月球作為地球的近鄰,是開展深空探索的首選目標。俄羅斯一直將月球探測作為其下一步發(fā)展重點,并將載人登月作為其空間探索的中長期目標?;谥厮艽髧蜗蠛椭卣窈教鞆妵埏L的戰(zhàn)略需要,俄羅斯強調(diào)要全面提高載人航天技術的競爭力,以取得在深空探索領域的領先地位。為順應全球航天發(fā)展形勢,鞏固載人航天領先地位,俄羅斯在近期出臺的一系列航天發(fā)展規(guī)劃中,明確將載人登月作為發(fā)展重點,同時不斷推進相關的重大系統(tǒng)和關鍵技術的研發(fā),加強載人登月核心能力建設。此外,通過開展國際合作,確保航天領域的話語權和影響力。對于俄羅斯來說,制定載人登月目標不僅能夠?qū)崿F(xiàn)其發(fā)展航天、帶動大國地位提升的目的,而且有利于保障航天領域的持續(xù)性發(fā)展,確保其航天整體能力占據(jù)優(yōu)勢地位。
雖然俄羅斯制定了一系列目標明確、規(guī)劃清晰的長期發(fā)展戰(zhàn)略,但在具體執(zhí)行上還存在不確定性。當前,俄羅斯航天面臨經(jīng)濟困難、國際政治環(huán)境影響等多重挑戰(zhàn),載人登月項目將受到一定影響。因此,俄羅斯獨立實施載人登月計劃的可能性很小,未來或?qū)試H合作形式實現(xiàn)載人登月目標。
俄羅斯高度重視航天戰(zhàn)略的制定,出重拳改革航天工業(yè),強調(diào)要全面提高載人航天技術的競爭力,以取得在空間探索領域的領先地位,將發(fā)展自有空間站、開展載人登月作為未來發(fā)展重點,并在前期利用“月球”(Luna)系列探測器開展無人月球探測。雖然俄羅斯制定了一系列目標明確、規(guī)劃清晰的發(fā)展戰(zhàn)略,但因經(jīng)濟、政治等因素,在具體執(zhí)行上仍存在較大問題。
俄羅斯一直將月球視為其航天領域發(fā)展的重中之重,在近年來出臺的政府文件中,將月球探測列為發(fā)展重點,并明確了各個階段的目標和任務。2016年3月23日,俄羅斯政府正式出臺第230號決議《2016-2025年聯(lián)邦航天規(guī)劃》。這是俄羅斯政府最新推出的航天發(fā)展規(guī)劃,規(guī)劃詳細地制定和部署了未來10年俄羅斯航天活動發(fā)展的階段性任務,旨在為俄羅斯航天發(fā)展指明方向,是國家頂層的指導性文件。文件指出,月球計劃第二階段將于2021年開始,2021年進行新一代載人飛船的無人飛行試驗,2023年飛船將首次飛往“國際空間站”,并為2025年后2030年前載人登月做好準備,完成必要的技術儲備。2017年3月,美國國家航空航天局(NASA)提出“深空之門”(DSG,后更名為“門戶”)月球軌道站建造計劃。2017年9月,美、俄兩國就“深空之門”計劃簽署合作意向聲明。
總而言之,無論是獨立實施載人登月還是通過國際合作開展登月計劃,俄羅斯月球探測這一目標一直非常明確,從未動搖。俄羅斯政府出臺的各個航天發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃都體現(xiàn)了國家發(fā)展航天的意志,上至高層領導,下至民眾百姓,都認為月球應該是俄羅斯航天的下一個進軍目標。
俄羅斯月球探測思路一直很明確:前期利用“月球”系列探測器開展無人月球探測,為后續(xù)的載人登月奠定技術基礎。但就目前俄羅斯經(jīng)濟發(fā)展形勢判斷,“月球”系列探測器任務執(zhí)行大幅延期,先無人后載人登月的計劃執(zhí)行可行性極低。因此,在美國提出建造地月軌道站的想法后,俄羅斯積極回應,并瞄準地月空間,廣泛尋求國際合作伙伴一同發(fā)展地月空間站。俄羅斯加入國際地月空間站建設的經(jīng)濟壓力遠遠小于獨立實施載人登月計劃。國際合作不僅分擔了風險,還能有效降低經(jīng)費投入,這對于經(jīng)濟形勢不利的俄羅斯來說是目前較好的選擇。目前,俄羅斯側(cè)重以國際合作形式開展載人登月計劃,同時按原計劃穩(wěn)步推進本國無人月球探測相關研制工作。
