美國開啟載人航天商業(yè)時代

□ 黃志澄

美國航宇局（NASA）于當?shù)貢r間2014年9月16日發(fā)布消息稱，該局已經(jīng)和波音和SpaceX兩家公司簽署了“商業(yè)載人運輸能力合同。簽署的合同共計價值68億美元，兩家公司分別獲得42億美元和26億美元。美航宇局的這一決定，為開創(chuàng)載人航天的商業(yè)時代，走出了關(guān)鍵的一步。

美航宇局稱，在載人飛行前，兩家公司的飛行器必須通過安全測試。在通過飛行認證后，每家公司自2017年起，將承擔2次～6次飛往國際空間站的載人運輸任務(wù)。

波音公司稱，合同意味著其將在佛羅里達的肯尼迪航天中心，建造3艘“商用載人運載系統(tǒng)（CST-100）”載人飛船。SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克在一份聲明中表示，對于“龍”2飛船入選，他感到“深深的榮幸?！?/p>

美國在航天飛機2011年退役后，完全依靠俄羅斯的“聯(lián)盟”飛船,將航天員送上國際空間站。這確實是美國載人航天計劃中的一大失誤，從而迫使美國采取“兩條腿走路”來進行補救。由航宇局主導并由洛馬公司研制的“獵戶座”載人飛船，乘員艙直徑約5米，總質(zhì)量約25噸，是“阿波羅”飛船可使用空間的2.5倍，可搭乘4名機組人員，用以實現(xiàn)地球與火星或小行星之間的載人飛行計劃。它也具有向國際空間站運送6名航天員的能力。雖然“獵戶座”飛船，在今年要進行首次飛行試驗，但由于它的任務(wù)眾多，技術(shù)復雜，估計要到2021年才能實現(xiàn)首次載人飛行。這種嚴峻的形勢“倒逼”美航宇局，只能大力鼓勵私企進入載人航天領(lǐng)域，加快載人航天商業(yè)化的步伐。該局今后向國際空間站運送人員和貨物的任務(wù)，將主要由商業(yè)航天公司來承擔。

面向火星任務(wù)的“獵戶座”飛船和SLS運載火箭

載人航天進入商業(yè)時代

商業(yè)化是人類航天事業(yè)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，它也必將成為航天事業(yè)空前繁榮和發(fā)展的新動力。從1961年蘇聯(lián)航天員加加林實現(xiàn)首次載人航天飛行以來，世界載人航天經(jīng)過50多年，取得了舉世公認的輝煌成就，但它始終停留在國家行為上。為了使載人航天能夠充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益，必須使載人航天逐步商業(yè)化。由于在地球低軌道的載人航天技術(shù)已經(jīng)成熟，因此載人航天的商業(yè)化，必然從向地球低軌道運輸貨物和載人往返開始。

CST-100-載人飛船

CST-100的內(nèi)艙布置

美國總統(tǒng)奧巴馬在2010年4月的講話和同年10月美國公布的《國家航天政策》中，明確了未來將由商業(yè)部門提供美國近地軌道載人和貨物運輸服務(wù)。這是美國載人航天有史以來最大的一次轉(zhuǎn)型。由此，私營公司將成為研發(fā)制造航天運輸系統(tǒng)的主力，NASA則扮演“甲方”的角色。因為私營航天公司管理機制靈活、高效，所以私企研制航天運輸系統(tǒng)周期短，成本也較低。實際上，NASA早在2006年就啟動了“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”（COTS）項目，它旨在為國際空間站發(fā)展商業(yè)補給服務(wù)。經(jīng)過招標，NASA最終選擇了兩家創(chuàng)新能力強的私企，即太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和軌道科學公司，運送貨物到國際空間站。目前，這兩家公司的飛船已經(jīng)多次成功地向國際空間站運送了貨物。

2010年年初，NASA又啟動了“商業(yè)載人開發(fā)” (CCDev)計劃,以鼓勵私營公司研發(fā)可靠、高性價比的商業(yè)載人航天運輸系統(tǒng)，接替航天飛機執(zhí)行向國際空間站運輸貨物與人員的任務(wù)。NASA采用與COTS計劃相似的方式，來執(zhí)行CCDev計劃。CCDev與COTS項目的重要區(qū)別，在于前者允許有經(jīng)驗的資深公司和現(xiàn)有為CCDev計劃研發(fā)的火箭，都可以參與其中。COTS項目則聚焦于市場中的小型公司和新生力量。

