作者:白瑞雪 来源:《中国国家天文》 发布时间:2023/2/9 23:08:50
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2023年全球航天任务展望

 

把人或机器送上太空,是地球人熟悉的一项活动。我们是如此地见惯不惊,以致于常常忘记航天事业的起步和发展仅仅是最近半个多世纪的事。

与半个世纪前相比,航天似乎并未实现颠覆性的进步。“阿波罗”11号1969年登上月球,此后的我们未能走得更远。那时的“土星”五号所创运力纪录,至今无一箭超越。

这就是航天。没有一蹴而就,很难跨越发展,只能于漫长累积中孕育技术突破、模式创新或科学发现。所有的累积与孕育之中,2023年将握住岁月的接力棒向上登攀,年度全球发射可望突破300次。

/ 星舰入轨首飞,

多款新箭竞发

进入太空的能力是航天的基石与起点。2022年全球火箭入轨发射共计186次。由于SpaceX的贡献,美国以87次发射位居第一,占全球的46.8%。中国以64次发射列第二,占全球的34.4%。入轨发射最多的火箭是SpaceX的猎鹰系列,排列第二位的为中国长征系列。

猎鹰为SpaceX及美国带来了发射数量与质量的巨大增长,而SpaceX更大程度上将其未来寄予星舰(Starship)。由完全可复用超重助推器和星舰飞船组成的这一航天器,不仅是人类历史上体型最大的火箭,也可能超越土星五号成为运载能力最大的火箭。从卫星组团发射、地球点对点运输,到NASA登月任务甚至未来火星移民,星舰的运营规划绚丽多彩,合同也签了不少,只待实飞了。去年信誓旦旦要完成的入轨首飞未能兑现,现在马斯克给出的最新时间是不早于2023年2月底——不出意外的话还会推迟。

为什么推迟?有技术原因,毕竟超重助推器33台猛禽发动机的全系统静态点火试验还没做过;有政策原因,首飞前SpaceX需要根据美国联邦航空管理局(FAA)去年给出的环境评估报告干一堆工作,以确保发射活动不会影响到星舰基地所在地——博卡奇卡的环境和公共安全。

甚至,星舰的整体设计仍被质疑:用于月面着陆的上面级飞船直径9米、高50米,超过5的长细比对于着陆器来说太“瘦”了;如果没有大跨度的着陆腿,能否立得稳将成考验。

先入轨首飞,且飞且看。

2022年俄乌冲突搅动全球,航天也未能置身事外,其中受影响最甚的莫过于欧洲航天。欧洲一度出现“火箭荒”,看上去是因为与俄罗斯火箭的合作暂停了,其实本质上是自身航天运输系统转型升级滞后的结果。欧空局当下的主力火箭——阿里亚娜5(Ariane 5)仍在发射运营中,但价格太过昂贵,行将退役。如果LEO运力高至21吨的阿里亚娜6能够按计划在2023年12月完成首飞,阿里亚娜作为世界上最优秀的火箭之一将完成更新换代,欧洲大中型航天发射能力的断层期也能尽早结束。

预计在2023年首飞的大中型火箭还包括美国蓝色起源公司的新格伦(New Glenn)、美国联合发射联盟公司(ULA)的火神半人马座(Vulcan Centaur)和日本三菱公司的H3。它们的首飞计划都是从2022年延到今年的。

作为日本现役主力火箭H2的升级版,H3不仅在运载能力上大幅提升,还承载了日本降低发射成本、面向全球市场提供服务的商业航天理想。

从2015年正式公布至今,火神火箭的开发已经快8年了。如果首飞成功,它可望成为世界上首枚入轨飞行的液氧甲烷火箭。

2023年12月,与火神使用同款BE-4发动机的新格伦火箭也将首飞。这款LEO运力45吨的大型火箭研发已经进行了12年,蓝色起源希望以它抗衡SpaceX的猎鹰系列。估计很难。

