2013年国外载人航天发展综合分析

廖小刚，王岩松，张 峰，程绍驰，刘 爽，张智慧

(中国国防科技信息中心，北京100142)

1 引言

2013年，国外主要航天国家以审慎务实的态度持续推进载人航天发展，各国更加注重关键基础技术研发和推动商业航天发展，深空探索活动持续升温，空间科学研究和技术验证取得丰硕成果，将有利于进一步推动载人航天长远发展目标的实现。

2 美、俄完善顶层设计，引入竞争机制，务实发展载人航天

2013年，国外主要航天国家以审慎务实的态度积极调整载人航天发展策略，加速推进载人航天技术研发计划进程，确保载人航天持续健康发展。

2.1 美国谋求创新技术驱动整体能力跃升

2011-2012年，美国制定了载人航天技术路线图及优先发展方向，为完善载人航天技术体系，2013年，美国制定了《NASA空间技术战略投资规划》(SSTIP)［1］，用于指导对完成 NASA 任务、实现国家目标至关重要的各优先级技术的投资，为NASA未来4年计划投资、20年内要发展的空间技术提供重点投资方法。根据该规划，NASA未来的技术投资重点集中在能够快速推进关键能力建设的技术开发活动上，这些技术创新性强，能够对未来载人探索活动带来革命性改变。NASA制定了完善的技术发展规划，开创了全新的技术发展理念，对重塑NASA的技术优势，实现美国持续、高效、低成本地探索“月球以远”空间产生不可估量的作用。

2013年，以空间探索技术(SpaceX)公司和轨道科学公司为代表的国际空间站商业货运任务的成功，标志着美国商业航天能力已趋于成熟［2］。2013年11月，美国政府公布的《空间运输政策》也再次强调，积极引导商业公司进入航天发射领域，将技术较为成熟的近地轨道运输交给商业公司承担，此举引入了航天竞争机制、打破了航天运输的垄断、降低了航天运输的成本，不仅能够使NASA摆脱对俄罗斯的依赖，而且为NASA可以集中资金和精力发展前沿探索技术、全面投入载人深空探索奠定了基础。

2.2 俄罗斯强调提升整体航天水平巩固大国地位

俄罗斯延用了以往渐进式发展目标牵引能力提升的做法，按照2015年、2020年和2030年的阶段目标，规划其载人航天能力发展进程。2013年，俄罗斯公布的《2030年前及未来俄联邦航天活动领域国家政策原则的基本规定》(简称《政策原则》)是普京总统再次入主克里姆林宫后对俄航天长远发展的战略谋划，旨在加大航天投资规模，加快航天工业体制改革，确保航天发展优势地位，为俄经济社会快速发展提供重要支撑。《政策原则》依据俄罗斯目前国情突出发展重点，同时采用更加务实的载人航天发展方式，对近年来提出的一些研发思路进行了调整，终止了诸如“快船”载人飞船、“罗斯”载人运载火箭的研发设想，对各个阶段目标的重点任务与实施措施也做出妥善安排，有助于国家载人航天能力的稳步提升。

持续推进航天工业体制改革，夯实载人航天可持续发展的基础。2013年9月，俄罗斯公布改革方案［3］，通过组建新的“联合火箭-航天集团”(ORKK)来整合原合同工业企业，保留俄罗斯联邦航天局。俄罗斯希望通过改革，引入竞争，提高企业的生产效率和质量，同时吸引私营业主的资金，从而扭转航天业近年事故频发的颓势，重振昔日航天大国雄风。

3 载人航天活动成效斐然，重要系统研制稳步推进

2013年针对国际空间站共进行了12次飞船发射，其中俄罗斯发射了4艘货运飞船，4艘载人飞船，美国发射了2艘货运飞船，欧洲和日本各进行了1次货运飞船发射。美国的2次货运飞船任务均由商业公司承担，表明NASA于2005年开始推进的商业乘员与货物运输计划(C3P)初见成效。此外，美俄两国还在积极发展用于未来深空探索的新型航天运输系统，航天员系统研究也成果丰硕。

