商業航天是美國太空探索的新動力

黃志澄/文

?

商業航天是美國太空探索的新動力

黃志澄：空氣動力學家、航天技術專家、技術評論家。長期從事空氣動力學、航天發展戰略研究，為我國大型試驗基地建設、載人航天方案論證、新型航天器研制做出了貢獻。近十年來從事科學、技術與社會等宏觀科學領域研究，在國內外有較大影響。

商業航天是指以商業為目的并用市場化的模式運行的航天活動。實際上，在應用衛星領域，如通信衛星和遙感衛星等，早就開始了市場化過程，并取得了很大成效。在西方成熟的市場經濟體制下，這個進程并未引起人們的過度關注。當一個行業的技術和產品已足夠成熟，把它推向市場和進行商業運作是順理成章的事情。然而最近幾年，商業航天的話題再次引起國際航天界的關注，則是因為美國在載人航天領域首先引入了商業和市場機制。

1　美國太空探索實現雙輪驅動

回顧美國航空航天局（NASA）在2015年的成績，可以說這是NASA取得大豐收的一年。NASA局長查爾斯 博爾登（Charles Bolden）說：“2015年是美妙的一年，我們離火星更近了一步。我們為商業合作伙伴取得的進步喝彩，他們很快就能夠將美國航天員送往‘國際空間站’。我們也為那些能將我們送往深空、改善航空系統、探索宇宙和地球的新技術和新任務取得的進步而喝彩。”

回顧NASA在2015年取得的成績不難發現，NASA除了依靠政府投入外，其鼓勵和支持私營航天創業公司發展商業航天的政策，也為NASA取得2015年的大豐收起到了重要的作用。

在太空探索中采用政府和市場雙輪驅動政策，是美國航天有史以來最大的轉型。實際上，這種轉型也是前幾年美國太空探索面臨的嚴峻形勢逼出來的。美國航天飛機退役后，NASA重新打造的新的“獵戶座”（Orion）飛船要在2020年才能升空。在此之前，美國沒有一個航天運輸系統能為空間站服務。運送人員的唯一選擇是利用俄羅斯的“聯盟”（Soyuz）飛船，每個座位須支付約7000萬美元，通常每年要購買6個座位。為改變這一尷尬局面，自2010年開始，奧巴馬政府就要求NASA盡力支持本土有競爭力的公司研發航天運輸系統，恢復美國向空間站的運輸能力。

NASA正在研發的“獵戶座”載人飛船

隨著航天基本技術的成熟，世界各航天大國除了繼續關注太空安全外，將重點轉向發展太空經濟與太空探索。在這種形勢下，美國產生了一批私營航天創業公司。由于私營航天創業公司管理機制靈活高效，因而研制航天運輸系統的周期短、成本也較低。

NASA早在2006年就啟動了“商業軌道運輸服務”（COTS）項目，旨在為空間站運送貨物。經過招標，NASA最終選擇了兩家創新能力強的私企：一家是美國太空探索技術公司（SpaceX），按合同該公司要用其“龍”（Dragon）飛船向空間站運送12次貨物；另一家是軌道科學公司［OSC，2014年4月與美國阿連特技術系統公司（ATK）合并成為軌道-ATK公司］，按合同該公司要用其“天鵝座”（Cygnus）飛船在2013-2016年間分8次將20t貨物運送至空間站。在美國載人航天領域過去取得的一系列成績中，美國商業公司功不可沒。NASA本身從未涉足過火箭或飛船制造領域，而是全部交給波音公司（Boeing）和洛馬公司（LM）等私營承包商來負責實際設計和建造工作。NASA現在的“商業軌道運輸服務”項目與之前的區別在于資金使用方式不同。以往NASA在招標時，它所承諾的支付包括研制費用（即“成本”）及利潤（即“加成”），也就是所謂“旱澇保收型”。而“商業軌道運輸服務”則是在招標后支付這些公司一筆固定的資金，如果研制成本超支，則由投標公司自己承擔。因此，私企承擔了主要風險。

太空探索技術公司近期因嘗試回收火箭而頻頻吸引眾人眼球。其研制的“龍”飛船已多次向空間站運貨，并將提供載人航天服務，未來還將重復使用火箭和飛船，所以能大大降低天地往返的運輸成本。軌道科學公司在2013年4月由“安塔瑞斯”（Antares）火箭成功發射了“天鵝座”飛船，搭載了與飛船等質量的3.8t載荷。這一成功發射，證明了又一家私企具備了航天運輸能力。NASA局長博爾登表示：“NASA計劃利用美國企業的創造性到達近地軌道，從而使NASA可以將資源集中用于深空探測。從這個角度看，與這些企業簽訂合同，無疑是重要的里程碑。”

