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独家:2016年世界航天发展重要趋势与进展

时间:2017年01月22日 信息来源:中国太空网 点击: 【字体:

(中国太空网讯,方勇 孙龙)2016年,世界主要国家着眼未来空间安全挑战,调整空间安全战略,创新发展航天装备与技术,商业航天应用领域进一步拓展,载人航天和深空探测取得新突破。

一、面对日趋激烈的空间竞争态势,主要国家积极调整布局未来航天发展战略

随着美国内外部环境和空间安全观的转变,美国正在酝酿调整空间安全战略。

一是强化“空间威慑”战略指导下的“体系弹性”建设。美国国防部认为,随着中俄反卫星能力的不断增强,美国空间系统面临更多威胁。美国负责空间政策的副助理国防部长道格拉斯•洛韦罗表示,在慑止空间战争方面,美国更需要依赖防御手段,而不是进攻手段。部署多颗卫星执行同一任务,一颗卫星可执行完整任务,其他卫星则提供冗余和备份能力。

二是调整空间威慑战略。为应对空间安全的新变化,美国空间威慑思想正在从强调进攻的“硬”威慑手段,转向提高空间系统弹性等“软”威慑手段。格拉斯•洛韦罗表示,与报复性打击相比,更好的空间威慑方法是确保对手无法从空间攻击获益,并提高对空间系统发起攻击的政治难度。

俄罗斯力求恢复传统航天大国领先地位。2016年3月,俄罗斯政府审议通过《2016-2025年俄联邦航天规划(草案)》,根据规划,未来十年俄罗斯将为航天活动拨款14060亿卢布,并视经济情况,或于2022年后再补充1150亿卢布,意图发挥其在空间技术领域的传统优势,实现俄罗斯航天再度崛起。

日本积极布局未来空间军事技术能力发展。2016年8月,日本防卫省发布首份《防卫技术战略》和《2016年防卫技术中长期展望》等文件,规划了未来一定时期日本防卫技术和武器装备发展方向和重点,在空间领域明确了“情报搜集”、“情报共享”、“稳定利用”三项核心军事能力,强调“提高卫星抗毁性、确保在发生各种事态时可持续发挥作用”,并将卫星搭载型红外传感器技术、太空监视技术、机载空中发射技术、提高任务效果技术列为未来军事航天技术领域优先发展方向。

二、航天装备与技术发展取得新突破,“入天、用天、控天”能力稳步提升

1. 可重复使用运载器技术多方案并行发展

一是组合动力、升力式水平返回两级入轨运载器是目前研究热点。美国空军研究实验室发布基于英国“佩刀”组合发动机的两种水平起降两级入轨空天飞行器概念方案。5月和8月,印度分别进行了“可重复使用运载器技术验证机”(RLV-TD)首次飞行试验和超燃冲压发动机首次带飞点火试验。这两次试验都是印度为其未来空天运输系统事先规划的研究试验,试验成功将为印度未来可重复使用空天运输系统发展奠定重要技术基础。

二是火箭动力垂直起降可重复使用运载器技术日趋成熟。美国太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰-9火箭继2015年首次实现陆上一子级回收后,2016年多次成功实现海上平台一子级回收,表明有动力垂直返回技术日趋成熟。

2. 卫星系统性能不断提升

一是小卫星蓬勃发展。微小卫星凭借成本低、制造快、发射快、及时补充受损卫星、有效载荷灵活多样等优势,受到主要国家高度关注,呈现井喷式发展势头。美国白宫发布“小卫星革命”倡议,促进小卫星发展和数据利用。美国国家侦察局局长表示,将增加立方体卫星的使用,以改变目前主要依靠大卫星执行侦察监视任务的局面。二是卫星激光通信技术实用化取得新突破。欧洲“数据通信高速公路”项目首颗数据中继卫星EDRS-A卫星发射,并开展与哨兵-1A卫星的激光通信试验。三是导航卫星系统性能不断提升。印度发射第七颗导航卫星IRNSS-1G,完成“区域导航卫星系统”(IRNSS)星座完成部署。俄罗斯首颗GLONASS-K1导航卫星开始提供导航服务,标志着俄第三代导航卫星正式服役。

