2024年國外載人航天發展綜述_風聞

來源：國際太空

2024年，世界載人航天領域共開展19次發射任務，其中包括9次載人飛船發射任務、10次貨運飛船發射任務。美國“載人龍”（CrewDragon）飛船開展4次載人任務，“星際客船”（Starliner）開展1次載人任務，“貨運龍”（CargoDragon）飛船開展2次貨運任務，“天鵝座”（Cygnus）飛船開展2次貨運任務；俄羅斯“聯盟MS”（SoyuzMS）飛船開展2次載人任務，“進步MS”（ProgressMS）飛船開展4次貨運任務；中國“神舟”飛船開展2次載人任務，“天舟”飛船開展2次貨運任務。另外，“新謝潑德”（New Shepard）系統和太空船二號（SpaceShipTwo）在2024年分別執行載人亞軌道飛行任務3次和2次。

2024年，載人航天繼續快速發展。美國推進“星際客船”開展載人飛行測試，優化“龍”飛船綜合能力，保持近地軌道載人航天技術全面性；授予“國際空間站”（ISS）離軌飛行器研製合同，以短期太空飛行等項目帶動太空經濟發展；圍繞“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃後續任務開展大量工作，但載人登月進度不及預期。俄羅斯艙段泄漏問題愈發嚴重，展望後國際空間站時代向俄羅斯軌道站（ROS）過渡；將發展月球核電技術作為重點，獨立開展載人登月計劃擱置。歐洲持續參與“國際空間站”運營，積極投入“阿爾忒彌斯”計劃相關分系統研製工作，同時探索本土載人航天發展路徑。印度批准載人航天長期規劃，依靠國際合作加快發展載人航天技術。

1 持續開展近地軌道載人航天活動，

籌劃中長期空間站退役過渡方案

（1）持續優化現役飛船能力，拓展載人航天商業活動形式

太空探索技術公司（SpaceX）“載人龍”飛船作為美國現役的唯一載人飛船，完成了多項關鍵測試和優化。“載人龍”飛船實現單艘飛船五次飛行，達到NASA目前對該型飛船的認證限制，創造了載人飛船的重複使用紀錄，NASA和SpaceX正在研究將該認證擴展到多達15次飛行。

SpaceX公司通過制定方案，解決“龍”飛船非加壓貨艙未按預期完全燒燬的問題。近年來，澳大利亞、加拿大以及美國本土都受到了“龍”飛船非加壓貨艙碎片的影響。目前“龍”飛船的再入方式是在離軌前釋放非加壓貨艙，飛船非加壓貨艙會在軌道上停留數月，然後進行不受控再入。SpaceX決定從2025年開始，將“龍”飛船的濺落位置從佛羅里達州海岸轉移到西海岸。隨着濺落位置的改變，飛船會在離軌後釋放非加壓貨艙，使非加壓貨艙能夠在大約同一時間沿着乘員艙的再入走廊重新進入，確保再入的碎片降落在無人區。

“貨運龍”飛船開展空間站姿軌控能力測試。NASA和SpaceX首次利用“龍”飛船對“國際空間站”進行了反推能力演示，並對其運行情況進行了監測。“貨運龍”飛船的“天龍”（Draco）發動機持續點火12′30″，成功將“國際空間站”低地球軌道（LEO）的遠地點提升112m，近地點提升1126m。“貨運龍”飛船本次技術演示既為空間站離軌飛行器研製提供了數據支撐，又為美國在“國際空間站”合作前景不明確情況下獨立運營空間站提供了額外保證。

除了滿足政府載人航天需求，SpaceX利用“載人龍”飛船執行“北極星黎明”（PolarisDawn）私人載人航天飛行任務，進一步拓展了載人航天商業化發展形式。任務創造了多項紀錄，包括實現載人航天器進入遠地點1400km歷史最高地球軌道、首次商業艙外活動、首次在軌測試“星鏈”（Starlink）激光通信系統等目標。執行任務期間，2名航天員先後開展了約8min的艙外活動，使用“天行者”（Skywalker）平台，站在艙口測試了SpaceX艙外服的機動性。由於整個飛船處於失壓環境中，航天員乘組在任務期間均穿着SpaceX設計的艙外服，打破了同時在太空真空環境中活動人數的紀錄。

