国外航天发展综合解析论文

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重型运载火箭研发计划稳步推进，新型运载火箭技术发展受到高度重视

2012年，主要航天国家继续推进一次性重型运载火箭研发，同时通过改进发动机设计、研制新燃料等技术革新降低发射成本。此外，新型运载技术、先进空间推进技术也是运载领域发展的重点。2012年，美国新型重型运载火箭研发继续稳步推进，J-2X上面级发动机、五段式固体火箭助推器按计划进行地面测试。7月，航天发射系统（SLS）先后完成了系统需求、系统定义和初步设计评审，NASA将着手开始火箭芯级初步的制造加工，为2014年的关键设计评审做准备。俄罗斯积极推进安加拉火箭的研发，目前该火箭已运抵发射场，等待2013年的首飞。此外，俄罗斯还计划发展具备探月能力的新型运载火箭，能源公司提交了与乌、哈两国联合建造超重型运载火箭计划。火箭将使用“能源-暴风雪”项目中的技术，运载能力最高达70吨。11月，欧洲航天局部长级会议决定，未来两年将继续推进“阿里安”-5ME和“阿里安”-6小型火箭的研制计划，以及两种运载火箭的通用技术。日本航空航天探索局（JAXA）则在2月宣布将改进H-2A火箭，使其运载能力提高一倍以上，从而提高在商业领域的竞争力。针对未来发展的需求，各国在研制新一代重型运载火箭的同时，也在积极推进可重复使用、亚轨道飞行、低成本快速发射等新型运载火箭技术。美国SpaceX公司于9月、11月和12月三次进行“蚱蜢”可重复使用火箭原型机的验证飞行，目标是研制两级可重复使用的“猎鹰”运载火箭，火箭能够用自身引擎实现基于起落架的着陆。“猎鹰”9火箭燃料成本只占发射成本的二百五十分之一，如果该计划成功，将极大降低“猎鹰”火箭的发射费用。欧洲航天局（ESA）正在准备“过渡性试验飞行器”（IXV）的首次下降着陆试验，为研制可重复使用飞行器提供技术支撑。此外，NASA正在与美国军方联合研制用于发射纳卫星的低成本运载火箭，该火箭能够以100万美元的成本实现24h内的快速发射。日本也计划在2013年进行“艾普西隆”（Epsilon）新型运载火箭的首次发射。该火箭采用了一系列新技术实现低成本和快速航天发射，目标是2017年将火箭的发射成本降低到3900万美元，并争取实现每月发射。在加强深空探索的大背景下，先进空间推进技术成为2012年发展的一个热点。1月，NASA授予诺•格公司合同，目标是研制一种用于“太空拖船”的高功率太阳能电推进系统，这种系统能够从低地球轨道（LEO）向地球同步轨道（GEO）运送卫星，以节省燃料成本和二级推进器的成本。由于太阳能在远离地球轨道的地方作为能源存在劣势，因此，核动力推进技术用于未来深空探索前景广阔。3月，斯科尔科沃基金会核分部负责人称，俄罗斯将在2017年前制造出适用于长距离载人飞行航天器的兆瓦级核推进系统，预计耗资超过2.47亿美元。NASA也正在研制“高级斯特林放射性同位素发电机”（ASRGs），与传统的放射性同位素热电发电机相比，每台ASRG只用1kg钚-238就能产生130W～140W的电力，而现有放射性同位素热电发电机需要4倍以上的钚才能产生同样电力。