3. 攻防并重发展控制空间能力

发展实时的空间态势感知能力。美国国防高级研究计划局(DARPA)正在通过“空间监视望远镜”、“轨道瞭望”和“标记”等项目发展实时空间态势感知能力,为空间作战做好准备。10月,DARPA正式向美空军交付“空间监视望远镜”,标志着该项目已正式由研发阶段转入作战应用阶段。

重点发展弹性分散式空间体系结构。为确保空间系统安全,美军将继续推进弹性分散空间体系结构发展,并提出了名为“D4P2”的重点投资领域,即通过任务功能分解、系统备份、分布式部署、欺骗、防护和能力备份等方式,提高卫星系统防护能力。

储备进攻性空间对抗技术。与以往美军高层较少讨论空间控制不同,美国目前军事和情报部门已开始公开讨论空间控制问题。2016年3月,美国防部长卡特称,2017财年国防部将拨款20亿美元用于发展进攻性空间对抗能力。

三、商业航天蓬勃发展,应用领域不断拓展

一是深空探测成为商业航天发展的新领域。随着商业航天的快速发展,其应用领域已从近地空间向深空拓展。美国私营航天企业“月球快车”公司获批开展独立探月活动,将首开商业公司独立开展登月活动的先河,美国SpaceX公司宣称2018年实现火星登陆。二是利用商业资源发展空间态势感知能力。10月,美国空军授予应用防务解决方案公司合同,向其购买空间态势感知服务。该公司将为联合跨部门合成太空作战中心提供商业来源的空间态势感知数据,以支持空军试验、演习和其他作战行动。美国积极发展商业空间态势感知能力,将弥补其现有空间态势感知能力的短板和覆盖盲区,大幅提升美军空间态势感知能力。

2016年,世界航天发展的重要动向主要包括进入空间、利用空间、控制空间、深空探测和商业航天等几个方面。

1. 进入空间

(1)美国公布基于佩刀发动机的空天飞行器方案

9月,美国空军研究实验室公布了基于英国“佩刀”新型组合发动机的两种水平起降两级入轨飞行器概念方案。“佩刀”发动机是英国反作用发动机公司为“云霄塔”空天飞行器研制的配套发动机。基于“佩刀”发动机的新路线有望成为既有技术布局的竞争者,加速美国可重复使用空天飞行器的创新发展。

(2)印度开展可重复使用运载器飞行试验

5月,印度空间研究组织开展首次“可重复使用运载器技术验证器”(RLV-TD)飞行试验。试验中,RLV-TD与运载火箭在56km高空分离,并爬升到65km高空。随后,RLV-TD以5马赫速度再入大气层,开始受控滑翔飞行,最终降落到孟加拉湾预定海域,整个飞行过程共持续770s。试验成功验证了自主导航、制导与控制、热防护和飞行任务管理系统。8月28日,印度空间研究组织成功完成首次超燃冲压发动机带飞点火试验,超燃冲压发动机自动点火并持续工作5s,初步验证相关技术,实现既定目标。

这两次试验都是印度为其未来空天运输系统事先规划的研究试验。印度航天“十一五”规划(2008-2012年)明确提出,将完成吸气式超燃冲压发动机验证机的研制工作,并通过两级入轨可重复使用运载器的技术验证飞行,完成可重复使用运载器各个阶段的技术论证任务。两次试验的成功,将为印度未来可重复使用空天运输系统发展奠定重要技术基础。

