酋长国、英国和乌克兰8个国家签署《阿尔忒弥斯协定》。2020年5月，NASA首次发布该协议，内容主要包括互操作性、紧急援助、空间物体的登记、科学数据发布、保护遗产、太空资源开发、避免活动的相互冲突、轨道碎片和航天器处置等八条建议，从国际角度为开采太空资源扫清障碍，将打造以美国为首的“阿尔忒弥斯”月球开发联盟，抢占月球资源开发的先机。

4.日本成立首支太空作战中队

5月18日，日本在航空自卫队下成立太空作战中队，初始规模约20人，驻扎东京都府中空军基地，预计2023年扩至100人并具备全面作战能力。该部队主要任务是监控可疑卫星和太空碎片、陨石等，实时进行“太空状况监视”，以保护日本卫星免遭其他国家的反卫星武器以及太空碎片等袭击。

该部队将在日本山口县安装太空监视雷达，并将通过日本防卫省与美军、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）共同构建太空监视体系，逐步建造以高性能雷达与光学望远镜为主的地基太空监测设施，预计在2022～2023年具备太空监测能力。此外，该部队还将与美太空军加强合作，其预备成员已被派往美国科罗拉多空军基地接受美方培训，并准备向新成立的美国联合太空作战中心派遣联络官。

5.日本时隔5年修订太空基本计划

日本内阁府宇宙开发战略本部于6月29日召开会议，对日本太空基本计划进行修订。日本将参与美国主导的月球“门户”（Gateway）空间站建设，为日本航天员争取活动机会；强化卫星运用，并争取在2030年左右实现日本约合111亿美元太空产业规模的倍增等。主要目标有：①确保太空安全。将建设共7颗卫星的“准天顶”卫星系统（QZSS）体系并开发后继卫星；2022年前发射第3颗X波段军用通信卫星；发射第10颗情报收集卫星。②致力于解决灾害、国土强化和全球规模问题。③推动太空科学技术创新。基于现有技术，推进太空科学与探索；通过参与美国“阿尔忒弥斯”计划，为日本航天员争取活动机会，实现载人登月。④实现以太空为推动力的经济增长与创新。将推进卫星数据的应用，建设开放且自由的政府卫星数据库，通过低轨道活动促进经济发展等。⑤强化产业及科技基础支撑日本太空活动。将开发、利用运载火箭，研发低成本太空运输系统，构建战略性卫星开发与验证框架；开发与验证量子密码通信、太空光通信、卫星星座、太赫兹波等有关基础技术。修订案明确表示日本将与同盟国采取合作，强化支持太空活动自主的产业和科技基础，实现“成为自主的太空利用大国”目标。

二、航天新技术发展

1.俄罗斯开始研制首型可重复使用火箭

俄先期研究基金会宣布，将研发俄首款可重复使用运载火箭样机飞翼-SV，计划2023年首飞。俄先期研究基金会计划未来4年，在亚声速验证机上测试火箭自动着陆和亚声速飞行模式，在高超声速验证机上测试高超声速飞行模式。飞翼-SV是可重复使用带翼轻型火箭的一子级，长6m，直径0.8m，样机尺寸为实物的1/3；采用新型“旋风”发动机，飞行速度最高达马赫数6；按照设计构想将实现重复使用。飞翼-SV是先期研究基金会和俄国家航天集团公司的联合项目。

2.美国加快提升太空态势感知能力

3月27日，美国太空军宣布S波段“太空篱笆”地基太空目标监视雷达系统具备初始运行能力，标志美军历时十年研制的新一代地基监视雷达正式投入使用。S波段“太空篱笆”系统目前基本确定由两部雷达和一个运行中心构成。首个雷达站在夸贾林环礁部署，第二个雷达站计划在澳大利亚部署。

4月23日，美国太空军太空与导弹系统中心宣布部署在澳大利亚的太空监视望远镜（SST）组装完毕，该望远镜于3月5日首次用于观测轨道物体的图像。SST旨在实现对高轨小目标的广域搜索、探测和跟踪，可进一步提高美国太空领域的实时感知能力，将用于太空交通管理与太空防御及保护等领域，可满足美国和澳大利亚的更广泛需求，预计2022年投入使用。

