宋國(guó)梁(北京空間科技信息研究所)
2021年,國(guó)外載人航天領(lǐng)域共開(kāi)展16次發(fā)射任務(wù),其中包括6次載人飛船發(fā)射任務(wù)、8次貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)、2次空間站艙段發(fā)射任務(wù)。美國(guó)“載人龍”(Crew Dragon)飛船開(kāi)展3次任務(wù),“貨運(yùn)龍”(Cargo Dragon)飛船開(kāi)展3次任務(wù),“天鵝座”(Cygnus)飛船開(kāi)展2次貨運(yùn)任務(wù);俄羅斯“聯(lián)盟MS”(Soyuz MS)飛船執(zhí)行3次載人任務(wù),“進(jìn)步MS”(Progress MS)飛船執(zhí)行3次貨運(yùn)任務(wù),“進(jìn)步M—UM”執(zhí)行1次空間站艙段運(yùn)送任務(wù),質(zhì)子—M(Proton—M)運(yùn)載火箭執(zhí)行1次空間站艙段發(fā)射任務(wù)。另外,太空船二號(hào)(SpaceShipTwo)、“新謝潑德”(New Shepard)系統(tǒng)在2021年執(zhí)行亞軌道飛行任務(wù)5次。
2021年,載人航天繼續(xù)快速發(fā)展。美國(guó)“貨運(yùn)龍”飛船完成重復(fù)使用并創(chuàng)下飛船新的復(fù)用周轉(zhuǎn)紀(jì)錄,“載人龍”飛船實(shí)現(xiàn)世界首次載人飛船重復(fù)使用;NASA為確保在近地空間站不出現(xiàn)能力斷檔風(fēng)險(xiǎn),努力將“國(guó)際空間站”(ISS)延壽至2030年并促進(jìn)商業(yè)空間站建設(shè);放棄激進(jìn)的登月時(shí)間表,繼續(xù)推進(jìn)“阿爾忒彌斯”(Artemis)計(jì)劃的實(shí)施,擴(kuò)展新的合作伙伴。俄羅斯成功發(fā)射科學(xué)號(hào)(Nauka)多功能實(shí)驗(yàn)艙和停泊號(hào)(Prichal)節(jié)點(diǎn)艙,完成“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段擴(kuò)建,大幅提升其在軌應(yīng)用能力;繼續(xù)推進(jìn)“雄鷹”(Orel)等新一代載人飛船研制工作,目標(biāo)在2030年前后完成載人登月。除政府載人航天任務(wù)外,“星艦”(Starship)系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)工作持續(xù)推進(jìn),商業(yè)軌道和亞軌道旅游實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。
太空探索技術(shù)公司(SpaceX)于2021年4月23日利用獵鷹—9(Falcon—9)運(yùn)載火箭成功發(fā)射“載人龍”飛船,執(zhí)行第2次“國(guó)際空間站”業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù),實(shí)現(xiàn)世界首次載人飛船復(fù)用,以及首次復(fù)用火箭和復(fù)用飛船的組合發(fā)射。執(zhí)行本次任務(wù)的“載人龍”飛船是執(zhí)行過(guò)演示—2(Demo—2)載人飛行試驗(yàn)任務(wù)的奮進(jìn)號(hào)(Endeavour)飛船。SpaceX公司與美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)工作人員合作,花費(fèi)數(shù)月對(duì)飛船進(jìn)行翻修,用以執(zhí)行本次飛行任務(wù)。為確保乘員安全,通常情況下“載人龍”飛船的翻修需要對(duì)艙內(nèi)的部分閥門、熱防護(hù)系統(tǒng)組件、降落傘系統(tǒng)等進(jìn)行替換。此次翻修過(guò)程中,SpaceX公司還對(duì)飛船進(jìn)行了其他重要改進(jìn),使飛船具有更寬松的發(fā)射和著陸氣象條件準(zhǔn)則。其中一項(xiàng)是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),使飛船能夠在更大風(fēng)速和浪高情況下返回并濺落,擴(kuò)大著陸窗口;另一項(xiàng)重要改進(jìn)是增加逃逸系統(tǒng)推進(jìn)劑的加注量,提升飛船的發(fā)射中止性能,降低發(fā)射限制,使飛船在地面風(fēng)速較強(qiáng)的情況下也可以發(fā)射。
SpaceX公司于8月29日首次復(fù)用升級(jí)的“貨運(yùn)龍”飛船完成第二階段商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)(CRS)合同的第3次任務(wù),復(fù)用代號(hào)為C208的“貨運(yùn)龍”飛船。該飛船曾在2020年12月首次執(zhí)行“國(guó)際空間站”任務(wù),在軌飛行近40天后于2021年1月14日安全從軌道返回地球。C208飛船在不到8個(gè)月后再次發(fā)射入軌,創(chuàng)下“龍”飛船新的周轉(zhuǎn)時(shí)間紀(jì)錄,凸顯了該升級(jí)型飛船重復(fù)使用性的顯著提高。
“載人龍”飛船(左)、“貨運(yùn)龍”飛船(右)(來(lái)源:SpaceX)
