独家：2015年世界航天发展的重要趋势与进展

航天 · 2016-11-22 23:53:08

（中国太空网讯）2015年，世界主要国家为应对空间安全挑战，调整航天发展战略，着力提升进入空间、利用空间和控制空间能力，商业航天快速发展，深空探测取得重大进展。　　一、重要趋势　　1. 着眼应对空间安全挑战，强化航天力量建设　　2015年，美国继续深化《空间战略投资组合评审》。该评审认为，美军过去的空间系统设计不适应当前日益拥挤、对抗、竞争的空间环境，美国应积极调整空间系统发展思路。一是强调以“多样化”思路提高空间防护能力，“分散式体系结构”不再是美军太空系统未来发展的唯一方向。二是按照“空间分散、地面集中”的思路发展军事航天系统，通过商业卫星托管军用载荷、将复杂大卫星系统功能分散到多个小卫星等手段，持续推进弹性分散式空间系统体系结构发展。在地面系统发展中，美军注重加强一体化建设，增强信息融合能力。美国国防部还开展了“一体化地面系统”项目，将对美军空间系统的地面段进行一体化改造，以实现所有卫星都由通用地面站控制，计划2020年前完成建设。　　8月，俄罗斯空天军正式开始战备值班。俄罗斯组建空天军，是俄罗斯应对美国“快速全球打击”武器等现实空天安全威胁的需要，有助于俄罗斯建成统一的空天攻防体系。空天军将成为俄罗斯维护空天安全，实施空天防御的重要力量。　　1月，日本发布新版《宇宙基本计划》。该计划以空间系统受攻击风险加大为由，明确将“保障空间安全”放在航天政策目标的首位，首次提出应对空间垃圾和对卫星攻击的风险，提高空间系统整体弹性等空间安全措施。　　总的来看，随着空间环境的日趋恶化和空间竞争的加剧，应对空间安全挑战已成为主要国家航天力量发展的重要着眼点。　　2. 创新性航天技术不断涌现，将变革现有航天系统设计与制造模式　　2015年世界首批全电推进卫星发射入轨。全电推进卫星可降低卫星发射质量、增加卫星有效载荷、延长卫星工作寿命、提高卫星性价比和卫星运营商的市场竞争力。微小卫星呈现井喷式发展，其功能密度不断提高，实用性不断增强，很可能改变原先以大卫星为主导的卫星体系结构。微小卫星大多追求以超低成本快速制造、快速发射、快速部署，及时补充受损卫星，将提高整个卫星体系的抗毁性；高分辨率微小卫星星座与互联网和云服务相结合，改变了天基商业成像卫星的应用模式。2015年，主要国家进行多次可重复使用运载器技术试验，这一技术在降低卫星研制和发射成本的同时，还将提升快速进入空间能力。微小卫星、电推进卫星、可重复使用运载器等创新性航天技术的快速发展，将深刻变革世界航天技术的发展和应用模式。　　3. 商业航天快速发展，对航天发展影响日趋显现　　2015年5月，美国航天基金会发布《年度报告》显示，2014年全球航天经济总量达3300亿美元，其中商业航天活动占76%。　　商业航天应用领域不断拓展。目前，商业航天除继续在遥感和通信等传统领域扩大市场份额外，正在向军用领域拓展。一是承担军用卫星发射业务。5月，SpaceX公司的猎鹰-9火箭获得美空军认证，可发射侦察卫星和第三代GPS卫星等军用卫星。重型“猎鹰”火箭的单次发射成本约1亿美元，而同级别美国现役德尔他-4重型火箭的单次发射成本则高达3.5亿美元。二是为美军空间态势感知提供支撑。11月，美国空军发布信息征询书，寻求由商业公司提供空间态势感知数据。近期，美国空军启动了“商业集成单元”的试点计划，用于从商业卫星运营商获得更为精确的空间态势感知数据。三是承担军用卫星在轨运行维护。9月，美国空间与导弹系统中心发布信息征询书，寻求由商业公司承担“宽带全球通信卫星”（WGS）的在轨运行和维护。　　“航天+互联网”的跨界融合成为商业航天新的发展趋势，卫星通信与互联网结合正在成为商业航天公司发展的热点。