美國商業載人發射合同“ 花落” 波音和太空探索技術公司

郭筱曦　 張蕊（北京空間科技信息研究所）

美國商業載人發射合同“ 花落” 波音和太空探索技術公司

郭筱曦 張蕊（北京空間科技信息研究所）

美國2017年將開啟載人運輸的“商業飛船時代”

經過4年的研制與試驗、角逐與等待，美國航空航天局（NASA）于2014年9月16日敲定，由商業航天公司—波音公司和太空探索技術（SpaceX）公司共同為其執行“國際空間站”（ISS）載人運輸任務。如果一切按計劃進行，美國航空航天局將減少或徹底終結對俄羅斯載人發射服務的依賴。首次載人驗證飛行任務將于2017年進行。

1　合同背景

自載人航天活動開展以來，美國一直依靠聯邦機構—美國航空航天局發射航天員到達近地軌道和月球。此次合同的授出標志著，自航天飛機退役6年之后美國將重獲本土載人航天發射能力；也標志著自阿波羅計劃結束45年之后，美國將開啟“商業飛船時代”。

商業載人和貨運計劃是2003年哥倫比亞號航天飛機再入損毀事故的直接結果。警醒于災難，于是小布什政府在2004年命令美國航空航天局在2010年前完成空間站建造并退役航天飛機，該局的任務是研制新火箭和新航天器以期重返月球；隨后提出“星座”計劃執行這些指示，開始研制能發射月球著陸器和居住艙的土星-5級別超重型火箭，以及能載人發射月球或空間站任務的小型火箭。

奧巴馬政府上臺后卻戲劇性地下令改變路線，決定放棄“星座”計劃并繞過月球，轉而支持需要兩個系列火箭和航天器的“靈活路徑”架構，去實現兩個非常不一致的目標。美國航空航天局現已將“星座”計劃的核心部分重整為“獵戶座”（Orion）飛船/“航天發射系統”（SLS）計劃—將該局載人發射能力業已存在的3～4年的差距拉長至近6年。

到了2011年，美國航天界才真正體會到“進退維谷”。航天飛機曾是美國載人航天的“旗幟”，1981-2011年主宰近地軌道30年。5架航天飛機在30年的職業生涯中，共執行135次飛行任務（一次發射失敗損毀，一次再入失敗損毀），飛行總行程近8.7×107km，把16個國家的355名航天員送往太空，并運送了1360余噸貨物。航天飛機一退役，美國就不再具備載人天地往返能力。受此影響最大的莫過于美國對“國際空間站”的貨物補給和乘員輪換，在過去3年中，美國只能依靠俄羅斯“聯盟”系列飛船進行載人天地往返。“聯盟”飛船是高度可靠、安全、經驗豐富的載人航天器，遠超任何其他現役航天器。但站在美國的立場看，這并非理想且非常昂貴，俄羅斯按座位向美國收取高額費用，最新價格高達7600萬美元。

在航天飛機臨近退役之際，美國航空航天局啟動了商業乘員計劃，以鼓勵私人企業負責設計、建造并運行可到達近地軌道的載人運輸系統，而該局只需要為政府航天員支付運送費用。這樣做的目的是吸引越來越多的私營機構參與其中，使近地軌道載人探索活動更加便利，成本更低，同時加速技術革新的步伐。

第一輪“商業乘員開發”（CCDev）于2010年2月啟動，目標是完成系統方案制定和關鍵技術研發。美國航空航天局通過“空間行動協議”（SAA）授予藍源公司、波音公司、帕拉根太空研發公司、內華達山脈公司（SNC）和聯合發射聯盟（ULA）公司等5家公司共5000萬美元的合同。

第二輪“商業乘員開發”于2010年10月啟動，主要開展航天器和運載火箭的設計及成熟度研究。該局在2011年4月向包括太空探索技術公司在內的4家公司授出3.162億美元的合同。

