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报告|2018年度国外载人航天发展综述

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发表于 2019-1-16 07:39:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
2018年,世界载人航天继续快速发展。重点围绕低地球轨道开展空间应用,同时积极推进低地球轨道以远的系统建设,以载人火星探索为长远目标持续推进。

国外载人领域在2018年度共进行了13次发射任务,一次失败。其中4次载人飞船发射任务,9次货运飞船发射任务。俄罗斯发射3艘“进步”货运飞船和4艘“联盟”载人飞船,其中联盟MS-10发射失利。美国商业公司成功发射5艘货运飞船,日本时隔一年再次发射HTV飞船。

任务执行上,美、俄、日围绕“国际空间站”开展运营维护。美国仍然依靠商业公司的“龙”、“天鹅座”飞船开展货物运输;俄罗斯联盟号载人飞船仍承担运送航天员至“国际空间站”的重任,本年度联盟MS-10载人飞船发射失利,所幸航天员及时启动发射中止系统成功自救;美国“猎鹰”重型运载火箭实现首飞,俄罗斯批准新型重型运载火箭的研制,将为未来的深空探索奠定基础。
系统建设和技术研发上,美国持续推进以“猎户座”飞船和“空间发射系统”为主的探索系统开发,并公布了地月空间站的初步建造计划。俄罗斯新一代载人飞船联邦号稳步推进,东方发射场二期建造工作继续,计划2023~2025年间进行首次载人发射,2030年起开展月球探索任务。



猎户座飞船

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。

商业化发展方面,低地球轨道商业运输稳步推进,商业乘员运输计划有所延迟,波音公司、SpaceX公司都将首次飞行试验延迟至2019年;与此同时美国国家航空航天局(NASA)不断开拓新型公私合作伙伴关系。此外,洛马、轨道-ATK、联合发射联盟、SpaceX等诸多商业公司提出空间探索相关的商业项目计划。

美国

2018年,美国完成5次发射任务,成功将5艘货运飞船送至“国际空间站”,与2017年发射数量相比持平,发射成功率为100%。

美国在特朗普2017年确立载人重返月球目标之后,2018年通过发布战略文件与预算等形式进一步落实和细化,明确了未来低地球轨道与深空探索开发的重点、方式与途径等。

1、重视载人深空探索,将探索重心聚焦到重返月球

在将载人重心聚焦到重返月球这个目标后,美国通过多方途径助推深空探索领域的发展。2018年9月,NASA公布《国家太空探索活动报告》,进一步明确了美国未来深空探索整体思路,即利用地月空间助力实现美国人重返月球,再以月球为“跳板”,探索火星。2018年2月12日,特朗普政府提交2019财年预算申请,为NASA分配约199亿美元预算,比2018财年预算申请增加约8亿美元。NASA 2019财年预算分配领域还进行了更名、拆分、整合和调整。此外,调整了预算申请表格以及报告正文中各个领域的排列顺序,将载人探索相关的领域调整到了最前面。在“深空探索系统”领域,将继续载人探索系统的研发,包括“猎户座”飞船、“空间发射系统”和探索地面系统的研发工作,分配的预算为36.70亿美元,较2018财年增长0.86亿美元。

为响应特朗普2017年提出的“重返月球”计划的号召,NASA在深空探索系统领域增加了“先进探索系统”分领域,为其分配了8.89亿美元的预算。该分领域主要包括“月球轨道平台-门户”(LOP-G)“先进地月表面能力”(ACSC)“探索先进系统”(EAS)三项计划。“月球轨道平台-门户”计划在2020年代建立一个培养中短期深空探索能力的平台,并将其作为探索月球表面和更远深空的、具有灵活载人探索架构的中转站。“先进地月表面能力”计划开发一系列月球表面的无人探月任务,该计划将利用创新途径,鼓励美国工业界的能力发展以及可能的国际合作。“探索先进系统”计划旨在降低未来载人深空探索的风险和成本,验证运行方案,专注于先进探索能力的设计、开发和演示验证。