（2）美國授予SpaceX空間站離軌飛行器研發合同，細化空間站再入方案

基於SpaceX的飛船開發經驗，NASA向SpaceX授予一份價值8.43億美元的合同，負責研製“美國離軌飛行器”（USDV）對“國際空間站”進行受控離軌。USDV的設計基於“龍”飛船，其加壓貨艙部分的長度是“龍”飛船的兩倍，該部分將配備額外的推進劑貯箱、發動機、電子設備、發電系統和其他為複雜任務定製的設備。USDV還將配備46台“天龍”發動機，其中16台用於姿態控制，30台用於執行降軌機動。USDV質量預計超過30t，其中包括16t推進劑，攜帶的推進劑將是“龍”飛船的6倍，發電儲電能力是“龍”飛船的3～4倍。

SpaceX完成USDV製造後將交NASA運營，USDV與“國際空間站”對接就緒後，會不斷推動空間站脱離正常軌道，整個過程將持續12～18個月，預計空間站軌道將衰減至330km，此時空間站內最後一批航天員撤離。後續，空間站的軌道將繼續衰減大約6個月，最終在USDV推動下受控離軌，墜入一片長約2000km的狹窄海域。

（3）新型運輸系統關鍵飛行測試出現故障，導致航天員滯留空間站

波音公司（Boeing）研製的“星際客船”完成首次載人飛行測試任務（見圖1），主要目標是測試“星際客船”系統的端到端能力，包括髮射、交會對接以及返回地球，具體為：驗證設備性能、確認推力器性能、完成艙門操作、評估手動操控功能、成功分離與離軌、驗證再入與下降。在本次任務中，“星際客船”暴露出一系列問題。最終“星際客船”以無人狀態返回地球，參與飛行任務的2名航天員將在2025年乘坐“載人龍”飛船返回地球，原定8天的飛行任務延長到約9個月。

圖1  “星際客船”（來源：NASA 網站）

在任務發射前，飛船服務艙一個推力器出現少量氦氣泄漏。氦氣泄漏是由於服務艙一個“反作用控制系統”（RCS）推力器上的法蘭密封件設計缺陷造成。工程團隊判定該泄漏不是系統性問題，最終確認不需要更換密封件就可以執行飛行任務。

飛船入軌後，氦氣泄漏問題加劇。地面飛行控制員檢測到“星際客船”推進系統出現2個新的泄漏點，泄漏點總數達到3個。為監控和管理泄漏，飛行控制員關閉了相應的氦氣管道。進入交會對接階段後，飛行控制員重新打開管道，確保推力器工作。在對接之後，飛船出現了第4個氦氣泄漏點，該點泄漏量少於另外3個點。出現這種情況表明推進系統存在系統性問題，推翻了此前關於第一次泄漏是孤立問題的結論。

交會對接過程中，飛船遭遇推力器失效。“星際客船”接近空間站時，5個RCS推進器突然失效，航天員與地面控制團隊配合，對推進系統開展了一系列故障排查和檢修工作，重啓了其中的4個。初步判斷，控制推力器的軟件在參數判斷和指令執行機制上可能存在缺陷。當軟件檢測到推力低於預期或加速時間過長等異常參數時，會執行推力器禁用指令。此後，NASA和波音公司一直在確定推進器故障的根本原因，並在白沙測試基地對推進器進行了測試。結果顯示，特氟龍（Teflon）密封件出現加熱膨脹情況，限制了氧化劑向推進器的流動。NASA無法確定出現這種問題的原因，飛船將以無人狀態返回。