俄羅斯政府高度重視航天基礎能力建設,希望通過載人航天領域,尤其是載人登月,帶動航天工業(yè)復興。因此,雖然俄羅斯近年經(jīng)濟發(fā)展速度較為緩慢,但一直持續(xù)推進重大系統(tǒng)和關鍵技術的研發(fā)工作。
俄羅斯升級了現(xiàn)有載人及貨物運輸系統(tǒng)聯(lián)盟-MS(Soyuz-MS)和進步-MS(Progress-MS),并推進新一代載人飛船聯(lián)邦號(Federation)的研制工作,聯(lián)邦號是既可用于執(zhí)行低地球軌道任務、又可執(zhí)行登月及更遠的深空任務的多用途飛船。大力研發(fā)安加拉-A5(Angara-A5)系列重型運載火箭,并持續(xù)推進地面基礎設施的建設,俄羅斯東方航天發(fā)射場(Vostochny)于2016年完成首次發(fā)射并開啟二期工程建設。政府大力推進飛船、運載火箭和發(fā)射場等系統(tǒng)的建設和升級,為后續(xù)執(zhí)行載人登月計劃提供堅實保障。
目前,俄羅斯用于執(zhí)行載人航天任務的運載火箭是“聯(lián)盟”火箭,正在研制安加拉-A5V運載火箭?!奥?lián)盟”火箭是世界上發(fā)射次數(shù)最多、服役時間最長的多用途運載火箭,自1960年開始研制,該型號火箭于1963年11月完成首飛,1964年進行首次載人發(fā)射。50多年來,“聯(lián)盟”火箭進行了多次改型,至今仍在使用。俄羅斯目前主要利用“聯(lián)盟”火箭進行載人航天活動,用于向“國際空間站”運送“聯(lián)盟”載人飛船和“進步”貨運飛船。
“聯(lián)盟”火箭
“聯(lián)盟”運載火箭由4個捆綁助推器、一子級、桁架式級間結(jié)構(gòu)、二子級、整流罩和救生塔組成。早期的“上升”(Voskhod)載人火箭狀態(tài)無救生塔,全長約43m。在不計整流罩和救生塔時,“聯(lián)盟”火箭全長為39.3m。計入整流罩和救生塔后,載人型“聯(lián)盟”火箭全長49.52m。
“安加拉”系列運載火箭由俄羅斯赫魯尼切夫國家航天研究與生產(chǎn)中心(KSRPSC)研制,設計用于取代現(xiàn)有的“第聶伯”(Dnepr)、“隆聲”(ROCKOT)、“天頂”(Zenit)和“質(zhì)子”(Proton)等火箭,提高俄羅斯運載火箭的獨立性及競爭力。該系列火箭采用“模塊化”設計及“漸進式”分階段研制思路,共分為小型安加拉-1.2、中型安加拉-A3、大型安加拉-A5(包括安加拉-A5P載人型和安加拉-A5非載人型)和重型安加拉-A7(包括安加拉-A7.2、A7.2B和A7.2P載人型3種型號)4種構(gòu)型,低地球軌道(LEO)運載能力可覆蓋3.8~50t,地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運載能力可覆蓋2.4~19t。2014年年底,由于經(jīng)濟衰退,俄羅斯政府大幅削減航天預算,并開始慎重權衡新型重型運載火箭的經(jīng)濟性問題。2015年3月,俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roskosmos,現(xiàn)改為俄羅斯航天國家集團)評估多項方案后,決定無限期推遲重型火箭及安加拉-7運載火箭的研制工作,并提出研制新型安加拉-A5V火箭,以執(zhí)行新一代載人飛船入軌任務。
“聯(lián)盟”火箭主要技術性能
安加拉-5A
新型安加拉-A5V大型火箭的最初方案將由赫魯尼切夫國家航天研究與生產(chǎn)中心和俄羅斯能源火箭航天集團(RKK Energia)共同制訂,火箭基本保持了安加拉-A5火箭的構(gòu)型:助推器(由4個通用芯級組成)+通用芯級+直徑3.6m的通用二子級+微風-M(Briz-M)上面級/KVTK上面級。安加拉-A5V僅將微風-M上面級替換為液氫/液氧上面級,運載能力由24.5t提升至35t,可執(zhí)行載貨、載人飛船及其他有效載荷進入近月空間及月球表面的任務。