国际空间站应用价值凸显，新型航天器发展稳步推进

2012年，国际空间站进入全面运营。俄罗斯的“联盟”飞船完成了4次载人运输服务，“进步”号货运飞船进行了4次货运补给，日本HTV和欧洲ATV货运飞船各进行一次补给任务。航天员进行了4次出舱活动，有效保障了国际空间站的常态运营。欧洲和美国分别召开专题研讨会，讨论如何将国际空间站作为一个技术试验平台为未来空间探索技术发展提供支持。2012年，国际空间站开展了多项空间科学实验和技术试验，空间科学成果倍出。技术试验包括：俄罗斯首次利用激光通信手段将电子数据传送到地面；ESA和NASA测试了星际通信协议，实现对地面机器人的远程操控；JAXA和NASA首次使用机械臂释放5颗立方体卫星，用于科学探测、教育及科技研发；NASA利用“进步”号货运飞船验证“零推进机动”（ZPM）试验；NASA使用加拿大机械臂在国际空间站上成功进行6次在轨燃料加注演示验证（RRM）试验。另外，还开展了几项维持国际空间站长期运行的技术试验，如新型交会对接系统试验、新型前定空间碎片规避机动（PDAM）系统等。这些技术试验的开展，不仅推动科学技术的进步，还为支持小行星、火星探索活动以及月球居住等未来深空探索技术的开发提供支持。2012年，在NASA及私营公司的联合推动下，美国商业航天器研制进展顺利。“龙”飞船完成首次国际空间站货运任务，负责载人商业航天器研制的波音公司、内华达山脉公司及空间探索技术公司（SpaceX）公司均已进入商业乘员开发计划的第三阶段，制定了满足NASA安全和性能要求的商业乘员运输认证计划。NASA“猎户座”飞船进行了系列降落伞试验及水上溅落试验，完成了包括对接窗在内的硬件组装，进行了压力检验测试，在进行热防护装置安装的同时，正在进行与“德尔它”4运载火箭连接适配器的制造，地面发射与运行系统也转入初步设计阶段，为“猎户座”飞船2014年首次验证飞行奠定了基础。2012年12月，俄罗斯宣布已完成其新型载人飞船的设计工作，相比现有的“联盟”飞船，新型飞船具有能发射至国际空间站以远和登月飞行等多重优势，计划于2017年试验飞行。波音公司和SpaceX公司还正在开发创新的发射中止系统，其设计理念是将发射中止系统集成到载人飞船上，在不需要提供逃逸救生功能时，可将燃料转移给飞船的动力系统，在某些情况下甚至具备可重复使用能力，从而在为航天员提供可靠逃逸救生支持的同时，进一步降低了近地轨道载人航天运输成本。

航天员系统研究成果显著，载人飞行逐步向深空探索迈进

2012年，美国和俄罗斯的航天员选拔工作进展顺利，各项航天医学实验全面展开，获得大量珍贵科学数据，NASA新一代航天服Z1通过初步测试。国际空间站航天员驻站时间计划延至一年，标志着未来载人航天飞行正逐步向长期飞行阶段过渡。2012年1月，俄罗斯加加林航天员中心从304位报名者中筛选出8位获选航天员候选人，这是俄罗斯首次公开选拔航天员，也是航天员选拔改革的第一步。未来，俄罗斯联邦航天局还将逐步淡化军事色彩，航天员大队的17名军人航天员退出现役，航天员训练中心余留军人也都转为预备役。2012年，多项医学实验取得阶段性成果：一是航天飞行引发的骨质疏松防治研究取得新进展。NASA研究发现快速诊断骨丢失方法，ESA研究人员发现航天员减少盐摄入量可以预防骨质疏松；二是长期飞行对航天员健康的影响成为研究重点，NASA科学家发现，微重力环境下，视力变化与身体上下肢体液的变化造成颅内压增高之间可能存在联系。视力变化的部分原因可能是由于“叶酸依赖型单碳代谢途径”发生变化，此项研究结果对NASA和未来航天员有着重要影响；三是航天员免疫系统变化影响实验广泛开展，NASA成功运用定量聚合酶链式反应（PCR）技术，针对困扰航天员的皮肤疾病带状疱疹，在早期病变开始前即可检测出免疫系统的变化，使得航天员在病痛出现之前即可接受治疗。11月，俄罗斯联邦航天局和NASA各选定1名航天员，计划进行为期一年驻站考察活动，将于2015年3月搭乘俄罗斯“联盟”号飞船启程。目前航天员及专家已经开始飞行前的准备工作，并确定以下七个重点研究领域：微重力环境下飞行如何影响航天员的视力问题；评估防治骨质流失和肌肉萎缩的锻炼和营养学方法；长时间生活在微重力环境下对免疫系统的影响；评估可以影响平衡和感知的神经前庭系统变化；乘员的行为、表现及人与人之间的关系可能发生的变化；辐射暴露的影响；评估乘员培训程序和可能发生的变化。NASA为航天员设计X1骨骼服与传统的骨骼服相比，X1可增大航天员的活动幅度，令其在空间行走也能感受如地球上一样的重力，这一功能可帮助航天员有效避免肌肉损耗。NASA研制新型舱外航天服Z1这套历时20年研制的新型舱外服拥有更有效的冷却设备以及处理二氧化碳的能力。目前该型航天服已通过初步测试，预计2015年将用于实际的飞行任务。研究人员还将根据Z1的设计继续研发其升级版Z2和Z3，如果试验进展顺利，Z3可能在2017年投入使用。