第三輪“商業乘員開發”于2012年2月啟動，后改稱“商業乘員綜合能力”（CCiCap）計劃，完成商業乘員運輸系統的綜合設計，包括航天器、運載火箭、地面運行和任務控制。該局在2012年8月向太空探索技術、波音和內華達山脈公司授出合同，用于繼續研制和測試。

美國航空航天局在2013年7月發布“商業乘員運輸能力”（CCtCap）合同建議書征求草擬文件。其聯邦采購條例（FAR）合同構成了第四輪也是最后一輪“商業乘員開發”計劃。與此前不同的是，商業供應商在前幾輪計劃中根據美國航空航天局合同要求測試已開發的技術，在“商業乘員運輸能力”階段則是與該局工作人員組建聯合測試團隊（JTT），運作方式更接近該局傳統的采購方法，借此監督部分設計選擇。這一輪的主要參與者包括太空探索技術、波音、內華達山脈和藍源4家公司，其中藍源公司未獲該局資助。

2　合同主要內容

“商業乘員運輸能力”合同旨在完成美國航空航天局對商業載人空間運輸系統的認證，作用等同于認證貨物補給任務的“商業軌道運輸服務”（COTS）合同。最終，太空探索技術和波音在2014年9月16日中標，分別獲得價值68億美元的固定價格合同：前者將獲得26億美元，后者將獲得42億美元。

依照該合同，波音和太空探索技術公司被要求通過嚴格的認證過程，各包括5個認證里程碑：①認證基線評審；②設計認證評審；③試飛就緒評審；④運行就緒評審；⑤認證評審。每家公司都將根據實現認證里程碑和其他關鍵里程碑的情況獲得支付。

作為認證過程的一部分，每家公司的合同包括至少一次空間站載人驗證任務，以驗證完全集成的火箭和航天器系統可以發射、在軌機動、與空間站對接，并確認所有系統達到預期性能。波音公司期望在2017年中完成載人驗證飛行。有消息稱太空探索技術公司計劃早于波音公司完成載人驗證飛行。每次驗證飛行乘組都將至少有1名美國航空航天局的航天員。

試飛計劃成功完成且其系統通過該局認證后，每家公司將進行至少2次、可能多至6次往返空間站的載人任務。全部飛行都包含在這份合同中，將來任何除此以外的飛行可能會簽訂后續合同。

這兩家公司將擁有并運營他們所建造的乘員運輸系統，也能夠向除美國航空航天局以外的其他用戶出售載人空間運輸服務，從而降低所有用戶的成本。

乘員航天運輸-100飛船在軌飛行示意圖

3　幾家歡喜幾家憂

這樣的選擇體現出舊與新的融合：波音公司是有幾十年歷史的宇航龍頭企業，而太空探索技術公司由伊隆·馬斯克創立不過短短12年。兩家公司分別建造乘員航天運輸-100（CST-100）飛船和“龍”（Dragon）飛船，都是額定承載7人的可重復使用航天器，都將從肯尼迪航天中心發射。很多航天業內人士認為太空探索技術公司會提供最便宜的備選方案和更具創新性的設計，而波音公司將基于歷史經驗提供最可靠的服務。

在任何行業中，競爭都是好事情，航天也不例外，但這就意味著必須要有輸家——內華達山脈公司研制的“追夢者”（Dream Chaser）航天飛機和藍源公司研制的名為“空間飛行器”（Space Vehicle）的圓錐體太空船雙雙落選。

波音公司：宇航龍頭

（1）乘員航天運輸-100飛船

乘員航天運輸-100這一名字脫胎于“乘員航天運輸”和100km（傳統意義上標志外太空最低的高度邊界）。該飛船將由聯合發射聯盟公司的宇宙神-5火箭發射，宇宙神-5火箭當前采用的是俄制RD-180發動機，之后會被換掉。聯合發射聯盟公司則是波音與洛馬合資的公司。