2、月球轨道平台备受关注,取得持续进展

NASA于2017年提出的月球轨道平台“门户”计划一经提出便受到全球各方的关注。2018年8月,NASA公布了月球轨道平台的发射、装配与运营方案。根据最新方案,“门户”由推进与动力舱、乘员居住舱、舱外活动气闸舱、物资保障舱、欧洲系统舱段和美国公用设备舱段等组成,总居住空间可达125立方米。NASA将从2022年起陆续发送“门户”的各个舱段,预计航天员2024年将登上该轨道站。该轨道站由NASA主导,其他参与方须按照美国的技术标准建造其余舱段。

“门户”预计在2023年开始部署首个舱段,设计寿命为15年。按计划,美国负责研制电源和推进舱(包含部分欧供设备);欧洲和日本负责居住舱研制;俄罗斯负责气闸舱的研制;加拿大负责机械臂的研制。根据目前计划,“门户”的建造将包括三个阶段:2018-2026年——月球前哨站阶段。通过执行五次探索任务完成第一阶段的建造,确保“门户”基本具备载人登月中转能力;2027-2029年——地月转运阶段。通过执行四次探索任务验证深空运输站长时间深空独立飞行能力,为飞向火星的长期载人飞行做准备;2030年以后——载人登火阶段。该阶段规划目前并不详细。为配合月球轨道平台“门户”的建造计划,多家航天企业开始着手开展相关概念研究,洛克西德·马丁公司于2018年10月公布可重复使用载人级月球着陆器概念,该着陆器可在“门户”和月面间往返运行,向月球表面运送4名航天员和1吨货物,在月面停留2周。

3、低地球轨道载人航天商业化发展迅速,并继续向深空拓展

低地球轨道商业货物方面,SpaceX公司、轨道-ATK公司实现低地球轨道货物运输常态化,内华达山脉公司正在追赶,2018年12月,NASA批准内华达山脉公司开始全面生产追梦者号太空飞机,根据安排,该飞船拟于两年内进行首飞。低地球轨道商业乘员运输方面,根据NASA发布的最新商业载人飞船发射计划表,SpaceX公司载人版“龙”飞船的首次载人试飞时间由2019年4月推迟至2019年6月;由波音公司研制的“星际客船”(Starliner)首次无人试飞和载人试飞时间分别推迟至2019年3月和2019年8月。

与此同时,美国政府还计划逐步推行“国际空间站”的商业化进程,NASA向国会提交了“国际空间站”过渡报告,评估了与国际合作伙伴和商业航天公司合作,将“国际空间站”作为科学研究、深空探索和低地球轨道飞行平台的可行性。按照现阶段计划,美国政府将在2025年停止对“国际空间站”的直接投资后,逐步将低地球轨道载人航天飞行业务转交给私营公司,确保NASA能够依靠其商业力量开展低地球轨道研究和技术演示验证。
随着低成本进入太空需求的飙升,低地球轨道的前景已经远远超出了最初的预期。美国政府决定将“国际空间站”的运营转给私营公司。美国政府多次强调要大力发展公私合作关系。未来可能将公私合作关系作为美国民用航天活动的基础,在低地球轨道载人航天领域大力发展与私营公司的商业航天合作,在低地球轨道以远的深空探索领域也在寻求合作可能性。2018年,NASA公布了商业月球载荷服务(CLPS/Lunar COTS),该计划可视作商业轨道运输服务(COTS)的月球版本。NASA打算与能把有效载荷运送到月面的各公司签订多份不定交付时间、不定数量的合同。目前已有包括原谷歌月球X大奖赛参赛团队在内的几家公司表达了在有效载荷发射方面同NASA合作的意愿。各家航天公司紧随政府开始了针对月球的布局。多家航天初创公司也都相继推出了涉及月球探索的相关计划。SpaceX公司计划利用大猎鹰火箭(BFR)开展载人月球探测活动。2018年9月,SpaceX公司宣布日本亿万富翁前泽友作将作为首位私人月球旅游乘客于2023年进行为期4~5天的绕月飞行。



大猎鹰火箭(BFR)

