國外航天發展綜合解析論文

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重型運載火箭研發計劃穩步推進，新型運載火箭技術發展受到高度重視

2012年，主要航天國家繼續推進一次性重型運載火箭研發，同時通過改進發動機設計、研制新燃料等技術革新降低發射成本。此外，新型運載技術、先進空間推進技術也是運載領域發展的重點。2012年，美國新型重型運載火箭研發繼續穩步推進，J-2X上面級發動機、五段式固體火箭助推器按計劃進行地面測試。7月，航天發射系統（SLS）先后完成了系統需求、系統定義和初步設計評審，NASA將著手開始火箭芯級初步的制造加工，為2014年的關鍵設計評審做準備。俄羅斯積極推進安加拉火箭的研發，目前該火箭已運抵發射場，等待2013年的首飛。此外，俄羅斯還計劃發展具備探月能力的新型運載火箭，能源公司提交了與烏、哈兩國聯合建造超重型運載火箭計劃。火箭將使用“能源-暴風雪”項目中的技術，運載能力最高達70噸。11月，歐洲航天局部長級會議決定，未來兩年將繼續推進“阿里安”-5ME和“阿里安”-6小型火箭的研制計劃，以及兩種運載火箭的通用技術。日本航空航天探索局（JAXA）則在2月宣布將改進H-2A火箭，使其運載能力提高一倍以上，從而提高在商業領域的競爭力。針對未來發展的需求，各國在研制新一代重型運載火箭的同時，也在積極推進可重復使用、亞軌道飛行、低成本快速發射等新型運載火箭技術。美國SpaceX公司于9月、11月和12月三次進行“蚱蜢”可重復使用火箭原型機的驗證飛行，目標是研制兩級可重復使用的“獵鷹”運載火箭，火箭能夠用自身引擎實現基于起落架的著陸。“獵鷹”9火箭燃料成本只占發射成本的二百五十分之一，如果該計劃成功，將極大降低“獵鷹”火箭的發射費用。歐洲航天局（ESA）正在準備“過渡性試驗飛行器”（IXV）的首次下降著陸試驗，為研制可重復使用飛行器提供技術支撐。此外，NASA正在與美國軍方聯合研制用于發射納衛星的低成本運載火箭，該火箭能夠以100萬美元的成本實現24h內的快速發射。日本也計劃在2013年進行“艾普西隆”（Epsilon）新型運載火箭的首次發射。該火箭采用了一系列新技術實現低成本和快速航天發射，目標是2017年將火箭的發射成本降低到3900萬美元，并爭取實現每月發射。在加強深空探索的大背景下，先進空間推進技術成為2012年發展的一個熱點。1月，NASA授予諾•格公司合同，目標是研制一種用于“太空拖船”的高功率太陽能電推進系統，這種系統能夠從低地球軌道（LEO）向地球同步軌道（GEO）運送衛星，以節省燃料成本和二級推進器的成本。由于太陽能在遠離地球軌道的地方作為能源存在劣勢，因此，核動力推進技術用于未來深空探索前景廣闊。3月，斯科爾科沃基金會核分部負責人稱，俄羅斯將在2017年前制造出適用于長距離載人飛行航天器的兆瓦級核推進系統，預計耗資超過2.47億美元。NASA也正在研制“高級斯特林放射性同位素發電機”（ASRGs），與傳統的放射性同位素熱電發電機相比，每臺ASRG只用1kg钚-238就能產生130W～140W的電力，而現有放射性同位素熱電發電機需要4倍以上的钚才能產生同樣電力。

