2021 年国外载人航天发展初步分析

廖小刚， 王岩松

(军事科学院， 北京 100142)

1 引言

2021 年是人类首次进入太空60 周年，世界主要航天国家的载人航天活动进入调整期。 美俄载人航天发展相对平稳，继续围绕月球和国际空间站持续开展载人航天活动。 美国新政府继续推进载人登月计划，由于主要航天系统研发进度延误，2024 年载人登月的目标被迫推迟；俄罗斯不断调整载人航天长远计划，工作重心从载人登月转向近地轨道空间站；在继续参与国际载人合作的同时，ESA(European Space Agency )继续积极谋求发展独立的载人航天能力。 商业太空旅游成为载人航天发展的新亮点，私营载人航天公司成功完成多次商业太空旅行。 国际空间站继续促进深空载人探索技术与地球科学技术发展，但部分设施严重老化，未来走向面临诸多不确定性。

2 战略与规划

2021 年，美国、俄罗斯、日本、欧洲等国家和航天组织，不断调整载人航天战略与发展路线，以载人登月和近地轨道活动牵引各自载人航天能力建设。

2.1 美国

美国新一届政府上台后，载人登月系统研发力度有所下降，延迟登月已成定局。 2021 年拜登上任后，一直没有发布与载人航天相关的政策与规划文件；在NASA 的2022 财年预算中，仅表示将继续推进Artemis 计划以及载人登陆火星设想，并没有强调要在2024 年实现载人登月的目标，且预算经费增长幅度也无法满足NASA 实现近期登月的需求。 由于载人着陆系统、登月航天服等主要系统研发先后遭遇进度延误、经费不足等原因，NASA局长纳尔逊于11 月宣布，原定2024 年的载人登月计划将至少延迟到2025 年实现。 NASA 总监察长办公室于11 月发布的评估报告认为，基于NASA 近年来重大航天飞行计划的平均推迟情况，载人登月时间最晚将推迟到2028 年。 尽管遭遇了诸多困难与挑战，但美国仍在继续推进载人登月计划的实施，强调将继续坚持探索月球和载人登陆火星的长远目标。

2.2 俄罗斯

图1 阿尔忒弥斯载人登月[5]Fig.1 Artemis human lunar mission[5]

俄罗斯载人登月计划遭遇诸多困难，其工作重心已实际转向近地轨道空间站。 2021 年9 月，由于技术风险太大，采用安加拉火箭替代重型火箭实施登月的构想被放弃；10 月，俄罗斯暂停了重型运载火箭的所有研制工作，载人登月已无实施的物质基础。 相对于载人登月，俄罗斯更加重视近地轨道空间站的建设。 11 月，俄国家航天集团正式启动俄罗斯近地轨道空间站的研制工作。 俄罗斯载人航天工作重心的转向，不仅是技术的原因，更是经费的考虑。 俄罗斯2022 年的航天经费约为29 亿美元(远低于NASA 2022财年的248 亿美元预算)，根本无力同时承担载人登月与建设属于俄罗斯的空间站，因此只能选择其一作为重点发展。

2.3 ESA

ESA 在开展载人航天国际合作的同时，积极谋求发展独立的载人航天能力。 11 月，ESA 召开各国航天局长峰会，将发展独立的载人航天能力列为五大优先任务之一。 欧洲希望借此确立其21 世纪航天强国(组织)的地位，并成为国际航天活动及载人航天活动中的重要角色。

2.4 日本

日本积极参与美国Artemis 计划，持续支持载人航天活动开展。 由于不具备独立的载人航天能力，日本一直依靠美国开展载人航天活动。 2021年1 月，日本与美国签署月球门户平台合作协议，明确日本将为门户空间站提供支持，以换取日本航天员进驻门户空间站。 3 月，日本众议院通过总额约41.4 亿美元的2021 财年航天预算，比2020 财年大幅增长23.1%，主要原因就是要参与Artemis 载人登月计划。

2.5 印度

印度在俄罗斯的支持下，积极推进首次载人航天任务。 3 月，印度航天员完成在俄罗斯的训练任务，并开始接收俄罗斯出口的航天服、航天座椅和舷窗等载人航天飞行系统，为不早于2023 年的首次载人航天飞行任务做好准备。

2.6 其他国家

2021 年，一些非航天国家计划参与航天大国载人航天活动与空间探索任务。 韩国、新西兰、巴西、波兰和墨西哥2021 年先后与美国签署“阿尔忒弥斯协定”，希望通过与美国合作实现本国航天员的登月，以及发展本国的太空经济。 土耳其于2 月发布规划未来十年航天发展的“国家航天计划”，提出2023 年借助他国火箭实现月球硬着陆、2028 年使用本国火箭实现月球软着陆的目标。