NASA在2016年初簽訂了第二份商業補給服務合同，確保空間站的貨運任務持續到至少2024年。這次除了軌道-ATK公司和太空探索技術公司外，內華達山脈公司（SNC）的“追夢者”（DreamChaser）小型太空飛機也贏得了第二輪合同。

隨著NASA將重心轉移到更具挑戰性的載人火星探索，私企將接過把航天員和相關貨物送到空間站的接力棒。2011年4月18日，NASA宣布了“第二輪商業乘員研究計劃”（CCDev2），旨在幫助美國私企研制出可替代航天飛機的天地往返運輸系統。波音公司的乘員空間運輸-100［CST-100飛船，后更名為“星際客車”（Starliner）］、內華達山脈公司的“追夢者”小型太空飛機、太空探索技術公司的“龍”飛船和藍色起源公司的垂直起降方案，分別獲得了數額不等的資助。

NASA的“商業乘員計劃”廣告

2014年9月16日，波音、太空探索技術兩家公司與NASA簽署協議，分別獲得42億美元和26億美元的合同。在通過飛行認證后，每家公司將自2017年起各自承擔2～6次飛往空間站的載人運輸任務。不難預測，若內華達山脈公司能順利完成“追夢者”小型太空飛機的運貨任務，也將會加入到載人任務的競爭中來。NASA還任命了4位有經驗的航天員和測試飛行員為商業載人航天任務進行培訓和準備，并與這些商業公司緊密合作，協助研發其載人運輸系統。

這些年來，美國除了出現上述商業航天公司之外，還出現了許多發展商業空間站、太空旅游和火星探索的私營公司。2015年，比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗艙”（BEAM）已經運抵肯尼迪航天中心。2016年4月，太空探索技術公司已將該活動艙送往空間站，接受為期2年的測試和技術驗證，有助于推進NASA實施長期載人飛行任務的目標。

將小行星拖到月球附近也將為有意進行小行星采礦的公司開啟商業機遇。2015年10月，NASA向美國工業界征集有關NASA如何為無人采礦任務研制先進太陽能電推進航天器的創新想法。NASA還采取措施，激勵商業航天部門深空探測能力的發展，并選擇了12個項目將參與商業公司合作，推動必需的探測能力的研發。

NASA正在研發的2種“航天發射系統”

2　商業航天為NASA注入新活力

NASA的經費全部由美國政府投入，先由NASA編制預算申請，經國會審議后由總統批準。2016年2月初，NASA向美國國會遞交了2017財年預算申請。從2017財年預算申請可以看出，科學領域項目正在穩步增長。科學項目由2015財年的52億美元增長到2017財年的56億美元（漲幅7.7%）；載人探索預算規模呈小幅下降趨勢，但其比重仍舊占50%。隨著“獵戶

130t

70t火箭發射逃逸系統

“獵戶座”

臨時低溫推進段（lCPS）

級間

J-2x發動機上面級

核心段

固體火箭助推器

改進型助推器RS-25發動機座”飛船和“航天發射系統”（SLS）逐漸完成關鍵設計評審，探索系統的經費投入正由2015財年和2016財年的峰值水平逐漸下降。另一方面，載人航天投資重點轉向了太空運行領域，預算由2015財年的46.26億美元增加到了50.76億美元，增幅10%。其中，將特別加大對“商業乘員運輸”計劃的投資，2017財年預算申請由2015財年8.05億美元增加到11.85億美元，增幅47%。

太空技術領域投資連續3年保持高速增長，由2015財年的6.03億美元增長到2017財年的8.27億美元。高度重視太空技術研究與開發，由2015財年3.78億美元增長到5.79億美元。首先，太空技術研究與開發包括了多個創新項目：NASA創新先進概念（NIAC）、太空技術研究獎勵（STRG）、NASA各大中心創新基金（CIF）、小型飛行器技術（SST）、百年挑戰等。通過這些項目的實施，能夠為NASA未來科學和探索任務培育可轉化、具有高度應用前景的前瞻性技術。2017財年投資重點包括開發高性能星載計算機處理器、火星制氧技術、電推進技術等。其次，NASA還將加大對小型企業創新研究（SBIR）和小型企業技術轉移（STTR）項目的投入，由2015財年的1.97億美元增長到2.13億美元。將繼續開展太空在軌服務演示任務；繼續研發高性能太陽能電推進技術，滿足NASA探索任務的需求；繼續開展高碼速率深空通信技術研究。

將NASA的2017財年預算與2007財年預算進行比較不難發現，NASA的商業航天政策，對促進其在2030年或稍后達到載人火星探索目標起到了十分積極的作用。這項政策促進和催化了美國商業航天工業的增長，雖然NASA投入的經費并不多，但起到了“一兩撥千斤”的作用，給NASA注入了新活力。這不僅使NASA擺脫了航天飛機的高額運行費用和航天飛機退役后的困境，并能確保有財力繼續研發“獵戶座”飛船、“航天發射系統”火箭以及相應的地面系統，以便NASA在未來能運送航天員到達近地軌道以遠的區域；而且還有助于NASA在太空科學探索、地球科學、航天技術和航空研究等諸多方面仍保持世界領先地位。無疑，NASA在2015年星際探索方面的大豐收，也與NASA商業航天政策的成效密切相關。

