来源:中国载人航天微信公众号 发布时间:2023/2/23 11:06:29
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2022年国外载人航天发展综述

 

2022年,国外载人航天领域共开展14次发射任务,其中包括7次载人飞船发射任务、7次货运飞船发射任务。美国“载人龙”(Crew Dragon)飞船开展3次载人任务,“货运龙”(Cargo Dragon)飞船开展2次货运任务,“天鹅座”(Cygnus)飞船开展2次货运任务,“星际客船”(Starliner)开展1次无人轨道飞行任务,“猎户座”(Orion)飞船开展1次无人绕月飞行任务;俄罗斯联盟-MS(Soyuz-MS)飞船执行2次载人任务,进步-MS(Progress-MS)飞船执行3次货运任务。另外,“新谢泼德”(New Shepard)系统在2022年执行亚轨道飞行任务4次,失败一次。

2022年,载人航天继续快速发展。美国“星际客船”第二次无人轨道飞行试验成功,“追梦者”(Dream Chaser)太空飞机完成组装,即将迎来首飞,美国载人和货物运输能力有望进一步提升;美国正式授权“国际空间站”(ISS)延寿至2030年,对空间站后续退役离轨做出规划;开展“国际空间站”首次私人航天员任务,持续推动近地轨道商业化进程;“阿尔忒弥斯”(Artemis)计划取得突破性进展,美国迈出重返月球第一步。俄罗斯宣布退出“国际空间站”项目,围绕“国际空间站”后续合作存在不确定性;新一代载人飞船和重型运载火箭研发进度滞后,2030年前后完成载人登月存在风险。此外,联盟-MS载人飞船、“天鹅座”货运飞船和“新谢泼德”系统等成熟或表现优异的运输系统出现异常故障,再次凸显载人航天事业的高风险属性,以及安全性和可靠性在载人航天领域的重要地位。

近地轨道载人航天活动

多型载人与货运飞船持续发展

近地轨道运输能力不断增强

2022年5月20日,波音公司(Boeing)研制的“星际客船”搭乘宇宙神-5运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地第41发射台成功发射并进入预定轨道。本次任务是“星际客船”第二次无人飞行试验,是在2019年底首飞异常、经过两年半的整改后实施的首次任务。“星际客船”第二次无人飞行试验任务持续6天,旨在通过全流程飞行,获取火箭、飞船和地面系统以及在轨、对接和着陆操作等环节的性能参数,支持美国国家航空航天局(NASA)对波音公司载人航天运输系统的认证。

根据计划,“星际客船”将于2023年投入正式服务,每次正式任务可搭载携带4~5名航天员,除4名NASA资助的航天员外,还可包括1名太空游客。NASA估算,刨除研发费用后,“星际客船”每个座位的平均估价为9000万美元。美国商业乘员计划目前支持了“载人龙”飞船和“星际客船”两型飞船。“载人龙”飞船已开始提供正式服务,随着“星际客船”开展第二次无人飞行试验,美国不久后将有两型载人飞船提供“国际空间站”乘员运输服务。“星际客船”相比上一代载人飞船,采用了大量创新技术和创新设计思路,实现了更加强大的功能和能力,美国载人航天运输能力有望进一步提升。

此外,由内华达山脉航天公司(Sierra Nevada)负责研制的“追梦者”太空飞机在其科罗拉多州总部组装完成,首艘的“追梦者”太空飞机命名为“韧坚”(Tenacity),后续将运往NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行为期数月的热真空试验,然后运至肯尼迪航天中心进行与“火神”(Vulcan Centaur)运载火箭的对接组装,开展相应的系统测试。内华达山脉公司计划于2023年将“追梦者”太空飞机发射至“国际空间站”,执行约82天无人轨道飞行任务。“追梦者”太空飞机设计搭载5t加压和500kg非加压有效载荷,同时可下行1750kg货物。若本次任务成功,内华达山脉公司将正式执行NASA授予的第二轮“商业补给服务”(CRS-2)合同,“追梦者”太空飞机将与美国太空探索技术公司(SpaceX)“货运龙”飞船、诺格公司(NG)“天鹅座”飞船共同开展业务化货物运输服务,同时成为继“货运龙”飞船后第二型可重复使用的货运系统。