2015年美国OneWeb公司和SpaceX公司先后宣布组建由648颗或4000颗低轨卫星组网的低轨互联网接入平台，将是对传统卫星通信业务的颠覆和创新。（编者注：2015年10月27日，SpaceX公司透露4000颗低轨星座项目还“亟待观察”，需要更深入研究其商业模式。）　　二、若干重要进展　　1. 俄罗斯组建航天国家集团　　7月13日，俄罗斯总统普京签署法案，在联邦航天局和联合火箭航天集团公司基础上成立国家航天集团。这一战略举措，将掀开俄罗斯航天工业改革新的一页。　　此次改革主要有以下几方面内容：一是股份制改造。本次改革将俄罗斯联邦航天局的行政权力予以保留，将其原下属大部分企业均划归联合火箭航天集团。俄罗斯航天企业是在计划经济体制下建立起来的，曾长期处于国家计划和安排下，因而产权制度单一，经营机制僵化。此次实施股份制改革，目的是将企业产权结构合理安排，激发企业活力，政府将由过去的单一国有制向国有参股和国有控股形式过渡。二是组织机构调整。俄罗斯航天国家集团将可能组建国家载人航天中心，该中心将负责航天员选拔和训练，实施载人航天活动。三是产品结构转型。俄罗斯此次航天工业改革还强调航天技术转化应用，以服务联邦经济现代化和区域发展。　　针对2010年以来俄罗斯接连发生航天事故，俄罗斯启动航天工业改革，希望通过改革遏制俄航天能力下滑的趋势。　　2. 俄罗斯组建空天军　　8月1日，俄武装力量的新军种——空天军正式开始担负作战值班任务。空天军在俄原空军和空天防御兵合并基础上组建而成，其部队编成包括航空部队、防空部队、反导部队、航天部队四大部分。其任务职能是负责集中指挥和统一管理作战执勤的空中、防空和反导力量，发射并控制俄罗斯的在轨航天器，管理运行导弹预警系统与太空监视系统。空天军总司令由现任空军总司令维克托・邦达列夫上将担任。俄罗斯组建空天军，是应对美国“快速全球打击”武器等空天威胁的需要，同时有助于俄建成空天攻防体系。　　3. 日本发布新版《宇宙基本计划》　　1月9日，日本发布新版《宇宙基本计划》，将空间军事应用作为“首要政策目标”。一是突破“和平利用空间”的法律制约。新版《宇宙基本计划》，删除了上一版中“遵守1969年国会通过的‘宇宙和平利用决议’”等表述，将确保“空间安全”列为首要目标，表明日本太空军事化战略已从幕后走向了前台。二是发展多种军事航天应用系统。在侦察卫星方面，日本将于2015年开始研制新一代光学侦察卫星，分辨率可达0.41m，2019年投入使用；2016年开始研制新一代雷达侦察卫星，2020年投入使用。在通信卫星方面，日本将于2016年着手开发X频段3号星，将X频段军事通信卫星网扩充为3星体制，确保建成“抗攻击、高保密的卫星通信网”，满足自卫队部队机动需要。在导航卫星方面，将于2023年建成由7颗卫星组成的“准天顶”卫星导航系统。在预警卫星方面，日本计划研制新型红外探测器，用于未来的预警卫星。三是加强国际合作，特别是加强与盟国美国的合作。包括进一步加强日本“准天顶”卫星与美国GPS间的协作，共享空间态势感知相关情报，探讨旨在加强在海洋态势感知领域合作的空间合作等。　　4. 主要国家和地区积极发展可重复使用运载器　　可重复使用运载可大幅降低航天运输成本，具有很高的军事和民用价值，已成为航天领域备受关注的发展热点。　　一是火箭动力、升力式水平返回两级入轨运载器是目前研究重点。俄罗斯计划研制“可重复使用太空火箭系统”（MRKS-1）。其第一级（助推级）为可重复使用部分，采用有翼布局的升力体构型，第二级和上面级为一次性使用。该火箭以垂直方式发射后，可重复使用的第一级与第二级分离，以滑翔飞行方式返回。欧洲航天局成功完成“过渡试验飞行器”（IXV）的首次再入机动飞行试验。