2010年 2月 1日，NASA宣布了“第一輪商業(yè)載人開發(fā)項目”（CCDev1），以幫助有關(guān)公司進行早期設(shè)計和開發(fā)工作，突破關(guān)鍵技術(shù)，以研制出可替代美國航天飛機的天地往返運輸系統(tǒng)。NASA向五家公司共注入5000萬美元的啟動資金。

在展覽會上的CST-100-模型

2011年 4月 18日，NASA宣布了“第二輪商業(yè)載人開發(fā)項目”（CCDev2），波音公司因其CTS-100飛船獲得了9230萬美元；內(nèi)華達山脈公司（SNC），因其“追夢者”航天飛機獲得8000萬美元；來自加州的SpaceX公司,因其“龍”飛船而獲得了7500美元；來自華盛頓州的藍源（Blue Origin）公司，因其垂直起降方案獲得2200萬美元。對此，美航宇局局長博爾登表示：“NASA計劃利用美國企業(yè)的創(chuàng)造性到達近地軌道（LEO），從而使NASA可以將資源集中用于深空探測。從這個角度看，這些合同無疑是重要的里程碑?！焙髞?，其中前三家公司進入了第三階段，即“商業(yè)載人飛行能力整合”（CCiCap）階段。

自2011年美國航天飛機退役后，美國航天員一直只能搭乘俄羅斯“聯(lián)盟”飛船，往返于地面和國際空間站，通常每年要購買6個座位，現(xiàn)在每個座位漲到了7000萬美元，隨著美國和俄羅斯在烏克蘭問題上的分歧不斷深化，NASA可能面臨俄羅斯因報復而中斷合同的風險，同時也越來越擔心使用“聯(lián)盟”飛船運送美國航天員的安全性。因此，查爾斯·博爾登在9月16日的發(fā)布會上說：“今天的發(fā)布，開啟了美國航宇局和載人航天史上最雄心勃勃和令人興奮的新篇章?！薄皬囊婚_始,奧巴馬總統(tǒng)就已經(jīng)說得很清楚，這個地球上最偉大的國家不應(yīng)該依賴于其他任何國家進入太空……今天我們離從美國本土用美國航天器運載我們的航天員，更近了一步，我們將在2017年結(jié)束美國單一依賴俄羅斯的狀態(tài)?！?/p>

各家方案的概況

由于美國國會批準的國際空間站的經(jīng)費預(yù)算有限，因此，NASA只能支持兩家甚至只能支持一家進行載人系統(tǒng)的研制。由此，NASA必須作出抉擇，選定一家或兩家繼續(xù)進行研制。在這里，我們簡單介紹一下上述各家公司提出的方案。

美國航空航天巨頭波音公司的方案是發(fā)展“商用載人運輸系統(tǒng)”（CST-100），其飛船名字中的數(shù)字100，代表離地面100千米，說明它專門執(zhí)行從地面到近地軌道的短途運輸任務(wù)?！癈ST-100”飛船高為5米，直徑為4.65米，其構(gòu)形與“阿波羅”和“獵戶座”飛船很相似，并都是采用由乘員艙和服務(wù)艙組成的兩艙方案，而其體積卻處于它們兩者的體積之間，能一次性搭載7名航天員。它在陸上降落，更換防熱系統(tǒng)后可重復使用10次。

“CST-100”飛船的技術(shù)創(chuàng)新主要是艙內(nèi)的環(huán)繞型天藍色LED照明、廣泛應(yīng)用平板電腦技術(shù)、全船無焊接設(shè)計、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)以及升級版的熱控技術(shù)等。波音公司聲稱它采用的一體化設(shè)計方法，降低了飛船整體質(zhì)量，并加快了艙體的制造速度。2013年7月波音公司在地面完成了“CST-100”飛船的飛行狀態(tài)測試。并爭取在2015年進行首次飛行試驗。

“CST-100”飛船設(shè)計以保障航天員完成前往空間站生活和工作為目標，因此，采用了自動駕駛技術(shù)，讓航天員從繁復的飛船操縱中解脫出來。傳統(tǒng)的載人飛船內(nèi)部布滿線路和按鈕，而“CST-100”飛船的內(nèi)部設(shè)計，充分發(fā)揮了波音公司長期設(shè)計商用飛機坐艙的優(yōu)勢，給人以干凈整潔的感覺。此外，飛船還采用了航天員喜愛的大窗戶設(shè)計和采用輕型塑料的舒適坐椅。按照設(shè)計，投入使用的“CST-100”，將由波音與洛馬公司合資的“聯(lián)合發(fā)射同盟（ULA）”開發(fā)的“宇宙神”5火箭送入太空。未來，波音公司還希望CST-100的服務(wù)范圍，能擴大到商業(yè)空間站，比如畢格羅航空航天公司計劃發(fā)射的可充氣空間站等。