國際空間站應用價值凸顯，新型航天器發展穩步推進

2012年，國際空間站進入全面運營。俄羅斯的“聯盟”飛船完成了4次載人運輸服務，“進步”號貨運飛船進行了4次貨運補給，日本HTV和歐洲ATV貨運飛船各進行一次補給任務。航天員進行了4次出艙活動，有效保障了國際空間站的常態運營。歐洲和美國分別召開專題研討會，討論如何將國際空間站作為一個技術試驗平臺為未來空間探索技術發展提供支持。2012年，國際空間站開展了多項空間科學實驗和技術試驗，空間科學成果倍出。技術試驗包括：俄羅斯首次利用激光通信手段將電子數據傳送到地面；ESA和NASA測試了星際通信協議，實現對地面機器人的遠程操控；JAXA和NASA首次使用機械臂釋放5顆立方體衛星，用于科學探測、教育及科技研發；NASA利用“進步”號貨運飛船驗證“零推進機動”（ZPM）試驗；NASA使用加拿大機械臂在國際空間站上成功進行6次在軌燃料加注演示驗證（RRM）試驗。另外，還開展了幾項維持國際空間站長期運行的技術試驗，如新型交會對接系統試驗、新型前定空間碎片規避機動（PDAM）系統等。這些技術試驗的開展，不僅推動科學技術的進步，還為支持小行星、火星探索活動以及月球居住等未來深空探索技術的開發提供支持。2012年，在NASA及私營公司的聯合推動下，美國商業航天器研制進展順利。“龍”飛船完成首次國際空間站貨運任務，負責載人商業航天器研制的波音公司、內華達山脈公司及空間探索技術公司（SpaceX）公司均已進入商業乘員開發計劃的第三階段，制定了滿足NASA安全和性能要求的商業乘員運輸認證計劃。NASA“獵戶座”飛船進行了系列降落傘試驗及水上濺落試驗，完成了包括對接窗在內的硬件組裝，進行了壓力檢驗測試，在進行熱防護裝置安裝的同時，正在進行與“德爾它”4運載火箭連接適配器的制造，地面發射與運行系統也轉入初步設計階段，為“獵戶座”飛船2014年首次驗證飛行奠定了基礎。2012年12月，俄羅斯宣布已完成其新型載人飛船的設計工作，相比現有的“聯盟”飛船，新型飛船具有能發射至國際空間站以遠和登月飛行等多重優勢，計劃于2017年試驗飛行。波音公司和SpaceX公司還正在開發創新的發射中止系統，其設計理念是將發射中止系統集成到載人飛船上，在不需要提供逃逸救生功能時，可將燃料轉移給飛船的動力系統，在某些情況下甚至具備可重復使用能力，從而在為航天員提供可靠逃逸救生支持的同時，進一步降低了近地軌道載人航天運輸成本。

航天員系統研究成果顯著，載人飛行逐步向深空探索邁進

2012年，美國和俄羅斯的航天員選拔工作進展順利，各項航天醫學實驗全面展開，獲得大量珍貴科學數據，NASA新一代航天服Z1通過初步測試。國際空間站航天員駐站時間計劃延至一年，標志著未來載人航天飛行正逐步向長期飛行階段過渡。2012年1月，俄羅斯加加林航天員中心從304位報名者中篩選出8位獲選航天員候選人，這是俄羅斯首次公開選拔航天員，也是航天員選拔改革的第一步。未來，俄羅斯聯邦航天局還將逐步淡化軍事色彩，航天員大隊的17名軍人航天員退出現役，航天員訓練中心余留軍人也都轉為預備役。2012年，多項醫學實驗取得階段性成果：一是航天飛行引發的骨質疏松防治研究取得新進展。NASA研究發現快速診斷骨丟失方法，ESA研究人員發現航天員減少鹽攝入量可以預防骨質疏松；二是長期飛行對航天員健康的影響成為研究重點，NASA科學家發現，微重力環境下，視力變化與身體上下肢體液的變化造成顱內壓增高之間可能存在聯系。視力變化的部分原因可能是由于“葉酸依賴型單碳代謝途徑”發生變化，此項研究結果對NASA和未來航天員有著重要影響；三是航天員免疫系統變化影響實驗廣泛開展，NASA成功運用定量聚合酶鏈式反應（PCR）技術，針對困擾航天員的皮膚疾病帶狀皰疹，在早期病變開始前即可檢測出免疫系統的變化，使得航天員在病痛出現之前即可接受治療。11月，俄羅斯聯邦航天局和NASA各選定1名航天員，計劃進行為期一年駐站考察活動，將于2015年3月搭乘俄羅斯“聯盟”號飛船啟程。目前航天員及專家已經開始飛行前的準備工作，并確定以下七個重點研究領域：微重力環境下飛行如何影響航天員的視力問題；評估防治骨質流失和肌肉萎縮的鍛煉和營養學方法；長時間生活在微重力環境下對免疫系統的影響；評估可以影響平衡和感知的神經前庭系統變化；乘員的行為、表現及人與人之間的關系可能發生的變化；輻射暴露的影響；評估乘員培訓程序和可能發生的變化。NASA為航天員設計X1骨骼服與傳統的骨骼服相比，X1可增大航天員的活動幅度，令其在空間行走也能感受如地球上一樣的重力，這一功能可幫助航天員有效避免肌肉損耗。NASA研制新型艙外航天服Z1這套歷時20年研制的新型艙外服擁有更有效的冷卻設備以及處理二氧化碳的能力。目前該型航天服已通過初步測試，預計2015年將用于實際的飛行任務。研究人員還將根據Z1的設計繼續研發其升級版Z2和Z3，如果試驗進展順利，Z3可能在2017年投入使用。