飛船返回過程中出現新問題。在飛船離軌期間，兩個RCS推進器温度高於預期，但沒有發生故障。NASA表示推進器已經更改了軟件，防止在啓動過程中因過熱而關閉推進器，但不確定推進器在不更改軟件的情況下是否會關閉。在重返大氣層之前，乘員艙上的12個獨立推進器中有一個在測試中未能正常工作。此外，飛船的計算機導航系統出現故障，在重返大氣層通信中斷後無法獲取GPS信號。

儘管飛船首次載人飛行測試未能完全按計劃進行，但NASA表示，此次任務仍然完成了85%～90%的預定目標。NASA將詳細審查飛船的相關情況，包括確認該航天器是否需要進行另一次載人飛行測試。

（4）俄羅斯艙段泄漏問題嚴重，部署俄羅斯空間站項目建設

俄羅斯艙段泄漏問題出現在星辰號（Zvezda）服務艙，該問題於2019年首次被發現並持續至今。2024年2月，NASA指出俄羅斯星辰號服務艙的泄漏速度近期翻了一番，增加到每天損失超過0.9kg空氣，泄漏發生在對接端口一個稱為PrK的前端中。2024年4月，星辰號服務艙泄漏率已增至每天近1.7kg，為有記錄以來的最高水平。NASA將泄漏問題的風險可能性和嚴重程度都提升到最高風險級別。目前俄羅斯在不使用星辰號服務艙時保持其艙口關閉，以減輕泄漏的影響。如果泄漏情況惡化，長期解決方案將是永久關閉星辰號服務艙艙門，但這將失去該艙段的飛船對接端口。

與此同時，俄羅斯正在積極籌劃本國的俄羅斯軌道站。俄羅斯政府批准了總造價為6089億盧布（約55億美元）的國家空間站項目，研製單位為科羅廖夫能源火箭與空間公司（RKK Energia）。該公司列舉了新空間站的三大優勢：①空間站採用開放式模塊化架構，艙段壽命到期可以更換成新艙；②空間站位於極地軌道上，可以觀察到整個俄羅斯國土以及北極領域；③空間站可提供充沛能源供大功率設備使用，例如：雷達和大功率天線系統等。

2 細化技術方案、聚焦關鍵問題，

為載人月球探測奠定基礎

（1）深化國際合作與公私合營，推進載人登月關鍵系統研製

美國與歐洲、日本等盟友以及商業公司共同為載人月球探索開發關鍵系統。飛船方面，NASA將用於執行Artemis-3任務的“獵户座”（Orion）飛船進行集成，將歐洲服務艙與乘員艙適配器相連，該集成硬件可為飛船提供推力、熱控、能源，併為航天員供應水、氧氣等關鍵資源。歐洲服務艙的部件來自10個歐洲國家，是歐美合作探月的關鍵組成部分。

月面着陸器方面，NASA授予SpaceX和藍色起源公司（BlueOrigin）貨運版月球着陸器研製合同，要求產品具備將12～15t的有效載荷送至月面的能力，為月球可持續探索所需的大型基礎設施以及大規模的後勤補給提供登月能力。NASA計劃利用“星艦”（Starship）貨運月面着陸器在2032財年之前將加壓月球車運送到月球表面，以支持Artemis-7及後續任務（見圖2）；利用“藍月”（BlueMoon）貨運月面着陸器在2033財年之前將月球表面棲息地送至月面（見圖3）。不同的月球着陸器設計方案及其不同的運輸模式，可為登月計劃提供任務靈活性與能力冗餘。

圖2  “星艦”着陸器概念圖（來源：NASA網站）

圖3   “藍月”着陸器概念圖（來源：NASA 網站）

在着陸點選擇方面，基於“星艦”着陸器對着陸點的要求，以及着陸點的科學潛力、發射窗口、照明條件、與地球的通信條件，NASA為美國首次載人登月重新選擇了9個聚集在月球南極附近的候選着陸點（見圖4）。由於很難為6天的月球表面停留找到全程滿足要求的着陸點，NASA通過選擇9個備選着陸點來保證任務的靈活性，而未來“阿爾忒彌斯”計劃的着陸點不限於目前的候選點，還包括選擇月球南極地區以外的着陸點，來實現更廣泛的科學目標。