3 主要载人航天系统

3.1 新型运载火箭研制进度放缓

受疫情及技术等因素影响，各国新型运载火箭的首飞都向后延迟或是暂停研制工作。

美国的航天发射系统火箭首飞从2021 年推迟至2022 年。 2021 年1 月，航天发射系统火箭芯级首次静态点火试验失败；3 月，改进后的航天发射系统火箭芯级完成静态点火测试，标志着芯级完成发射前的所有测试任务。 随后，芯级于4 月从斯坦尼斯中心运往肯尼迪航天中心，先后完成与固体助推器的总装和安装飞行软件，并于10 月通过设计认证审查。 由于进度严重延误，NASA 于10 月宣布SLS 的首飞任务从2021年推迟到2022 年。

图2 航天发射系统火箭[25]Fig.2 Space Launch System[25]

俄罗斯的Yenisei 重型火箭暂停研制工作。为实现载人登陆月球并进行持续开发，俄罗斯于2018 年开始启动研制重型运载火箭计划，最初采用较为成熟的液氧/煤油火箭发动机技术；2021 年1 月，俄罗斯科学院认为，重型运载火箭应采用最前沿、最先进、成本最低的技术；随后，Yenisei 重型运载火箭的技术设计工作从2 月开始暂停，考虑转向研发更便于回收的甲烷火箭发动机；9 月，Yenisei 重型运载火箭的技术设计工作全部停止。 由于Yenisei 重型火箭是俄罗斯载人登月及建设月球基地的基础，因此该型运载火箭的停止研制将严重影响俄罗斯的载人登月计划的实施。

日本的H-3 火箭研制继续推迟。 原定于2021 年首飞的H-3 重型运载火箭由于在7 月的试验中再次出现故障，首飞将推迟到2022 年进行；欧洲的阿里安－6 运载火箭进展相对平稳，也推迟到2022 年进行首飞，比最初计划的2020 年延迟2 年。

图3 猎户座与航天发射系统火箭组装[32]Fig.3 Assembly of Orion and Space Launch System[32]

3.2 新一代飞船研制工作进度不一

美国猎户座飞船研制2021 年稳步推进。 猎户座飞船于1 月完成全部组装工作，已经由洛克希德·马丁公司移交给NASA 的探索地面系统部门；进行后续的推进剂加注、安装发射中止系统等工作，并于10 月完成与航天发射系统火箭的集成工作，为2022 年Artemis-1 首飞任务奠定了基础。俄罗斯雄鹰飞船的首次载人任务面临延误。5 月，雄鹰飞船发动机完成气候、腐蚀和燃烧寿命等测试，随后飞船模型进行飞行前的静态和动态测试，暴露出的一些问题促使俄研发人员对飞船的热防护系统进行重新设计；11 月，俄能源火箭与航天集团表示，雄鹰飞船的首次无人试飞任务仍将于2023 年进行，但首次载人飞行任务将从2025 年推迟到2027 年。

3.3 航天员规模不断扩大

为满足未来载人航天任务需要，继美俄之后，ESA 和日本在2021 年先后启动新航天员的招募与培训工作，以不断扩大航天员队伍的规模。 欧洲航天局3 月开始招募新一批航天员，这也是ESA 十多年来首次发布招募航天员计划；预计2022 年将选拔出4 名新航天员，以执行国际空间站及未来的月球任务。 为支持美国领导的Artemis 登月任务，日本宇宙航空研究开发机构于11 月启动13 年来首次新航天员招募活动，选拔结果将于2023 年公布，新航天员将可能有机会进驻国际空间站或美国的门户月球空间站。

3.4 美俄加紧航天发射场建设

NASA 围绕探索地面系统和搜救回收开展工作。 NASA 于2021 年4 月完成肯尼迪航天中心新型航天器指令与控制系统的认证工作，该系统专门用于解决Artemis 发射时的数据处理和发射操作。 9 月，NASA 完成探索地面系统第一轮综合性试验，随后开始猎户座飞船的总装工作。此外，SpaceX 公司12 月宣布将在肯尼迪航天中心39A 发射综合设施内新建一个超重－星船的发射塔架，将用于执行星际探索任务。

俄罗斯继续加快东方发射场二期建设和拜克努尔航天发射场改造。 俄总统普京9 月再度视察东方发射场，大大地促进了该发射场的建设工作。 二期任务的核心是建设安加拉运载火箭的发射工位，预定2023 年在东方发射场进行安加拉A5 火箭以及雄鹰载人飞船的首飞。