大有大的能力,小有小的用处。在多国加速微纳卫星发展与星座部署的背景下,开发成本低、发射灵活的中小型火箭也迎来春天。

在中国,来自“国家队”的长征六号火箭改进型——长征六号丙将首次发射升空,民营火箭“谷神星”计划全年完成8到10次发射交付,中科宇航公司的力箭2号也要首飞。

全球小运载赛道的佼佼者——美国火箭实验室公司的电子号火箭(Electron)继续高频发射的同时,计划开始从美国本土起飞。在新西兰和美国并行建立发射能力,有利于给电子号及其系列火箭带来更大的任务弹性和更多美国机构客户。它的美国首秀从2022年12月推迟而来,计划在2023年1月23日至2月初执行。

此外,计划今年入列的小火箭还有美国相对论公司的3D打印火箭人族1号(Terran1)、和美国ABL航天系统公司的RS1等。

截至出刊,RS1已经尝试了首飞。1月11日,RS1火箭从位于美国阿拉斯加的太平洋航天港起飞,随后落回发射台爆炸。此前1天,以独特的空中发射方式送航天器入轨的维珍轨道公司,因火箭二级故障遗憾结束其英国首飞。加上2022年12月飞行失败的我国蓝箭航天公司朱雀二号和欧空局织女星C火箭,全球航天发射一个月内四次失利。

航天不易,火箭尤甚。2023年,此前等待经年的,期待第一次飞出大气层;首飞失败的,要再次冲锋;遭遇挫折的,可望复飞。都是挑战。

星座密集部署,

军民各有用途

2023年卫星部署数量与在轨规模将持续增长,一个重要原因在于:已经常态化发射的星链卫星正在升级,并将进一步实现更高频次发射的常态化。

美国联邦通信委员会(FCC)去年授予许可证,允许SpaceX开始部署30000颗第二代星链卫星中的四分之一。按照每周发射一批的“撒土豆”节奏,这一全球最大低轨星座2023年入轨的卫星将超过2800颗。

不仅是星链。2023年,美国亚马逊公司将发射两颗原型卫星,以此启动柯伊伯互联网星座的部署。虽然目前还无一星上天,该星座计划发射3236颗卫星,最终叫板星链。而星链一直以来的竞品、2022年曾因俄乌战争中断发射的OneWeb 星座,将不得不继续忍辱负重地使用竞争对手SpaceX的火箭以及印度火箭,力争在新年度完成全部648颗卫星的部署。

低轨互联网卫星星座的竞争态势加剧,新老选手拼卫星数量也拼服务。截至2022年12月,星链服务已进入40多个国家,拥有超过100万的活跃用户。与此同时,包括SpaceX在内的多家卫星运营商将与移动通信运营商、手机生产商等各方携手,继续推进新一轮的卫星直连手机业务。智能手机时代的卫星网络业态,如何才能不重蹈上世纪末铱星手机服务入不敷出最终破产的覆辙?拭目以待。

俄乌冲突凸显了商业通信卫星的军事价值。早则2023年3月、晚则6月,美国国防部航天发展局(SDA)的低轨军事卫星网络——“国防太空架构”将完成0阶段即首批卫星的发射。首批卫星共28颗,其中20颗位于“传输层”,负责通信和数据传输;8颗位于“跟踪层”,用于导弹跟踪和预警。部署到位后,这批卫星将参与美军2023年的军事演习和2024年的导弹瞄准演示活动。

溯源历史,各国航天发展皆源于军事需求。今天,受全球低轨星座建设趋势和SpaceX大规模入轨能力的鼓舞支持,美国军方正在实现航天军事顶层设计的颠覆性创新:平台上,高度重视百千克级小卫星广泛分布带来的作战优势,用价格便宜、迭代能力强的多层小卫星替代昂贵的GEO大卫星组群;体系上,通过低轨星座将导弹预警、高超声速武器跟踪、太空数据中继融为一体;建设模式上,充分利用商业公司的能力,以多家竞争分包的方式并行研制、快速采购。

传统做法搞军星网络,建设加升级换代怎么也得十年到二三十年。现在,基于小卫星的快速部署与迭代,军事星座几年内就能具备初期应用能力并投入作战。这一必将对未来世界安全格局产生深远影响的大动作,2023年即将上演。