圖4  重新選擇的載人月球探測着陸點（來源：NASA網站）

地月空間站方面，美國繼續拓展國際合作夥伴。NASA與阿聯酋穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）達成協議，MBRSC將為“門户”（Gateway）空間站開發乘員與科學氣閘艙模塊，而NASA將在未來的任務中將一名阿聯酋航天員送往“門户”空間站。氣閘艙將用於在地月空間站開展艙外活動航天器提供對接端口，該模塊計劃2031年跟隨，併為擬議的深空運輸Artemis-6任務發射。

月球車方面，NASA選擇三家公司開發月球地形車（LTV）。NASA將LTV作為阿波羅式月球車和移動式無人科學平台的混合體，主要目的是在月球表面運送航天員，要求包括能載兩人、最高時速15km/h、永久陰影區工作至少2h等。NASA還希望能遠程操作月球車，在無人狀態下開展科學調查。LTV服務合同15年內最高總金額為46億美元，受限於預算，NASA將以單一來源模式購買後續的LTV服務。三型月球地形車原型如圖5所示。

圖5  三型月球地形車原型（來源：NASA網站）

（2）登月進度進一步推遲，確認熱防護系統問題原因

美國在一年內二次推遲載人登月計劃。由於NASA發現了執行Artemis-1任務的“獵户座”飛船隔熱罩出現超預期燒蝕的根本原因，因此需要額外時間對後續任務進行適應性優化。根據最新的時間表，Artemis-2首次載人繞月飛行任務從2025年9月推遲到2026年4月發射，Artemis-3首次載人登月任務從2026年9月推遲到2027年中期發射。

經過分析，Artemis-1任務中出現最嚴重的問題是“獵户座”飛船隔熱罩，NASA在隔熱罩上發現了100多個位置存在材料意外脱落的情況。“獵户座”飛船的隔熱材料被稱為Avcoat，正常情況下，Avcoat在飛船再入過程應該按設計融化，但實際任務中該材料破裂並形成碎片，這種情況可能使隔熱罩無法充分保護乘員艙和航天員免受極端高温影響。

NASA使用艾姆斯研究中心的電弧噴射設施復現Artemis-1任務的再入環境，確定了Avcoat隔熱材料出現問題的根本原因。NASA認為隔熱罩問題與飛船使用的“跳躍”再入（乘員艙在大氣層中跳入跳出以釋放動能）有關。飛船再入大氣層期間，加熱速率較低，減緩了炭層的形成過程，進而影響了Avcoat材料的滲透性，導致隔熱罩內部形成氣體且無法逃逸，內部壓力增大，最終隔熱罩外層破裂和不均勻脱落。

查明原因後，NASA決定不為Artemis-2任務更換已完成的隔熱罩，而是修改再入剖面，包括縮短再入跳躍階段持續時間。儘管這種方法可能降低着陸精度，但可以避免因更換材料而耗費更多時間。NASA估計，如果更換隔熱罩，Artemis-2任務可能會推遲到2026年底才能實施。

（3）俄羅斯載人月球探測推進緩慢，重點發展月球核電站項目

俄羅斯載人登月項目處於擱置狀態。俄羅斯修改“雄鷹”（Orel）探月載人飛船用途，飛船經過適應性改造後，將首先用於將航天員運送至俄羅斯軌道站。

面對載人登月項目的嚴重推遲，俄羅斯考慮建設月球核電站帶動探月項目發展。俄羅斯總統普京要求政府分配必要的預算用於實施俄羅斯空間核能發展項目。俄羅斯航天國家集團（Roscosmos）推進月球核電站項目技術方案設計以及後續研發工作，並審議2033-2035年間將核電站送到月球並將其安裝到月面的可能性。此外，俄羅斯還計劃建造核動力貨運飛船，並表示技術方面只有核反應堆冷卻問題待解決。