3.美国诺格公司开始提供全球首次在轨延寿服务

4月17日，国际通信卫星公司宣布，美国诺格公司的任务扩展飞行器-1（MEV-1）航天器以对接并接管卫星姿态和轨道控制功能的方式，使国际通信卫星公司推进剂耗尽的国际通信卫星-901（Intelsat-901）恢复运行，标志着在轨服务航天器首次实现工程应用。

“任务扩展飞行器”可延长失去姿轨控功能卫星的寿命或将其拖至新的轨道执行新任务，从而节省重新建造和发射卫星的成本。MEV-1设计寿命15年，为Intelsat-901服务5年后，保守估计还能继续服务2颗卫星，使这些卫星继续发挥商业或军事价值。随着更多的“任务扩展飞行器”发射入轨，其服务规模将逐步扩大。“任务扩展飞行器”具有太空攻防潜力，其机动能力强、通用对接性好，战争或冲突期间，可提供下列攻防操作：一是通过机动能力撞击对手航天器使其偏离轨道；二是通过绕飞和巡视己方航天器，并与其他太空态势感知装备配合使用，可在发现威胁时告警；三是利用机动能力携带己方航天器躲避。

4.芬兰冰眼公司在轨验证合成孔径雷达视频生成能力

3月9日，芬兰冰眼公司宣布利用100kg以下的“冰眼”商业合成孔径雷达（SAR）卫星验证了视频生成能力，帧频1帧/2s，每帧分辨率1m。单颗卫星过顶特定区域时，对其成像20s以上，将所得数据处理成多个高分辨率帧。SAR视频数据有助于使分析人员对移动目标进行更深入的技术分析，可视化表达分析结果，更好地支撑决策，也将促进高级图像分析市场继续增长。这是世界首次基于微卫星的天基视频SAR在轨验证，有望推动低成本、天基全球动态目标监视能力发展。

5.美国推进航天下一代太空体系架构发展

5月1日，美国太空发展局（SDA）发布《太空传输层0期工作说明》，正式启动下一代太空体系架构研制工作。传输层是美未来下一代太空体系架构骨干，将为美军全球作战平台提供有保证、韧性、低延迟的数据通信处理能力。传输层由太空段和地面段组成，太空段包括一个由20颗卫星组成的异构卫星星座。传输层20颗卫星将数据从卫星沿高速在轨通道传输至武器系统，属于美国防部“联合全域指挥控制”的太空部分。

美国太空发展局将采取螺旋式开发方法，第0批卫星将作为测试和训练部分，演示验证下一代太空体系架构与其他作战方式的集成。第0批卫星有6个验证目标：一是验证通过光学星间链路网状网络向作战人员传输低延迟数据；二是验证通过传输层将数据从外部的天基传感器向作战人员传输的能力；三是验证有限的战斗管理功能；四是跨网状网络将“一体化广播系统”数据传输至作战人员；五是近乎实时地通过网络存储、中继和传输Link 16数据；六是提供独立于GPS的通用授时参考。预计该批卫星将于2022财年第四季度发射。

6.在轨卫星首次利用人工智能处理地球观测图像

爱尔兰Ubotica技术公司宣布，人工智能技术首次成功应用在一颗在轨卫星上，利用硬件加速型人工智能技术对地球观测图像进行推断。该卫星是欧洲航天局（ESA）人工智能验证立方体卫星Pi-sat-1，于当地时间9月2日由“织女星”运载火箭发射。卫星传回的初始数据显示，人工智能驱动的自动云检测算法已将卫星传感器提供的高光谱地球观测图像正确分为有云遮挡数据和无云遮挡数据。这是在在轨Pi-sat-1卫星上，而非在地面上进行的，证明能够预先对地球观测数据进行过滤，将具有可用信息的图像传输到地面，从而提高带宽利用率，显著降低传输成本。Pi-sat-1演示了“终极边缘”数据处理如何让小型卫星利用极其有限的资源取得更大成果。云检测很容易实现，但真正的目标是通过原始图像产生用户友好、可直接发送给消费者的增值数据。