(3)猎鹰-9火箭一子级实现海上回收

4月,美国SpaceX公司猎鹰-9火箭成功完成首次一子级海上回收试验。5-8月,猎鹰-9火箭先后成功完成4次海上回收、1次陆上回收。海上回收的优势在于,海上回收平台可部署在第一级飞行落区,第一级返回过程中无需大范围横向机动,可减少对箭上回收预留推进剂的需求量,对运载能力影响较小,可有效降低发射成本。

猎鹰-9一子级海上回收试验的成功,标志其突破了火箭高精度导航控制技术、大范围变推力重复使用发动机技术、轻质可展开着陆支撑技术、海上浮动平台稳定控制等多项关键技术。SpaceX公司利用成熟技术在可重复使用运载器技术上成功开辟出一条可行路径,但距其真正实现可重复使用仍需一定时间。

(4)印度进行“一箭20星”发射

印度当地时间6月22日9时26分,印度“极轨卫星运载火箭”从萨迪什•达万航天中心发射升空,成功将20颗卫星送入预定的轨道。卫星释放后,按计划试验了“极轨卫星运载火箭”第四级的关机再点火能力。这是印度利用“极轨卫星运载火箭”进行的第36次发射,也是搭载有效载荷最多的一次发射,创下印度航天史新纪录。

“极轨卫星运载火箭”是印度目前最为可靠的运载火箭,可将1500千克级的卫星送入地球同步转移轨道。此次发射使用的“极轨卫星运载火箭”XL型长44m,起飞质量约320t,由4级组成,间隔采用固、液推进系统,有效载荷整流罩直径3.2m。

(5)俄罗斯东方航天发射场完成首次发射

4月28日,俄罗斯首次从位于远东地区阿穆尔州的东方航天发射场,利用联盟-2.1a运载火箭和“伏尔加”上面级组合,将莫斯科大学研制的MVL-300科研卫星、萨马拉国立航空航天大学研制的AIST-2D科研卫星和SamSat-218/D纳星送入预定轨道。这标志着俄罗斯远东地区新建航天发射场具备实际发射能力,也是俄罗斯摆脱对他国发射场严重依赖迈出的重要一步。

东方航天发射场位于俄罗斯远东地区阿穆尔州齐奥尔科夫斯基市(原乌格列戈尔斯克镇)。发射场距莫斯科5800km,距我国仅100km,与我国黑龙江省隔江相望。东方航天发射场2012年正式开工建设。目前,一期项目已接近尾声,联盟-2火箭发射综合设施、气象通信设施、测控监测设施、燃料储库、航天人员住宅生活区等工程已经建设完成。联盟-2火箭发射综合设施可以支持所有联盟-2火箭发射,包括联盟-2.1a、联盟-2.1b以及即将投入使用的联盟-2.1v。根据俄罗斯官方要求,该设施应具备每年20次的发射能力。

在远东地区阿穆尔州建设东方航天发射场,体现了俄罗斯在军事、经济和技术方面的多重考量。一是从安全角度看,可摆脱对位于别国航天发射设施的严重依赖。目前,俄罗斯仍有近六成的发射任务在拜科努尔航天发射场进行,俄罗斯为此需要支付高昂租金。此外,发射任务失败带来的环境污染问题也会影响俄哈两国关系。而考虑到军事航天任务的机密程度与保障难度,俄罗斯军方也更希望在境内完成发射任务。境内的普列谢茨克航天发射场位于俄罗斯西北部,一方面过高的纬度位置限制了载荷大小,难以完成大型发射任务和载人航天任务;另一方面发射场距离西部边境过近也带来了潜在的安全风险。这使得俄罗斯将视野投向了遥远的远东地区。二是从技术角度看,可获得低纬地区发射优势。新的发射场选址尽量向东南方向,靠近俄中边境,实际上是要取得与拜科努尔航天发射场相近的较低纬度优势,从发射点到入轨点的航程大大缩短,可以带来运载能力的大幅提升,实现利用东方航天发射场完成目前在拜科努尔航天发射场进行的国际空间站载人航天发射任务。东方航天发射场所处的阿穆尔州,年均有310个晴天,气候相对干燥,且很少有大风出现,这为苛刻的航天发射提供了绝佳条件。