3.1 商业轨道运输系统经过飞行验证

大力推进商业航天发射能力建设，使其能够安全、可靠地完成近地轨道发射任务，是NASA载人航天发展战略的关键一环。得益于政府的技术支持，以及美国航天工业的高技术水平和完善的产业链，美国商业航天发射能力进展迅速。继SpaceX公司2012年10月开启国际空间站商业运输时代，2013年3月完成第二次货运补给任务，轨道科学公司也于2013年4月进行了“安塔瑞斯”火箭/“天鹅座”飞船运输系统的首次飞行测试，9月进行了与国际空间站的验证飞行。SpaceX公司还在积极推进可重复使用运载火箭的研制，10月进行了“蚱蜢”试验火箭的第八次飞行，在飞行高度达到744米后，通过发动机反向推进的方式垂直降落在发射台。SpaceX公司还计划在未来的“猎鹰”9火箭发射任务中验证可重复使用技术。2013年11月13日，NASA局长博尔登宣布“商业轨道运输服务”(COTS)项目取得成功，并将加紧推进商业载人航天发射能力建设。11月21日，美国总统奥巴马签署的新版《国家空间运输政策》强调，确保进入空间“越来越多地依赖于为美国政府和商业应用提供空间运输服务和能力的美国私营企业”。可以预见，商业航天在近地轨道运输中的作用将愈加重要。

3.2 积极推进重型运载火箭研发

重型运载火箭是实现未来深空探索战略的关键，也承载着各国争取航天领域国际地位的重任，因此重型运载火箭发展受到主要航天国家的高度重视。美国在遭受预算紧缩、政府停摆的情况下，国会依然给予新型航天发射系统(SLS)项目充足的资金支持，研制计划稳步推进。3月，使用3D打印技术制造的火箭上面级发动机部件通过了点火测试;8月，NASA宣布SLS通过了初步设计评审;11月，NASA使用一架F/A-18飞机完成了新型重型运载火箭自主飞行控制系统的首次鉴定试验。这是NASA首次设计用于火箭自主适应飞行状况的控制系统，有利于增强火箭性能并提高载人航天的安全性。俄罗斯则在4月总统签署的《政策原则》中明确提出要在2020年前研制用于发射新一代载人飞船、空间站舱段和航天器的重型火箭，2030年前研制载重能力超过50吨的超重型运载火箭，2030年后第一级可重复使用的火箭投入使用，运载火箭的载重能力将达到130～180吨。长远来看，性能先进、技术复杂的新型重型运载火箭将成为国外主要航天国家争夺载人航天领导地位的制高点，是航天大国政府在载人航天领域发展的一个重点［4］。

3.3 新型飞船研制向深空探索方向拓展

2013年，NASA继续推进用于深空载人探索“猎户座”多用途乘员飞行器(MPCV)的研制工作，开展了降落伞故障着陆试验、模拟太空静态荷载测试、第一次模拟回收测试、整流罩分离测试等系列试验，为2014年9月首次开展“猎户座”探索飞行试验(EFT-1)奠定基础。另外，10月底，MPCV首次通电启动，这是“探索飞行试验-1”(EFT-1)任务准备工作中的一项重要里程碑。但同时，由于质量超重及设计等问题，欧洲航天局(ESA)为“猎户座”研制的推进舱进度推迟，初步设计评审两次推迟，将不早于2014年5月完成，与MPCV的首次联合飞行试验将在2017年进行。俄罗斯继续推进其可进行星际飞行的新型载人飞船研制。8月完成了新一代载人运输系统的技术方案鉴定，认可其飞船技术方案。俄新一代载人运输系统的主要任务是执行月球飞行任务，同时也能执行近地轨道空间站的飞行任务，以及以开展航天试验和研究为目的的自主飞行。发射质量为20吨，机组人员数量为4人，自主载人飞行持续时间可达10昼夜。俄新型飞船研制得到政府部门大力支持，俄航天局在2016年前将为此拨款95.363亿卢布。研制具备深空探索能力的新型载人飞船将是近期美、俄航天机构的一项重要任务。