2021年7月21日,質(zhì)子—M火箭成功將科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙送入預(yù)定軌道??茖W(xué)號(hào)主要由儀器加壓艙和球形加壓適配器組成,在軌質(zhì)量20350kg,長(zhǎng)13.12m,最大直徑4.25m,加壓艙體積70m,太陽(yáng)電池陣面積56m,太陽(yáng)能翼展24m,供電功率2.5kW??茖W(xué)號(hào)作為“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段部分最大艙段,包含應(yīng)用、生保、推進(jìn)、飛控、熱控等多個(gè)分系統(tǒng),相互配合支持其在軌穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)艙共設(shè)有33個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)通用工位,計(jì)劃在軌開(kāi)展13類科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
2021年11月24日,停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙由進(jìn)步M飛船送往“國(guó)際空間站”。停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙為帶有6個(gè)對(duì)接口的加壓球形艙段,質(zhì)量為4650kg,長(zhǎng)4.91m,直徑3.3m,內(nèi)部加壓空間19m,設(shè)計(jì)壽命超過(guò)30年。在6個(gè)對(duì)接口中,1個(gè)為主動(dòng)對(duì)接口(天頂方向),用于與“國(guó)際空間站”科學(xué)號(hào)對(duì)接,另5個(gè)為被動(dòng)對(duì)接口,用于支持其他飛船、艙段等對(duì)接。
隨著科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙、停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙的部署,“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段的能力大幅提升。在任務(wù)能力方面,一是航天員支持能力增強(qiáng),科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙為俄羅斯航天員增設(shè)了第3個(gè)鋪位、第2個(gè)衛(wèi)生間,此前由于缺乏工作和居住空間,俄羅斯若有3名航天員同時(shí)在軌則需要在美國(guó)艙段借宿,2017年俄羅斯將在軌航天員數(shù)量從3人減至2人,科學(xué)號(hào)成功部署后極大改善了航天員在軌生活與工作條件。二是對(duì)接能力增強(qiáng),為了支持“聯(lián)盟”“進(jìn)步”飛船對(duì)接,滿足任務(wù)重疊期間的對(duì)接需求,“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段保持有4個(gè)對(duì)接口可用,停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙部署后,俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接/停泊口數(shù)量增加至8個(gè),能夠進(jìn)一步提升未來(lái)任務(wù)的靈活性。
“國(guó)際空間站”經(jīng)歷2次延壽,目前計(jì)劃持續(xù)運(yùn)營(yíng)至2024年。美國(guó)國(guó)會(huì)、NASA等均有意支持“國(guó)際空間站”延壽,拜登政府也在2021年承諾將“國(guó)際空間站”運(yùn)行延長(zhǎng)至2030年。
此外,美俄均已著眼后“國(guó)際空間站”時(shí)代,開(kāi)展提前研究和布局,確保近地軌道載人航天能力不出現(xiàn)斷檔。NASA在2021年3月通過(guò)“商業(yè)近地軌道目的地”(CLD)項(xiàng)目,于12月2日以航天法案協(xié)議方式,向藍(lán)源公司(Blue Origin)、納米架公司(Nanoracks)、諾格公司(NG)提供了總計(jì)4.156億美元的資金,支持商業(yè)空間站的發(fā)展,促使商業(yè)空間站在2030年接替“國(guó)際空間站”運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)由美國(guó)持續(xù)主導(dǎo)、穩(wěn)健發(fā)展的近地軌道商業(yè)經(jīng)濟(jì)。與此同時(shí),俄羅斯提出在“國(guó)際空間站”退役后,構(gòu)建獨(dú)立的俄羅斯軌道服務(wù)站(ROSS)。俄羅斯新空間站的建設(shè)分兩個(gè)階段進(jìn)行,第一階段將于2025~2030年發(fā)射核心艙、科學(xué)能源艙、節(jié)點(diǎn)艙和氣閘艙4個(gè)艙段;第二階段預(yù)計(jì)在2030~2035年為空間站補(bǔ)充空間有效載荷、實(shí)驗(yàn)艙及航天器維護(hù)平臺(tái),將艙段數(shù)量增加到6個(gè),所有艙段容積大約667m。同時(shí),空間站的外部工作點(diǎn)達(dá)到48個(gè),除了開(kāi)展近地軌道載人航天活動(dòng)外,還能夠支持載人月球和深空探測(cè)。