4、注重技术创新和技术牵引,加大空间技术研发力度

美国重视技术创新水平,采用能力驱动发展方式,基于一系列不断发展的核心技术,确保航天领域的领先地位。于2013年成立NASA空间技术任务部,管理、研发、投资创新技术,确定NASA未来优先发展和重点投资的技术领域,带动空间探索技术的革命性变化。

根据2019财年最新预算,NASA将原来的“空间技术”领域调整为“探索研究与技术”领域,新领域包括了原来“空间技术领域”的内容和一部分原来“探索”领域的内容,即“载人研究计划”,为该领域分配的预算为10.03亿美元。

欧洲

2018年,欧洲因“自动转移飞行器”(ATV)已完成“国际空间站”货物运输使命,没有进行载人航天发射任务。总体看来,欧洲在载人航天领域一直依托国际合作方式适度发展。欧洲拥有较强的航天工业基础,重视航天产业、应用和效益,且空间探测技术先进。由于载人航天耗资巨大,没有独立实施载人航天计划的意愿和能力,未来将以国际合作形式开展载人空间探索。低地球轨道围绕“国际空间站”开展空间应用;低地球轨道以远,积极参与美国主导的载人深空探索任务。

1、积极参与谋划深空探索发展,不断推进商业太空旅游发展

欧洲航天工业界对参与NASA提出的月球轨道平台建造计划展现了浓厚的兴趣,期望该月球轨道空间站上有欧洲的舱段,并由欧洲运输系统参与补给,欧洲航天局方面已经明确表态将参与该项目。欧洲空客防务与航天公司正为NASA“猎户座”飞船建造服务舱,以提供电源和推进能力,并具备一部分生命保障功能,空客公司有意以此为基础为“门户”建造居住舱和后勤舱。欧洲希望通过积极参与美国主导的“门户”计划,为自己的深空探索事业铺路。

2018年12月,维珍银河公司的第二架太空船二号在莫哈维航空航天港上空完成了迄今为止最高、也是最快的一次试飞,高度到达82.7公里。

2、依托“国际空间站”和国际合作快速提升载人航天技术

欧洲积极利用“国际空间站”开展空间应用,其研究领域分布相对平衡,近年来,欧洲的生物学和生物技术实验项目最多,同时也十分重视技术开发、物理科学和人体学研究。此外,还为未来低地球轨道以远的载人探索活动进行先期研究和试验。

2018年11月,由欧洲空客防务与航天公司生产的用于执行EM-1(探索1号)任务的欧洲服务舱运抵肯尼迪航天中心。此前,欧洲服务舱交付时间一再拖延,导致EM-1任务一再延迟,运抵美国后,欧洲服务舱将与“猎户座”飞船的乘员舱进行对接和组装,并进行测试。此外,用于执行EM-2任务的第二个欧洲服务舱也开始建造。

俄罗斯

2018年,俄罗斯完成7次发射任务,一次发射失败,包括3次“进步”货运飞船和4次“联盟”载人飞船任务,其中联盟MS-10飞船发射失败。

2018年,俄罗斯载人航天领域整体来说负面消息更多,在进步MS-09飞船漏洞导致“国际空间站”空气轻微泄漏之后,联盟MS-10飞船遭遇了发射失败,俄罗斯在监管方面存在的问题已经成为了其发展的掣肘,亟待改善和加强。虽然俄罗斯制定了一系列目标明确、规划清晰的长期发展战略,但在具体执行上还存在不确定性,当前,面临国内航天故障频发、经济危机及国际环境影响等多个因素,载人航天发展受到一定影响。

1、俄罗斯总统签署研制重型运载火箭令,计划于2028年进行首飞

俄罗斯总统普京于2018年2月签署研制重型运载火箭的总统令,指定能源火箭航天集团为总研制商。到2019年底,能源集团应完成重型运载火箭的草案设计,2028年计划进行首飞。重型运载火箭将从东方发射场发射,计划执行未来的空间飞行任务,比如飞向月球与火星,其近地轨道运载能力将达100吨,不仅能将载荷送入月球轨道,还可将载荷送至月球表面