“国际空间站”正式授权延寿

空间技术与应用模式不断创新

2022年1月11日,拜登政府承诺将“国际空间站”延寿至2030年,将使美国能够在未来10年持续利用空间站获得益处。NASA随后发布报告详细说明了未来10年的空间站运营目标,实现向商业服务的平稳过渡。2022年8月9日,拜登签署一项总金额为2800亿美元的《2022芯片与科学法案》(CHIPS and Science Act of 2022),其中包括了新版NASA授权法案,同意将“国际空间站”的运行时间从2024年延长至2030年。除俄罗斯外的其他“国际空间站”参与国均表达了支持。

2022年7月26日,俄罗斯航天国家集团(Roskosmos)新任总经理尤里?鲍里索夫在向总统普京汇报时宣布,俄罗斯将在2024年后退出“国际空间站”项目。2022年7月28日,俄罗斯航天国家集团高级官员通知NASA,在本国独立空间站开始运行前,将继续执行“国际空间站”任务。根据最新计划,俄罗斯轨道服务站首次载人任务将在2028年实施。近年来,俄罗斯多次考虑退出“国际空间站”,以此作为筹码威胁美国。俄乌冲突以来,“国际空间站”成为美俄角力的重要平台,为应对西方制裁,俄罗斯航天国家集团前总经理罗戈津曾于2022年4月发出警告,称若西方不取消对俄制裁,将退出“国际空间站”。

国外均已着眼后“国际空间站”时代,开展提前研究和布局。除了俄罗斯提出轨道服务站(ROSS)外,NASA也借鉴商业货运和商业载人服务的经验,支持商业空间站开发,提出了商业低地球轨道开发(CLD)计划,第一阶段至2025年,支持多家公司开展商业空间站的初步设计,第二阶段预计于2026年启动,包括对商业空间站认证,以及通过采购服务的方式利用商业空间站资源。即使俄罗斯2024年退出“国际空间站”,美国也主要受到短期影响,打乱近地轨道载人航天活动计划,但长期影响有限。

近地轨道商业载人活动将持续发展

应用模式实现创新

2022年4月8日,美国公理太空公司(Axiom Space)在佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台利用猎鹰-9(Falcon-9)运载火箭成功发射“载人龙”飞船(Crew Dragon),执行首次“国际空间站”私人航天员任务,此次参加任务的4名航天员只有一人是前NASA航天员,其余3人都是企业家、投资者、慈善家等身份。

Ax-1任务是首次由美国载人飞船执行全私人航天员的“国际空间站”任务,此前该类型任务都至少有一名政府正式航天员参与。本次任务作为首次私人航天员任务,与之前的太空旅游任务主要存在三方面区别:一是参与本次“国际空间站”任务的航天员均为私人航天员而非政府在职航天员;二是本次私人航天员将开展时长为750h到1000h的培训,长于太空游客接受训练的时间;三是本次任务私人航天员将在“国际空间站”的考察时间内完成超过25个不同实验,包括100个小时用于研究,与太空旅游任务在轨期间主要活动存在区别。

NASA于2019年发布了《低地球轨道商业开发计划》,每年允许两次“国际空间站”私人航天员任务,每次任务在空间站停留不超过30天。这些任务必须使用经NASA认证的美国载人飞船,如SpaceX公司和波音公司根据NASA商业乘员计划(CCP)开发的“载人龙”飞船和“星际客船”。本次任务实现了NASA在《低地球轨道商业开发计划》中明确提出的发展私人航天员任务目标,验证了商业公司拥有运输私人航天员前往低轨空间站的能力,同时可以完成太空环境对人类的影响评估、飞行乘组测试等任务。在未来,私人航天员任务成为发展低地球轨道经济计划的一部分,而NASA将成为低地球轨道上的众多客户之一,低地球轨道向商业化快速发展。

