太空經(jīng)濟(jì)之路充滿荊棘

在上個(gè)世紀(jì)，火箭的出現(xiàn)定義了太空時(shí)代的來臨。在新的世紀(jì)，商業(yè)太空飛行將取代政府行為而成為航天主要內(nèi)容，火箭將繼續(xù)塑造這個(gè)轉(zhuǎn)型的過程。隨著美國私營航天企業(yè)和太空旅游、太空旅館等的興起，太空經(jīng)濟(jì)成為人們熱烈討論的話題。然而話題雖熱，真正的太空經(jīng)濟(jì)卻一直沒有熱起來。這其中的原因是什么呢？

概念與難點(diǎn)

我們這里所說的太空經(jīng)濟(jì)，不同于傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信、遙感、導(dǎo)航、氣象等應(yīng)用，我們把這些活動(dòng)稱為衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。而本文概念上的太空經(jīng)濟(jì)，主要是指在軌道和地外天體上建立長期的人類居住場所，并在其中實(shí)施科研、生產(chǎn)、教育、娛樂等活動(dòng)，以及圍繞這些工作而展開的天地人員、貨物運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)。

人們?yōu)樘战?jīng)濟(jì)設(shè)想了不少美好的前景，包括穿梭不停的飛船、源源不絕的太空訪客、豐富的科研成果和高價(jià)值的產(chǎn)品。然而從私營航天企業(yè)當(dāng)前的情況看，這種前景還遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)。其中的困難在哪里呢？

在飛向太空的旅程中，最初的100千米高度是最為艱難的。如何克服這一段距離中的困難，將決定私營航天業(yè)是不是能在沒有大量國有資金資助的前提下獲得利潤。如果發(fā)射費(fèi)用降低，那么“新太空經(jīng)濟(jì)”就可以成長起來。而如果太空市場成長起來，發(fā)射服務(wù)的價(jià)格會(huì)因?yàn)橐?guī)模經(jīng)濟(jì)的效應(yīng)而進(jìn)一步降低。

為了解決這個(gè)問題，美國政府正在強(qiáng)力推動(dòng)真正的太空經(jīng)濟(jì)。其中規(guī)模最大的，就是NASA（美國航宇局）發(fā)起的、前往國際空間站的商業(yè)貨物運(yùn)輸業(yè)務(wù)。目前，該計(jì)劃支持的“龍”飛船已經(jīng)兩度前往國際空間站。這表明私營企業(yè)在宇航飛行上取得了顯著進(jìn)展，下一步就將是載人航天飛行了。

另外，私營航天界為了在太空市場中賺到錢，想出了各種五花八門的新主意，很多新興市場開始啟動(dòng)。而且除了已經(jīng)具備航天偵察能力的大國，其他各國軍隊(duì)也在嘗試著利用太空的“高地”效應(yīng)來執(zhí)行一些任務(wù)。

眼下，太空探索技術(shù)公司已經(jīng)設(shè)法解決了往返國際空間站的技術(shù)問題。軌道科學(xué)公司已經(jīng)解決了發(fā)射問題，正在設(shè)法突破返回技術(shù)。另外，藍(lán)色起源公司、波音公司、Sierra Nevada也在和NASA合作，把商業(yè)運(yùn)輸能力擴(kuò)展為載人運(yùn)輸能力。

但是，NASA承擔(dān)了上述企業(yè)研發(fā)費(fèi)用的80%—90%。NASA表示，通過使用太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”-9火箭，已經(jīng)節(jié)省了10億美元。太空探索技術(shù)公司正在執(zhí)行12次、價(jià)值16億美元的“龍”飛船貨運(yùn)往返空間站合同。格斯特梅恩的任務(wù)委員會(huì)還支付了11億美元，以幫助波音、內(nèi)華達(dá)管道公司和太空探索技術(shù)公司等企業(yè)研制商業(yè)載人飛船。但是這些資助依賴于美國國會(huì)批準(zhǔn)的資金數(shù)量。亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·比索斯創(chuàng)建的藍(lán)色起源公司就已經(jīng)無法再從NASA獲得資助。