7.“星链”（Starlink）计划快速部署

11月25日，美国太空探索技术公司（SpaceX）发射第16批“星链”（Starlink）卫星60颗。“星链”计划快速部署，全年高密度发射14批800多颗，卫星星座总量接近1000颗，并已在美国和加拿大开展公测。SpaceX表示，“星链”卫星网络目前能够以低于30ms的延迟提供100Mbit/s的下载速度，与地面基站互联网的速度差不多。“星链”计划将从2021年中开始，面向全球提供高速、低延迟的卫星互联网服务。

三、载人航天与深空探测

1.美国“载人龙”飞船首次执行商业载人航天任务

11月15日，“载人龙”飞船由猎鹰九号火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。发射大约12分钟后，飞船与火箭分离，继续飞向国际空间站。参与这次航天任务的4名航员分别是NASA航天员霍普金斯、格洛韦尔、沃克和日本宇宙航空研究开发机构的航天员野口聪一。此次飞行任务是NASA 认证的首个商业载人航天任务，也是美国联邦航空局商业太空运输办公室许可的首次轨道载人飞行任务，将使美国摆脱依赖俄罗斯载人航天系统长达9年的局面，开启商业载人航天的新纪元。

2.阿联酋、美国发射火星探测器

7月20日，阿联酋的首个火星探测器希望号升空。希望号携带3组研究火星大气层和监测气候变化的设备，自升空以来，已经成功完成了3次轨道修正，飞行了约3亿多千米，目前距离火星还有约1.35亿千米，预计将在2021年2月9日到达火星轨道，随后将环绕火星飞行，主要针对火星大气进行探测。

7月30日，美国发射“火星2020”（Mars 2020）探测器，它由巡航级、下降级、减速器和毅力号（Perseverance）火星车等部件组成，最后只有毅力号火星车降落在火星表面。毅力号上装有23台相机，包括工程相机、避险相机，以及可实现彩色成像、三维成像、微距成像、发射紫外激光等一系列复杂功能的相机。毅力号探测器将进行一次近7个月的火星旅行，并于2021年2月18日在火星“杰泽罗”陨坑内以“空中起重机”方式安全着陆。

3.美国“奥西里斯-雷克斯”探测器执行首次小行星采样

10月20日，美国“奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探测器执行首次小行星表面采样。该探测器采用名为“自然特征跟踪”的新导航技术，引导其精确到达小行星“班努”表面的主采样点“夜莺”撞击坑；然后，探测器上伸出的“接触即分离样品获取机构”（TAGSAM）在撞击坑中停留几秒钟，期间TAGSAM发射加压氮气，将小行星表面细小物质喷起并收集这些物质。

4.NASA研发6大关键技术推动载人火星任务

为在2030年代实现载人火星任务，NASA正在积极研发6大关键技术。①推进技术：目前NASA的主要研究方向是核电推进与核热推进。②充气式隔热罩：充气式隔热罩可有效帮助航天器在进入火星大气层时完成减速，以实现安全着陆。③高科技火星太空服：NASA正在研制的高科技火星太空服采用模块化设计、配备便携式生命保障系统，并加强了对宇宙辐射的防护等。④加压式火星漫游车：备有航天员所需的一切生活用品和实验设备，可维持数周使用。⑤可持续动力系统：NASA已经在地球上测试了核裂变动力技术，并证明了该技术安全、高效、可长时间供能。NASA计划首先在月球上演示并使用核裂变动力系统，然后在火星上演示。⑥激光通信系统：激光通信系统可向地球发送大量的实时信息和数据，包括高清图像、视频等。使用当前的无线电系统，向地球发送火星地图可能需要9年，而使用激光通信则仅需要9周。

5.日本隼鸟二号小行星取样返回

日本隼鸟二号小行星探测器在完成了对“龙宫”小行星采样返回任务后，于2020年12月6日，回收舱在澳大利亚南部着陆，完成回收任务。12月15日，日本宇宙航空研究开发机构宣布，在隼鸟二号送回地球的密封舱内确认了直径数毫米肉眼可见的大量黑色沙粒，样本为探测器在小行星“龙宫”采集，从地球外带回样本的取样返回获得成功。