2024 年国外重大航天活动展望

2024-02-27王瑞陈允宗北京航天长征科技信息研究所

国际太空 2024年1期

王瑞陈允宗（北京航天长征科技信息研究所）

2023 年，全球共进行了223 次航天发射，相比于2022 年的186 次，增加了37 次（增长率约19.89%）。2024 年，全球航天发射热潮还将持续，美国国家航空航天局(NASA)阿尔忒弥斯-2(Artemis-2)、波音CST-100星际客船首次载人试飞等重量级航天任务引人期待，“新格伦”(New Glenn)、阿里安-6(Ariane-6)等新型火箭首飞也将在世界航天发射市场上激起新的变化。

1 载人航天活动态势活跃

美国启动阿尔忒弥斯-2 载人任务

2024 年11 月，NASA 将利用空间发射系统-1（SLS-1）重型运载火箭和“猎户座”（Orion）飞船搭载4 名航天员执行约10 天的阿尔忒弥斯-2 载人绕月飞行任务，测试飞船各系统在包括紧急和非标称条件下的运行情况。执行阿尔忒弥斯-2 任务的航天员如图1 所示。按照计划，NASA 将在2025 年进行阿尔忒弥斯-3 载人登陆任务，这也是自“阿波罗”（Apollo）登月之后人类首次登月，登陆点为月球南极。NASA 计划在2028 年9 月首次采用SLS Block-1B重型运载火箭执行阿尔忒弥斯-4 载人登月任务（第二次登月）。相较SLS-1 火箭，SLS Block-1B 重型运载将使用更大的探索上面级（EUS）。

图1 执行阿尔忒弥斯-2 任务的航天员

SpaceX 将执行3 次载人发射任务

2024 年，太空探索技术公司（SpaceX）将执行3次载人任务。1月17日，将执行公理空间公司（Axiom Space）的公理任务-3（Ax-3），把4 名航天员送往“国际空间站”（ISS），任务为期13 天。本次任务也是有史以来第一次全部搭载欧洲航天员前往“国际空间站”，也是欧洲航天局（ESA）赞助的首次商业航天任务，其中，任务专家阿尔珀·格泽拉吾哲是土耳其首位航天员。2 月，SpaceX 将执行NASA 的载人-8（Crew-8）任务，将把4 名航天员送往“国际空间站”。10 月，SpaceX 将执行公理空间公司的公理任务-4 任务，任务为期14 天。

“星际飞船”首次载人飞行试验

2024 年4 月，美国波音公司（Boeing）的“星际飞船”（Starliner）将进行首次载人飞行测试（Boe CFT），这也是该飞船进行的第三次轨道发射测试。本次发射将把2 名NASA 航天员送往“国际空间站”，任务为期7 天，将使用联合发射联盟公司（ULA）的宇宙神-5（Altas-5）火箭进行发射。此前，“星际飞船”曾在2019 年和 2022 年进行了两次无人飞行测试。“星际飞船”示意图如图2 所示。

图2 “星际飞船”示意图

印度“天空飞船”无人首飞测试

2024 年第一季度，印度将进行“天空飞船”（Gaganyaan）亚轨道试验。若首飞顺利完成，第二季度将进行第二次飞行测试，届时将搭载“太空朋友”（Vyommitra）模拟机器人（见图3）。2023 年10月22 日，印度空间研究组织（ISRO）成功进行了“天空飞船”TV-D1 指令舱的测试飞行，乘员逃生系统按预期运行，载人逃生系统得以验证。

图3 “太空朋友”模拟机器人

2 多国执行探月任务

SpaceX 通过“星舰-载人登陆系统”进行无人登月演示

2024 年底，SpaceX 公司的“星舰-载人登陆系统”（Starship-HLS）月球着陆器将进行首次无人登月演示（见图4）。该着陆器将用于执行阿尔忒弥斯-3 首次载人登月任务。2021 年4 月，SpaceX公司与NASA 签订“载人登陆系统”专属合同，合同价值28.9 亿美元。按照计划，NASA 的SLS 火箭和“猎户座”飞船将搭载4 名航天员进行为期多天的月球之旅。2 名航天员将搭乘“星舰-载人登陆系统”着陆器完成登月。在登月大约一周后，他们将再次登上该着陆器返回，与在“猎户座”飞船上的2 名航天员会合后，共同返回地球。“星舰-载人登陆系统”的设计源自星舰，经过修改可以用作月球着陆器。