在重型运载火箭的研制中将使用在研的新型中型运载火箭联盟-5的主要元件和技术储备。联盟-5火箭采用两级串联构型,使用液氧煤油推进剂,一级发动机为RD-171 的改进型RD-171MV,二级发动机采用化学自动装置设计局研制的RD-0124MS。该型火箭主要用于向低近地轨道发射新一代载人飞船联邦号,向地球同步轨道、高椭圆轨道、高圆形轨道及分离轨道发射航天器,向地球同步转移轨道及同步轨道进行航天器的商业发射。目前俄罗斯航天国家集团与能源火箭航天集团已正式签署联盟-5火箭的研制合同,暂定于2022年进行首飞。

2、新型载人飞船联邦号研制工作稳步推进
俄罗斯新一代载人飞船联邦号(Federation)主要用于登月任务,并能够完成低地球轨道空间站的技术维护,能够自主开展空间实验和研究。飞船发射质量为20吨,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。联邦号飞船计划于2021年进行首次自主无人飞行试验,计划于2023年实施首次载人飞行任务。



联邦号飞船模型

2018年4月,联邦号载人飞船模型被送往茹科夫斯基中央流体力学研究所进行风洞模拟试验,用以研究在超声速及高超声速气流中,飞船表面的压力及热量分部情况。与此同时,本年度能源火箭航天集团开始对新型联邦号载人飞船进行一系列其他测试,评估船载人机交互系统性能。该试验一直持续到2018年底,专家们还将完成新型飞船的飞行路线设计工作,包括分离到对接以及后续变轨飞往月球等。能源火箭航天集团将为飞船开发一套用于控制推进、能源供给、生命保障、飞行控制和导航系统的信息管理程序,航天员可以利用此程序在飞船控制台上控制船载系统以及飞行模式。后续,能源火箭航天集团计划通过一系列试验评估,提出人机交互系统界面设计建议,使相关研发人员全面了解航天员的操作需求。

3、载人航天领域连续遭遇事故,加强监管迫在眉睫

2018年8月29日夜间,“国际空间站”发生意外情况,出现轻微空气泄漏,舱内气压略有下降。经调查发现,由于对接到“国际空间站”俄罗斯破晓号舱段的载人飞船联盟 MS-09(Soyuz MS-09)轨道舱部出现了一个直径约为2毫米的裂缝,导致空间站空气泄漏,该事件对“国际空间站”人员安全没有造成任何威胁。目前,漏洞的飞船已经安全返回地面,但漏洞原因至今尚未查明。



国际空间站示意图

2018年10月11日,联盟-FG运载火箭搭载联盟MS-10载人飞船,从位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射中心发射升空,火箭起飞后约117秒发生故障,随后紧急启动发射中止系统,整流罩带着飞船轨道舱和返回舱脱离火箭,随后返回舱开启降落伞,航天员安全着陆,联盟-FG火箭坠毁,本次任务是联盟-FG火箭自使用以来的首次发射事故,也是俄罗斯航天史上首次使用整流罩分离发动机挽救了航天员的生命。

此次事故,对“国际空间站”在轨开展活动产生一定影响,对俄罗斯航天国家集团造成了巨大的经济损失。尽管此次事故未造成人员伤亡,不过仍会对俄罗斯的声誉造成巨大影响。俄罗斯航天国家集团官员表示,未来将加强组装工作监管,确保该类事件不再发生。

4、俄罗斯选拔新一批航天员

2018年8月,俄罗斯航天员选拔委员会公布2017—2018年度航天员最终选拔结果,经过一年半的公开选拔,最终从420名申请人中选拔出8名候选人。随后,8名候选航天员从9月开始在加加林航天员训练中心完成为期2年的集中选拔训练任务,通过所有科目考试后,才能正式加入俄罗斯职业航天员队伍,本次选拔目标是选出最好的职业航天员,执行“国际空间站”任务和新一代载人飞船联邦号的飞行任务,他们可能会成为俄罗斯第一批飞月者。

日本

日本通过国际合作发展本国载人航天。日本载人空间探索长远目标是实现载人登月和月面长期生存,建立月球基地,开展月球资源利用。日本未来发展则主要依赖于美国发展走向,现阶段不论从财力和技术水平上还不具备独立实施的能力。同时,日本也已经确定加入地月空间站建造计划。