新年的天基遥感也会增加新的设施。预计2023年7月发射的KOMPSAT-7卫星,可望让韩国成为继美国、欧洲之后第三个拥有0.3m分辨率商业光学遥感卫星的国家。美国新一代光学卫星“世景军团”(WorldView Legion)计划从年初开始部署,以满足更多军事与商业应用场景。

持续提升国家遥感能力的同时,我国商业遥感蓬勃发展。长光卫星预计2023年底前实现138颗卫星在轨,具备全球任意点10分钟的重访能力。数十家企业的遥感卫星研制与运营拓展了数据应用的市场规模,中科星图、航天宏图等公司将在2023年呈现更多“新鲜数据”支撑下的数字地球产品。

中国空间站常态运营,

印度载人航天启航

疫情和战争贯穿2022年,而作为航天皇冠之明珠的载人航天活动从未停步。

2023年,已完成在轨建设的中国空间站转入常态化运营。什么是“常态化”?长征二号F、长征七号运载火箭将以大致每6个月一次的周期发射,服务空间站。前者发神舟飞船,送人上去;后者发天舟飞船,送物资保障。去年11月神舟十四号与十五号乘组的首次在轨轮换,开启了我国于近地轨道的常驻。咱不仅天上有人了,还总是有人,2023年就是空间站建成后人员常驻的第一年。

建设为应用,人员常驻是要去天上干活。“常态化”还意味着,这样一个长期飞行的载人平台将全面承担起国家太空实验室的使命,全面开展空间生命科学与生物技术、微重力流体物理和燃烧、空间材料科学、空间天文与天体物理等多学科领域的科学研究和技术试验,国际空间科学载荷也将从2023年起陆续进站。

今年底或更晚的时间,我国还计划发射与空间站共轨飞行的光学舱——巡天望远镜。它将以接近哈勃望远镜的分辨率和大其数百倍的视场开展巡天观测,还能停靠空间站进行燃料补给、设备维护升级工作。这是中国光学天文研究的新器,也是空间站发挥“太空母港”功能的开端。

中国空间站相较于国际空间站,为后来者。国际空间站的天地往返早已常态化,不过今年有一次人员运输活动比较特别,那就是2月20日的联盟MS-23飞船发射以及后续返回。

2022年12月,停靠在国际空间站上的联盟MS-22飞船发生严重的冷却液泄漏事故。飞船无法正常冷却,意味着载人返回时的安全性难以保证,乘这艘飞船上天的三人——包括两位俄罗斯宇航员和一名美国宇航员没有交通工具回家了。最终,俄罗斯决定改变轮换计划,提前发射一艘无人飞船上天接替故障飞船。那三人要在天上待多久?故障飞船能否以无人状态完整返回地球?“救援”飞船到达之前万一需要紧急撤离,三人怎么个撤法?这些问题正在困扰俄罗斯以及国际空间站项目上的合作方美国。

尽管目前调查表明泄漏来自微流星体撞击,国际空间站设备的老化同样是事实。项目各方似乎基本达成一致,将支持这一人类最大在轨飞行器运行至2030年。再往后呢?它后继有站,美国航天工业主要力量尽数入场,开始研制、测试“太空酒店”式的商业空间站。

目前美国承担近地轨道人员运输的唯一工具是SpaceX的龙飞船。实际上,NASA商业乘员计划的合同给了两家——SpaceX和波音。龙飞船早就上岗了,波音的“星际快车”(Starliner)一路频出软硬件问题,把首次载人试飞的时间延到了今年4月。看这次能否如约升空吧。

美国内华达山脉公司(Sierra Nevada)的小型航天飞机“追梦者”(Dream Chaser)也要在今年夏天首飞其货运型号。后续将拓展的载人型号,能载7人天地往返。

印度也许会在2023年4月迎来自己的“神舟一号时刻”,开展其载人航天计划的首次无人试飞。印度最强火箭GSLV Mark III将发射名为“宇宙飞船1号”(Gaganyaan1)的缩小版飞船,对飞船性能和载人飞行流程进行验证。印度希望2024年即上马首次载人飞行,要早日成为世界上第4个自主掌握载人航天技术的国家。整体时间表显然仓促,今年4月的这次试飞也不知能否按计划实施。