图4 “星舰-载人登陆系统”月球着陆器示意图

美国发射新星-C 月球着陆器

2024 年上半年，美国直觉机器公司（Intuitive Machines）将使用猎鹰-9（Falcon-9）火箭发射3个新星-C（Nova-C）月球着陆器，用于向月球表面运送小型商业有效载荷。新星-C 月球着陆器高为3m，直径为2m，净质量为1900kg，运载能力为100kg，采用一台名为VR900 的液氧/甲烷发动机。

“毒蛇”月球车将勘探月球南极

2024年11月，NASA将执行格里芬-1（Griffin-1）任务，使用猎鹰-重型（Falcon Heavy）火箭发射“挥发物调查极地探索月球车”（VIPER，又称“毒蛇”）到月球南极附近的诺比尔陨石坑进行勘探。该月球车装载在太空机器人技术公司（Astrobotic Technology）研制的格里芬-1 月球着陆器上。“毒蛇”月球车的长和宽都是1.53m，高为2.45m，净质量为430kg，用于勘探月球资源，特别是水冰，将绘制其分布图并测量其深度和纯度。

3 深空探测任务的拓展

美国发射“欧罗巴快船”探测器

2024 年10 月，NASA 计划发射“欧罗巴快船”（Europa Clipper）探测器（见图5）,探测器高为6m，质量为2616kg，起飞质量为6065kg。探测器携带科学仪器和雷达，近距离飞越木卫二进行环绕探测，收集大气、表面和内部的数据。由于木星强大的磁场影响，探测器若直接环绕飞行会非常危险，因此它将采取椭圆轨道飞行。该木星探测项目是NASA未来深空探测的重要项目之一。

图5 “欧罗巴快船”探测器

印度发射首个金星轨道探测器

2024 年12 月，印度空间研究组织将发射印度首个金星轨道探测器——舒克拉雅-1（Shukrayaan-1），用于研究金星的大气层和表面。该航天器将在2000km×600km 的椭圆轨道进行科学观测，探测器配备高分辨率合成孔径雷达（SAR）和探地雷达，能够生成高分辨率图像，并可以在极端天气下昼夜收集数据。任务的主要目标是绘制金星表面和次表面图像，同时研究金星大气的化学成分，以及与太阳风的相互作用。

NASA 发射双胞胎火星探测器

2024 年8 月6-15 日，NASA 将发射双胞胎探测器，该任务名称为“逃逸和等离子加速与动力学探索者”（ESCAPADE）。两个探测器将沿椭圆轨道绕火星运行并对火星磁层进行研究，目的是了解火星磁层与太阳风的相互作用。每个探测器的净质量约为200kg，基于火箭实验室（Rocket Lab）的光子卫星平台改造而成，尺寸约为60cm×70cm×90cm，由两个480cm×70cm 的太阳翼提供动力。两个探测器将于 2025 年9 月到达火星椭圆轨道，任务预计于2027 年3 月上旬结束。

ESA 发射“赫拉”小行星探测器

2024 年10 月，ESA 计划发射“赫拉”（Hera）探测器，对“迪莫弗斯”（Dimorphos）和“迪蒂莫斯”（Didymos）双小行星系统进行探测（见图6）。2022 年9 月26 日，NASA 成功使用“双小行星重定向测试”（DART）探测器对“迪莫弗斯”进行撞击，使其偏离原运行轨道。“赫拉”探测器将近距离勘测“迪莫弗斯”受到撞击后留下的巨大撞击坑，还将对“迪蒂莫斯”的质量和构成进行研究，为地球面对陨石灾害的行星防御能力提供更多验证和技术支持。“赫拉”探测器将携带两颗6U 立方体卫星——“朱文塔斯”（Juventas）和“米拉尼”（Milani）。“朱文塔斯”将对小行星进行低频雷达探测，“米拉尼”将对目标天体成像，探索单个小行星巨石的矿物成分。