2. 利用空间

(1)微小卫星蓬勃发展

美国政府启动“利用小卫星革命”计划。10月,美国白宫科学与技术政策办公室公布了“利用小卫星革命”计划。该计划通过与NASA、国防部、商务部及其他联邦机构开展合作,推动政府和私营部门利用小卫星执行遥感、通信、科学与空间探索任务

小卫星军事应用步伐加快。美国计划2017年第一季度发射“提高军事作战效能的空间系统”(SeeMe)星座首颗卫星。SeeMe星座将由24颗纳卫星构成,地面部队能够在提出需求90min内,通过智能手机或手持设备获取高分辨率侦察卫星图像。美国陆军将开展第三次微小卫星战术通信能力试验,通过部署由16颗微小卫星组成的“陆军全球动中通卫星通信”星座,验证UHF和Ka频段通信能力,实现更高频率通信和更快的数据传输速率。美国陆军计划2017年初发射“隼眼”小卫星,该卫星质量为15kg,携带光电成像载荷,地面分辨率约1m,可在接受指令10min内,将侦察图像传回地面。目前,军用小卫星仍主要以技术验证为主,一旦实现大规模装备化、业务化应用,将提升战术单元实时战场态势感知和偏远地区通信能力。

(2)印度区域导航卫星系统完成部署

4月28日,印度从萨迪什•达万航天中心发射第7颗导航卫星IRNSS-1G,标志着印度“区域导航卫星系统”(IRNSS)卫星星座完成第一阶段部署。IRNSS是印度自主研发的区域卫星导航系统,于2006年启动建设。按照计划,IRNSS的组网工作分为两步:第一步是发射7颗第一代导航卫星,建成区域卫星导航系统,包括3颗地球同步轨道(GEO)卫星和4颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星;第二步是区域系统建成后,再发射10颗左右导航卫星,最终形成大约由16~18颗卫星组成的“印度全球卫星导航系统”。

IRNSS卫星设计寿命为10年,净重600kg,发射质量1425kg。导航信号载波包括L5(1176.45 MHz)和S(2492.028 MHz)两个频段,可为印度境内及周边1500km区域提供优于10m位置精度的精确导航定位服务。

印度抢在欧洲完成“伽利略”系统具备初始运行能力之前,完成IRNSS系统部署,既表现出印度建设卫星导航大国的决心,也使印度成为继美国、俄罗斯和中国之后,全球第四个拥有自主卫星导航系统和独立卫星导航能力的国家。IRNSS将能为印度提供基本的军用卫星导航能力。长期以来,印度一直希望借助卫星导航系统提高其精确制导武器精度。为此,印度分别同美俄签订了获取GPS和GLONASS军码的协定,以满足其需求。IRNSS将使印度摆脱对美俄卫星导航系统的依赖性,提高自主导航能力,进一步增强其军事能力。

(3)俄罗斯第三代导航卫星开始服役

2月,俄罗斯首颗GLONASS-K1导航卫星完成在轨测试,开始提供导航服务,标志着俄罗斯第三代导航卫星正式开始服役。在轨的另一颗GLONASS-K1卫星也已完成服役准备。GLONASS-K1卫星于2011年首次发射。卫星质量974kg,设计寿命超过10年,星上除铯原子钟外,还装有用于测试的铷原子钟。GLONASS-K1卫星除了使用原来的L1和L2频段频分多址(FDMA)信号外,还新增首个码分多址(CDMA)民用信号L3OC,系统兼容互操作性和信号精度进一步提升。俄罗斯航天国家公司决定继续建造9颗GLONASS-K1卫星,并于2018年开始发射。