在運載火箭方面,目前俄羅斯計劃逐步過渡到使用新型“聯(lián)盟”和“安加拉”火箭,并開展超重型運載火箭的研制,可重復使用火箭研制推遲至2025年以后。俄羅斯非常重視運載火箭和飛船的建設工作,在保持高頻次商業(yè)發(fā)射的基礎上,對“質(zhì)子”(Proton)運載火箭進行升級改進,以此為基礎發(fā)展中型和輕型火箭的研制,以應對以美國太空探索技術公司(SpaceX)獵鷹-9(Falcon-9)火箭為代表的低成本商業(yè)火箭的競爭壓力。同時,重視發(fā)展小型空射運載火箭和部分可重復使用運載火箭,提高進入太空的機動性、快速響應能力和費效比。啟動水平返回式可重復運載火箭的研制工作,計劃在“安加拉”火箭上采用渦輪發(fā)動機和火箭發(fā)動機組合的水平返回式第一級“貝加爾”(Baikal)。
俄羅斯不僅重視中型運載火箭,以搶占國際發(fā)射市場,同時關注重型運載火箭發(fā)展,以實現(xiàn)未來深空探索目標。俄羅斯聯(lián)盟-5中型運載火箭研制進展順利,其一子級RD-171MV發(fā)動機已完成設計工作。聯(lián)盟-5火箭的非載人試飛預計于2022年進行,載人飛行試驗計劃在2024年進行,該型火箭將代替安加拉-A5V火箭用于發(fā)射未來的聯(lián)邦號飛船。此外,根據(jù)總統(tǒng)普京指令,俄羅斯航天國家集團計劃重啟超重型運載火箭的研制工作。目前,俄羅斯航天國家集團已經(jīng)擬定計劃書,根據(jù)計劃書,該型火箭低地球軌道運載能力將達到160t,計劃于2028年首飛,其目標是進行月球、火星等目的地的深空探索。
俄羅斯新一代載人飛船聯(lián)邦號主要用于登月任務,并能夠完成低地球軌道空間站的技術維護,能夠自主開展空間實驗和研究。飛船的發(fā)射質(zhì)量為20t,在短期向月飛行時,飛船可重復使用10次;在與近月軌道站對接進行長期飛行時,飛船可重復使用不少于3次。
2017年3月,俄羅斯航天國家集團載人航天領域總設計師葉甫蓋尼·米克林在接受采訪時表示,聯(lián)邦號飛船計劃于2021年進行首次自主無人飛行試驗,屆時將搭載“費奧爾多”(Feodor)機器人,聯(lián)邦號飛船的首次載人飛行任務計劃于2023年實現(xiàn)。
聯(lián)邦號載人飛船樣機目前被送往茹科夫斯基中央流體力學研究所(TSAGI)進行風洞模擬試驗,用以研究在超聲速及高超聲速氣流中,飛船表面的壓力及熱量分部情況。與“聯(lián)盟”飛船不同,聯(lián)邦號飛船的頭部將以暴露的形式安裝在運載火箭頂部,承擔整流罩的功能。未來,聯(lián)邦號飛船計劃使用聯(lián)盟-5運載火箭發(fā)射,最多可攜帶4人,可在軌自主飛行近30天,也可??吭诳臻g站上在軌駐留近1年的時間。新一代載人飛船還有以下特點。
俄羅斯東方航天發(fā)射場
1)性能先進。依靠垂直軟著力的起落架系統(tǒng),保障飛船能夠重復使用。使用二級火箭應急搶險系統(tǒng),保障乘組人員在整個入軌階段的安全。新型飛船將實用新型結(jié)構(gòu)材料和熱防護材料來改善飛船的性能(合金材料的強度將增加1.2~1.5倍,熱防護材料的密度比“聯(lián)盟”飛船減少2/3,使用碳纖維材料和3層設計)。飛船的通信、導航和定位通過衛(wèi)星實時完成。
2)將裝配創(chuàng)新性衛(wèi)生系統(tǒng)。新一代載人運輸飛船將配備舒適的衛(wèi)生間,并配備了衛(wèi)生污水裝置,飛船上能儲備大量的食物和水。
3)飛船空間較大,航天員能全身站立。新一代飛船空間較大,在長期飛行中,航天員可以完全伸直雙腿并能在失重下全身站立,飛船艙內(nèi)還配備了全新的座椅,用復合材料制作,預計每個座椅可以節(jié)約15~20kg的質(zhì)量。