波音公司在該飛船中融入了很多“波音元素”，即借鑒了其建造商業客機的經驗，連波音高層都說，從商業航空到商業航天，幾乎就是歷史重演。航天器內部比以前的飛船更具用戶友好性，乘員航天運輸-100的控制面板不到1m寬，上面沒有很多按鈕開關。采用的波音發光二極管（LED）“天空照明”技術，與波音787“夢幻客機”所用的技術相似，用藍色調營造出天空效果，讓乘員艙感覺上更加寬敞。無線互聯網將支持通信和對接操作。

（2）傳承和開拓

波音公司是全球最大的航空航天業公司，旗下有4家業務集團，其中綜合防務系統集團是美國航空航天局最大的承包商，為全球的國防、政府和商業用戶提供大規模、系統的“端對端”的服務。

波音目前還沒有造出一艘可用于飛行的乘員航天運輸-100飛船。公司高層表示他們將依托“商業乘員運輸能力”的資金繼續推進建造，正加快步伐建造3艘飛行樣機，每艘都能進行10次軌道飛行，用于滿足“商業乘員運輸能力”對于認證和常規載人飛行的要求。波音既已獲得認證，相關操作很快將移至肯尼迪航天中心（KSC）進行。

波音公司已與官方機構太空佛羅里達（Space Florida）合作租下位于肯尼迪航天中心的原航天飛機的軌道器加工廠第3車間，對其進行現代化改造[現稱 “商業載人和貨運加工廠”（C3PF）]，為乘員航天運輸-100的高效制造、組裝和試驗提供良好環境。波音公司旨在把這里打造為世界級的制造工廠，建筑面積約4600m2，最多可同時加工6艘乘員航天運輸-100。

載人型“龍”飛船在軌飛行示意圖

太空探索技術公司：行業新秀

（1）第二代“龍”飛船

2014年5月29日，太空探索技術公司舉行了第二代“龍”飛船（Dragon V2，即載人型“龍”飛船）的發布會。該公司稱此次發布的改進型飛船將成為有史以來最安全、最可靠的載人航天器。

載人型“龍”飛船仍用獵鷹-9（Folcon-9）火箭發射，采用圓錐形外觀，最多可搭載7名乘員或可人、貨混裝。首創的發射逃逸系統將在乘員從進入飛船到入軌的全過程中提供逃逸能力。該系統還能讓飛船在地球或其他行星表面以直升飛機的精度推進式著陸。此外還為飛船加裝了4條可伸縮的沖擊減震著陸支腿，并保留降落傘備份著陸功能。著陸后，飛船可補加燃料并飛行多次。飛船內部一共有7個褐色真皮座椅，上層4個，下層3個，其操控臺由4塊很大的觸控屏組成。馬斯克說，這些設計與他的特斯拉電動汽車內部設計很相似。如果觸控屏出現故障，所有功能都可通過硬件控制來實現。

包括美國載貨型“龍”飛船、“天鵝座”飛船和日本“H-2轉移飛行器”（HTV）在內的航天器都采用“停靠”這種非自主方式與“國際空間站”連接，需用站上機械臂完成操作；而載人型“龍”飛船可在沒有機械臂輔助的條件下自主（或手控）對接。其他改進還包括沖擊減震著陸支腿和更先進的第三代酚碳熱燒蝕板-X（PICA-X）防熱罩。該飛船強大的熱防護系統能承受月球任務的熱壓力。

（2）偉業和宏愿

太空探索技術公司目前正依照與美國航空航天局在2008年簽訂的“商業補給服務”（CRS）合同用其貨運型號“龍”飛船在2016年前執行12次空間站貨運任務，總價值16億美元。貨運型號“龍”飛船曾是首個到訪空間站的商業航天器，也是首個從軌道返回地球的商業航天器。從2012年5月成功執行“商業軌道運輸服務”驗證任務起，已先后于2012年10月、2013年3月、2014年4月和9月成功發射4次“商業補給服務”任務，紀錄非常出色。