2月11日，IXV飞行器由“织女星”火箭发射，在340km高度与运载火箭分离，经过近7300km滑翔和机动飞行，通过降落伞溅落在西太平洋的加拉帕戈斯群岛附近海域。IXV飞行器用于验证新一代载人可重复使用运载器技术。下一次飞行试验计划2019年或者2020年进行，可能采用水平着陆回收。　　火箭动力、垂直起降运载器一子级垂直回收进行多次试验。11月，美国蓝色起源公司“新谢泼德”运载火箭首次实现垂直软着陆回收。火箭最高飞行高度达到100.5km，最大速度达3.72马赫。试验成功标志着运载火箭一子级垂直回收取得重大突破，将进一步促进商业航天发展。1月和4月，美国SpaceX公司猎鹰-9 1.1型火箭进行两次一子级垂直返回海上平台回收试验，但均未取得成功。（编者注：12月美国SpaceX公司猎鹰-9火箭发射11颗卫星后，首次成功实现回收。）　　组合动力单级入轨、水平起降可重复使用运载器仍处于概念研究阶段。单级入轨空天飞行器方案技术难度很大，目前仅有英国单级入轨空天飞行器“云霄塔”计划仍在开展相关研究，主要集中在“佩刀”发动机技术攻关上。7月，美国空军研究试验室经评估后认为，“佩刀”发动机具备技术可行性，但目前将其用于单级入轨空天飞行器有很大技术难度，将其用于两级入轨构型可能更具优势。　　美国逃逸动力公司提出“微波驱动单级入轨空天飞行器”方案，飞行器将载荷送入轨道后，通过自身携带的推进装置离轨，并以滑翔方式返回跑道着陆。目前，该方案已在实验室进行了验证。　　5. 美国快速、低成本航天发射计划遭遇挫折　　美国国防高级研究计划局（DARPA）“机载发射辅助空间进入”（ALASA）项目已经放弃在2016年从改进型F-15战斗机发射小卫星的计划。DARPA在2015年对一种新型火箭燃料进行了两次试验，均发生爆炸，以失败告终。DARPA将在2016年研究如何利用这种不稳定的氧化亚氮－乙炔推进剂，并对现有小型运载火箭进行改进，以实现24h内以低于100万美元的成本将小卫星发送至轨道。11月，美国“超级斯届比”火箭首次发射失败。该火箭为三级固体火箭，可将300kg有效载荷送入低地球轨道，发射准备时间从数月缩短到几周。美国发展低成本快速发射系统，旨在推动按需快速发射小卫星能力的形成，将使小卫星大量应用于战场侦察、通信等领域成为可能，并有助于提升美军空间系统遭攻击后的快速恢复能力。　　6. 主要国家（地区）启动新一代重型运载火箭研制　　美国、欧洲、日本相继公布新一代大型运载火箭研制计划。美国联合发射联盟4月表示开始研制新型的“火神”运载火箭，计划2019年首飞。“火神”设计为两级液体运载火箭，可捆绑4个或者6个固体助推器，地球同步转移轨道运载能力超过8t；2023年后可选用新型上面级，达到与德尔他-4H运载火箭相当的运载能力，即低地球轨道运载能力达22t。　　欧洲航天局8月启动研制新一代的阿里安-6运载火箭，计划2020年首飞。设计为两级液体运载火箭，芯级可捆绑2个或者4个固体助推器，地球同步转移轨道运载能力分别达到5t和11t。　　日本宇宙航空研究开发机构6月提出新一代H-3运载火箭，该火箭仍为两级液体运载火箭，箭体全长63m，芯一级直径5.2m，可捆绑2个或者4个固体助推器。该火箭太阳同步轨道运载能力超过4t（无助推器），地球同步转移轨道运载能力超过6.5t（捆绑4个助推器）。　　7. 日本构建新型侦察卫星星座　　2月1日和3月26日，日本分别发射1颗雷达成像卫星和1颗光学成像卫星，使日本在轨工作侦察卫星数量达到7颗，其中光学卫星4颗、雷达卫星3颗（雷达卫星和光学卫星各有1颗作为备份）。光学侦察卫星分辨率为0.6m，雷达侦察卫星分辨率为1m。根据11月公布的《宇宙基本计划》路线图修订案，2024年前，日本情报搜集卫星工作星数量将再增加1倍。