東方航天發(fā)射場位于俄羅斯遠東地區(qū)的阿穆爾州斯沃博德內(nèi)市。根據(jù)俄羅斯規(guī)劃,東方航天發(fā)射場在已經(jīng)關閉的斯沃博德內(nèi)航天發(fā)射場的基礎上進行建設,通過使用最先進的環(huán)保技術,建成一座包括10個技術支持中心的大規(guī)模的現(xiàn)代化航天發(fā)射中心。根據(jù)2007年11月6日簽發(fā)的總統(tǒng)令,俄羅斯開始建設東方航天發(fā)射場。2011年,俄羅斯政府投入247億盧布(約合8.11億美元)的資金,發(fā)射場正式開工建設,原計劃于2015年建成并投入使用。隨后,該發(fā)射場將首先執(zhí)行貨運飛船和衛(wèi)星的發(fā)射任務。按原計劃,2018年開始執(zhí)行載人發(fā)射任務,并從2020年開始把所有的載人發(fā)射改在東方航天發(fā)射場進行,計劃到2030年將90%的發(fā)射任務轉(zhuǎn)移到境內(nèi)的普列謝茨克和正在建設中的東方航天發(fā)射場。
俄羅斯建設東方航天發(fā)射場主要基于兩點考慮:一是要擺脫對哈薩克斯坦的拜科努爾發(fā)射場的依賴,確保從本土進入太空的能力;二是借機振興遠東的經(jīng)濟發(fā)展。
俄羅斯東方航天發(fā)射場自2016年實現(xiàn)首飛之后,繼續(xù)加緊建設,2017年不僅實現(xiàn)了第二次發(fā)射,同時還啟動了二期工程的建設,將建造“安加拉”運載火箭發(fā)射臺,為實現(xiàn)載人發(fā)射任務奠定基礎。2017年9月,普京發(fā)表講話時表示,東方航天發(fā)射場將成為俄羅斯國內(nèi)最大的民用航天發(fā)射場,它將確保俄羅斯對外太空的探索,完成載人航天發(fā)射任務。
此外,載人登月的地面模擬項目陸續(xù)啟動,為俄羅斯載人登月后續(xù)發(fā)展提供堅實保障,建設地面生物醫(yī)學研究中心。為有效開展月球載人飛行的地面模擬,俄羅斯于2014年底著手建造星際飛行生物醫(yī)學國際研究中心,該中心樓內(nèi)將安放新型現(xiàn)代化試驗研究設備和綜合性試驗臺,可以實現(xiàn)月球、火星地面模擬飛行試驗和“人造失重”模擬試驗,能夠進行各種深空探測飛行模擬,以及在這些星球上模擬建造人類居住地等試驗項目。
構(gòu)建地面月球模擬基地。為加強駐月任務的模擬,俄羅斯準備先在地面建造月球基地的模型。第一階段月球基地模型將由四部分組成:生活艙、實驗艙、動力艙和節(jié)點艙。在月球基地模型上將驗證研制月球基地的所有建筑方案和技術方案。俄羅斯航天國家集團計劃將月球基地的建設和裝備研制劃分為不同階段和部分開展,其測試工作也將在地面上進行,目前該計劃已提交政府審批。
2017年3月14日,俄羅斯開啟了第17次航天員的公開選拔工作,截至2017年12月31日申請結(jié)束,俄羅斯航天員中心共收到420份申請書,其中航天領域工作人員80名,軍人51名,2018年7月最終確定了13名候選航天員,但其中沒有女性。
航天員在軌飛行首要任務是開展科學研究,以幫助人類進一步開發(fā)太空。這些科學研究包括:生物學和醫(yī)學實驗,為未來的航天飛行積累知識儲備;在太空條件下開展植物栽培;測試新的生命保障系統(tǒng);應用新的技術。
俄羅斯面臨技術升級緩慢、經(jīng)費預算緊張的局面,想要推進載人登月計劃,未來還需借助國際合作的力量來完成。在美國提出地月空間站建造計劃之后,按各國約定,俄羅斯航天國家集團、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)、歐洲航天局(ESA)、加拿大航天局(CSA)都可利用地月空間站來支持可重復使用載人登月器以及探月機器人任務。月球軌道平臺及站上工作人員可為未來火星運輸系統(tǒng)提供服務和支持。在“深空之門”建造計劃中,俄羅斯目前提出負責1~3個艙段的研制,提供統(tǒng)一的對接機制,以及提供重型運載火箭。
國際合作是未來發(fā)展載人深空探索的重要途徑。實現(xiàn)載人登月、載人登火將是俄羅斯深空探索長期發(fā)展的主要目標之一,任務組織實施投入更加巨大、技術難度極大、風險極高。在新形勢下,尤其是商業(yè)航天快速發(fā)展的形勢下,載人登月不再僅僅依靠政府的力量,而是充分利用國際合作和商業(yè)能力,通過國際合作得到技術和資金等有效支援。