4 国际空间站

2021 年，美、俄共向国际空间站发射16 艘飞船，其中5 次执行载人飞船任务(俄罗斯3 次、美国2 次)，8 次执行货运任务(俄罗斯3 次、美国5次)，2 次俄罗斯舱段运输任务，共向国际空间站运送了14 名航天员和2 个舱段，扩展了国际空间站的活动空间，并先后开展了数百项科学实验任务，取得多项重大进展。

4.1 补充了新的国际空间站舱段与设备

2021 年，俄罗斯向国际空间站先后发射科学多功能舱和船坞号节点舱，完成国际空间站俄罗斯舱段的建造工作。 7 月，作为国际空间站俄罗斯舱段部分的最大舱段，科学号多功能实验舱与国际空间站实现对接，大幅改善航天员在轨工作与生活条件，并提升了国际空间站的科学实验能力；11 月，船坞号节点舱与国际空间站对接，可为国际空间站提供了5 个标准对接装置，使国际空间站可同时对接更多的载人飞船、货运飞船，进一步扩展国际空间站的使用效率。

此外，NASA 于6 月向国际空间站部署了2套新型太阳能电池阵列，以增强原来的太阳能电池阵列， 可支持国际空间站持续工作到2030 年。

图4 科学号多功能实验舱[48]Fig.4 Nauka multifunction module[48]

4.2 取得多项科学研究成果

2021 年，国际空间站航天员乘组共完成上百项科学研究任务，涉及技术开发及验证、生物及生命科学、物理学、地球及太空科学等领域。 7 月，欧洲航天局的等离子体晶体系列实验已持续进行满20 周年，迄今已经发表100 余篇科学论文，帮助科学家了解行星是如何形成的。 同月，NASA航天员在国际空间站首次完成CRISPR/Cas9 基因组编辑，首次在太空中修复受损的酵母细胞DNA，也标志着活细胞首次在太空成功转化。 12月，俄罗斯在国际空间站使用激光在太空中进行无线电能传输实验，该技术未来可为围绕国际空间站和其他航天器的小型卫星提供电能。

4.3 美、俄对于国际空间站未来发展存在分歧

美国继续坚持其商业化近地轨道空间站的目标，但在商业空间站还未成熟时，则希望国际空间站至少运营到2028 年。 NASA 于8 月表示，从工程专业角度来看国际空间站能够至少运营到2028 年或更长时间；12 月，NASA 授予纳米架公司团队、蓝源公司团队及诺斯罗普·格鲁曼公司团队共计4亿美元的合同，进行近地轨道商业空间站的设计工作，希望在2030 年前完成从国际空间站向商业空间站的转化。 俄罗斯则希望发展自己的轨道空间站，俄副总理鲍里索夫4 月表示，鉴于国际空间站已经严重老化，俄罗斯计划着手建造自己的轨道空间站。 国际空间站俄罗斯舱段负责人8 月表示，俄罗斯舱段各系统目前处于严重老化状态，星辰号舱段80%的系统超出使用寿命，无法保证2025 年后仍能正常工作。俄罗斯此举也是希望获得美国的经费支持，若没有得到美国的经费，俄罗斯可能将从2025 年退出国际空间站项目，并将其相关任务转移给国际空间站的合作伙伴，转而建设自己的空间站。

5 商业载人航天

美国商业载人航天能力2021 年持续快速发展，SpaceX 公司、蓝源公司、维基银河公司等商业航天公司完成多次私人商业太空飞行，拉开商业太空旅行的大幕；以SpaceX 公司为代表的商业载人航天力量继续快速发展，技术进一步成熟，并从近地轨道不断向深空拓展。

5.1 商业太空旅行拉开序幕

7 月，维珍银河公司、蓝源公司先后完成太空船二号、新谢帕德系统的首次商业载人亚轨道旅游，进一步验证了各自商业载人航天运载器的技术安全性，为后续开展常态化商业亚轨道飞行奠定了基础，商业亚轨道旅游已经进入快速发展的新时期。

9 月，SpaceX 公司利用猎鹰－9 火箭/载人龙飞船成功完成激励－4 飞行任务，将4 位普通民众送入轨道。 本次任务是首次无专业航天员参与的轨道飞行任务，开启了载人航天新的任务类型，使全平民、商业化的轨道太空旅游成为可能。未来，随着多型轨道飞行器、亚轨道飞行器投入商业服务，太空旅游有望进入快速发展期，成为世界载人航天的重要组成部分。