如果沒有NASA購買前往空間站的貨物和人員運(yùn)輸需求，就沒有市場。即使有NASA這個(gè)大客戶存在，市場增長的程度也沒有達(dá)到多數(shù)傳統(tǒng)董事會(huì)所期望的快速投資回報(bào)率。

這種類型的政府支付，意味著航天器的主要客戶還是政府，而不是NASA努力描繪的、真正的商業(yè)市場。其中的問題還在于發(fā)射。

火箭與波音737

要想建立和維持太空經(jīng)濟(jì)，必須用火箭把航天器發(fā)射入軌。什么樣的火箭才合用呢？對此，NASA的一位前航天飛行項(xiàng)目經(jīng)理維尼·黑爾給出了一個(gè)類比對象：波音737客機(jī)。

波音737是大家極為熟悉的客機(jī)，也是國內(nèi)航線最常見到的機(jī)型，占了全世界中短途客運(yùn)機(jī)型的大部分。航天飛機(jī)的大小和737差不多。737的結(jié)構(gòu)重量占起飛重量的大約40%，燃料占30%，乘客和他們的行李占30%。

而航天飛機(jī)的發(fā)射重量中，燃料占了85%，結(jié)構(gòu)占了14%，有效載荷只占1.5%。多數(shù)航天發(fā)射工具的起飛重量比例都是如此。航天運(yùn)輸為什么不能像航空運(yùn)輸那樣普及，可見一斑了。

為什么航空和航天的運(yùn)載器有這么大的差異？其實(shí)利用高中物理知識就可以計(jì)算出來。要讓一個(gè)質(zhì)量為1千克的物體達(dá)到第一宇宙速度，所需要的動(dòng)能1.2兆焦耳。而波音737的飛行速度一般是800千米/小時(shí)，要讓1千克的物體從0加速到800千米/小時(shí)，只需要不到5萬焦耳的動(dòng)能。這里還沒有考慮空氣阻力等問題。

這還不算完。物體達(dá)到第一宇宙速度所消耗的能量，會(huì)在重返大氣層的過程中釋放出來。這部分能量之大，絕不是737的降落過程所能相提并論的。黑爾在哥倫比亞號事故10周年的一次論壇上說，哥倫比亞號的事故證明，如果航天器不能有效防護(hù)，這部分動(dòng)能會(huì)對機(jī)身和乘員造成毀滅性的傷害。

降低發(fā)射費(fèi)用

至于如何降低航天發(fā)射的費(fèi)用，美國航空和宇航聯(lián)合會(huì)專門組織有一個(gè)年度大會(huì)，叫做“宇宙再發(fā)明”，到2013年已經(jīng)是第十屆。本屆會(huì)議的主題是如何在維持任務(wù)高水平的情況下有效降低費(fèi)用。降低費(fèi)用的核心，是找到一種能大幅度降低發(fā)射費(fèi)用的途徑，尤其是降低小衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。目前的航天發(fā)射費(fèi)用大約是每千克20000美元。因此，如果一枚火箭的費(fèi)用高達(dá)3000萬美元，人們很難下決心研制一顆價(jià)值只有幾百萬美元的衛(wèi)星。

專用發(fā)射之外的選擇

要想減少發(fā)射費(fèi)用和耗時(shí)，最簡單有效的辦法就是不發(fā)射。有很多實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)是不需要航天飛行的。

氣球可以提供數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天的高空飛行，價(jià)錢也很便宜。如果一定要進(jìn)行微重力試驗(yàn)，可以用微重力塔或者微重力隧道實(shí)施。這兩種手段可以提供5秒～10秒的微重力試驗(yàn)時(shí)間。美國NASA的格林研究中心和德國應(yīng)用空間技術(shù)與微重力中心都有這樣的設(shè)施。人們立刻就可以得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且每天可以進(jìn)行兩次試驗(yàn)。

如果需要持續(xù)20秒～25秒的微重力試驗(yàn)（要模擬月球或者火星重力環(huán)境的話，還需要更久），可以采用飛機(jī)拋物線飛行的方式。一架試驗(yàn)飛機(jī)每天可以進(jìn)行40次拋物線飛行。更重要的是，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)者可以一起飛行，觀察試驗(yàn)過程，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和糾正。現(xiàn)在。美國已經(jīng)有商業(yè)公司提供這種服務(wù)。