载人月球探测计划

“阿尔忒弥斯”计划

首次飞行任务成功

迈出重返月球第一步

2022年11月16日,NASA利用“空间发射系统”(SLS)从肯尼迪航天中心第39B发射台将“猎户座”飞船发射入轨,飞船在大幅值逆行轨道(DRO)绕月飞行半圈后,于2022年12月11日返回地球,溅落在加利福尼亚州圣迭戈海岸。本次任务是美国“阿尔忒弥斯”计划的首次试飞任务,本次任务规划了三大主要任务目标,分别为:①验证“猎户座”飞船高速再入返回的热防护能力;②验证任务全流程的运行能力;③回收飞船并开展数据分析。此外,阿尔忒弥斯-1任务还计划完成尽可能多的额外目标,对各系统、全流程进行多方面验证,进一步评估系统性能,降低未来载人任务的风险。

“阿尔忒弥斯”计划目标宏大,具有重要的战略意义。“阿尔忒弥斯”计划是美国巩固航天领先地位、维持国家影响力的重大项目。在工程目标方面,“阿尔忒弥斯”计划从近地拓展到月球和火星,开展长期载人月球探测活动,未来十年规划了超过30次政府和商业发射任务,逐步建设“门户”地月空间站和月面基地,每次任务4名航天员、总时长1~2个月、月面驻留1~2周、开展月球南极探测;相较“阿波罗”(APOLLO)计划单次探测方式,每次任务3名航天员、总时长2周、月面着陆3天、开展月球正面中低纬度探测,“阿尔忒弥斯”总体技术指标大幅提升,实现质的飞跃。在科学和技术目标方面,以全面认识和利用月球为重要目的,发展全月面到达能力,突破水冰资源开采、原位资源利用、再生燃料电池、核裂变能源、无线能源传输、低温液体管理、月面建造等关键技术,实现未来长期地外生存。在标志性成就方面,提出了领先中俄实施本世纪首次载人登月,将世界首位女航天员和首位有色人种航天员送往月球等重要象征性目标。“阿尔忒弥斯”计划已成为美国展示综合国力、牵引科学发现、推动技术进步的标志性工程,对于其强化全球领导、巩固在国际竞争中的有利地位、实现国家战略目标具有重要意义。

俄罗斯进一步明确

载人登月技术路线

登月计划进展缓慢

在载人登月领域,俄罗斯已经制定了2030年登月计划,目前正在推进载人月球探测系统研制。在登月火箭研制方面,由于经费和技术问题,俄罗斯进步火箭与航天公司已宣布暂停“叶尼塞”(Yenisei)火箭研制工作,正在重新设计新型重型运载火箭。新的设计方案继续沿用液氧/煤油发动机设计,但为了增加载荷能力,增加了火箭级数与火箭发动机数量,改为二级火箭捆绑助推器模式。新设计将使近地轨道运载能力大幅提升,同时还可以提高月球探索的经济性。在深空载人飞船研制方面,俄罗斯继续推进“雄鹰”(Orel)载人飞船开发,以取代现役的联盟-MS载人飞船。截至目前,“雄鹰”载人飞船正处于制作模型、对半比例模型进行实验测试阶段,飞行测试工作计划于2024年开始。2022年11月,俄罗斯航天国家集团表示“雄鹰”载人飞船首次无人轨道试飞将从2023年推迟到2025年进行。

总体而言,俄罗斯载人航天领域的重点更多集中在俄罗斯轨道服务站开发上,加之俄罗斯的载人登月计划尚不完整,东方航天发射场地面基础设施尚不完善,登月计划管理和资助资金尚不到位,俄罗斯月球探索计划在未来面对巨大风险。