3.4 航天员系统研究成果显著

2013年，美公开选拔的新一批航天员开始参加训练，完成航天员的新老更替。6月NASA公布的新一批8名航天员中有4名女性，这是NASA载人航天活动中性别平等的一次飞跃。俄罗斯新入选的8名预备航天员及5名试验航天员已经开始参加生物医学培训。国际空间站航天员未来为期一年的飞行为人体健康研究提供了更多机会，同时也对航天员健康保障提出更高要求。为此美、俄联合开展了“功能任务测试”，并在9月针对3名在轨166天的航天员进行了首次测试。此外，空间飞行对航天员免疫系统、视力和骨质的影响等一批长期试验也取得了新的成果。NASA配有先进便携式生命保障系统的新一代Z-2型舱外航天服研制进展顺利，该航天服将用于月球表面行走及载人登陆火星任务。日本航空航天探索局(JAXA)也于1月宣布，准备研制国产航天服，预计2-3年内研发出样衣。NASA组织的水下空间环境模拟任务、由欧洲航天局组织的“洞穴”任务为航天员在极端环境下通过团队合作顺利完成任务积累了经验。经过多年的发展，航天员系统的研究效果开始集中显现，并且朝着执行长期在轨飞行任务方向发展，而多国航天员参与的团队合作将是未来载人空间探索的重要方式。

4 国际空间站科学研究硕果累累，探索未来关键技术成为应用重点

2013年是国际空间站建站15周年，各参与国就15年来的科研活动展开了广泛讨论，梳理出一系列阶段性与标志性成果。随着近地轨道载人探索技术的不断成熟，为未来深空探索验证关键技术已成为国际空间站应用阶段的发展重点。

4.1 科研活动取得多项阶段性成果

NASA国际空间站计划首席科学家朱莉·罗宾逊在9月召开的第64届国际宇航联大会上公布了国际空间站十大科学成就:第一名为化疗药物新型靶向输送方法用于乳腺癌临床试验;第二名为机器人协助脑部手术;第三名为“阿尔法”磁谱仪实验在暗物质观测方面取得进展;第四名为4300万名学生参与国际空间站应用与研究活动;第五名为细菌、病原体趋向高致命性的途径;第六名为发现“冷焰”燃烧新现象;第七名为利用电场下胶体组装制造纳米材料;第八名为沿海海洋超光谱成像仪用于海岸成像和海洋保护;第九名为理解骨质疏松症的机理及开发新的治疗药物;第十名为通过饮食和锻炼预防在空间中骨质流失的发生。

6月，NASA发布最新一期《国际空间站应用统计信息》显示，自1998年12月至2013年3月，国际空间站共开展了1502项研究，涉及人体研究、生物与生物技术、物理科学、技术验证、地球与空间科学以及教育活动6大领域;各项科学研究的首席科学家及其合作研究者共计1667名，参与开展研究的国家达69个;总上行质量为48835.3千克，下行质量为11320.0千克，乘员参与时间达19623.2小时。国际空间站科学研究所取得的科学发现同样硕果累累，有747篇期刊文章和189篇会议文章被发表，期刊中不乏《自然》、《美国国家科学院院刊》、《物理评论快报》等顶级刊物［5］。

4.2 技术验证取得多项新突破

2013年，国际空间站上开展的技术验证取得的新突破主要包括:NASA与加拿大航天局完成“机器人燃料加注任务”(RRM)第一阶段试验，成功演示剪切锁线、移除安全锁紧设备、切割隔热毯、连接喷嘴、开启阀门、传输模拟燃料等一系列操作，为卫星在轨服务技术和空间机器人技术发展验证关键技术;俄罗斯完成空间激光通信技术第一阶段演示验证试验，在国际空间站上首次进行了最大传输速率为622兆比特/秒的下行激光通信，对开发空间站通信甚至深空通信新模式具有重要的借鉴意义;NASA首次开展国际空间站遥控地面机器人试验，测试遥控月球、火星和小行星上机器人所需关键技术;NASA利用“谐振电感近场生成系统”(RINGS)首次演示验证电磁航天器编队飞行和无线能量传输两项创新技术，为发展航天器小型化、模块化和编队飞行提供技术支撑［9］。

随着国际空间站进入全面应用阶段，以支持未来空间探索任务为目的的试验验证活动，在规模、参与时间和复杂程度等方面都有了大幅度的提升。同时，2013年国际空间站上的技术验证活动主要集中在推进、通信、测控和机械臂等领域，都是将空间探索活动从近地轨道拓展至月球、小行星、火星及更远地区必须要创新的关键技术。由此可见，技术试验已成为国际空间站运营的一个重要领域，为深空探索演示验证关键技术已成为主攻方向。