3　商業航天促進太空探索技術創新

實際上，美國顛覆性技術創新的主力是企業，特別是正在創業的中小企業。企業創新的動力既來自市場需求的推動，也來自市場競爭的壓力。競爭導致優勝劣汰，為了保證不在競爭中被淘汰，并取得競爭優勢，企業就必須通過各種手段增強競爭力。隨著科學技術的發展，產品的競爭越來越多地表現為技術創新的競爭，特別是顛覆性技術創新的競爭。誰擁有顛覆性技術創新的成果，誰就占有了市場的絕對優勢。與大型企業相比，中小企業雖然在資金、人才和設備等方面處于劣勢，但是中小企業規模小，靈活方便；專業化程度高，開展技術創新快捷省時，效率較高；管理層次少，凝聚力強，富于合作精神；中小企業對顛覆性技術創新的需求更高，創新的意識更強。因此，中小企業具有顛覆性技術創新的潛在優勢。基于以上原因，美國中小企業在技術創新的數量、質量、效率和周期等方面，都表現出很高的水平。研究表明，美國中小企業創造的技術創新成果和新技術在數量上占全國的55%以上，中小企業人均技術創新量是大企業的2.5倍。根據1958年成立的美國聯邦中小企業局（SBA）的調查，20世紀對美國和世界有過巨大貢獻的65項發明和創造全是由中小企業創造的，從飛機、計算機到復印機、圓珠筆等，無所不包。

同時，市場的開放程度往往決定這種競爭能否帶來何種創新的效果，只有做到市場的充分開放，也就是只有打破壟斷，才能催生顛覆性技術創新。例如，2006年之前，美國在航天商業運輸領域只有波音和洛馬等大公司，2006年開始決定在航天商業運輸領域充分開放市場后，立即就涌現出一批如太空探索技術公司、軌道-ATK公司、內華達山脈公司、比格羅航天公司、藍色起源公司、維珍銀河公司（Virgin Galactic）等這樣朝氣蓬勃的公司，培育著航天運輸領域的技術突破。這些公司不僅可以提供大公司同樣性能的火箭（如“獵鷹”系列火箭）和飛船（如“龍”飛船），而其運輸費用明顯降低50%以上。其中，太空探索技術公司和藍色起源公司正在進行試驗的火箭回收技術、內華達山脈公司的升力體航天飛機技術和比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗艙”技術等，都給人們留下了深刻的印象。

與“國際空間站”對接的“追夢者”小型太空飛機示意圖

另一方面，NASA的商業航天政策使得NASA過去開發的產品獲得了新的應用，長期積累的技術也能轉化成工程系統。例如，太空探索技術公司的“獵鷹”火箭使用的“灰背隼”（Merlin）火箭發動機，就源于NASA在20世紀60年代開發的登月軌道艙的煤油/液氧燃料火箭發動機，經過該公司多次改進，最新版的“灰背隼”發動機已達到了很高的工作效率。比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗艙”技術，也曾是NASA試驗了多年的技術。內華達山脈公司的“追夢者”小型太空飛機采用的構型，就是NASA在多年積累的升力體技術上研發出的HL-20升力體構型。假若沒有NASA的商業航天政策，這些成果仍將束之高閣。

不僅如此，由于一大批富有創新活力的商業航天公司的出現，也給NASA的舊體制以很大沖擊。在競爭的壓力下，在激勵員工創新和改進科普宣傳方面也出現了新氣象。NASA與二十世紀福克斯電影公司合作拍攝的“火星救援”，于2015年10月在全球首映，為爭取民眾支持NASA實現未來的“火星之旅”起到了很好的宣傳作用。

4　結束語

NASA的商業航天政策雖取得了驚人的成效，但也并非一帆風順。2014年10月，“安塔瑞斯”火箭在發射“天鵝座”飛船時爆炸，使得這項計劃暫停。直到2015年12月，“天鵝座”飛船改用宇宙神-5（Atlas-5）火箭發射，才再次成功完成空間站的運貨任務。2015年6月，太空探索技術公司的獵鷹-9火箭在發射“龍”飛船時也發生爆炸。但這些事故并未阻擋美國商業航天前進的步伐，但同時它也提供了深刻的教訓：商業航天發展中既要重視創新，又要重視安全性。由此可見，美國采用政府與市場雙輪驅動太空探索的政策，積累了一些發展商業航天的經驗教訓，必將對世界航天，包括中國航天的發展，產生深遠的影響。

黃志澄/文

Commercial Space is New Drive for U.S. Space Exploration