2024年国外载人航天发展综述
2024年，世界载人航天领域共开展19次发射任务，其中包括9次载人飞船发射任务、10次货运飞船发射任务。美国“载人龙”（CrewDragon）飞船开展4次载人任务，“星际客船”（Starliner）开展1次载人任务，“货运龙”（CargoDragon）飞船开展2次货运任务，“天鹅座”（Cygnus）飞船开展2次货运任务；俄罗斯“联盟MS”（SoyuzMS）飞船开展2次载人任务，“进步MS”（ProgressMS）飞船开展4次货运任务；中国“神舟”飞船开展2次载人任务，“天舟”飞船开展2次货运任务。另外，“新谢泼德”（New Shepard）系统和太空船二号（SpaceShipTwo）在2024年分别执行载人亚轨道飞行任务3次和2次。2024年，载人航天继续快速发展。美国推进“星际客船”开展载人飞行测试，优化“龙”飞船综合能力，保持近地轨道载人航天技术全面性；授予“国际空间站”（ISS）离轨飞行器研制合同，以短期太空飞行等项目带动太空经济发展；围绕“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划后续任务开展大量工作，但载人登月进度不及预期。俄罗斯舱段泄漏问题愈发严重，展望后国际空间站时代向俄罗斯轨道站（ROS）过渡；将发展月球核电技术作为重点，独立开展载人登月计划搁置。欧洲持续参与“国际空间站”运营，积极投入“阿尔忒弥斯”计划相关分系统研制工作，同时探索本土载人航天发展路径。印度批准载人航天长期规划，依靠国际合作加快发展载人航天技术。1 持续开展近地轨道载人航天活动，筹划中长期空间站退役过渡方案（1）持续优化现役飞船能力，拓展载人航天商业活动形式太空探索技术公司（SpaceX）“载人龙”飞船作为美国现役的唯一载人飞船，完成了多项关键测试和优化到美国国家航空航天局。“载人龙”飞船实现单艘飞船五次飞行（NASA）目前对该型飞船的，达认证限制，创造了载人飞船的重复使用纪录，NASA和SpaceX正在研究将该认证扩展到多达15次飞行。SpaceX公司通过制定方案，解决“龙”飞船非加压货舱未按预期完全烧毁的问题。近年来，澳大利亚、加拿大以及美国本土都受到了“龙”飞船非加压货舱碎片的影响。目前“龙”飞船的再入方式是在离轨前释放非加压货舱，飞船非加压货舱会在轨道上停留数月，然后进行不受控再入。SpaceX决定从2025年开始，将“龙”飞船的溅落位置从佛罗里达州海岸转移到西海岸。随着溅落位置的改变，飞船会在离轨后释放非加压货舱，使非加压货舱能够在大约同一时间沿着乘员舱的再入走廊重新进入，确保再入的碎片降落在无人区。“货运龙”飞船开展空间站姿轨控能力测试。NASA和SpaceX首次利用“龙”飞船对“国际空间站”进行了反推能力演示，并对其运行情况进行了监测。“货运龙”飞船的“天龙”（Draco）发动机持续点火12′30″，成功将“国际空间站”低地球轨道（LEO）的远地点提升112m，近地点提升1126m。“货运龙”飞船本次技术演示既为空间站离轨飞行器研制提供了数据支撑，又为美国在“国际空间站”合作前景不明确情况下独立运营空间站提供了额外保证。除了满足政府载人航天需求，SpaceX利用“载人龙”飞船执行“北极星黎明”（PolarisDawn）私人载人航天飞行任务，进一步拓展了载人航天商业化发展形式。任务创造了多项纪录，包括实现载人航天器进入远地点1400km历史最高地球轨道、首次商业舱外活动、首次在轨测试“星链”（Starlink）激光通信系统等目标。执行任务期间，2名航天员先后开展了约8min的舱外活动，使用“天行者”（Skywalker）平台，站在舱口测试了SpaceX舱外服的机动性。由于整个飞船处于失压环境中，航天员乘组在任务期间均穿着SpaceX设计的舱外服，打破了同时在太空真空环境中活动人数的纪录。（2）美国授予SpaceX空间站离轨飞行器研发合同，细化空间站再入方案基于SpaceX的飞船开发经验，NASA向SpaceX授予一份价值8.43亿美元的合同，负责研制“美国离轨飞行器”（USDV）对“国际空间站”进行受控离轨。USDV的设计基于“龙”飞船，其加压货舱部分的长度是“龙”飞船的两倍，该部分将配备额外的推进剂贮箱、发动机、电子设备、发电系统和其他为复杂任务定制的设备。USDV还将配备46台“天龙”发动机，其中16台用于姿态控制，30台用于执行降轨机动。USDV质量预计超过30t，其中包括16t推进剂，携带的推进剂将是“龙”飞船的6倍，发电储电能力是“龙”飞船的3～4倍。