即由原“2颗光学+2颗雷达+1颗数据中继”卫星体系，调整为“4颗光学+4颗雷达+2颗数据中继”卫星体系。由于卫星使用寿命通常大于设计寿命，日本目前已有“4颗光学+3颗雷达”侦察卫星在轨，因此未来日本天基对地侦察系统卫星数量很有可能超过10颗，将进一步提升日本天基侦察的时间分辨率，可实现对全球各地任一目标每天侦察两次，缩短重点区域的重访周期。　　8. 美军“移动用户目标系统”通信卫星完成组网　　1月和9月，美军发射第三颗和第四颗“移动用户目标系统”（MUOS）卫星，完成系统组网。MUOS卫星采用透明转发体制，携带两种载荷：一是与已部署的“特高频后继”卫星类似的载荷，通过5.4m口径反射器天线形成的全球波束为传统用户提供服务；二是全新的采用“宽带码分多址”体制载荷，通过14m口径天线形成16个点波束，为新型终端用户提供服务。MUOS卫星采用第三代商业移动蜂窝网技术——宽带码分多址（WCDMA），整个MUOS系统星座容量将达到特高频后继卫星系统容量10倍。　　9. 微小卫星研制取得新进展　　2015年，微小卫星继续保持迅猛发展势头，占比已超过年度发射航天器的60%。小卫星已成为国际航天领域最为活跃的组成部分之一。一是商业对地观测微小卫星星座实现全球数据近实时获取。2015年，对地观测仍是微小卫星的主要应用方向，多家公司发射星座或补网发射。行星实验室公司的“鸽群”星座于1月、4月和8月共补网发射30颗卫星，目前在轨48颗，是全球最大的对地观测星座，可每天24h对南北纬52°之间区域成像，采用“永远在线”工作模式取代“指令开机”传统设计，无需对卫星下达成像指令即可自动获取全球持续图像，实现热点与全局兼顾的动态监测。二是战术小卫星提升战场通信能力。10月，美国陆军发射3颗纳卫星，每颗卫星重仅5kg，通信频段为UHF，用于验证超视距通信中继能力，将为缺乏通信手段的作战单元提供从战场到旅级指挥所的超视距通信服务。DARPA启动“卫星间通信链路”项目，研制用于微卫星通信的星间链路，其通信速率达到1Mbit/s，通信距离约2000～4000km，将使微卫星具备低时延和强抗干扰通信，以实现微卫星近实时的战术应用要求。　　10. 世界首批两颗全电推进卫星发射入轨　　3月3日，美国SpaceX公司猎鹰-9运载火箭携带美国波音公司研制的两颗全电推进卫星——亚洲广播卫星-3A卫星和“欧洲通信卫星115西B”卫星升空。全电推进卫星是指星箭分离后完全依靠电推进系统变轨进入工作轨道，且入轨后位置保持也采用电推进系统的卫星。全电推进卫星由于取消了化学燃料和化学发动机，卫星质量大幅下降到原来的一半左右，可提高卫星平台的有效载荷比或降低发射成本，具有巨大的实用和商业价值。由于卫星质量大幅降低，利用同样的运载火箭可以采用“一箭双星”发射，发射费用大幅下降。但相对于传统化学推进静止轨道卫星依靠远地点发动机仅需2～3周即可完成轨道转移任务，目前全电推进卫星依靠现有电推进系统，至少需要6个月才能进入地球静止轨道，加大了运营商的投入成本，增加了市场竞争的不利因素。　　11. 美俄加强天基预警系统建设　　美国继续探索商业载荷搭载方式发展导弹预警与杀伤评估技术。7月，美导弹防御局启动“天基杀伤评估”系统项目，计划在下一代“铱”商业卫星星座上搭载重10kg的杀伤评估载荷，以评估导弹防御拦截弹的杀伤效果。　　俄罗斯加快发展新一代预警卫星。11月17日，俄罗斯发射新一代天基预警系统首颗卫星。据美国军方卫星观测数据透露，该卫星运行轨道为大椭圆轨道，近地点高度约1626km，远地点高度38550km，轨道倾角63.8°。俄新一代天基预警系统被称为“统一空间系统”，将替代俄“眼睛”预警卫星系统。俄罗斯计划2018年前发射10颗新一代预警卫星，完成新一代预警卫星系统网建设。　　12. 