太空探索技術公司在3家競爭者中有最好的價格，美國航空航天局副局長威廉·格斯滕邁爾對該公司成功履行“商業乘員運輸能力”合同能力的整體置信水平評價為“高”，但他承認“建議書有一些技術問題”，并擔心后期進度會受影響。盡管該公司在認證產品合同（CPC）期間的表現只達到了“滿意”，但格斯滕邁爾說，這家年輕的航天公司在其他相關工作上“表現非常好”，比起其他公司有進度余地更多的優點。

太空探索技術公司還有更宏偉的商業開發、利用太空的計劃。長期以來，馬斯克都對火星上存在生命的可能性十分感興趣。他認為在天災和自我毀滅（如核戰）的威脅下，移民其他星球是我們人類文明得以延續的唯一方法，而成本和技術限制是人類行星際航行計劃的真正障礙。他的目標是將發射費用降低到商業航天發射市場的1/10，并計劃在未來研制超巨型火箭用于“火星移民”計劃。

內華達山脈公司：焦土政策？

美國航空航天局剛授出合同時，內華達山脈公司曾發表官方聲明，表示認可該局在“商業乘員運輸能力”合同競爭中做出的決定，但僅僅過了10天（2014年9月26日），內華達山脈公司突然宣布，對美國航空航天局的商業載人合同授予決定提出抗議。在其51年的公司歷史中，該公司從未對政府合同授予決定提出法律挑戰，但此次其認為在“商業乘員運輸能力”合同分配中，航空航天局自己發布的供方選擇聲明和情況匯報表明，供方選擇過程中存在嚴重的問題和自相矛盾；同時認為，在預算受限的關鍵時刻，向美國公眾傳遞物超所值的觀念比以往任何時候都更加重要。重要的是，該局正式征求合同建議書時將價格因素作為首要評價標準優先考慮，將其設定為另兩項主要評價標準（任務適用性和過往實績）的總值。內華達山脈公司“追夢者”太空飛機建議書是“商業乘員運輸能力”合同競爭中報價第二低的建議書，也取得了和其他兩家相仿的任務適用性分數。實際上，排名最高和最低的要約公司總分相差很少，其他因素也同樣具有可比性。

沒有中標的“追夢者”航天飛機

內華達山脈公司提出抗議后，遵照美國聯邦審計總署（GAO）的條例，航空航天局在2014年10月2日向波音和太空探索技術兩家公司發布停工令。1周后的10月9日，航空航天局決定根據其適用的法定權限，繼續執行已授予的商業載人合同，不理會內華達山脈公司提出的投標抗議。該局認為，如不能盡快提供“商業乘員運輸能力”的運輸服務，將對空間站乘員構成風險，危害空間站的繼續運行，并可能導致美國無法履行其在國際條約中做出的承諾。這些顧慮迫使航空航天局動用其法定權限，避免出現更嚴重的不良后果。

內華達山脈公司于2014年10月15日在聯邦法院提起訴訟，力圖推翻航空航天局解除停工令的決定。該公司在提交給美國聯邦索賠法院的文件中同時申請了“臨時禁止令”和“預先禁止令”。

“臨時禁止令”是企業在非常緊急的情況下申請的一種保障措施。它在做出前不需要通知對方，只需要申請方提供證據證明，如果不采取該種保護措施，企業將受到不可逆轉的損失和打擊。不過，“臨時禁止令”只有14天的有效期，設立的目的是為當事人（企業）爭取到時間，隨后當事人（企業）就必須進行訴訟或申請“預先禁止令”，以獲得更長時間的保護。“預先禁止令”在頒發前需要通知對方，并且有一個雙方討價還價的過程。從實踐上來看，“預先禁止令”因為能有效阻擋對手的交易，因而有些企業申請到禁令就停止了，申請人如果想把它作為一個最終的判決來看的話，還需要在訴訟中提出要求。