2021年11月9日,NASA正式宣布將登月時(shí)間推遲到最早2025年。NASA提到了以下幾點(diǎn)原因:藍(lán)源公司對(duì)該局選擇SpaceX作為“載人著陸系統(tǒng)”(HLS)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的訴訟;國(guó)會(huì)沒(méi)有為載人著陸系統(tǒng)撥出足夠的資金;新航天服無(wú)法在2024年登月前完成研發(fā)。11月13日,NASA總監(jiān)察長(zhǎng)辦公室公布審計(jì)報(bào)告,認(rèn)為2025年的登月目標(biāo)是不現(xiàn)實(shí)的,要想把航天員送上月球,必須解決包括航天服和著陸系統(tǒng)研制進(jìn)度、資金短缺以及疫情考驗(yàn)等問(wèn)題,預(yù)計(jì)要到2028年才能完成登月。
《阿爾忒彌斯協(xié)定》成員(來(lái)源:NASA)
美國(guó)繼續(xù)推進(jìn)“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)、“獵戶座”飛船(Orion)的研發(fā),發(fā)展商業(yè)合作,研發(fā)“載人著陸系統(tǒng)”和“門戶”月球空間站(Lunar Gateway),進(jìn)行前沿科學(xué)和技術(shù)研究,促進(jìn)商業(yè)航天的健康發(fā)展。2021年共有韓國(guó)、新西蘭、巴西、波蘭和墨西哥5個(gè)國(guó)家同美國(guó)簽署了《阿爾忒彌斯協(xié)定》(Artemis Accords),這些參與國(guó)在加入?yún)f(xié)定后,將進(jìn)一步擴(kuò)大同美國(guó)在太空領(lǐng)域的合作,今后將參與“阿爾忒彌斯”計(jì)劃及其后續(xù)計(jì)劃。例如,韓國(guó)正與NASA合作研發(fā)韓國(guó)探月衛(wèi)星,將于2022年8月發(fā)射升空,上面搭載了NASA設(shè)計(jì)的陰影攝像頭,將為“阿爾忒彌斯”計(jì)劃探索著陸候選地點(diǎn)。美國(guó)主導(dǎo)的《阿爾忒彌斯協(xié)定》單邊制定了人類太空行為規(guī)范,為美國(guó)在未來(lái)國(guó)際空間立法中獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì);協(xié)定提出的原則并不明確,為參與國(guó)家未來(lái)的太空探索活動(dòng)留有很大操作空間;協(xié)定中提出“安全區(qū)”概念,試圖在月表特定區(qū)域內(nèi)確立政府航天管理機(jī)構(gòu)開(kāi)展活動(dòng)和商業(yè)公司享有資源的排他性權(quán)利;構(gòu)建國(guó)際太空探索標(biāo)準(zhǔn)壟斷與準(zhǔn)入限制,確保美國(guó)的太空領(lǐng)先地位。
在載人登月領(lǐng)域,2021年,俄羅斯由于葉尼塞號(hào)(Yenisei)火箭技術(shù)參數(shù)暫未確定,火箭研制工作暫停。鑒于此種情況,俄羅斯首次載人登月將計(jì)劃采用安加拉(Angara)火箭/“小鷹”飛船+空間拖船的技術(shù)實(shí)施方案。
俄羅斯“雄鷹”載人飛船主要用于月球探測(cè)任務(wù),并能夠完成低地球軌道(LEO)空間站的技術(shù)維護(hù),自主開(kāi)展空間實(shí)驗(yàn)和研究。飛船發(fā)射質(zhì)量為20t,在短期向月飛行時(shí),飛船可重復(fù)使用10次;在與近月軌道站對(duì)接進(jìn)行長(zhǎng)期飛行時(shí),飛船可重復(fù)使用不少于3次。“雄鷹”飛船最多可搭載4人,可在軌自主飛行近30天,也可??吭诳臻g站上在軌駐留近1年的時(shí)間。俄羅斯“雄鷹”飛船在2021年進(jìn)行了單個(gè)結(jié)構(gòu)元件、儀器和組件的制造和測(cè)試工作。俄羅斯計(jì)劃于2023年完成“雄鷹”飛船首飛,2025年利用“雄鷹”飛船完成載人飛行,2029年利用“雄鷹”飛船完成載人繞月飛行,并在此基礎(chǔ)上完成輕便型“小鷹”飛船首飛,2030年搭載俄羅斯航天員登上月球。
“雄鷹”飛船(來(lái)源:俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán))
2021年,SpaceX公司快速推進(jìn)“星艦”系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)工作,包括星艦SN9/10/11/15等,主要用于開(kāi)展高空飛行試驗(yàn)?!靶桥灐毕到y(tǒng)于2021年5月5日實(shí)現(xiàn)10km跳躍飛行,并獲得NASA商業(yè)載人月球著陸器研制合同。盡管在藍(lán)源公司等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的抗議下,NASA暫停了商業(yè)月球著陸器合同,但最終SpaceX公司于11月最終贏下了合同,成為中標(biāo)載人月球著陸器研制與驗(yàn)證合同的唯一研制商。