“龍”2載人飛船

2014年5月29日，美國SpaceX公司舉行了第二代“龍”2飛船的發(fā)布會。載貨的“龍”飛船高約6.1米，直徑約3.7米。載人的“龍”2飛船的尺寸與此相當，并也用公司自己研制并正在不斷改進的“獵鷹”9火箭來發(fā)射，可搭載7名航天員。

CST-100-飛船和國際空間站

馬斯克在“龍”2飛船的模型中

“龍”2飛船的內(nèi)艙布置

首先，“龍2”飛船在外形上與載貨的第一代飛船有明顯不同。它是一個非軸對稱的較扁平的外形。它采用公司自行研制多年的4組8臺天龍座火箭發(fā)動機，并呈X型分布在艙體兩側(cè)。采用這種外形，明顯提高了再入時的升阻比，讓航天員在再入時更舒服，并減小氣動加熱而便于重復使用。其次，“龍”2飛船采用了像直升飛機那樣的定點降落方式。飛船利用上述天龍座發(fā)動機，可以在低空減速乃至懸停,并伸出4個支架降落在選定的任何地方。為了增加安全性，飛船也有備用的降落傘。特別巧妙的是這些發(fā)動機在上升段，還可以用于應(yīng)急救生。這種設(shè)計突破了載人飛船習慣使用降落傘降落的傳統(tǒng)，使得飛船在降落時更安全更舒適。無疑，這種降落方式，也更適宜在登陸火星時使用。再次，飛船將實現(xiàn)可重復使用。無需更換飛船上的任何部件，包括防熱大底，只需要為其補充燃料，就可再次發(fā)射升空。據(jù)報道，主結(jié)構(gòu)壽命很長，但防熱系統(tǒng)只可使用10次，到時只需局部更換防熱系統(tǒng)即可繼續(xù)使用。因此，飛船具有更好的經(jīng)濟性。根據(jù)估算，“龍”2飛船每次飛行的成本在2000萬美元左右。最后，飛船與國際空間站對接,采用了標準化的同構(gòu)異體自動對接裝置，確保飛船在空間站需要全員撤離時，能夠自動解鎖，不必像第一代“龍”飛船需要留下一名航天員，在空間站內(nèi)操縱機械臂使飛船分離。對接機構(gòu)被安置飛船的頂部錐形整流罩內(nèi),在對接前整流罩將整體開啟。

“龍”2飛船使用了大量先進的制造工藝，操作系統(tǒng)是由4塊可移動的液晶觸控屏組成，操作更簡便。推進系統(tǒng)的燃燒室，是利用金屬激光燒結(jié)技術(shù)用3D打印而成，其總推力達到2.22萬牛頓米，是第一代“龍”飛船的200倍。在太空中，飛船依靠船身上貼的太陽能板來供電。運貨空間位于飛船尾部。如果不搭載航天員，也可轉(zhuǎn)載等量的貨物。

內(nèi)華達山脈公司設(shè)計的“追夢者”航天飛機方案，采用了NASA多年研發(fā)的HL-20升力體構(gòu)形。與美國的航天飛機一樣，“追夢者”也是垂直起飛，水平著陸,但它改成裝在“阿特拉斯5號”運載火箭的頂部來發(fā)射。由于它不需要攜帶大量貨物，因此可載7名航天員的“追夢者”，要比航天飛機輕和小得多。它長9米，直徑為7米，總重為11噸?！白穳粽摺钡慕Y(jié)構(gòu)采用了大量最先進的復合材料。它的在軌動力采用兩臺推力可調(diào)的固體與液體混合的火箭發(fā)動機，推進劑采用端羥基聚丁二烯（HTPB，固體燃料）和一氧化二氮（氧化劑），它們都具有無毒易存儲的特性。2013年10月26日，“追夢者”原型機在美國愛德華茲空軍基地進行飛行測試。一架直升機將它吊至3810米左右的高度釋放，“追夢者”隨即啟用自動控制系統(tǒng)，進行了近1分鐘的飛行，堪稱“完美”。然而在降落地面時，它的左起落架展開時出現(xiàn)異常，結(jié)果“追夢者”滑出了跑道，但“追夢者”的載人艙在事故中并沒有受到損壞。