據悉，美國聯邦審計總署必須在2015年1月5日之前就內華達山脈公司的抗議進行裁決。

（1）“追夢者”航天飛機

在提出抗議之前，內華達山脈公司已開始建造其第一架追夢者號太空飛機，計劃于2016年底由宇宙神-5火箭發射進行首次軌道飛行試驗，也已經購買了這枚火箭。公司主管人員曾表示，有或沒有美國航空航天局的支持，他們都希望繼續研制“追夢者”，但該公司的近期計劃目前還不清楚。

內華達山脈公司稱，“追夢者”航天飛機的設計提供了更廣泛的功能和價值，包括通過將其設計為有人駕駛的可重復使用升力體航天器，繼承了航天飛機的特點，體現出開啟未來革新的當今先進技術和靈活性。

（2）落選原因淺析

美國航空航天局副局長威廉·格斯滕邁爾在2014 年9月15日簽署的一份內部文件中披露了其落選的部分原因。

首先，內華達山脈公司的設計成熟度最低，需要完成的技術工作和做出的關鍵設計決策比其他兩家多得多。建議書沒有徹底解決設計挑戰和權衡問題。設計成熟度不足的一個直接后果就是進度有更多的不確定性。“追夢者”航天飛機的認證周期最長，若拓展到2017年之后需要完成的額外工作最多。

盡管該公司的報價低于波音公司的報價，但航空航天局認為，其技術和管理方法及過往實績沒有達到波音公司的水準，因此存在較大風險。該公司和太空探索技術公司的過往成績不相上下，也都有非常優秀的技術和管理方法，但其報價遠高于后者的報價。

藍源公司：另辟蹊徑

2014年9月17日，聯合發射聯盟公司與藍源公司宣布將共同研制可用于宇宙神-5等火箭的國產發動機，用于替代俄制RD-180發動機，兩家公司預計在2016年啟動新型發動機的全尺寸試驗，為2019年在聯合發射聯盟公司的火箭上的首次飛行做準備。

2014年年初以來，美俄關系持續緊張，矛盾不斷升級，重新建造全美產發動機的需求愈加強烈。俄羅斯揚言要終止RD-180出貨或限制其用于民用任務。在俄羅斯可以停止出口RD-180發動機之前，美國法院曾頒布一項禁令，鑒于已經發生的經濟制裁決定禁止進口RD-180發動機。這項禁令9天后即解除，讓聯合發射聯盟公司可以繼續進口該發動機。

藍源公司由亞馬遜網站首席執行官杰夫·貝索斯在2000年創立，總體目標是用增量法開發出以較高可靠性和較低成本實現民間個人進入太空的技術。藍源公司參與了航空航天局前兩輪商業乘員開發計劃，并在此期間研制了藍色引擎-3（BE-3）發動機。該公司將與聯合發射聯盟公司合作研制藍色引擎-4發動機，它是使用液氧作為氧化劑、液化天然氣（LNG）作為燃料的液體燃料推進火箭發動機，總推力可達2450kN。發動機采用富氧分級燃燒循環，一部分推進劑在氣體發生器內燃燒以產生高壓氣體，從而驅動發動機渦輪泵的渦輪機，后者將推進劑傳輸給燃燒室和氣體發生器。

4　商業航天未來前景

自20世紀80年代開始，美國法律和政策已開始引導美國航空航天局拓展商業航天市場。技術的成熟催生航天市場化，這也是近年來美國航天發展的重要策略。截至目前，美國是唯一建立商業航天運行許可的國家，把載人運輸服務轉交給商業部門是美國空間探索戰略最為重大的一次變化，航空航天局從直接負責設計轉變為商業公司的用戶。

