2021年国外载人航天发展综述

宋国梁（北京空间科技信息研究所）

2021年，国外载人航天领域共开展16次发射任务，其中包括6次载人飞船发射任务、8次货运飞船发射任务、2次空间站舱段发射任务。美国“载人龙”（Crew Dragon）飞船开展3次任务，“货运龙”（Cargo Dragon）飞船开展3次任务，“天鹅座”（Cygnus）飞船开展2次货运任务；俄罗斯“联盟MS”（Soyuz MS）飞船执行3次载人任务，“进步MS”（Progress MS）飞船执行3次货运任务，“进步M—UM”执行1次空间站舱段运送任务，质子—M（Proton—M）运载火箭执行1次空间站舱段发射任务。另外，太空船二号（SpaceShipTwo）、“新谢泼德”（New Shepard）系统在2021年执行亚轨道飞行任务5次。

2021年，载人航天继续快速发展。美国“货运龙”飞船完成重复使用并创下飞船新的复用周转纪录，“载人龙”飞船实现世界首次载人飞船重复使用；NASA为确保在近地空间站不出现能力断档风险，努力将“国际空间站”（ISS）延寿至2030年并促进商业空间站建设；放弃激进的登月时间表，继续推进“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划的实施，扩展新的合作伙伴。俄罗斯成功发射科学号（Nauka）多功能实验舱和停泊号（Prichal）节点舱，完成“国际空间站”俄罗斯舱段扩建，大幅提升其在轨应用能力；继续推进“雄鹰”（Orel）等新一代载人飞船研制工作，目标在2030年前后完成载人登月。除政府载人航天任务外，“星舰”（Starship）系统的研制和试验工作持续推进，商业轨道和亚轨道旅游实现快速发展。

1 围绕“国际空间站”项目持续增强近地轨道载人航天能力

载人飞船和货运飞船相继实现重复使用，近地轨道运输系统效能大幅提升

太空探索技术公司（SpaceX）于2021年4月23日利用猎鹰—9（Falcon—9）运载火箭成功发射“载人龙”飞船，执行第2次“国际空间站”业务化商业乘员运输服务，实现世界首次载人飞船复用，以及首次复用火箭和复用飞船的组合发射。执行本次任务的“载人龙”飞船是执行过演示—2（Demo—2）载人飞行试验任务的奋进号（Endeavour）飞船。SpaceX公司与美国国家航空航天局（NASA）工作人员合作，花费数月对飞船进行翻修，用以执行本次飞行任务。为确保乘员安全，通常情况下“载人龙”飞船的翻修需要对舱内的部分阀门、热防护系统组件、降落伞系统等进行替换。此次翻修过程中，SpaceX公司还对飞船进行了其他重要改进，使飞船具有更宽松的发射和着陆气象条件准则。其中一项是对结构进行加强，使飞船能够在更大风速和浪高情况下返回并溅落，扩大着陆窗口；另一项重要改进是增加逃逸系统推进剂的加注量，提升飞船的发射中止性能，降低发射限制，使飞船在地面风速较强的情况下也可以发射。

SpaceX公司于8月29日首次复用升级的“货运龙”飞船完成第二阶段商业再补给服务（CRS）合同的第3次任务，复用代号为C208的“货运龙”飞船。该飞船曾在2020年12月首次执行“国际空间站”任务，在轨飞行近40天后于2021年1月14日安全从轨道返回地球。C208飞船在不到8个月后再次发射入轨，创下“龙”飞船新的周转时间纪录，凸显了该升级型飞船重复使用性的显著提高。

“载人龙”飞船（左）、“货运龙”飞船（右）（来源：SpaceX）

“国际空间站”俄罗斯舱段完成扩展工作，进一步提升空间站在轨能力

2021年7月21日，质子—M火箭成功将科学号多功能实验舱送入预定轨道。科学号主要由仪器加压舱和球形加压适配器组成，在轨质量20350kg，长13.12m，最大直径4.25m，加压舱体积70m，太阳电池阵面积56m，太阳能翼展24m，供电功率2.5kW。科学号作为“国际空间站”俄罗斯舱段部分最大舱段，包含应用、生保、推进、飞控、热控等多个分系统，相互配合支持其在轨稳定运行。实验舱共设有33个科学实验通用工位，计划在轨开展13类科学实验。

2021年11月24日，停泊号节点舱由进步M飞船送往“国际空间站”。停泊号节点舱为带有6个对接口的加压球形舱段，质量为4650kg，长4.91m，直径3.3m，内部加压空间19m，设计寿命超过30年。在6个对接口中，1个为主动对接口（天顶方向），用于与“国际空间站”科学号对接，另5个为被动对接口，用于支持其他飞船、舱段等对接。