空間科學研究醞釀新發現，深空探索技術取得突破

2012年，以美國“火星科學實驗室”為代表的深空探索計劃取得成功，標志著人類深空探索技術取得了突破性進展，同時推動了太陽系空間科學研究的發展。5月，NASA的月球探測器“圣杯”（GRAIL）完成其主要研究任務并于12月成功撞月。根據GRAIL傳回的數據，NASA繪制了首個高分辨率月球重力場圖。9月，美國的“黎明”號探測器完成了對灶神星的考察，隨后飛往谷神星，成為第一個環繞兩顆不同天體運行的無人探測器；“信使”號探測器發現水星上大量冰水物質；“旅行者”1號探測器接近太陽系邊緣，即將成為首個進入星際空間的探測器；“哈勃”望遠鏡發現迄今最古老螺旋星系。這些空間科學研究使得人類對宇宙的認知不斷深入。8月，迄今為止質量最大、性能最先進的火星探測器———“好奇”號成功著陸火星。“好奇”號首次采用無線電通信技術，實現數據傳輸量和傳輸速度的最大化；利用導航計算機、反沖推進火箭和“天空起重機”技術，實現了安全準確著陸火星；以“多任務放射性同位素熱電發生器”為核心的能源系統，具有連續供電能力強，供電量大，供電能力不受著陸位置的影響等特點；采用酚醛樹脂浸漬碳燒蝕體”（PICA）為材料的“好奇”號隔熱罩具有可拼接擴展性和苛刻環境承受性；此外，“好奇”號搭載了10種科學研究儀器，不僅能對目標進行拍照和取樣，還可用于火星巖石土壤的化學成分分析，對火星大氣及環境進行評估等。“好奇”號的成功，是人類深空探索的重要里程碑，標志著深空探索領域取得顯著技術突破，將對美國乃至世界載人航天發展產生深遠影響。2012年，各航天國家根據本國國情和航天發展戰略，相繼確立了自己的深空探索計劃。俄羅斯在4月公布的“2030年前空間探索戰略”中明確提出，2020年前俄羅斯將利用一系列登陸探測器，深入開展月球研究，并采集、帶回月球土壤樣本。2030年前進行月球載人試驗飛行，實現航天員在月球表面著陸并返回地球，2030年后則進一步落實月球開發的大型項目，實現定期月球載人飛行，在月球部署空間站科學實驗室，開發探索月球所需的可重復使用航天運輸系統。此外，俄羅斯還準備在2020至2025年間，實施若干個探索太陽系重要行星的項目，向金星、火星和木星等地球周邊的行星發射探測器。5月，ESA通過了木星冰月探測計劃，該計劃耗資10億歐元，預計2022年完成。ESA還與俄羅斯正式簽署協議，將于2016年和2018年合作進行“地外火星”任務。2012年底，NASA公布其未來數年的火星計劃，其中包括2020年發射可能攜帶樣本返回的火星漫游車。此外，印度的火星軌道器最早將于2013年11月升空，其主要任務是研究火星大氣。為此，印度政府2012財年已經向ISRO撥款2500萬美元。

載人航天國際合作日趨緊密，各方更加注重自身利益實現

國際合作在促進載人航天活動開展和技術研發等方面發揮著積極作用，2012年，各主要航天國家除圍繞國際空間站的運行和利用進行合作外，也在積極開辟新的載人航天合作項目和途徑，圍繞未來深空探測任務需求和各自國家的發展戰略，致力于通過國際合作實現自己的發展目標。國際空間站的合作模式適合具有一定空間技術水平且有一定經濟實力的國家之間開展合作。目前，這種模式中存在航天技術強國處于主導地位，技術從屬國在設施與技術方面處于依賴地位。處于技術強國地位的國家通過主導和選擇吸納多個國家參與任務，既分擔了任務、降低了本國的風險和成本，也加強和鞏固了技術強國在國際事務中的主導地位，較好地實現了國家戰略目標；技術從屬國通過國際合作在一定程度上促進了本國或地區的載人航天技術發展，但在計劃的制定和實施上受到了很大的限制。2012年8月，NASA局長博爾登表示，美國在未來的載人登陸火星任務中，仍將采取多國合作的模式，單純依靠一己之力實現載人火星任務存在諸多困難；2012年9月，ISRO官員稱，印度的“月球初航”－2任務仍需俄羅斯的技術支持，具體的發射日期還需與俄商定。在未來的載人登月和載人火星探索任務中，對于航天技術薄弱或沒有進入空間能力的國家，或仍將采取國際空間站的合作模式。從載人航天國際合作的歷史來看，在大多數情況下，各航天國家在參與國際合作中都有著明確的目的和需求。一直處于大國地位的美國，在國際合作中更多的是為了獲得政治利益和資金支持。2012年初，NASA終止了與歐洲航天局的“地外火星”（EXOMARS）任務合作，一度使歐洲航天局的火星計劃陷入進退維谷的境地。2012年11月，俄羅斯聯邦航天局與歐洲航天局就EXOMARS任務簽署合作協議，并承諾利用“質子”號為歐洲發射火星軌道器。俄羅斯在“福布斯”計劃失敗后，急于發展其火星計劃；而歐洲航天局通過合作分擔了任務、降低了風險和成本，同時提升自己的航天技術水平，加強歐洲國家內部的合作，以期建立自主的載人航天技術體系。

本文作者：王巖松張峰張智慧劉爽工作單位：中國國防科技信息研究中心