5 深空探测活动持续升温，火星成为竞相追逐的目标

随着科学技术的不断发展和创新，人类的轨迹已向更远更深宇宙空间延伸。2013年，NASA宣布“旅行者1号”探测器飞出太阳系，取得了科学编年史上最重要的技术成就，开启了人类星际探索之路;ESA“2015-2025宇宙愿景首个大型任务”—“木星探测器”的研制稳步推进［7］;JAXA发射了世界上首个从环地球轨道观测金星、火星、木星的空间望远镜。月球、火星依然是各主要航天国家竞相探索的热点［8］。

5.1 月球探测活动日益频繁

月球是距离地球最近的天体，其独特的空间位置、空间环境和自然资源，都成为人类拓展与开发利用的理想场所和前哨，同时也是航天技术验证的重要平台。

2013年9月，美国“月球大气与粉尘环境探测器”(LADEE)成功发射升空，10月进入月球轨道后，利用携带载荷进行了NASA首次利用激光作为载波的双向月地通信试验，同时LADEE对月球大气与粉尘进行了分析;2013年3月，俄罗斯科学院公布了探月计划，俄罗斯将在2015年—2020年发射5颗月球探测器，之后将建立月球基地，作为未来人类深空探索的前哨;2013年1月，印度宣布将独立开展“月球航行”2项目，放弃此前与俄罗斯的合作，独立设计并建造月球着陆器和漫游车［6］;此外，欧洲、日本积极寻求国际合作开展对月探测。月球探索成为人类通往更遥远空间的重要一步。

5.2 火星/小行星探测成为热点

火星被认为是目前已知的与地球性质最为接近的行星，长期以来被视为人类探索的重要目的地。通过开展载人火星探索，不仅可以研究人类在地外星球生活的可能性，同时验证了深空探索关键技术，为人类向着更远目标迈进奠定基础。

2013年，美国“好奇”号火星漫游车对火星岩石、土壤、大气进行了详细的探测研究并取得了卓越的技术成就。此外，NASA制定了“2020火星规划”，根据“火星2020”任务将采集火星岩石和土壤样本并带回地球进行分析，以解决未来人类移居火星所面临的重大疑问。尽管受到预算资金的压力，NASA依旧希望推进其小行星捕获计划，计划在2025年捕获一颗小行星并将其拖拽至月球附近，实现载人登陆小行星并开展研究;2013年3月，ESA与俄罗斯联邦航天局签署了“火星生物学”项目的合作协议，将在2016年和2018年执行两次任务，对火星大气和地质情况进行研究。日本在新的5年发展规划中指出，将继续支持“隼鸟”小行星采样返回任务;印度发射了第一颗火星探测器—“曼加里安”，成为第七个执行火星计划的国家。

6 结语

2013年，国外主要航天国家按照其战略目标持续推进载人航天活动，依据本国国情制定发展规划，注重创新基础技术研发，推进商业航天发展，新型空间运输系统的研制成为主要国家争夺的制高点。各领域研究取得丰硕成果，将为实现载人航天长远发展目标奠定坚实的基础。

［1］NASA.2013 Year in Review［EB/OL］.2013［2014］.http://www.nasa.gov/externalflash/YIR13/index.html

［2］王岩松.2013年 NASA主要成就回顾［EB/OL］.2013［2014］.http://www.cmse.gov.cn/news/list.php?catid=7

［3］俄罗斯公布航天改革案.［EB/OL］2013［2014］http://radiovr.com.cn/science/

［4］侯丹.美国太空发射系统(SLS)设计通过NASA评审.［EB/OL］.2013［2014］.http://www.space.cetin.net.cn/index.asp?modelname=new%5Fspace%2Fnews%5Fgjht%5Fgd＆titleno=XWEN0000

［5］JoshuaBuck.［EB/OL］.2013［2014］.http://www.nasa.gov/press/2013/september/international-partnership-releasesspace-exploration-benefits-paper/#.UsVymHmS2Uk

［6］Mars Orbiter Mission［EB/OL］.2013［2014］.http://www.isro.org/

［7］JUICE is Europe＇s next large science mission.［EB/OL］.2013［2014］.http://www.esa.int/Our_Activities/Space_News

［8］刘爽.俄罗斯制定新探月计划.［EB/OL］.http://www.cmse.gov.cn/news/type.php?catid=7＆typeid=13

［9］FrankMorring.ISS Crew To Test Electromagnetic Station-Keeping［EB/OL］.2013［2014］.http://www.aviationweek.com/Article.aspx?id=/article-xml/asd_10_21_2013_p01-02-628403.xml