太空備忘錄：2020年全球航天

人從未比在太空行走時顯得更爲渺小，或更爲偉大

語宙

人間艱難，星空璀璨

2020年就要過去了。對於航天，這是步履蹣跚的一年，也是箭器競發的一年。不少國家和機構的空間探索計劃因爲新冠疫情推遲或取消，也有更多航天器如約飛向地球軌道以及更遠的深空。災難之中地球人負重前行，夢想依然澎湃於天外。宙姐宙叔爲你盤點這一年的全球航天。

1、太空快遞誰家強？獵鷹9穩坐第一

SpaceX公司的獵鷹9號火箭全面爆發，2020年入軌發射25次，不僅遠超同年全球其他單一型號火箭，還實現了比自家上一年翻一番——2019年，獵鷹9+獵鷹重型火箭共發射13次。獵鷹9的發射次數佔美國今年全部44次航天發射的57%。

2020年獵鷹9的發射中，只有兩次在回收一子級環節出現問題。這些任務同時還成功回收了大部分整流罩，包括網布和入海後的打撈。目前，這些回收的整流罩有的已重複使用多次，有的還在修復並評估是否再次使用。

一年的耕耘，讓獵鷹9號坐穩了全球運載火箭第一的寶座，成爲單一型號年發射次數最多的中型火箭，也是唯一一款能夠通過垂直着陸回收一子級的火箭。憑藉LEO軌道22.8噸的運載能力和可重複使用能力，它已超越全球其他同級別火箭整整一代，能夠勝任地球軌道上大部分衛星和載人航天器的發射任務。

獵鷹9號火箭已經定型，目前的B5型成熟度達到了極高水平。其複用週期最短51天，複用次數最多的已經使用了7次，第8次複用指日可待。剩下的事就是安全可靠地重複流程、多次使用了。未來，SpaceX公司能夠以大量多次使用過的N手火箭、而不急需生產新火箭來保持和繼續提升自己的發射頻率，將對全球發射市場形成更大的競爭壓力。

全球公敵？市場殺手？更希望SpaceX是頭草原之狼，捕獵、追逐，逐出更多矯健的羚羊。

▲“勞模”獵鷹9（來源：SpaceX）

2、火箭新面孔紛呈，有的入列有的待飛

運載火箭是人類登天的梯。這一年，老箭兢兢業業工作，新箭紛紛亮相。

先看大中型火箭。我國的長征五號B運載火箭圓滿首飛，發射了重約22噸的新一代載人飛船原型機進入LEO軌道。飛船通過自身推進系統爬升至8000km高度的遠地點，並返回大氣層再入，爲我國未來載人航天任務的可靠性、安全性進行了成功驗證。

“矮胖”選手長五B未來將承擔我國空間站建設使命，“高胖”一點的長五更多面向深空任務。它們共同構成了我國大型運載的中流砥柱。長征五號在2020年成功發射我國的“天問一號”火星探測器和“嫦娥五號”月球探測器。據官方消息，長征五號B火箭將在2021年上半年發射中國空間站核心艙，翻開我國空間站建設的第一頁。

隨着長征八號12月22日成功首飛，我國的中型火箭也成功上新。長征八號填補的不僅是我國SSO軌道3噸-5噸運載的空白，也是通過模塊化實現低成本和未來重複使用的突破。

當然，火箭的重複使用還需要大量工程試驗。長征八號走了一條與獵鷹9完全不同的路子，需要更多探索。

對標獵鷹9的俄羅斯“安加拉A5”火箭，今年完成了繼2014年以來的第二次試射。它最多能將7噸載荷送入GEO，但這次試射的還是與6年前幾乎完全一樣的2噸模擬載荷。“安加拉A5”目前還沒有一次真正的發射任務，但俄羅斯專家認爲，除了可重複使用之外，它的其他方面都優於獵鷹9。