目前，尚不清楚美國國會是否會撥出足夠款項資助這兩種航天器的研制，或者航空航天局在將來某一時刻是否會被迫只選擇一家供應商，但博爾登局長對此有信心，認為國會將為這兩家公司在2017年首飛提供必要資助。來自美國國內各方的最初反應都是積極的。2011-2014財年，航空航天局為商業乘員計劃共申請了30億美元，國會僅撥款19.27億美元，10億美元的缺口拉長了研制周期，將首飛時間一再推遲。航空航天局在2015財年的預算案中為商業乘員計劃申請了8.48億美元，眾參兩院還未決定最終數目，但預計會再少5000萬美元以上。

第二輪空間站貨運合同啟動

商業載人合同授出后不久，美國航空航天局就宣布面向私人企業為空間站下一輪貨運任務征詢方案。該局有意在第二輪“商業補給服務”中向一家或多家公司授出合同，每份合同包含6次或以上飛行任務；在2020財年之前為該局提供空間站后勤和研究類貨物補給，可能會根據其延壽情況擴展到2024年。此輪征詢面向有能力驗證安全、可靠發射和交會能力的公司，不僅限于首輪獲選的太空探索技術公司和軌道科學公司，目的是鼓勵完全、開放的競爭，提供最完備的服務體系。該合同將在首輪“商業補給服務”合同完結之后繼續，仍將是固定價格的不定期交付/非確定數量合同。航空航天局預計在2015 年5月做出選擇。

商業空間站有望成真

據美國比格羅宇航公司高級代表稱，“比格羅擴展活動艙”（BEAM）預計于2015年由太空探索技術公司的載貨型“龍”飛船發射，抵站后由加拿大機械臂-2安裝在寧靜號節點艙的尾向對接口上，以充分檢驗充氣式擴展居住艙技術。航空航天局為此次演示驗證向畢格羅公司支付了1780萬美元，該艙段將至少在軌2～3年。畢格羅公司志在建造全部由充氣式艙段組成的商業空間站，可用作院校研究人員、太空旅客和其他非航天國家航天員的根據地。波音公司已與其建立合作伙伴關系，該公司管理者曾表示，乘員航天運輸-100可支持畢格羅公司的計劃。

從近地拓展到深空

2014年年初，美國航空航天局向美國私人企業征集不設資金的建議書，以協作發展新的商業航天合作伙伴關系—“商業空間能力協作”（CCSC）倡議。在此之前與商業航天有關的合作倡議還包括：“月球貨物運輸與軟著陸方式降落”（即“月球催化劑”）倡議，旨在征集商業機器人月球著陸器能力建議書；“小行星重定向任務”廣泛機構公告，旨在征集與載人小行星探索計劃相關的研究建議書。航空航天局及其合作伙伴將應用“空間行動協議”商定一系列互惠互利活動。

就美國航空航天局之前的商業合作伙伴關系而言，美國企業已從該局廣泛的基礎設施及其關于航天開發和運營的經驗中有效獲益。雖然有技術和進度風險，但創造了降低運營成本的可能性。美國對商業載人運輸服務的培育，將推動發射服務業和航天器制造業的進一步發展，形成載人航天發射市場，有助于航天產業化和國家經濟發展。通過競爭的方式設計、建造和發展商業載人及貨物運輸系統，也將加速載人航天技術的創新步伐，對于實現航天飛行的長期可持續發展具有重要作用。

載人航天工程建設一直作為美國政府行為體現國家整體實力，目前其他航天大國，如俄羅斯和中國的載人航天活動還都是政府運作。美國在載人航天商業化方面的成功初試也會深刻影響其他國家，商業公司將以其成本低、效率高、競爭性強等優勢逐漸進入市場，通過將一些已經發展成熟的載人航天項目轉交給商業公司，國家可以將更多精力投入更長遠、更復雜的載人深空探索活動中，促進載人航天事業更快、更好發展。

部分載人航天器主要參數對比（截至2014年12月）

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