图6 “赫拉”探测器和“朱文塔斯”“米拉尼”卫星

4 新型运载火箭相继首飞

蓝色起源公司发射“新格伦”火箭

2024 年，蓝色起源公司（Blue Origin）的“新格伦”火箭将在卡纳维拉尔角范登堡空军基地首飞。该火箭于2012 年开始设计研制，为两级可重复使用重型运载火箭，全箭高为98m，直径为7m，低地球轨道（LEO）运载能力为45000kg。一子级由7 台BE-4 液氧/ 甲烷发动机提供动力，可产生17000kN 的起飞推力。二子级由2 台液氢/液氧BE-3U 发动机提供动力。

ULA 公司“火神”火箭首飞

2024 年1 月8 日，美国联合发射联盟公司（ULA）的“火神”（Vulcan）火箭将搭载太空机器人技术公司（Astrobotic Technology）的“游隼”（Peregrine）月球着陆器进行首飞，任务代号：验证-1（Cert-1）。首飞原计划于2023 年底进行，但由于“湿彩排”的推进剂贮箱测试未能全部完成，推迟到2024 年。“游隼”着陆器将在2 月23 日登陆月面的“粘性湾”区域（Sinus Viscositatis)，探测硬化熔岩流。

ESA 阿里安-6 火箭首飞

2024 年6 月，ESA 研制的阿里安-6 两级液氢/液氧运载火箭将首飞。火箭一子级采用火神-2.1（Vulcain-2.1）发动机，二子级采用了新设计的“芬奇”（Vinci）可重启发动机。阿里安-6 有两个型号：阿里安-62 和阿里安-64。阿里安-62 配有2个P120 固体助推器，主要用于政府和科学任务；阿里安-64 配有4 个P120 固体助推器，主要针对商业市场。首飞任务将搭载11 个有效载荷（包括7 颗卫星和4 个试验仪器）。

俄罗斯安加拉-A5M 首飞

2024 年第四季度，俄罗斯航天国家集团公司（ROSCOSMOS）的安加拉-A5M（Angara-A5M）将从俄罗斯东方发射场新建发射台上首飞，它是安加拉-A5 火箭的改进型。火箭一、二子级采用改进型RD-191M 发动机，与现有的RD-191 发动机相比，推力能够增加 10%，可将27.1t 的有效载荷送入近地轨道。箭体结构使用复合材料制成，采用俄制新型飞行控制系统，通用火箭模块（URM）还配备了备用气动和液压硬件，以提高推进剂供应系统的可靠性和安全性。

火箭实验室发射“中子”中型运载火箭

2024 年，火箭实验室研制的“中子”（Neutron）中型运载火箭将从美国弗吉尼亚州的中大西洋区域航天港首飞（见图7）。该火箭基于“电子”（Electron）小型运载火箭研制，全箭高为43m，直径为7m，起飞质量为480t，LEO 轨道运载能力为13t，一、二子级都采用“阿基米德”（Archimedes）液氧/甲烷发动机，推力更大，可用于执行巨型星座部署和探月、探火、金星探测任务。该火箭的亮点是拥有一个超长的整流罩，一子级与整流罩直接相连，二子级和有效载荷则被整流罩完全包裹在内。在级间分离后，整流罩和一子级可以整体回收。

图7 “中子”火箭

美国发射拉文-X 空射系统

2024 年上半年，美国航天时代公司的拉文-X（Ravn-X）空射系统将首飞，执行美国天军（USSF）的“敏捷小型发射操作标准化”（ASLON-45）任务。拉文 X 空射系统长为24m，高为5.5m，翼展为18m，起飞质量为24947kg。在专有软件的驱动下，拉文-X 会自行飞到预定高度并发射火箭，并能自主着陆，该空射系统可重复使用率为70%。

韩国两款新型号小型运载火箭首飞

2024 年，韩国两款小型运载火箭将首飞。12月，韩国伊诺航天公司（Innospace）的韩光-Nano（Hanbit-Nano）两级小型运载火箭将从巴西阿尔坎塔拉发射场首飞。韩光-Nano 运载火箭采用带有电动泵推进系统的发动机，推进剂为液氧/石蜡，太阳同步轨道（SSO）运载能力为50kg，一子级推力为150kN，二子级推力为30kN。

此外，韩国近地点宇航公司(Perigee Aerospace)的可重复使用小型火箭——蓝鲸-1（Blue Whale-1）将从澳大利亚艾尔半岛的“捕鲸者之路”发射场进行飞行测试。蓝鲸-1 火箭是在三星集团（SAMSUNG）的支持下进行研制开发的，采用液化天然气/液氧发动机。