自信的俄羅斯“聯盟5”和歐洲的阿里安6，也是全球大中型火箭中的新面孔。不過，2020年它們的狀態都仍然是“研製中”，不再贅述。處於尷尬狀況的還有ULA公司的“火神”火箭。聚焦美國國防軍事衛星和部分商業衛星發射的“火神”，原本希望通過採購“物美價廉”的藍源公司BE-4發動機、以及發動機空中回收設計兩大“利器”，實現成本的大幅降低。然而，一個也還沒實現：BE-4發動機遲遲未能交付，2020年底的版本還不能正常點火工作；至於發動機回收，使用直升機完成空中回收這一奇葩方案，普遍不被業界看好。ULA公司計劃在2021年底首飛“火神”，但目前看上去不太可能實現。

大中型火箭的運力之上，還有重型與超重型。SpaceX的“星艦”超重型火箭，其原型機SN8在2020年的最後一飛，過程驚豔，結果震撼——炸了。雖然炸了，馬斯克也開心，因爲它驗證了除觸地一瞬間之外的其他預期目標，包括：3臺猛禽發動機一起工作助推，原型機機體水平帶翼受控返回地面，發動機多次點火，不鏽鋼外殼承受高速返回地面時產生的高溫與振動，等等。導致爆炸的燃料箱壓力不足問題不屬於技術瓶頸，是容易攻克的。這些年來，原型機SN系列的迭代演化步步推進，一次實現一個小目標。下一步就是“星艦”全系統試驗，再下一步就是加上“超重”助推器的巨型系統——預計三年後，馬斯克吹過的登陸火星的牛，可能真的能看到兌現之日了。

同樣作爲超重型火箭的SLS，主動力系統的芯一級和助推器都是在航天飛機的主發動機和固體助推器基礎上改進的，然而研製已歷9年。2020年的最新進展是，交付了一次火箭芯一級，並在12月完成了一次燃料加註，但加註的燃料出現溫度問題。這麼發展下去，預計要被“星艦”反超了。目前SLS還是NASA指定的美國重返月球專用火箭，未來很有可能被“星艦”分一杯羹、甚至被替代。

再看看小運載。通過這兩年的發射任務錘鍊，“電子”號小火箭一馬當先，其設計構型、燃料類型以及在行業內所處的地位與SpaceX公司的獵鷹9相近，已經成了名副其實的“小獵鷹9”。“電子”在2020年發射了7次，雖然有一次因爲二子級故障導致失敗，但並沒有因此而被業界看衰，排除故障後順利完成了2020年的後續發射訂單。除常規發射外，“電子”還完成了一次使用“光子”上面級試驗和一次火箭一子級打撈回收，並在2月拿到NASA合同，將發射立方星進入月球軌道，爲美國重返月球Artemis計劃中的Gateway月球空間站建設開展月球附近導航技術驗證。可見，小火箭也有大用途，只要肯創新，“電子”這種500km SSO運力僅200公斤的小火箭可以回收複用，也可以進行深空探測。

與“電子”號同樣級別運力的“穀神星”1號火箭，由中國民營火箭公司星河動力研製，在2020年完成了首飛，成功將1顆微小衛星送入500公里高的SSO軌道。雖然這顆微小衛星還不到50公斤，但這次發射意味着中國的民營火箭能夠成功進入長期工作的近地軌道，解決了入軌門檻的問題。這也是2020年我國唯一一枚發射入軌的民營火箭。2021年，此前有過入軌發射的星際榮耀和瞄準入軌的藍箭航天等民營火箭公司，必然一展拳腳。

▲中國長征八號首飛

3、北斗三號全球組網收官，中美皆建第三代導航

火箭送衛星，通導遙都有。今天，中美兩國都在建設自己的第三代導航衛星星座。2020年6月23日，我國北斗三號星座組網收官；6月30日，美國發射第3顆GPS-3衛星，11月5日又發射了第4顆GPS-3衛星。

美國第一代應用型GPS衛星於1978年入軌，目前和未來大部分GPP-3衛星都會由獵鷹9號火箭部署。根據獵鷹9的性能，每年可能入軌的GPS-3衛星將大大增加。GPS過去、現在和未來都是很牛的：GPS-3”後繼星”正在研製，而GPS-3系列衛星都開放了對格洛納斯導航衛星和伽利略導航衛星的信道，甚至可兼容印度區域性的導航星座IRNSS，未來可實現跨國跨星座的全球軍事、民用與商業導航服務。