美俄空间态势感知能力迈上新台阶　　美国和俄罗斯着力加强空间态势感知能力建设。　　美国成立跨部门空间态势感知机构。10月1日，美军“联合跨部门合成空间行动中心”开始进入试验阶段，作为美目前“联合空间行动中心”的备份，新机构将首次整合国防部和情报部门的空间目标监视数据，以提高美军的空间态势感知能力。美国加快构建天地一体的空间态势感知能力，高轨空间态势感知能力显著提升。在中低轨道方面，9月，“空间篱笆”系统完成关键设计评审，正式从设计阶段转入建造阶段。“空间篱笆”系统S频段地基雷达将重点对中低轨道上尺寸大于5cm的目标进行跟踪，新一代“空间篱笆”系统预计2017年初具备作战能力，可跟踪的空间碎片数量将由2万个增加到20万个。在高轨方面，美国空军“地球同步轨道空间态势感知”（GSSAP）双星具备初始作战能力。9月，美空军航天司令部进行2次同步轨道目标成像试验，取得了“令人满意”的目标图像。美国空军计划在2016年发射另外两颗GSSAP卫星。GSSAP系统将提升美军对高轨微小目标的抵近侦察和监视能力。　　俄罗斯升级地基空间目标监视网。7月，俄罗斯首套“窗口-M”地基光电空间监视系统具备完全运行能力。该系统可识别轨道高度在120～40000km航天器，与地基雷达配合，能使俄军空间监视能力覆盖目前所有航天器的运行轨道，空间监视能力增强4倍。　　13. 俄罗斯卫星进行机动变轨和近距绕飞试验　　3月，俄罗斯秘密发射宇宙-2504卫星进入近地轨道，入轨后该星多次在轨机动并至少与两个空间目标交会。这是俄近2年内第三次验证此类技术。4月～7月，宇宙-2504与发射其入轨的火箭上面级开展在轨交会，其间还曾靠近一不明轨道碎片。据美国媒体报道，俄罗斯正在进行一系列针对非合作目标的在轨快速机动与交会试验，展示了精准的轨道交会和对接变轨能力。这表明俄罗斯在具备地基定向能和共轨式反卫星技术基础上，正在发展“以星控星”的新型反卫星技术，将进一步增强俄太空威慑能力。　　14. 美国开展“蜻蜓”计划发展新型天基在轨操作技术　　2015财年，DARPA开展名为“蜻蜓”的地球静止轨道卫星机器人自组装项目。该项目是对“凤凰”计划的延伸和拓展。与“凤凰”计划利用卫星交会对接实施在轨操作不同，“蜻蜓”项目将研究利用星载机械臂，将分散的天线部件在轨组装成大型卫星天线。该项目可使通信卫星的天线突破整流罩的束缚，进而大幅提升卫星通信能力。同时该项目所演示的机械臂在轨操作技术，可对地球同步轨道卫星实施硬杀伤破坏。　　15. 主要国家制定深空探测计划　　主要国家以月球、火星为目标，制定深空探测计划。　　NASA提出在本世纪30年代载人登陆火星。NASA局长查尔斯・博尔登称，在当前经费支持力度下，美国有望在21世纪30年代实现载人火星任务，其中2033年实现载人火星轨道飞行，2039年实现载人登陆火星。NASA喷气推进实验室将登陆火星计划分为“三步走”。第一阶段的工作已经展开，包括人类健康和行为的测试和实验；类似种植食物和循环利用水的生命支持系统；在国际空间站进行3D打印等。第二阶段名为“试验场”，预计2018年启动，包括发射新的“猎户座”太空飞船，以及目前运载能力最强的运载火箭“太空发射系统”。第三阶段包括在火星表面和运输飞船中生活和工作，这种飞船仅需常规维护，能够从火星获得制造燃料、氧气和建筑材料的资源，在数年内支持人类生活。第三阶段工作预计将在2030年左右启动。　　俄罗斯计划2030年开展载人登月任务。10月，俄罗斯航天局局长索恩采夫表示，俄罗斯计划2023年发射无人探月飞船与国际空间站对接，首次无人探月任务将在2025年进行，2029年开展载人登月任务。俄航天局正研制用于载人登月任务的超重型“安加拉”火箭。2014年9月，俄总统批准了超重型火箭研制计划，超重型火箭将具备近地轨道150t的运载能力。　　