2018年8月17日,JAXA(日本宇宙航空开发机构)提出载人空间探索发展构想,其制定的初步实施方案如下:(1)利用月亮女神(SELENE)研究成果,通过国际合作的方式探测月球南极水冰,并探究其作为燃料的可行性;(2)参与“门户”计划,获得深空载人飞行机会;(3)2025年参与国际合作,开发关键技术,为载人登月做准备;(4)在国际合作框架下,利用无人和载人探测器,在月球南极地区附近建立燃料加工基地,搭建在月表至近月空间往返的可重复使用运输系统;(5)开展月球南极科学研究并扩大探测范围。2018年,日本还发射了一艘货运飞船(HTV-7),距离上一次货船HTV-6的发射时隔整整一年。
发展趋势
1、“国际空间站”成为前沿技术和商业航天发展的重要试验平台
随着技术的不断发展和创新以及空间站运营体系的日益成熟,“国际空间站”上开展的空间应用活动被赋予了时代新特征,“国际空间站”逐渐成为商业航天发展的新领地。作为重要实验平台和商业航天发展的“试验田”,“国际空间站”上开展了多项商业空间应用,并取得丰硕成果。
低成本、商业化的航天运营模式,使得更多的科学家有机会利用空间平台从事前沿科学研究。此外,由于可重复使用货运飞船投入使用,未来商业搭载将会变得更加便捷、便宜,在政府的大力助推下,私营企业和高校研究人员利用成熟的低地球轨道货物运输系统,在商业运营的模式下于“国际空间站”开展各类研究活动成为发展趋势。
2、各国聚焦深空探索,月球成为下一步发展目标
特朗普上台后新政府将目光聚焦到月球,并视深空探索为未来发展重点,通过载人登月计划为未来载人登陆火星和其他目标奠定基础,并以月球作为翘板,加强美国在载人航天领域的商业化和国际化合作。俄罗斯在2016年3月出台的《2016-2025年联邦航天规划》中明确提出将于2030年左右执行载人登月计划。欧洲航天局局长多次提出建造“月球村”的想法。欧洲还将为执行探索任务-1(EM-1)的“猎户座”飞船提供服务舱。日本政府也明确表示将加入美国的“门户”计划中。世界主要航天国家都将月球视为下一步目标,提出探月计划,推进相关技术研发。
3、持续推动载人航天商业化发展,加大政策、安全监管
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。有理由相信,不论是NASA还是商业公司,都已从这种新型公私合作关系中广泛受益。NASA在与商业公司的合作伙伴关系中执行非常严格的安全性和可靠性审查流程,未来也会更加重视对商业公司的安全监察。
特朗普于2018年5月24日正式签署其任期内第二项航天总统行政令(SPD2),而第一项则是2017年底签署生效的“重返月球”相关行政令。新航天行政令主要为支持2018年初国家航天委员会(NSC)提出的实施商业航天监管改革的建议,主要内容包括数条简化商业发射和遥感法规的措施,为商业航天新设立一个“一站式”办公室,以及对先行射频与出口管制政策进行审查。新航天行政令的签署生效能激励美国商业航天发展,维持其在全球的领先地位,为投资者和私人公司创造更多机遇,同时开始能够着眼保护美国国家安全以及公共安全问题。
4、地月空间将成为载人深空探索的必经之路

地月空间能够快速往返地球,具有更接近深空的环境,易于利用月球和近地小天体的资源,是试验深空探索能力的绝佳场所。建立地月空间基础设施,如居住舱、空间站等能够有机衔接近地载人活动与载人深空探索,为载人火星探测等载人深空探测活动验证相关技术,积累相关操作经验。美国、俄罗斯等在迈向载人深空探索的路上都重点关注了地月空间的探测和发展,并制定了相关的规划。根据美国当前政策,将着力打造地月空间站“门户”,此外,美国政府、商业公司等正在开展相关系统的技术研制,并有较为系统的方案。俄罗斯国家政策不确定很大,且受经济影响,实施可能性具有不确定性。
来源:中国载人航天

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