我國的北斗星座與全球其他三大導航星座美相比，相同之處在於都使用了中地球軌道，不同在於北斗還用了GEO軌道和IGEO軌道，以確保對中國地區更高的覆蓋時長。北斗的第一顆星是在2000年發射入軌的。北斗的代際發展快但起步晚，衛星導航精度與應用的廣泛性與GPS相比仍有差距。

北斗三號組網收官不是終點，更是奮起直追的新起點。

▲中國北斗三號全球組網收官

（來源：央視今日亞洲）

4、“星鏈”區域服務落地，低軌互聯網星座火拼

從第2批1.0版到第15批1.0版，美國SpaceX公司的“星鏈”星座衛星在2020年發射了14批。每箭差不多60星，那叫一個多快好省，目前在軌數量已超過900顆。2020年是“星鏈”星座大規模部署的第一年，部署速度超出了業界的預想。當人們懷疑“1.2萬+3萬”顆的衛星藍圖根本不可能完成時，馬斯克用2020年的“星鏈”入軌速度做出了無聲的回應。未來，每年由獵鷹9發射的“星鏈”衛星預計超過1000顆——這個數字很保守，根據目前信息，僅2021年前2個月就計劃發射3批“星鏈”。

更加讓人感嘆的是，不必部署完前期的1.2萬顆星，“星鏈”已經可以爲部分地區提供衛星寬帶服務了。2020年，已在軌的這些衛星完成了SpaceX的內部測試以及公開定向邀請測試，測試結果理想。北美某些地區的用戶，已經拿着一個像鍋蓋一樣的天線，實現了手機、電腦、Pad等終端設備通過衛星上寬帶網了。一次性設備499美元，月租99美元，明碼標價。“星鏈”服務已經在局部落地了，後續就是如何增加在軌衛星數量從而擴大服務區域的問題了。

煩惱來自比較，差距來自對標。一網（OneWeb）星座在2020年發射了3批衛星共104顆，加上2019年入軌的6顆衛星，上天的一共有110顆。顯然，與“星鏈”相比，OneWeb星座的部署較慢，公司還經歷了破產再重組的大變革，可謂傷筋動骨下東山再起。雖然英國政府和印度巴蒂電信公司各投資5億美元，OneWeb項目面臨的發射高成本、衛星高成本、星座缺乏星間鏈路、英國政府又希望給它加上導航功能等等問題，依然未解決。當然，樂觀的一面在於，英國航天局和印度空間研究組織ISRO正在積極幫助OneWeb星座建設，將給予資金、技術和政策支持。未來發展拭目以待，但無論如何，目前要緊的是衛星入軌要快、要多。

低軌星座有民用、軍用，也有軍民兩用。美國DARPA的“黑傑克”低軌星座，可以說是軍方版本的“星鏈”計劃，要實現美軍天基載荷更加靈活的部署和應用，以增強其作戰能力。美國太空發展局的“傳輸層”星座初期建設正在籌備，2020年已經確定了包括洛克希德馬丁、藍色深淵公司等在內的承研方。“傳輸層”是美國太空發展局新成立後的第一個大項目，目標是通過低軌星座建立太空中繼通信，將盡可能多的太空資產聯網並與地面聯通。在SpaceX公司“星鏈”帶動下，低軌空間的利用已經被美國軍方看好，成爲其創新發展天基通信新陣地。同時，值得注意的是，軍方星座也將通過採購商業小衛星的方式實現——土豪也務實啊。

我國目前也在建設低軌互聯網星座，並且有可能從高層統一部署，容納國內國家隊和民營企業的低軌衛星與通信技術，同時還要有大量重量級的運營領域主體出現。接下來會出現怎樣的產業生態？期待。

▲萬星建“星鏈”（來源：SpaceX）

5、遙感都是小星星，細水長流速迭代

通信衛星、導航衛星領域都在醞釀着顛覆性效果，而在遙感衛星領域，2020年全年竟然沒有一顆大衛星入軌。延續近年來的趨勢，這又是微小衛星繼續入軌的一年。

美國行星公司幾公斤級的“鴿羣”、百公斤級的“太空衛星”，斯拜爾公司的幾公斤級“狐猴”，曾經受過主管部門處罰的蠕蟲公司立方星“太空蜜蜂”，黑色天空全球公司的幾十公斤級“黑色天空全球”，以及更多公司的各類微小衛星，都在2020年爭先恐後地搭載發射。搭載機會主要來自美國的獵鷹9和“電子”號火箭、歐洲的“織女星”火箭，俄羅斯的“聯盟2”火箭、印度的PSLV系列火箭等。