SpaceX完成USDV制造后将交NASA运营，USDV与“国际空间站”对接就绪后，会不断推动空间站脱离正常轨道，整个过程将持续12～18个月，预计空间站轨道将衰减至330km，此时空间站内最后一批航天员撤离。后续，空间站的轨道将继续衰减大约6个月，最终在USDV推动下受控离轨，坠入一片长约2000km的狭窄海域。（3）新型运输系统关键飞行测试出现故障，导致航天员滞留空间站波音公司（Boeing）研制的“星际客船”完成首次载人飞行测试任务（见图1），主要目标是测试“星际客船”系统的端到端能力，包括发射、交会对接以及返回地球，具体为：验证设备性能、确认推力器性能、完成舱门操作、评估手动操控功能、成功分离与离轨、验证再入与下降。在本次任务中，“星际客船”暴露出一系列问题。最终“星际客船”以无人状态返回地球，参与飞行任务的2名航天员将在2025年乘坐“载人龙”飞船返回地球，原定8天的飞行任务延长到约9个月。在任务发射前，飞船服务舱一个推力器出现少量氦气泄漏。氦气泄漏是由于服务舱一个“反作用控制系统”（RCS）推力器上的法兰密封件设计缺陷造成。工程团队判定该泄漏不是系统性问题，最终确认不需要更换密封件就可以执行飞行任务。飞船入轨后，氦气泄漏问题加剧。地面飞行控制员检测到“星际客船”推进系统出现2个新的泄漏点，泄漏点总数达到3个。为监控和管理泄漏，飞行控制员关闭了相应的氦气管道。进入交会对接阶段后，飞行控制员重新打开管道，确保推力器工作。在对接之后，飞船出现了第4个氦气泄漏点，该点泄漏量少于另外3个点。出现这种情况表明推进系统存在系统性问题，推翻了此前关于第一次泄漏是孤立问题的结论。交会对接过程中，飞船遭遇推力器失效。“星际客船”接近空间站时，5个RCS推进器突然失效，航天员与地面控制团队配合，对推进系统开展了一系列故障排查和检修工作，重启了其中的4个。初步判断，控制推力器的软件在参数判断和指令执行机制上可能存在缺陷。当软件检测到推力低于预期或加速时间过长等异常参数时，会执行推力器禁用指令。此后，NASA和波音公司一直在确定推进器故障的根本原因，并在白沙测试基地对推进器进行了测试。结果显示，特氟龙（Teflon）密封件出现加热膨胀情况，限制了氧化剂向推进器的流动。NASA无法确定出现这种问题的原因，飞船将以无人状态返回。飞船返回过程中出现新问题。在飞船离轨期间，两个RCS推进器温度高于预期，但没有发生故障。NASA表示推进器已经更改了软件，防止在启动过程中因过热而关闭推进器，但不确定推进器在不更改软件的情况下是否会关闭。在重返大气层之前，乘员舱上的12个独立推进器中有一个在测试中未能正常工作。此外，飞船的计算机导航系统出现故障，在重返大气层通信中断后无法获取GPS信号。尽管飞船首次载人飞行测试未能完全按计划进行，但NASA表示，此次任务仍然完成了85%～90%的预定目标。NASA将详细审查飞船的相关情况，包括确认该航天器是否需要进行另一次载人飞行测试。（4）俄罗斯舱段泄漏问题严重，部署俄罗斯空间站项目建设俄罗斯舱段泄漏问题出现在星辰号（Zvezda）服务舱，该问题于2019年首次被发现并持续至今。2024年2月，NASA指出俄罗斯星辰号服务舱的泄漏速度近期翻了一番，增加到每天损失超过0.9kg空气，泄漏发生在对接端口一个称为PrK的前端中。2024年4月，星辰号服务舱泄漏率已增至每天近1.7kg，为有记录以来的最高水平。NASA将泄漏问题的风险可能性和严重程度都提升到最高风险级别。目前俄罗斯在不使用星辰号服务舱时保持其舱口关闭，以减轻泄漏的影响。如果泄漏情况恶化，长期解决方案将是永久关闭星辰号服务舱舱门，但这将失去该舱段的飞船对接端口。与此同时，俄罗斯正在积极筹划本国的俄罗斯轨道站。俄罗斯政府批准了总造价为6089亿卢布（约55亿美元）的国家空间站项目，研制单位为科罗廖夫能源火箭与空间公司（RKK Energia）。该公司列举了新空间站的三大优势：①空间站采用开放式模块化架构，舱段寿命到期可以更换成新舱；②空间站位于极地轨道上，可以观察到整个俄罗斯国土以及北极领域；③空间站可提供充沛能源供大功率设备使用，例如：雷达和大功率天线系统等。2 细化技术方案、聚焦关键问题，为载人月球探测奠定基础（1）深化国际合作与公私合营，推进载人登月关键系统研制美国与欧洲、日本等盟友以及商业公司共同为载人月球探索开发关键系统。