藍色起源(Blue Origin)公司是由美國亞馬遜網(wǎng)絡(luò)公司的創(chuàng)始人杰夫·貝索斯(Jeff Bezos)創(chuàng)建的航天技術(shù)公司。它首先致力于發(fā)展BE-3液氫火箭發(fā)動機，并將其用于它設(shè)計的垂直起降火箭來發(fā)射“新謝潑德”（New Shephard）載人飛船。BE-3發(fā)動機于2013年12月成功完成了其首次全壽命測試。由于這家公司的進度較慢，它在CCiCap階段就已經(jīng)淘汰出局。2014年9月，這家公司與ULA合作，將開發(fā)一款新的BE-4火箭發(fā)動機，以替代目前“宇宙神”5火箭使用的俄制RD-180發(fā)動機，這就大大增加了波音“CST-100”飛船的競爭力。

SpaceX有驚無險

SuperDraco火箭發(fā)動機

航空航天巨頭波音公司在這次NASA決策前夕，憑著它的雄厚實力和豐富經(jīng)驗，似乎已穩(wěn)操勝券。9月15日，美國多家媒體報道說，據(jù)一位政府官員透露，NASA領(lǐng)導層已經(jīng)得出了初步結(jié)論：波音公司提交的載人飛船方案風險較小，最有可能在3年內(nèi)把美國的航天員送入國際空間站。因此，波音公司可能擊敗規(guī)模較小的兩家競爭對手，獨家拿下NASA運送航天員的訂單。但該官員也警告稱，NASA局長博爾登可能會在最后時刻改變決定。

任何一個國家的航天決策，都不可能是單純的技術(shù)決策，都離不開它的國內(nèi)外的政治環(huán)境。波音公司是在美國國會有很大影響力的軍工復合體的核心成員，一定程度上，NASA對它也惹不起。由于NASA將“獵戶座”飛船的合同，授予了波音公司的老對手洛馬公司，作為補償，NASA就必然要支持波音公司研制“CTS-100”飛船。盡管“CTS-100”飛船的構(gòu)形和“獵戶座”飛船非常相似，而時間進度上又落后于“龍”飛船，但仍毫無意外地勝出。內(nèi)華達山脈公司的“追夢者”航天飛機，在2013年首次飛行試驗在降落時出了事故，進度明顯落后；再加上波音公司在研制成功X-37B后，又提出了載人的X-37C方案作為備胎，NASA也不會再擔心航天飛機技術(shù)從此失傳。最后，這家公司還要依靠ULA的“宇宙神”5運載火箭來發(fā)射，而SpaceX公司的“龍”2載人飛船，卻用由自己研制的“獵鷹9號”重型火箭來發(fā)射。綜合上述因素，“追夢者”航天飛機就被淘汰出局。

追夢者航天飛機?？吭趪H空間站的想象圖

商用的充氣空間站

SpaceX公司在這次競標中卻是有驚無險。說其驚是因為在開標前夕，媒體放風說，SpaceX已命懸一線，最終將取決于博爾登手中的關(guān)鍵一票。因此，在開標前馬斯克自稱一點也沒有底。但最終的結(jié)果還是波音拿大頭，SpaceX拿小頭。這為何會有如此結(jié)果？作者認為有以下幾個原因。首先，假若將SpaceX也淘汰，只剩下波音，那么就和NASA過去的大合同，總是在波音和洛馬兩家公司中選擇毫無區(qū)別。這也基本上違背了奧巴馬鼓勵私營企業(yè)進入載人航天領(lǐng)域的初衷。其次“CTS-100”的運輸費用明顯高于“龍”2，只有保留SpaceX，才能在競爭中逐步降低“CTS-100”的運費。再次，“龍”2畢竟有垂直起降等創(chuàng)新點，應(yīng)予扶植。最后，SpaceX背后，也有加州議員和硅谷精英的支持。展望未來，SpaceX仍然存在風險，特別是業(yè)內(nèi)人士仍有人質(zhì)疑“龍”2載人飛船的安全性。在這里，我們預(yù)祝這家富有創(chuàng)新精神的SpaceX公司，繼續(xù)乘風破浪，克服困難，取得最后的成功！

結(jié)束語

美國載人航天商業(yè)化的浪潮，必將對世界載人航天活動產(chǎn)生深遠的影響。載人航天商業(yè)化帶來的技術(shù)創(chuàng)新和成本降低，也必將給我國載人航天的發(fā)展，提出嚴峻挑戰(zhàn)。我國在載人航天的起步階段，采用政府主導的體制是完全必要和合理的，但隨著載人航天進入建設(shè)空間站的階段，有必要進一步吸收民間資本和讓更多私企參與進來；更關(guān)鍵的是要加快改革步伐，不斷增強我國載人航天持續(xù)發(fā)展和自主創(chuàng)新的活力。