3 利用商業力量以及國際合作，

達成自身載人航天發展目標

（1）歐洲推進本土載人航天項目，深化歐美探月合作

運輸系統方面，歐洲航天局（ESA）將兩份價值約2500萬歐元的合同分別授予泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）和歐洲勘探公司（ExplorationCompany）。根據合同，兩家公司應從2024年6月-2026年6月推進貨運飛船的第一階段開發，重點關注任務要求、架構、技術成熟度和風險控制。ESA的長期目標是要求到2028年至少有一艘貨運飛船投入使用，並朝着開發載人運載工具的目標邁進。此外，ESA還授予阿里安空間公司（Arianespace）合同，研究阿里安-6火箭執行載人運輸的任務方案。

國際合作方面，《阿爾忒彌斯協定》全年新增19個簽署國，其中包括13個歐洲國家（見圖6）。目前已有20個歐盟國家和19個ESA成員國加入該協定，歐洲在載人探月領域與美國合作愈加深入。

圖6  2024 年底《阿爾忒彌斯協定》簽署國達52個（來源：NASA 網站）

（2）在日美同盟框架下深度參與“阿爾忒彌斯”計劃

美、日兩國政府在2024年達成一致，決定讓兩名日本航天員登陸月球，日本也成為美國之外第一個確定在“阿爾忒彌斯”計劃中獲得載人登月名額的國家。除了載人登月任務外，日本獲准在未來派一名航天員執行“門户”空間站任務。美國肯定了日本加壓月球車對“阿爾忒彌斯”計劃的重大貢獻，“月球巡洋艦”（LunarCruiser）加壓月球車設計容納2名航天員在其中生活約30天，總壽命10年，能夠適應-170～120°C的極端温差環境，具有自動駕駛功能。月球車配備氫燃料電池供能系統，輔以太陽翼，通過將廢水轉化為氫氣和氧氣完成循環利用。“月球巡洋艦”加壓月球車如圖7所示。

圖7  “月球巡洋艦”加壓月球車概念圖（來源：豐田公司）

（3）印度利用獨特地緣優勢，積極開拓與美西方國際合作

印度與美國在載人航天方面取得合作進展，雙方將一名印度航天員送往“國際空間站”，與NASA航天員開展首次聯合行動，並研討印度參與“門户”空間站任務的機會。印度還加深與歐洲的合作，印度空間研究組織（ISRO）、印度國家空間促進和授權中心（IN-SPACe）與旅行者太空公司（VoyagerSpace）簽署諒解備忘錄，探索利用“天空之船”（Gaganyaan）為商業空間站提供運輸服務；ISRO和ESA簽署技術實施計劃，歐洲空間運營中心（ESOC）將協調全球歐洲空間跟蹤網（Estrack），為“天空之船”任務提供地面站支持，用於飛船跟蹤、監測和軌道操作。ISRO與澳大利亞航天局簽署協議，澳大利亞獲得ISRO關於防止推進劑污染、爆炸，以及在艙門無法打開的情況下處置航天員乘組與其他相關事項的標準操作程序（SOP），為航天員搜救和飛船回收提供援助。此外，ISRO在2024年發射“空間對接試驗”（SpaDeX）任務，測試交會對接以及編隊飛行等技術，為印度載人航天工程後續發展奠定基礎。

4 結束語

2024年，世界載人航天取得了快速發展。近地軌道方面，各國高度重視保持近地軌道長期載人能力，美國利用“載人龍”“貨運龍”和“天鵝座”飛船完成常規載人和貨運任務，開展“星際客船”首次載人飛行測試，優化現役飛船能力，細化“國際空間站”離軌方案，拓展載人航天商業化發展形式。俄羅斯繼續利用“聯盟MS”“進步MS”飛船完成載人和貨運任務，艙段氣體泄漏問題日益嚴峻，研究部署本國空間站。載人月球探測方面，美國登月方案複雜、技術要求高，整體進度多次推遲，在確認飛船熱防護系統問題後，仍然面臨在軌加註難題以及項目嚴重超支風險。整體而言，主要航天國家均積極謀劃，推動載人航天活動可持續發展，並邁向更遠的深空。