微小遙感衛星在2020年的部署不溫不火，呈現細水長流的狀態，並沒有衰減。小型化、微型化是航天遙感未來的趨勢，似乎和低軌通信有異曲同工之妙。

▲批量化生產的“鴿羣”衛星（來源：Spacenews）

6、大衛星重獲新生，在軌服務有人買單

微小衛星成本低，廢了不心疼；技術新，快速迭代以跟上地球上的摩爾定律。但大衛星們就不能說廢就廢了，貴啊。

2019年10月，美國諾格公司的MEV-1飛行器發射成功。今年2月，它對接了已在墳墓軌道的Intelsat 901衛星，讓後者得以延壽，再爲革命工作幾年。8月份，MEV-2成功發射，計劃明年與燃料即將耗盡的Intelsat 10-02衛星在GEO軌道對接。Intelsat公司每年向諾格公司支付1300萬美元服務費用，在軌服務的商業模式正式建立。當然，在軌延壽服務能否真正帶來可觀的經濟價值，目前還無法完全確定。靜觀MEV的飛行狀態和後續服務計劃吧。

有的對接是爲了讓目標飛行器獲得新生，有的對接則是要把對方徹底毀了。在軌服務的另一個重要方向——空間碎片清除領域，日本初創公司Astroscale今年10月宣佈又籌集了5100萬美元，計劃在2021年3月由聯盟號火箭發射首個驗證飛行器。12月份，ESA授予瑞士初創公司ClearSpace SA領導的團隊一項價值8600萬歐元的合同，計劃於2025年從軌道上清理掉一個太空垃圾。

人類清除空間碎片的決心很大，方案基本原理也大致相似。Astroscale和ClearSpace都是發射飛行器對目標跟蹤並機械捕獲，然後拖拽離開軌道，墜入大氣層燒燬。這種操作是有侷限性的：第一，成本極高，需要搭乘火箭進入一定的軌道並且機動飛行靠近碎片目標；第二，清除的數量偏小，每次操作僅能捕獲單個目標，無法批量處理；第三，清除碎片的飛行器不可重複使用，因爲飛行器抓捕碎片後需要啓動動力助推，和碎片一同墜入大氣層燒燬。這導致了空間碎片清除業務綜合成本高、技術難度大、實施週期長，其技術難關和成本約束皆有待突破。

▲歐空局太空垃圾清除任務示意

（來源：NASA愛好者）

7、天地往返上新船，太空旅遊飛更高

衛星工作壽命有長有短，而目前人類最大的在軌飛行器——國際空間站已連續20年有人存在。今年，國際空間站共進行了4次載人運輸任務，其中兩次由俄羅斯完成，兩次由SpaceX公司的“載人龍”飛船完成。其貨運任務，俄羅斯的“進步”號貨運飛船完成2次，SpaceX公司的“貨運龍”飛船完成2次，諾格公司“天鵝座”飛船完成2次，日本的HTV系列飛船完成1次。

2020年載人航天領域最大的新變化在於：SpaceX公司使用自己的火箭和飛船幫助美國完成了兩次載人航天任務，不僅結束了美國自航天飛機退役後依賴俄羅斯送美國宇航員進出國際空間站的局面，還將一名日本宇航員納入自己的載人航天飛行任務中。也就是說，第一，美國以後不用給俄羅斯支付每個座位8000萬美元的費用了，實現了人員往返近地軌道的獨立自主；第二，NASA送宇航員進入太空的成本大大降低了，從俄羅斯壟斷下的每人8000萬美元降到了SpaceX的5500萬美元，給國家省錢了；第三，美俄之外的宇航員也不是非得乘坐俄羅斯的“聯盟”載人飛船了，給更多國家省錢了。

NASA局長歡呼雀躍，俄羅斯航天集團一把手怒懟馬斯克。因爲第三點是對俄羅斯真正的打擊：馬斯克的“載人龍”飛船未來常態化後一次能送7名宇航員進入國際空間站，以後其他國家宇航員全都可以乘坐物美價廉的“載人龍”了。俄羅斯原本僅此一家的生意被搶了，他能高興麼？