德国发射奥格斯堡-1 小型运载火箭

2024 年，德国奥格斯堡火箭工厂（RFA）的奥格斯堡-1（RFA-1）火箭将从苏格兰萨克斯沃德太空港首飞。RFA One 是三级运载火箭，高为30m，直径为2m，LEO 轨道运载能力1600kg。一子级采用9 台“螺旋线”（Helix）液氧/煤油发动机，每台发动机推力为100kN，二子级采用单台真空“螺旋线”液氧/煤油发动机，前两级发动机的核心部件将采用3D 打印技术。三子级将作为轨道转移飞行器，使用绿色推进剂。

英国发射天空曙光-XL 火箭

2024 年，英国天空曙光公司（Skyrora）的天空曙光-XL（Skyrora XL）火箭将首飞。天空曙光-XL 火箭是一款三级小型运载火箭，采用9 台3D 打印的氧化氢/煤油发动机，燃料从废塑料中提取，推力约为7t。全箭高为22.7m，直径为2.2m，500km SSO 轨道运载能力为315kg。该火箭的一、二子级都可以通过伞降回收方式重复使用。

5 其他重要航天活动

美国“追梦者”航天飞机首次货运任务

2024 年4 月30 日，美国“追梦者”(Dream Chaser)航天飞机计划使用“火神/半人马座”(Vulcan Centaur VC4L)火箭执行首次NASA“国际空间站”货运任务（见图8）。“追梦者”航天飞机是内华达山脉公司（SNC）研制的多用途、可重复使用升力式轨道飞行器，长为9m，高为2m，翼展为7m，起飞质量为9t，采用火箭顶推发射方式，水平滑行返回着陆。其货运版采用折叠机翼，尾部两侧为两组推力器喷口，未设置主发动机；载人版采用不可折叠机翼，尾部两侧为主发动机，尾部中心位置设有与“国际空间站”对接的舱门。

图8 货运版“追梦者”航天飞机

欧洲“尼克斯”可重复使用太空舱首次演示验证

2024 年，欧洲勘探公司(Exploration Company)研制的“尼克斯”（Nyx）可重复使用太空舱将搭载阿里安-6 火箭发射，进行测试验证，该太空舱预计将在2026 年正式投入使用。本次进行验证的模拟舱直径为60cm，质量约为40kg，公司希望通过这次任务收集热保护装置数据并对太空舱的形状进行验证。全尺寸“尼克斯”太空舱直径为4m，质量为8000kg，使用绿色推进剂，可以将货物（或人员）送到“国际空间站”，并返回地球。

土耳其发射首颗国产土耳其-6A 通信卫星

2024 年6 月，土耳其首颗通信卫星—土耳其-6A（Türksat-6A）将使用猎鹰-9 火箭发射。该卫星由土耳其科学技术研究所（TUBITAK）研制，将在东经42°、距地球35786km 的地球静止轨道上提供服务。卫星还将服务东南亚地区，使土耳其成为世界上首批有能力生产通信卫星的11 个国家之一。

澳大利亚执行首次卫星拼单发射任务

2024 年底，澳大利亚吉尔摩航天技术公司（Gilmour）的阋神星-2（Eris Block-2）火箭将执行首次大篷车-1（Caravan-1）拼单发射任务。“阋神星”火箭是澳大利亚吉尔摩公司自主研制的三级火箭，一、二子级采用“天狼星”（Sirius）发动机，三子级采用3D 打印的“凤凰”（Phoenix）液氧/煤油发动机。LEO 轨道运载能力为1t。

NASA 执行PREFIRE 发射任务

2024 年5 月，火箭实验室将执行NASA 的“远红外实验中的极辐射能”（PREFIRE）任务，为其提供2 次“电子”发射。将把2 颗6U 立方体卫星发送到不同的轨道（高度470km 和650km；近极82°和98°倾角轨道），每颗立方体卫星都携带一个小型红外光谱仪，覆盖范围为0～45μm，光谱分辨率为0.84μm，运行一个季节周期（一年）。该任务旨在让研究人员更准确地了解地球能量流失情况（特别是从北极和南极洲流失情况），以应对全球变暖气候影响。