如果還需要更長時(shí)間的微重力環(huán)境，就需要亞軌道飛行的探空火箭了。這種工具可以飛行到1200千米高度，最多可以提供12分鐘的良好微重力環(huán)境。這也意味著有效載荷可以飛到低地球軌道的高度，進(jìn)入真空帶，還能全景式地觀察地球和太空，和LEO衛(wèi)星幾乎一樣。當(dāng)然，探空火箭的軌道速度不如衛(wèi)星，價(jià)錢也比飛機(jī)貴多了。

如果必須進(jìn)行LEO軌道飛行，那么對于小型載荷來說，最好的方式就是搭載發(fā)射。阿里安5火箭上裝備有一種稱為“阿里安附屬載荷機(jī)構(gòu)”（ASAP），它是一個(gè)環(huán)形體，最多可以搭載6顆小衛(wèi)星，每顆小衛(wèi)星不超過100千克。ASAP已經(jīng)服役多年，運(yùn)送了無數(shù)低價(jià)小衛(wèi)星進(jìn)入太空。最近，美國人也開始有樣學(xué)樣，在EELV火箭的第二級上安裝了“EELV火箭附屬載荷適配器”（ESPA），裝備在“宇宙神”和“德爾它”火箭上。其他火箭也可以提供搭載發(fā)射服務(wù)，但是不同的有效載荷之間要充分協(xié)調(diào)，解決好如何擺放和各自去往哪里的問題。

綜上所述，有很多方法可以代替專門購買一枚火箭的發(fā)射。這些方法都能降低任務(wù)的費(fèi)用、縮短周期，但它們各有優(yōu)劣，需要根據(jù)任務(wù)實(shí)際進(jìn)行取舍。

即使對于較為大型的衛(wèi)星，也有很多方法來降低發(fā)射費(fèi)用和縮短周期。例如，部分器件可以用上述方法進(jìn)行先期試驗(yàn)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和工藝缺陷，提前解決。避免研制后期甚至入軌之后才出現(xiàn)故障，那時(shí)候再實(shí)施改進(jìn)，就要付出昂貴的代價(jià)了。

適應(yīng)多種運(yùn)載器

或許，要想降低費(fèi)用和縮短周期，最好的手段就是把有效載荷設(shè)計(jì)成可以適應(yīng)多種航天運(yùn)載器的形式。至少，這種方式可以防止超支。一般來說，發(fā)射服務(wù)的價(jià)格是在買家和賣家之間討價(jià)還價(jià)后才確定的。購買的發(fā)射次數(shù)越多，議價(jià)的空間就越大。把衛(wèi)星設(shè)計(jì)成為適應(yīng)多種火箭，這在技術(shù)上的難度并不大，價(jià)錢也不高。因?yàn)楦鞣N火箭為有效載荷提供的環(huán)境都差不多。不過少數(shù)火箭有點(diǎn)特殊，例如美國的“米諾陶”火箭和俄羅斯的“衛(wèi)星”號火箭，它們都是用退役洲際導(dǎo)彈改造而來的，并不考慮衛(wèi)星這種類型的載荷。譬如“米諾陶”的軸向加速度可以達(dá)到13g，一般運(yùn)載火箭是不需要這么大加速度的。