(4)欧洲“空间数据高速公路”项目实现卫星激光通信实用化

1月,欧洲“空间数据高速公路”(EDRS)项目首颗卫星EDRS-A发射至地球同步轨道,向构建全球首个卫星激光通信业务化系统迈出重要一步。6月,哨兵-1A卫星通过激光通信,以600Mbit/s的速度将图像数据传送至地球同步轨道的EDRS-A节点。标志着欧洲已率先实现星间激光通信技术的业务化应用,拉开激光通信空间应用的序幕。

欧洲航天局于2008年启动EDRS项目,拟采用激光通信技术,通过2颗地球静止轨道数据中继卫星,为近地轨道航天器与地面控制中心进行实时数据中继,通信速率达1.8Gbit/s。EDRS的第二颗卫星拟于2017年中期发射,该卫星也将成为全球首颗部署的实用型激光通信卫星。ESA计划2018年前完成“欧洲数据中继系统”建设,形成以激光数据中继卫星和载荷为骨干的天基信息网,覆盖欧洲全境及周边地区,实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输,大幅提升欧洲危机响应和处理能力。

3. 控制空间

(1)美国高轨巡视侦察卫星进入组网阶段

2016年8月19日,美空军两颗“地球同步空间态势感知计划”(GSSAP)卫星发射升空,将与先期入轨的两颗GSSAP卫星在轨组网。

GSSAP是美军秘密项目,首批两颗GSSAP卫星于2014年7月发射,进入35900~ QUOTE  35900km轨道,轨道倾角0.5度。GSSAP卫星具有高机动能力,能实现对GEO目标的交会逼近机动。2016年8月,美军调用一颗GSSAP卫星前往故障卫星(“移动用户目标系统-5”卫星)附近进行检测。GSSAP卫星完成组网后,将使美军高轨目标巡视侦察能力再次提升,进一步支持美军态势感知能力向支持太空战目标技术侦察、行动意图判断等功能拓展,其近距离攻击在轨目标的潜力也同步增强。

(2)DARPA向空军交付“空间监视望远镜”

10月,DARPA正式向美空军航天司令部交付“空间监视望远镜”(SST)项目,标志着该项目从研发机构的设计与建造项目,转为作战使用项目。在澳部署SST可有效提高美军对亚太上空空间态势感知能力。目前,美军地基空间监视系统布局呈现出明显不足,主要监测设备集中在西半球的北美,东半球监测设备较少,南半球没有监测设备,造成对亚太上空的空间态势感知能力严重不足,对亚太上空GEO区域监视能力和目标认知能力弱。“空间监视望远镜”具备大视场和快速观测能力,将大幅缩小空间监测漏洞,对微小攻击平台监测能力加强,对中高轨空间事件的监测认知能力和反应速度明显提升。该望远镜的部署将增强美军对中高轨目标的态势感知能力,填补美军在南半球空间监视能力的空白,有效提高美军对亚太地区的空间态势感知能力。

(3)美国发展地球同步轨道卫星在轨服务技术

3月25日,DARPA公布了“地球同步轨道卫星机器人服务”(RSGS)项目的详细内容。7月,DARPA授予空间系统劳拉公司2000万美元合同,为该项目设计并建造两个机械臂。RSGS于2014年9月提出,计划2021年前进行在轨演示验证,实现对地球同步轨道卫星的“按需服务”。

(4)美空军白皮书阐述“空间任务部队”

7月,美空军航天司令部在发布的《建设空间任务部队,训练明天的空间战士》白皮书中,提出构建空间作战的优势队伍“空间任务部队”,改变过去为空间作战提供支持保障的部队文化,掌握实施空间作战行动并在必要时实施空间防御行动保护己方的专业知识和技能。“空间任务部队”建设的重点方向包括作战训练和部队组织架构,“装备采购部门必须采购能更有效地对抗这些威胁的系统和能力”。空间任务部队类似于空中远征部队,是一项长期的顶层建设计划,旨在提供太空兵力以在对抗、降级和受限环境中执行作战任务。空间任务部队将成为空间作战人员的新标准,以增强战备工作,确保能应对空间系统面临的日益增长的威胁。美空军航天司令部司令海顿表示,航天司令部正在对自身进行改革,以更好地与空军保持一致;将致力于高级训练,从而在动态环境中有效应对当前与未来威胁。