随着科学号多功能实验舱、停泊号节点舱的部署，“国际空间站”俄罗斯舱段的能力大幅提升。在任务能力方面，一是航天员支持能力增强，科学号多功能实验舱为俄罗斯航天员增设了第3个铺位、第2个卫生间，此前由于缺乏工作和居住空间，俄罗斯若有3名航天员同时在轨则需要在美国舱段借宿，2017年俄罗斯将在轨航天员数量从3人减至2人，科学号成功部署后极大改善了航天员在轨生活与工作条件。二是对接能力增强，为了支持“联盟”“进步”飞船对接，满足任务重叠期间的对接需求，“国际空间站”俄罗斯舱段保持有4个对接口可用，停泊号节点舱部署后，俄罗斯标准的对接/停泊口数量增加至8个，能够进一步提升未来任务的灵活性。

各国高度重视保持近地轨道长期载人能力

“国际空间站”经历2次延寿，目前计划持续运营至2024年。美国国会、NASA等均有意支持“国际空间站”延寿，拜登政府也在2021年承诺将“国际空间站”运行延长至2030年。

此外，美俄均已着眼后“国际空间站”时代，开展提前研究和布局，确保近地轨道载人航天能力不出现断档。NASA在2021年3月通过“商业近地轨道目的地”（CLD）项目，于12月2日以航天法案协议方式，向蓝源公司（Blue Origin）、纳米架公司（Nanoracks）、诺格公司（NG）提供了总计4.156亿美元的资金，支持商业空间站的发展，促使商业空间站在2030年接替“国际空间站”运行，实现由美国持续主导、稳健发展的近地轨道商业经济。与此同时，俄罗斯提出在“国际空间站”退役后，构建独立的俄罗斯轨道服务站（ROSS）。俄罗斯新空间站的建设分两个阶段进行，第一阶段将于2025～2030年发射核心舱、科学能源舱、节点舱和气闸舱4个舱段；第二阶段预计在2030～2035年为空间站补充空间有效载荷、实验舱及航天器维护平台，将舱段数量增加到6个，所有舱段容积大约667m。同时，空间站的外部工作点达到48个，除了开展近地轨道载人航天活动外，还能够支持载人月球和深空探测。

2 美俄稳步推进载人月球探测计划

美国载人登月计划延迟，与国际合作伙伴稳步推进各系统进度

2021年11月9日，NASA正式宣布将登月时间推迟到最早2025年。NASA提到了以下几点原因：蓝源公司对该局选择SpaceX作为“载人着陆系统”（HLS）研发团队的诉讼；国会没有为载人着陆系统拨出足够的资金；新航天服无法在2024年登月前完成研发。11月13日，NASA总监察长办公室公布审计报告，认为2025年的登月目标是不现实的，要想把航天员送上月球，必须解决包括航天服和着陆系统研制进度、资金短缺以及疫情考验等问题，预计要到2028年才能完成登月。

《阿尔忒弥斯协定》成员（来源：NASA）

美国继续推进“航天发射系统”（SLS）、“猎户座”飞船（Orion）的研发，发展商业合作，研发“载人着陆系统”和“门户”月球空间站（Lunar Gateway），进行前沿科学和技术研究，促进商业航天的健康发展。2021年共有韩国、新西兰、巴西、波兰和墨西哥5个国家同美国签署了《阿尔忒弥斯协定》（Artemis Accords），这些参与国在加入协定后，将进一步扩大同美国在太空领域的合作，今后将参与“阿尔忒弥斯”计划及其后续计划。例如，韩国正与NASA合作研发韩国探月卫星，将于2022年8月发射升空，上面搭载了NASA设计的阴影摄像头，将为“阿尔忒弥斯”计划探索着陆候选地点。美国主导的《阿尔忒弥斯协定》单边制定了人类太空行为规范，为美国在未来国际空间立法中获得先发优势；协定提出的原则并不明确，为参与国家未来的太空探索活动留有很大操作空间；协定中提出“安全区”概念，试图在月表特定区域内确立政府航天管理机构开展活动和商业公司享有资源的排他性权利；构建国际太空探索标准垄断与准入限制，确保美国的太空领先地位。

俄罗斯进一步明确载人登月技术路线

在载人登月领域，2021年，俄罗斯由于叶尼塞号（Yenisei）火箭技术参数暂未确定，火箭研制工作暂停。鉴于此种情况，俄罗斯首次载人登月将计划采用安加拉（Angara）火箭/“小鹰”飞船+空间拖船的技术实施方案。