同樣地，多運(yùn)載器適應(yīng)性設(shè)計(jì)也能有效地保證進(jìn)度。雖然一般火箭都能達(dá)到90%以上的可靠性，但萬一某型火箭發(fā)射失敗，它的后續(xù)發(fā)射就要嚴(yán)重耽擱。如果某顆衛(wèi)星正好排在失敗發(fā)射的后面，可能就要在地面上等很久，一直等到事故原因查明、缺陷排除才能再上發(fā)射架。如果遇上某些衛(wèi)星擁有更高的優(yōu)先級——譬如應(yīng)急發(fā)射的軍用衛(wèi)星，就要耽擱更久。所以，幾乎所有的星座發(fā)射任務(wù)都要考慮采用多種運(yùn)載火箭，不在一棵樹上吊死。舉例來說，如果某個(gè)星座需要發(fā)射50顆衛(wèi)星，運(yùn)營商可能會(huì)委托A發(fā)射商發(fā)射15顆，B發(fā)射商發(fā)射15顆，另外20顆的合同給誰，取決于A和B各自的表現(xiàn)?？紤]到人們往往用一箭多星的方式來發(fā)射星座，這種多運(yùn)載器發(fā)射的方法也是有好有壞。銥星系統(tǒng)沒有遭遇發(fā)射失敗就部署成功了整個(gè)星座。而全球星在1998年因?yàn)樘祉?2火箭的發(fā)射失敗，一次就損失了12顆衛(wèi)星。

研制小型專用運(yùn)載火箭

研制一種低價(jià)、小型、快速響應(yīng)的運(yùn)載火箭，也是降低費(fèi)用和縮短周期的重要方式。其中的關(guān)鍵技術(shù)，一方面是研制出能業(yè)務(wù)運(yùn)行的小型衛(wèi)星，另一方面是擁有大系統(tǒng)的快速測試技術(shù)和工藝流程。還要能不斷采用新技術(shù)，這對正處在迅速發(fā)展中的小衛(wèi)星來說尤其重要?？傮w上說，開發(fā)一種新型火箭是昂貴而高風(fēng)險(xiǎn)的事業(yè)。但最近提出的不少小型運(yùn)載火箭概念中，很多研發(fā)投入是一次性的，用一兩次發(fā)射就可以收回投資。即使只需要發(fā)射一個(gè)小型星座，研制小型火箭也很值得。目前小型火箭的研發(fā)相當(dāng)活躍，不少企業(yè)和組織都投身于此。競爭的活躍也會(huì)促使價(jià)格下降。

建立按需發(fā)射能力

建立一批有能力提供按需發(fā)射服務(wù)的運(yùn)載器，可以有效降低費(fèi)用和縮短周期。如果讓火箭等衛(wèi)星，而不是衛(wèi)星等火箭，還能提高對衛(wèi)星的利用率。今天，衛(wèi)星等火箭的情況并不罕見，衛(wèi)星在倉庫里等待一兩年甚至更長時(shí)間的情況，在各個(gè)航天國家都有發(fā)生。這種等待不但導(dǎo)致衛(wèi)星的投資陷入閑置，對于某些貸款制造的衛(wèi)星來說，還會(huì)帶來沉重的利息負(fù)擔(dān)。至于倉儲費(fèi)用也不能忽略。如果沒有按需發(fā)射能力，在自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)、在需要應(yīng)對太空垃圾時(shí)，人們也會(huì)束手無策。

需要指出的是，前蘇聯(lián)在長達(dá)30多年的航天活動(dòng)中，一直具備按需發(fā)射能力。在長達(dá)73天的馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭中，蘇聯(lián)先后發(fā)射了29個(gè)航天器，其中多數(shù)是直接用于偵察監(jiān)視這場戰(zhàn)爭的。如果具備按需發(fā)射能力，一國的軍隊(duì)可以在有需要的時(shí)候才發(fā)射衛(wèi)星，而不是花費(fèi)高昂代價(jià)，隨時(shí)保持對全球的偵察監(jiān)視能力。

如果擁有一種要價(jià)500萬美元的小型火箭，那么即使先把火箭造出來等待衛(wèi)星完工，其中的利息開銷也是可以承受的。如果貸款年息為10%，那么讓火箭等待半年，也只會(huì)增加5%的發(fā)射費(fèi)用。相比當(dāng)前的航天任務(wù)總體費(fèi)用來說，這已經(jīng)很節(jié)省了。

艱難謀求出路

NASA負(fù)責(zé)載人航天和太空運(yùn)行的副局長格斯特梅恩曾謹(jǐn)慎地表示，不能保證很快就有航天市場大發(fā)展，初期只可能是低速、小步的發(fā)展。不過，雖然太空探索技術(shù)公司和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司這樣的發(fā)射公司不一定會(huì)迎來業(yè)務(wù)大增長，但政府業(yè)務(wù)的比例將逐步降低，更多的客戶將逐步出現(xiàn)，譬如在空間站里搭載試驗(yàn)設(shè)備的用戶，以及太空旅游者。