飞船方面，NASA将用于执行Artemis-3任务的“猎户座”（Orion）飞船进行集成，将欧洲服务舱与乘员舱适配器相连，该集成硬件可为飞船提供推力、热控、能源，并为航天员供应水、氧气等关键资源。欧洲服务舱的部件来自10个欧洲国家，是欧美合作探月的关键组成部分。月面着陆器方面，NASA授予SpaceX和蓝色起源公司（BlueOrigin）货运版月球着陆器研制合同，要求产品具备将12～15t的有效载荷送至月面的能力，为月球可持续探索所需的大型基础设施以及大规模的后勤补给提供登月能力。NASA计划利用“星舰”（Starship）货运月面着陆器在2032财年之前将加压月球车运送到月球表面，以支持Artemis-7及后续任务（见图2）；利用“蓝月”（BlueMoon）货运月面着陆器在2033财年之前将月球表面栖息地送至月面（见图3）。不同的月球着陆器设计方案及其不同的运输模式，可为登月计划提供任务灵活性与能力冗余。图3 “蓝月”着陆器概念图（来源：NASA 网站）在着陆点选择方面，基于“星舰”着陆器对着陆点的要求，以及着陆点的科学潜力、发射窗口、照明条件、与地球的通信条件，NASA为美国首次载人登月重新选择了9个聚集在月球南极附近的候选着陆点（见图4）。由于很难为6天的月球表面停留找到全程满足要求的着陆点，NASA通过选择9个备选着陆点来保证任务的灵活性，而未来“阿尔忒弥斯”计划的着陆点不限于目前的候选点，还包括选择月球南极地区以外的着陆点，来实现更广泛的科学目标。图4 重新选择的载人月球探测着陆点（来源：NASA网站）地月空间站方面，美国继续拓展国际合作伙伴。NASA与阿联酋穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）达成协议，MBRSC将为“门户”（Gateway）空间站开发乘员与科学气闸舱模块，而NASA将在未来的任务中将一名阿联酋航天员送往“门户”空间站。气闸舱将用于在地月空间站开展舱外活动航天器提供对接端口，该模块计划2031年跟随，并为拟议的深空运输Artemis-6任务发射。月球车方面，NASA选择三家公司开发月球地形车（LTV）。NASA将LTV作为阿波罗式月球车和移动式无人科学平台的混合体，主要目的是在月球表面运送航天员，要求包括能载两人、最高时速15km/h、永久阴影区工作至少2h等。NASA还希望能远程操作月球车，在无人状态下开展科学调查。LTV服务合同15年内最高总金额为46亿美元，受限于预算，NASA将以单一来源模式购买后续的LTV服务。三型月球地形车原型如图5所示。（2）登月进度进一步推迟，确认热防护系统问题原因美国在一年内二次推迟载人登月计划。由于NASA发现了执行Artemis-1任务的“猎户座”飞船隔热罩出现超预期烧蚀的根本原因，因此需要额外时间对后续任务进行适应性优化。根据最新的时间表，Artemis-2首次载人绕月飞行任务从2025年9月推迟到2026年4月发射，Artemis-3首次载人登月任务从2026年9月推迟到2027年中期发射。经过分析，Artemis-1任务中出现最严重的问题是“猎户座”飞船隔热罩，NASA在隔热罩上发现了100多个位置存在材料意外脱落的情况。“猎户座”飞船的隔热材料被称为Avcoat，正常情况下，Avcoat在飞船再入过程应该按设计融化，但实际任务中该材料破裂并形成碎片，这种情况可能使隔热罩无法充分保护乘员舱和航天员免受极端高温影响。NASA使用艾姆斯研究中心的电弧喷射设施复现Artemis-1任务的再入环境，确定了Avcoat隔热材料出现问题的根本原因。NASA认为隔热罩问题与飞船使用的“跳跃”再入（乘员舱在大气层中跳入跳出以释放动能）有关。飞船再入大气层期间，加热速率较低，减缓了炭层的形成过程，进而影响了Avcoat材料的渗透性，导致隔热罩内部形成气体且无法逃逸，内部压力增大，最终隔热罩外层破裂和不均匀脱落。查明原因后，NASA决定不为Artemis-2任务更换已完成的隔热罩，而是修改再入剖面，包括缩短再入跳跃阶段持续时间。尽管这种方法可能降低着陆精度，但可以避免因更换材料而耗费更多时间。NASA估计，如果更换隔热罩，Artemis-2任务可能会推迟到2026年底才能实施。（3）俄罗斯载人月球探测推进缓慢，重点发展月球核电站项目俄罗斯载人登月项目处于搁置状态。俄罗斯修改“雄鹰”（Orel）探月载人飞船用途，飞船经过适应性改造后，将首先用于将航天员运送至俄罗斯轨道站。面对载人登月项目的严重推迟，俄罗斯考虑建设月球核电站带动探月项目发展。