载人航天快速发展中的波折

联盟MS-22飞船冷却剂泄露

导致出舱活动取消

2022年12月15日,对接在“国际空间站”上的俄罗斯联盟MS-22载人飞船发生冷却剂泄漏事件,导致正在进行的航天员出舱活动取消。12月16日,俄罗斯国家航天集团确认外部温度调节系统的散热器冷却回路是泄漏源,并表示联盟MS-22飞船外壳受损可能是因为受到微流星体撞击,导致飞船大量冷却剂泄漏。此次冷却剂泄漏事件尽管没有对空间站和航天员造成危害,但联盟MS-22飞船可能无法按照计划于2023年3月返回地球。冷却剂泄漏可能会导致飞船返回舱温度升高,这不仅会在飞船返回地球期间影响航天员的状况,还会影响飞船的计算机系统。

如果俄罗斯国家航天集团和NASA判断该飞船不具备搭载航天员返航能力,则意味着“国际空间站”停靠的飞船不能将“国际空间站”中驻留的7名航天员全部带回地球。目前仅有一艘美国“载人龙”飞船对接“国际空间站”,虽然“载人龙”飞船在设计上可以搭载7名航天员,但NASA没有批准过该型飞船执行7人载人航天任务。这将导致3名计划搭乘联盟MS-22飞船返回地球的航天员必须在“国际空间站”上等待,直到俄罗斯发射新一艘载人飞船将3名航天员接回地球。

美国蓝源公司“新谢泼德”系统

发射失败

2022年9月12日,美国蓝源公司利用“新谢泼德”系统实施亚轨道飞行遭遇失败。此次发射中,太空舱紧急逃逸,最终实现安全着陆,而助推器坠毁。

“新谢泼德”系统在发射1分钟后出现故障,也就是火箭达到最大动压时,为助推器提供动力的BE-3发动机底部喷出大片火焰,火箭姿态略微偏离垂直方向并发生摆动。发射1分5秒后,太空舱的发射逃生发动机启动,使太空舱脱离助推器。太空舱到达了大约11.4km最高高度,然后下降,先是打开三个小型阻力伞来稳定太空舱并减缓下落速度,随后三个主降落伞顺利打开。太空舱在发射后大约五分半钟在发射场附近安全着陆,火箭助推器撞击地面后损毁。由于此次事故,“新谢泼德”系统将在一段时间内停飞。

美国天鹅座CRS-18货运飞船

太阳帆板展开异常

2022年11月7日,美国诺格公司发射天鹅座CRS-18货运飞船成功进入预定轨道,但飞船仅展开一个太阳帆板,另一个无法展开。诺格公司多次尝试展开太阳帆板,但均未成功。最终NASA和诺格决定继续推进任务,优先确保货运飞船对接,暂时放弃了展开帆板的进一步尝试。同时,考虑到机械臂抓捕、飞船与空间站对接等操作均会产生振动,可能导致帆板在操作期间展开,引发额外风险,空间站项目组在机械臂捕获前对飞船状态进行了额外的安全性评估。

天鹅座CRS-18飞船于发射2天后成功与空间站交会,在站上机械臂的操作下停泊至空间站。诺格公司于11月9日简要说明事件可能原因,在火箭级间分离过程中,火箭声学覆盖层(acoustic blanket)碎片卡在了飞船太阳帆板机构中,导致其无法展开。NASA和诺格公司未公布更多详细信息和调查结果。

结束语

2022年,世界载人航天取得了快速发展。近地轨道方面,各国高度重视保持近地轨道长期载人能力,美国利用“载人龙”、“货运龙”和“天鹅座”飞船完成常规载人和货运任务,大力推进“星际客船”、“追梦者”航天飞机等新型运输系统发展,扩展私人航天员任务,持续推进“国际空间站”商业化。俄罗斯继续利用联盟-MS、进步-MS飞船完成常规载人和货运任务,并提前研究布局本国独立空间站。载人月球探测方面,美国完成“阿尔忒弥斯”计划首次无人绕月试飞任务,打通从地球到月球轨道的运输能力,合作联盟持续扩大,《阿尔忒弥斯协定》签署国家达23个。整体而言,主要航天国家均积极谋划,推动载人航天活动可持续发展,并迈向更远的深空。

 
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