俄罗斯“雄鹰”载人飞船主要用于月球探测任务，并能够完成低地球轨道（LEO）空间站的技术维护，自主开展空间实验和研究。飞船发射质量为20t，在短期向月飞行时，飞船可重复使用10次；在与近月轨道站对接进行长期飞行时，飞船可重复使用不少于3次。“雄鹰”飞船最多可搭载4人，可在轨自主飞行近30天，也可停靠在空间站上在轨驻留近1年的时间。俄罗斯“雄鹰”飞船在2021年进行了单个结构元件、仪器和组件的制造和测试工作。俄罗斯计划于2023年完成“雄鹰”飞船首飞，2025年利用“雄鹰”飞船完成载人飞行，2029年利用“雄鹰”飞船完成载人绕月飞行，并在此基础上完成轻便型“小鹰”飞船首飞，2030年搭载俄罗斯航天员登上月球。

“雄鹰”飞船（来源：俄罗斯航天国家集团）

3 商业公司在载人航天系统与模式创新方面发挥关键作用

“星舰”系统开展多次飞行试验，创新型商业载人航天系统进展迅速

2021年，SpaceX公司快速推进“星舰”系统的研制和试验工作，包括星舰SN9/10/11/15等，主要用于开展高空飞行试验。“星舰”系统于2021年5月5日实现10km跳跃飞行，并获得NASA商业载人月球着陆器研制合同。尽管在蓝源公司等竞争对手的抗议下，NASA暂停了商业月球着陆器合同，但最终SpaceX公司于11月最终赢下了合同，成为中标载人月球着陆器研制与验证合同的唯一研制商。

在经历了星舰SN9/10/11爆炸之后，SpaceX公司对星舰SN15进行了重大技术升级，采用了新的技术状态，在结构、电子、软件、发动机等方面进行了数百项设计改进，提升生产效率和飞行性能。为此，SpaceX公司决定不再继续建造星舰SN12/13/14。2021年4月26日，星舰SN15完成了静态点火试验。2021年5月5日，星舰SN15开展第5次高空飞行试验，并首次取得成功。试验持续约6min，星舰SN15从博卡奇卡试验场升空，飞行至10km最大高度后，以横卧姿态下降，接近地面后转为垂直姿态着陆在发射场。

后续，SpaceX公司计划继续推进“星舰”的研制和试验工作，包括对星舰SN20进行重大技术升级，开展轨道飞行试验，实现25马赫再入和着陆。SpaceX公司计划在2022年利用“星舰”进入近地轨道，在2023年飞往月球，2024年无人飞往火星，2026年载人飞往火星。

太空旅游业加快发展，成为世界载人航天的重要组成部分

随着航天技术不断发展成熟，商业航天迅猛发展，亚轨道、轨道飞行也从早期的试验性质逐步向商业性质发展。2021年7月，维珍银河公司（Virgin Galactic）和蓝源公司分别利用太空船二号、“新谢泼德”系统成功完成载人亚轨道飞行；9月，SpaceX公司利用“载人龙”飞船成功开展首次无专业航天员参与的轨道旅游任务；12月，太空探险公司（Space Adventures）时隔12年再次利用“联盟”飞船将两名太空游客送达“国际空间站”。

近地轨道载人航天活动当前仍主要面向政府用户，而亚轨道旅游则是直接面向公众客户，其竞争更加激烈。目前，轨道/亚轨道太空旅游价格仍较为高昂。除了价格外，优化服务和体验也是重要的竞争点，蓝源公司“新谢泼德”系统通过超大舷窗、有人参与的实验等亮点吸引用户，太空船二号以空天结合的飞行体验作为自身特色。在激烈的竞争中，不断创新发展模式、优化服务已经成为重要的发展方向。随着太空船二号、“新谢泼德”系统、“载人龙”、“联盟”飞船等多型系统投入常态化商业旅游服务并成为世界载人航天的重要组成部分，太空旅游业进入快速发展时期。太空旅游将为推动载人航天可持续发展、促进太空经济增长作出重要贡献。

4 结束语

2021年，世界载人航天取得了快速发展。近地轨道方面，“载人龙”飞船、“货运龙”飞船等新型载人航天器成功重复使用，“国际空间站”俄罗斯舱段完成扩展，近地轨道载人航天能力得到加强。载人月球探测方面，美国载人登月计划推迟，利用商业公司与国际合作伙伴推动各系统研制进度，俄罗斯明确新的载人登月实施方案，加快对“雄鹰”载人飞船的研制工作。载人航天新系统和模式方面，SpaceX公司对“星舰”系统进行多次高空飞行试验，快速推进系统研制工作，多家商业航天公司积极参与轨道/亚轨道太空旅游项目，太空旅游业进入快速发展新时期。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。