“載人龍”飛船同時還將用於地球軌道的太空旅遊。2021年底和2022年年中之間，4名太空遊客將乘坐“載人龍”飛船進入高於國際空間站的地球軌道，創造新的“普通公民航天飛行高度世界紀錄”。同一個飛船兩種玩法，“載人龍”開展太空旅遊在系統性能上完全OK，只存在商業拓展的問題。SpaceX一手抓國家任務，一手抓商業飛行，兩手都很硬。

值得一提的是，載人龍飛船和貨運龍飛船爲近地軌道載人載貨，貨運龍飛船還承擔了Artemis計劃下的月球空間站貨運任務。“龍”飛船系列在人員和物資太空運輸界的地位，就如同獵鷹9號火箭在運載產品中的地位一樣，技術上跨代超越，客戶上多類型通喫，讓其他國家或企業望塵莫及。未來，這種差距會越拉越大。

▲載人龍飛船內部很酷（來源：SpaceX）

8、中國完美取土返回，美國憋大招要返月球

惦着月球的何止馬斯克。月球探測近兩年進入新一輪高潮，但在2020年裏完成探月活動的只有我國的嫦娥五號任務。嫦娥五號中國探月“繞-落-回”三步走的最後一步，整個任務圓滿成功，幾乎沒有一處瑕疵，其最大意義和突破是讓我國實現了從地外天體採集樣品帶回地球。未來，嫦娥六號、七號、八號任務將會使中國的探月曆程步入下一個新階段，那就是月面長期探索和基地建設。

目前難以預測，新一屆拜登政府是否會調整美國重返月球的計劃。但我們猜測，嫦娥五號的成功或將進一步激發美國推進Artemis計劃。2020年裏，美國用一紙“阿爾忒彌斯協定”拉攏多個國家幫助美國重返月球，得到了歐空局及其多國和日本、加拿大、澳大利亞、盧森堡、阿聯酋等國家的支持，連深空探測領域並無顯著建樹的印度和韓國也都表示願意同美國一起探月。歐空局甚至已經下發研製合同給歐洲深空探測的唯二主力——空客與泰雷茲阿萊尼亞空間公司，幫助美國研製月球軌道上的核心分系統。

目前美國重返月球計劃在政府、外交層面都順風順水，唯一的問題在於SLS火箭。火箭頻頻延期和各種小毛病層出不窮，讓NASA大傷腦筋，已經花了100億美元了，你倒是飛一個啊。也許，當SLS箭在弦上之時，就是美國重返月球之日。當然，SLS火箭並非唯一選擇。如前文所述，馬斯克的“星艦”巨型運載器研發進度很快，已經成爲NASA登月着陸器方案中的一員。如果SLS持續地不爭氣，美國重返月球計劃要看SpaceX公司的行動有多快了，沒準SpaceX公司首先登月再創航天史紀錄——畢竟，地球附近的紀錄它都已經都創完了。

這一年裏，除了中美兩國有大的探月動向，其他國家沒有工程上的實質性進展。就連俄羅斯也做了個黃粱一夢，忽然醒來。俄羅斯航天國家集團原本宣稱使用PPT中的超重型火箭“葉尼塞”發射載人和載貨登月的“鷹”號飛船，但很快發現做不到，於是在2020年改口轉爲使用“安加拉”系列火箭發射。更別說“頓河”這種更大運力的火箭了，估計連PPT還沒做完。

▲嫦娥五號帶回1731克月球土壤

（來源：中國航天報）

8、火星探測三國出發歐洲黯然離場

2020年夏天迎來火星探測窗口期。中國、美國、阿聯酋三國分別在7月20日、23日、30日發射火星探測器，歐洲的火星任務則延期。

正在飛往火星的三個探測器中，我國“天問一號”最重，總重約5噸，美國“火星2020”總重約4噸，阿聯酋的“希望”號探測器重量約1.4噸。不同的重量意味着不同的任務目標和技術狀態。我國首次進行行星際探測任務，並且有“嫦娥探月”工程經驗的基礎，因此要將軌道器、着陸器、巡視器一次性部署完畢。軌道器在軌環繞火星探測整個火星大氣與地表環境，着陸器負責將巡視器、也就是火星車降落在火星表面，巡視器負責在火星表面進行短距離的漫遊式探測。