国家宏愿和普通人的太空飞行都有意义。继去年送第一个纯业余乘组进入国际空间站后,美国的公理空间公司(Axiom Space)要在2023年开展3次太空旅游。同样使用SpaceX运载工具的“北极星”计划也将在今年4月首飞,绕地球5天,不对接国际空间站。与“纯玩团”不同的是,4名乘员要在飞行中验证新技术、开展科学研究,在大约500千米的轨道高度上出舱活动。

看来,“太空游客”的定义很快要改写了。国际空间站一游票价5500万美元,“北极星”计划有富豪买单。没有这么多钱去太空玩儿的,只好飞亚轨道了。2022年9月无人飞行中遭遇异常的蓝色起源,今年将恢复亚轨道载人飞行。因“飞行器升级”而暂停商业飞行一年多的维珍银河,也要重开航班。

最重磅的太空旅游项目,当然是日本富豪前泽友作(Yusaku Maezawa)早在2018年就下了订单的绕月之旅。名为dearMoon的该任务瞄准2023年四季度发射,并公布了8位与前泽友作同行的艺术家名单。任务最初计划使用猎鹰重型与龙飞船的组合运载器,后来改为星舰。目前看来此行非常可能大幅推迟,因为星舰尚未获准开展地球轨道飞行,更不用说飞往月球了。

NASA阿尔忒弥斯计划下的首次载人绕月飞行、也就是Artemis 2任务将于2024年实施。那么,星舰不给力的话,2023年地球人类的远行仍将止步于近地轨道了。

俄罗斯重续月球探测,

金属小行星探测启航

二十一世纪重返月球的热潮仍在持续,我国今年将全面推进探月工程四期和行星探测工程,开展嫦娥七号、天问二号等型号研制工作。

阔别月球近半世纪后,俄罗斯计划于2023年7月发射“月球-25”探测器(Luna 25)。1970年到1976年间三次采样返回,苏联共带回326克月球样品。但这一次,新的月球探测器不会返回地球,而是携带科学仪器着陆月球南极陨石坑,通过挖掘、采样的方式对月面永久冰冻层里的水进行研究。被称为俄罗斯未来十年月球计划开篇之作的该任务,本来是要在去年执行的。

现在,俄乌冲突尚未结束,俄罗斯新一轮月球探测迟迟不开篇,让人着急。月球-25升空一个月后,印度要再次挑战月球软着陆,发射“月船三号”(Chandrayaan-3)。三号与二号结构类似,但只有着陆器、巡视器而没有轨道器。印度的月球探测之路不太顺利:2008年升空的“月船一号”轨道器环月飞行一年之后因故障提前结束工作;2019年发射的“月船二号”奔着软着陆目标到了月球,坠毁而终。日本也计划今年发射SLIM月球探测器探测陨石坑,具体时间待定。

这些探测器启程之前,2022年12月升空的日本商业公司“白兔-R”着陆器应该已经携阿联酋迷你月球车着陆了。如果一切顺利,它将成为日本第一个月球着陆器。在它的上空和远方,去年随美国Artemis 1发射、或作为先导星更早升空的多颗立方星正在或即将履职,接过小卫星探测大深空的新任务。

向着比月球更远的深空,欧空局准备4月发射“木星冰卫星探测器”(JUICE),预计2029年10月抵达木星轨道。探测器将在木星及其卫星上寻找可能存在生命的痕迹。

今年10月,另一项有趣的任务也要打开:与全金属巨型小行星灵神星(Psyche)同名的探测器将乘猎鹰重型火箭离开地球,飞抵该小行星开展勘察,以探索太阳系行星核的起源。到12月,欧空局的欧几里德望远镜就该升空了。这一以古希腊数字家欧几里得(Euclid)命名的空间望远镜,将用于研究宇宙的暗能量、暗物质。

航天的目的地从来不在眼前。过去哪怕最艰难的时刻,仍然有人抬头看天。后疫情时代的地球和2023年,值得期待。

——本文节选自《中国国家天文》1月刊

作者简介 / 


白瑞雪,国际宇航联空间教育委员会委员,微纳卫星与航天科学教育企业创始人。原新华社航天记者、科普作家,著有《载人航天》《中国天河超级计算机问鼎之路》等书。

 

 
 
 
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