4.深空探测

(1)美国“朱诺”探测器进入木星轨道

7月4日,美国“朱诺”木星探测器历经近5年飞行,成功抵达火星并进入木星轨道,总飞行距离达2.83×109 km。7月10日,NASA 公布了“朱诺”传回的首张照片。“朱诺”进入木星轨道后,将在木星大椭圆及轨道上工作约20个月,围绕木星飞行37圈。按照NASA目前计划,“朱诺”将于2018年2月结束任务,届时将离轨并撞向卫星表面。“朱诺”于2011年8月5日由宇宙神-5运载火箭从卡纳维拉尔角发射。任务目标是研究木星的起源与演变,探测木星大气、引力场、磁场以及磁球层,调查木星上是否存在冰岩芯,确定木星上水量的含量,并寻找氧气。

(2)美国首次执行小行星采样探测任务

9月9日,NASA使用统一发射联盟的宇宙神-5火箭成功发射“奥西里斯”(OSIRIS-Rex)探测器。该探测器将进行为期7年的“猎星之旅”,飞往亿万千米之外的小行星贝努,对其进行观测、采样后并返回。该任务除了可以帮助科学家了解行星形成过程及生命起源外,还可以为NASA未来的“小行星重定向任务”提供帮助,促进美国商业星际采矿,并具有潜在军事应用前景。

(3)NASA部署世界首个膨胀太空舱

5月29日,NASA进行第二次“比格罗可展开活动模块”(BEAM)充气膨胀太空舱测试(5月26日晚间首次尝试膨胀展开出现故障,部署失败),成功部署世界首个膨胀充气式太空舱。

BEAM充气式太空舱外壳由纤维状材料制成,可抵御微陨石撞击,隔绝宇宙射线,重量轻,占用空间小,发射费用低廉,膨胀后可为国际空间站增加16m3的工作空间。BEAM将与国际空间站保持对接状态两年,最终再入大气层销毁。比格罗航天公司目前正在研发比BEAM体积更大的B330膨胀模块,有望在2020年被送上太空,每个B330舱段充气展开后内部加压空间可达330m3。充气式太空舱的成功展开,意味着国际空间站获得扩建,航天员将拥有更多的空间进行科研活动。

5.商业航天

(1)私营公司首次获准开展月球探测活动

8月4日,美联邦航空管理局宣布已批准美私企月球快车公司(Moon Express)于2017年进行机器人登陆月球的申请,这也是首家被批准进行登月的美国商业公司。

月球快车公司是一家2010年8月成立的美国私人公司,其最终目标是开发月球的自然资源并建立月球殖民地,中期目标是为政府和商业客户提供月球运输,近期目标则是实现2017年机器人登陆月球以获得谷歌公司设立的“月球-X”大奖。月球快车公司计划2017年实现机器人登月,并进行月球资源勘测;2020年实现月球采样并返回地球。

(2)美国猎鹰-9火箭测试期间爆炸重挫美商业航天

9月1日,携带阿莫斯-6(AMOS-6)卫星的猎鹰-9火箭进行发射前的静态点火测试时,在加注燃料过程中突然发生爆炸,导致星箭俱毁,并对发射台造成严重损伤。这是继2015年6月猎鹰-9火箭执行国际空间站第七次货运补给任务发生爆炸后,该型火箭遭遇的第二次爆炸事故。猎鹰-9火箭于2010年6月首飞,迄今为止共进行29次发射,2次完全失败,27次成功,并成功回收6枚火箭一子级。



(作者:方勇 孙龙)
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