俄罗斯总统普京要求政府分配必要的预算用于实施俄罗斯空间核能发展项目。俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）推进月球核电站项目技术方案设计以及后续研发工作，并审议2033-2035年间将核电站送到月球并将其安装到月面的可能性。此外，俄罗斯还计划建造核动力货运飞船，并表示技术方面只有核反应堆冷却问题待解决。3 利用商业力量以及国际合作，达成自身载人航天发展目标（1）欧洲推进本土载人航天项目，深化欧美探月合作运输系统方面，欧洲航天局（ESA）将两份价值约2500万欧元的合同分别授予泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）和欧洲勘探公司（ExplorationCompany）。根据合同，两家公司应从2024年6月-2026年6月推进货运飞船的第一阶段开发，重点关注任务要求、架构、技术成熟度和风险控制。ESA的长期目标是要求到2028年至少有一艘货运飞船投入使用，并朝着开发载人运载工具的目标迈进。此外，ESA还授予阿里安空间公司（Arianespace）合同，研究阿里安-6火箭执行载人运输的任务方案。国际合作方面，《阿尔忒弥斯协定》全年新增19个签署国，其中包括13个欧洲国家（见图6）。目前已有20个欧盟国家和19个ESA成员国加入该协定，欧洲在载人探月领域与美国合作愈加深入。图6 2024 年底《阿尔忒弥斯协定》签署国达52个（来源：NASA 网站）（2）在日美同盟框架下深度参与“阿尔忒弥斯”计划美、日两国政府在2024年达成一致，决定让两名日本航天员登陆月球，日本也成为美国之外第一个确定在“阿尔忒弥斯”计划中获得载人登月名额的国家。除了载人登月任务外，日本获准在未来派一名航天员执行“门户”空间站任务。美国肯定了日本加压月球车对“阿尔忒弥斯”计划的重大贡献，“月球巡洋舰”（LunarCruiser）加压月球车设计容纳2名航天员在其中生活约30天，总寿命10年，能够适应-170～120°C的极端温差环境，具有自动驾驶功能。月球车配备氢燃料电池供能系统，辅以太阳翼，通过将废水转化为氢气和氧气完成循环利用。“月球巡洋舰”加压月球车如图7所示。图7 “月球巡洋舰”加压月球车概念图（来源：丰田公司）（3）印度利用独特地缘优势，积极开拓与美西方国际合作印度与美国在载人航天方面取得合作进展，双方将一名印度航天员送往“国际空间站”，与NASA航天员开展首次联合行动，并研讨印度参与“门户”空间站任务的机会。印度还加深与欧洲的合作，印度空间研究组织（ISRO）、印度国家空间促进和授权中心（IN-SPACe）与旅行者太空公司（VoyagerSpace）签署谅解备忘录，探索利用“天空之船”（Gaganyaan）为商业空间站提供运输服务；ISRO和ESA签署技术实施计划，欧洲空间运营中心（ESOC）将协调全球欧洲空间跟踪网（Estrack），为“天空之船”任务提供地面站支持，用于飞船跟踪、监测和轨道操作。ISRO与澳大利亚航天局签署协议，澳大利亚获得ISRO关于防止推进剂污染、爆炸，以及在舱门无法打开的情况下处置航天员乘组与其他相关事项的标准操作程序（SOP），为航天员搜救和飞船回收提供援助。此外，ISRO在2024年发射“空间对接试验”（SpaDeX）任务，测试交会对接以及编队飞行等技术，为印度载人航天工程后续发展奠定基础。2024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，开展“星际客船”首次载人飞行测试，优化现役飞船能力，细化“国际空间站”离轨方案，拓展载人航天商业化发展形式。俄罗斯继续利用“联盟MS”“进步MS”飞船完成载人和货运任务，舱段气体泄漏问题日益严峻，研究部署本国空间站。载人月球探测方面，美国登月方案复杂、技术要求高，整体进度多次推迟，在确认飞船热防护系统问题后，仍然面临在轨加注难题以及项目严重超支风险。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。《国际太空》征稿邮箱：guojitaikong@sina.com本刊刊登航天领域几大方面最新科技信息：中国航天最新科技成果世界各国的新航天政策、计划和规划全球航天未来发展趋势国外各类新型航天器航天领域采用的新技术、新设计和新方法国际卫星及其应用市场和卫星发射市场新型运载火箭及其地面设施稿件一经录用，本刊将提供稿酬