格斯特梅恩說，當(dāng)國際空間站在2028年退役后，微重力試驗(yàn)可能就要在商業(yè)空間站上開展了。NASA已經(jīng)和比格羅宇航公司簽署協(xié)議，在國際空間站上為后者安裝一個(gè)小型充氣式太空艙，以支持比格羅公司關(guān)于獨(dú)立充氣式軌道設(shè)施的研制。

太空探索技術(shù)公司也在考慮把龍飛船改造成商業(yè)化的“龍”實(shí)驗(yàn)室，其他一些商業(yè)航天企業(yè)同樣有這種計(jì)劃。格斯特梅恩說，NASA打算用國際空間站驗(yàn)證這種商業(yè)化的空間實(shí)驗(yàn)室是否存在市場。

目前，至少有兩家美國企業(yè)打算用可重復(fù)使用飛行器載乘客進(jìn)行亞軌道飛行，時(shí)間在2014或2015年。這些活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)可能有利于發(fā)展真正的可重復(fù)使用航天飛行器。

美國XCOR公司是其中一家，創(chuàng)辦者兼老板杰夫。格利遜說，主要的問題是如何保證高頻率飛行，并且降低維護(hù)工時(shí)，這樣才能保證經(jīng)濟(jì)效益。

如果有兩架飛行器投入運(yùn)行，每架每年發(fā)射50～100次，就需要找到數(shù)百件發(fā)射合同。這些合同可以是衛(wèi)星、用來組合大型空間平臺的零件，也可以是送給其他空間站的補(bǔ)給品或者桶裝燃料，當(dāng)然也可以是人。

格利遜對燃料補(bǔ)給生意很抱希望，他說，燃料罐一般沒有壽命問題，而且燃料的用戶不會(huì)關(guān)心這些東西是以什么形態(tài)送來的，是3個(gè)大罐子、30個(gè)中罐子還是300個(gè)小罐子。而且可以根據(jù)發(fā)射市場的價(jià)格變化，選擇一個(gè)價(jià)格低谷時(shí)段來發(fā)射。

NASA前局長格里芬在2011年的論文中給出了詳細(xì)的計(jì)算過程，一個(gè)政府支持、商業(yè)補(bǔ)給的月球基地將是私營貨運(yùn)市場的可靠誘因，如果保持6人的月球站，每年需要運(yùn)送15噸貨物，這項(xiàng)生意的回報(bào)率將超過27%。只要美國政府決心修建月球基地，還需要先期的貨物運(yùn)輸，其回報(bào)率超過ISS和其他目的地。格斯特梅恩還表示，要在第二拉格朗日點(diǎn)修建一個(gè)空間站，作為進(jìn)一步深空探測的中轉(zhuǎn)站。這空間站也將由商業(yè)企業(yè)負(fù)責(zé)補(bǔ)給，這進(jìn)一步激勵(lì)了業(yè)界。而相比之下，格里芬認(rèn)為ISS補(bǔ)給任務(wù)的回報(bào)率只有13%。

總而言之，航天活動(dòng)尤其是航天發(fā)射的高成本，以及載人航天活動(dòng)尚未進(jìn)入應(yīng)用期，導(dǎo)致了太空經(jīng)濟(jì)活動(dòng)一直沒能發(fā)展起來。但各界對太空經(jīng)濟(jì)的前景都保持著樂觀的態(tài)度，在太空中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、高等級材料制備、生物制品的生產(chǎn)……部是有發(fā)展前途的。而其中的核心問題，就是如何能把進(jìn)入太空的成本降低下來，如何能在軌道上提供一個(gè)功能強(qiáng)大的空間站平臺。在地面上，只要有交通設(shè)施和定位恰當(dāng)?shù)拈_發(fā)區(qū)，產(chǎn)業(yè)就能蓬勃發(fā)展起來。這樣的道理，或許也適用于太空吧。