5.2 商业载人航天活动继续加速发展

以SpaceX 公司为代表的商业载人航天力量继续得到加速发展，已成为载人航天发展的新宠。4 月和10 月，SpaceX 公司利用猎鹰－9 火箭/载人龙飞船成功执行2 次商业乘员运输服务任务，将8 名航天员送入国际空间站，并首次使用复用的载人龙飞船和复用的猎鹰－9 火箭组合执行载人发射任务。 在完成一系列星船原型机亚轨道飞行(飞行高度为10 ～12.5 km)及软着陆试验之后，SpaceX 公司8 月将首艘轨道级星船和超重火箭完成集成组装，为2022 年超重－星船的首次轨道飞行试验打下良好的基础。 11 月，蓝源公司推出新格伦火箭一子级模拟试验件，将用于地面操作倒计时演练，帮助新格伦运载火箭于2022 年实现首飞。 电子公司也将推出新型的中子运载火箭，近地轨道运输能力将达到8.5吨，也可用于执行载人航天发射任务，将为载人航天发射增添新的力量。

5.3 商业公司承担更多深空探索系统研发工作

随着商业航天力量的不断成熟壮大，NASA越来越依靠商业航天力量来完成深空探索任务。其一是研制载人着陆系统。 2021 年4 月，NASA将载人着陆系统的研制工作授予SpaceX 公司，开发用于首次载人登月任务的载人月球着陆器，以帮助航天员从月球轨道到达月球表面并从月球表面返回。 7 月，NASA 还启动了未来月球着陆器研制的招标工作，寻求商业公司开发用于后续载人登月任务的月球着陆器。 其二是参与门户空间站的建设。 NASA 于7 月宣布由诺斯罗普·格鲁曼公司负责研制门户月球空间站的居住与后勤前哨舱段。 该舱段作为门户平台的首批舱段之一，主要用作访问乘员的居住舱及月球轨道设施的指挥所。 其三是执行深空运输任务。2 月，NASA 授予SpaceX 公司合同，将使用猎鹰重型运载火箭将门户空间站的前2 个舱段——动力与推进舱和居住与后勤前哨舱段发射至月球预定轨道。 4 月，太空机器人技术也选择猎鹰重型运载火箭发射格里芬月球着陆器，目标是在2023 年下半年将毒蛇号极地水资源探测车运送至月球南极。

6 深空探索

为推进未来的载人登陆火星及其他目的地，美国、俄罗斯2021 年加快了核推进技术的研发，以实现更快更安全地探索深空；以火星、小行星等为目标的无人深空探索的热度持续升温。

6.1 加快核推进技术研发

图5 载人着陆系统[70]Fig.5 Manned landing system[70]

核推进技术在促进载人探索火星、月球等方面具有巨大潜力，为加速核推进技术发展，美国国家科学院2 月发布研究报告称，核热推进和核电推进两项技术均能缩短火星探测飞行的时间，且核热推进更加成熟，建议NASA 加速该技术研发，以确保2039 年可用于载人火星探索。 7 月，NASA 与能源部合作，启动核热推进系统反应堆概念设计工作，以支撑其未来的深空探索。 俄罗斯于7 月在莫斯科航展上展出宙斯核动力飞船模型，该核飞船将于2030 年发射，前往木星执行探测任务。

6.2 无人深空探索持续发展

2021 年2 月，NASA 火星2020 探测任务下的毅力号漫游车成功降落到火星表面的杰泽罗环形山内，开启研究火星地质、搜寻生命存在迹象、验证利用二氧化碳制造氧气的能力，进行火星土壤的采样工作，还要对车上搭载的火星直升机进行飞行试验。 10 月，NASA 发射LUCY 小行星科学探测器，将开启为期12 年的探索任务，以访问特洛伊带的8 颗小行星，并将创造单个航天器访问小行星数目最多的纪录。 11 月，NASA 发射撞击小行星的DART 探测器，DART 将与双小行星系统的小卫星相撞，以改变其绕母星运行的轨道，验证通过撞击将对地球具有威胁的天体改变轨迹的概念。

图6 毅力号火星车降落火星[76]Fig.6 The rover YiLi landed on Mars[76]

7 结语

展望2022 年，世界载人航天发展将迎来新发展，美国的太空发射系统/猎户座飞船将实现首次航天发射，将为美国未来的载人登月奠定基础；SpaceX 公司的超重－星船将进行首次轨道级试飞，将推动在2024 年实现首次载人登陆火星和登陆月球；统一发射联盟的火神火箭、蓝源公司的新格伦火箭、俄罗斯的联盟5 火箭、日本的H-3 火箭和欧洲的阿里安6 火箭都将实现首飞，为载人航天发射提供更强大的发射工具。