4月20日，日本宇宙航空研究开发机构官员在国会表示，登月计划是日本开展未来太空探索任务的第一步，目前许多程序仍在进行中。日本计划使用小型“艾普斯龙”运载火箭，将名为“探月智能登陆器”的探测器运送到月球表面。　　16. 美国“小行星重定向任务”实施方案确定　　3月25日，美国NASA公布了“小行星重定向任务”（ARM）的实施方案，计划斥资12.5亿美元，2025年前发射一艘无人航天器，从一颗选定的小行星表面采集岩石，并将所采岩石送到绕月轨道。之后，搭载两名航天员的“猎户座”飞船飞往绕月轨道，采集岩石样本后返回地球。NASA主要设计了两种任务方案：方案A是由航天器释放一个直径约15m的捕获网，将一颗直径10m的小行星转移到月球轨道；方案B是使用航天器在一颗较大的小行星（直径约数百米）表面着陆，从其表面抓取直径4m的岩石，并转移到月球轨道。NASA最终选定B方案执行“小行星重定向任务”。　　17. 美国“新视野”号探测器成功飞越冥王星　　7月14日，美国“新视野”号探测器飞越太阳系最远的天体——冥王星，最近距离约12472km，拍摄了太阳系原九大行星最后一块未开垦处女地的清晰照片。　　“新视野”携带了7台质量为30kg的科学仪器。其中，光学设备3台，分别是：远程勘测成像仪（LORRI）、可见光－红外成像光谱仪和紫外成像光谱仪，分别拍摄可见光、红外和紫外图片。另外4台仪器分别是：太阳风分析仪、无线电科学设备、高能粒子光谱仪和学生尘埃计数器，分别用于测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。　　“新视野”冥王星探测器的主要发现：一是发现冥王星北极存在冰冠，主要成分为氮和甲烷；二是精确测定冥王星的直径约为2370km；三是揭示了冥王星大气富含氮以及冥王星大气层高度，探测数据表明冥王星大气延伸至1600km处；四是首次获得冥王星及其卫星的高清图片，如冥卫三自2005年被发现以来一直是大小形状和反照率未知的模糊光点，“新视野”确定其大小约为43km×33km。7月17日，NASA公布了一张冥卫一的新照。其特写区域长度约390km。“新视野”首次实现了对冥王星的近距离探测，填补了冥王星探测的空白，标志着人类探测器到访了太阳系几乎所有的大天体，对于深空探测具有重要意义。　　18. NASA公布2015年版技术路线图　　5月11日，美国航空航天局（NASA）在其网站公布《2015 NASA技术路线图》报告（以下简称《路线图》）。该《路线图》是在2012年版《路线图》基础上的进一步完善，更为详细地介绍了未来20年（2015－2035年）NASA所需的任务能力和技术发展的需求。　　新版《路线图》主要有以下特点：　　一是技术领域增加到15个。1级技术从14个增加到15个，15个1级技术领域分别为：发射推进系统；空间推进系统；空间动力与能源储存；机器人与自主系统；通信、导航、轨道碎片与编目系统；人员健康、生命保障与居住系统；载人探索目的地系统；科学仪器、观测与传感器系统；进入、下降及着陆系统；纳米技术；建模、仿真、信息技术与处理；材料、结构、机械系统与制造；地面与发射系统；热管理系统；航空。二是关注交叉技术领域的候选技术分析。《路线图》专门设立交叉技术领域章节，9个交叉技术领域分别为：自主系统与人工智能技术；航空电子；出舱活动；信息技术；原位资源利用技术；轨道碎片；辐射与空间气象；传感器；热防护系统。三是重点关注支持“渐进火星行动”候选技术。“渐进火星行动”是NASA正在开展的一系列系统分析，以确定人类登陆火星所需能力，以实现人类在21世纪30年代实现登陆火星。

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