空间科学研究酝酿新发现，深空探索技术取得突破

2012年，以美国“火星科学实验室”为代表的深空探索计划取得成功，标志着人类深空探索技术取得了突破性进展，同时推动了太阳系空间科学研究的发展。5月，NASA的月球探测器“圣杯”（GRAIL）完成其主要研究任务并于12月成功撞月。根据GRAIL传回的数据，NASA绘制了首个高分辨率月球重力场图。9月，美国的“黎明”号探测器完成了对灶神星的考察，随后飞往谷神星，成为第一个环绕两颗不同天体运行的无人探测器；“信使”号探测器发现水星上大量冰水物质；“旅行者”1号探测器接近太阳系边缘，即将成为首个进入星际空间的探测器；“哈勃”望远镜发现迄今最古老螺旋星系。这些空间科学研究使得人类对宇宙的认知不断深入。8月，迄今为止质量最大、性能最先进的火星探测器———“好奇”号成功着陆火星。“好奇”号首次采用无线电通信技术，实现数据传输量和传输速度的最大化；利用导航计算机、反冲推进火箭和“天空起重机”技术，实现了安全准确着陆火星；以“多任务放射性同位素热电发生器”为核心的能源系统，具有连续供电能力强，供电量大，供电能力不受着陆位置的影响等特点；采用酚醛树脂浸渍碳烧蚀体”（PICA）为材料的“好奇”号隔热罩具有可拼接扩展性和苛刻环境承受性；此外，“好奇”号搭载了10种科学研究仪器，不仅能对目标进行拍照和取样，还可用于火星岩石土壤的化学成分分析，对火星大气及环境进行评估等。“好奇”号的成功，是人类深空探索的重要里程碑，标志着深空探索领域取得显著技术突破，将对美国乃至世界载人航天发展产生深远影响。2012年，各航天国家根据本国国情和航天发展战略，相继确立了自己的深空探索计划。俄罗斯在4月公布的“2030年前空间探索战略”中明确提出，2020年前俄罗斯将利用一系列登陆探测器，深入开展月球研究，并采集、带回月球土壤样本。2030年前进行月球载人试验飞行，实现航天员在月球表面着陆并返回地球，2030年后则进一步落实月球开发的大型项目，实现定期月球载人飞行，在月球部署空间站科学实验室，开发探索月球所需的可重复使用航天运输系统。此外，俄罗斯还准备在2020至2025年间，实施若干个探索太阳系重要行星的项目，向金星、火星和木星等地球周边的行星发射探测器。5月，ESA通过了木星冰月探测计划，该计划耗资10亿欧元，预计2022年完成。ESA还与俄罗斯正式签署协议，将于2016年和2018年合作进行“地外火星”任务。2012年底，NASA公布其未来数年的火星计划，其中包括2020年发射可能携带样本返回的火星漫游车。此外，印度的火星轨道器最早将于2013年11月升空，其主要任务是研究火星大气。为此，印度政府2012财年已经向ISRO拨款2500万美元。

载人航天国际合作日趋紧密，各方更加注重自身利益实现

国际合作在促进载人航天活动开展和技术研发等方面发挥着积极作用，2012年，各主要航天国家除围绕国际空间站的运行和利用进行合作外，也在积极开辟新的载人航天合作项目和途径，围绕未来深空探测任务需求和各自国家的发展战略，致力于通过国际合作实现自己的发展目标。国际空间站的合作模式适合具有一定空间技术水平且有一定经济实力的国家之间开展合作。目前，这种模式中存在航天技术强国处于主导地位，技术从属国在设施与技术方面处于依赖地位。处于技术强国地位的国家通过主导和选择吸纳多个国家参与任务，既分担了任务、降低了本国的风险和成本，也加强和巩固了技术强国在国际事务中的主导地位，较好地实现了国家战略目标；技术从属国通过国际合作在一定程度上促进了本国或地区的载人航天技术发展，但在计划的制定和实施上受到了很大的限制。2012年8月，NASA局长博尔登表示，美国在未来的载人登陆火星任务中，仍将采取多国合作的模式，单纯依靠一己之力实现载人火星任务存在诸多困难；2012年9月，ISRO官员称，印度的“月球初航”－2任务仍需俄罗斯的技术支持，具体的发射日期还需与俄商定。在未来的载人登月和载人火星探索任务中，对于航天技术薄弱或没有进入空间能力的国家，或仍将采取国际空间站的合作模式。从载人航天国际合作的历史来看，在大多数情况下，各航天国家在参与国际合作中都有着明确的目的和需求。一直处于大国地位的美国，在国际合作中更多的是为了获得政治利益和资金支持。2012年初，NASA终止了与欧洲航天局的“地外火星”（EXOMARS）任务合作，一度使欧洲航天局的火星计划陷入进退维谷的境地。2012年11月，俄罗斯联邦航天局与欧洲航天局就EXOMARS任务签署合作协议，并承诺利用“质子”号为欧洲发射火星轨道器。俄罗斯在“福布斯”计划失败后，急于发展其火星计划；而欧洲航天局通过合作分担了任务、降低了风险和成本，同时提升自己的航天技术水平，加强欧洲国家内部的合作，以期建立自主的载人航天技术体系。

本文作者：王岩松张峰张智慧刘爽工作单位：中国国防科技信息研究中心