美國此前已有4輛火星車在火星表面漫遊式探測，還有火星軌道器在環繞火星，因此這次任務集中在“毅力”號火星車上，目標也超越了此前的基本探測，重點放在追蹤有機物、驗證火星大氣中二氧化碳轉化成氧氣的技術、驗證火星直升機在稀薄的火星大氣中氣動飛行的可能性、採集岩石樣品並等待下一次任務將其帶回地球。

而阿聯酋的任務比較簡單，就是一個環繞火星的軌道器。阿聯酋目前還不具備研製地外星體着陸器、巡視器的能力，“希望”號軌道器也是大量依賴美國技術，但阿聯酋若能順利實現環火星探測，也是非常成功的。

中國、美國、阿聯酋2020年的火星任務發射都是成功的，歐洲的“ExoMars 2020”任務卻被迫延期，主要原因是俄羅斯方面提供的着陸器出現技術問題，其他驗證工作也出現了種種異常，而疫情爆發期間排查工作難以按時開展，最後導致“ExoMars 2020”變成了“ExoMars 2022”，推遲到兩年後的下一個窗口。

提到火星探測，也得說一說馬斯克。2020年多個航天板塊都與馬斯克有關，SpaceX纔是2020年航天的主角啊！我們都知道，馬斯克要送人去火星，自個兒也曾表示希望死在火星上。今年，馬斯克給出的前往火星最新時間表爲2024或2026年——留給他兌現諾言的時間不多了。如果成真，豈不是也許比NASA重返月球還快？NASA的面子往哪放？

▲“天問一號”示意圖

10、小行星採樣，日美一個返程一個在路上

也許面子不是everything。像日本這樣的國家，航天工業規模不算特別大，但頗具一些有特色的發展方向，比如小行星探測。

2020年的小行星探測有兩大成果，一是日本“隼鳥二號”帶着“龍宮”小行星表面樣品返回地球併成功在澳大利亞着陸回收。值得驚歎的是，“隼鳥二號”在將攜帶樣品的返回艙“甩”到地球上之後，又用剩餘燃料助推前往另外兩顆小行星探測。我們落筆的此刻，“隼鳥二號”已經遠在距離地球980公里之外了。二是美國的OSIRIS-REX探測器，在2020年10月完成了“本努”小行星表面採樣，準備返回地球。一個已歸，一個還在路上。

小行星採樣探測的難，是要在距離地球幾億公里之外、天體着陸區有限的情況下依靠探測器自主完成一系列複雜的操作。這類能力，美國也是剛剛開始發展和實踐，可見日本在深空探測尖端技術方面有着非常前沿的工程能力與科技水平。日本“隼鳥二號”之前的“隼鳥一號”，早在2010年6月就曾帶小行星樣品返回地球——這是人類已完成的全部小行星採樣返回任務。

所以，小行星小，任務其實並不小，門檻高着呢。

▲“隼鳥二號”採樣返回艙回到地球

終於……到總結了。2020年，美國航天發射44次，中國39次，俄羅斯17次，歐洲以及其他國家發射都不超過5次。SpaceX公司憑一己之力扛起了美國航天發射次數的大半邊天，在載人飛船、可重複使用火箭、低軌衛星通信、登月探火方面都不斷創造新的歷史，其發射入軌的載荷重量略多於全球其他入軌載荷的總和，一家公司幾乎抵得上全球航天系統能力。

2021年又將是全球航天大年。中國空間站開建，全球載人航天格局怎樣變化？美國新一屆政府上任，重返月球計劃面臨什麼變數？中美阿三國探測器將抵達紅色星球，火星探測會給人類帶來哪些新的發現？世界航天不斷鉅變，新的一年將是更加充滿挑戰和機遇的一年。

宙姐宙叔今天要特別感謝“語宙”和“航天新觀察”的讀者們，感謝你們的鼓勵和批評，感謝和我們大家一起撐過了這艱難的一年。再過28個小時，新的一年就要開啓了。也許在未來某一天你會說，我很懷念它，2020年。