在經(jīng)歷了星艦SN9/10/11爆炸之后,SpaceX公司對(duì)星艦SN15進(jìn)行了重大技術(shù)升級(jí),采用了新的技術(shù)狀態(tài),在結(jié)構(gòu)、電子、軟件、發(fā)動(dòng)機(jī)等方面進(jìn)行了數(shù)百項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn),提升生產(chǎn)效率和飛行性能。為此,SpaceX公司決定不再繼續(xù)建造星艦SN12/13/14。2021年4月26日,星艦SN15完成了靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)。2021年5月5日,星艦SN15開(kāi)展第5次高空飛行試驗(yàn),并首次取得成功。試驗(yàn)持續(xù)約6min,星艦SN15從博卡奇卡試驗(yàn)場(chǎng)升空,飛行至10km最大高度后,以橫臥姿態(tài)下降,接近地面后轉(zhuǎn)為垂直姿態(tài)著陸在發(fā)射場(chǎng)。
后續(xù),SpaceX公司計(jì)劃繼續(xù)推進(jìn)“星艦”的研制和試驗(yàn)工作,包括對(duì)星艦SN20進(jìn)行重大技術(shù)升級(jí),開(kāi)展軌道飛行試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)25馬赫再入和著陸。SpaceX公司計(jì)劃在2022年利用“星艦”進(jìn)入近地軌道,在2023年飛往月球,2024年無(wú)人飛往火星,2026年載人飛往火星。
隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展成熟,商業(yè)航天迅猛發(fā)展,亞軌道、軌道飛行也從早期的試驗(yàn)性質(zhì)逐步向商業(yè)性質(zhì)發(fā)展。2021年7月,維珍銀河公司(Virgin Galactic)和藍(lán)源公司分別利用太空船二號(hào)、“新謝潑德”系統(tǒng)成功完成載人亞軌道飛行;9月,SpaceX公司利用“載人龍”飛船成功開(kāi)展首次無(wú)專業(yè)航天員參與的軌道旅游任務(wù);12月,太空探險(xiǎn)公司(Space Adventures)時(shí)隔12年再次利用“聯(lián)盟”飛船將兩名太空游客送達(dá)“國(guó)際空間站”。
近地軌道載人航天活動(dòng)當(dāng)前仍主要面向政府用戶,而亞軌道旅游則是直接面向公眾客戶,其競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。目前,軌道/亞軌道太空旅游價(jià)格仍較為高昂。除了價(jià)格外,優(yōu)化服務(wù)和體驗(yàn)也是重要的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn),藍(lán)源公司“新謝潑德”系統(tǒng)通過(guò)超大舷窗、有人參與的實(shí)驗(yàn)等亮點(diǎn)吸引用戶,太空船二號(hào)以空天結(jié)合的飛行體驗(yàn)作為自身特色。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中,不斷創(chuàng)新發(fā)展模式、優(yōu)化服務(wù)已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向。隨著太空船二號(hào)、“新謝潑德”系統(tǒng)、“載人龍”、“聯(lián)盟”飛船等多型系統(tǒng)投入常態(tài)化商業(yè)旅游服務(wù)并成為世界載人航天的重要組成部分,太空旅游業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。太空旅游將為推動(dòng)載人航天可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)太空經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)作出重要貢獻(xiàn)。
2021年,世界載人航天取得了快速發(fā)展。近地軌道方面,“載人龍”飛船、“貨運(yùn)龍”飛船等新型載人航天器成功重復(fù)使用,“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段完成擴(kuò)展,近地軌道載人航天能力得到加強(qiáng)。載人月球探測(cè)方面,美國(guó)載人登月計(jì)劃推遲,利用商業(yè)公司與國(guó)際合作伙伴推動(dòng)各系統(tǒng)研制進(jìn)度,俄羅斯明確新的載人登月實(shí)施方案,加快對(duì)“雄鷹”載人飛船的研制工作。載人航天新系統(tǒng)和模式方面,SpaceX公司對(duì)“星艦”系統(tǒng)進(jìn)行多次高空飛行試驗(yàn),快速推進(jìn)系統(tǒng)研制工作,多家商業(yè)航天公司積極參與軌道/亞軌道太空旅游項(xiàng)目,太空旅游業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展新時(shí)期。整體而言,主要航天國(guó)家均積極謀劃,推動(dòng)載人航天活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展,并邁向更遠(yuǎn)的深空。