美國國防部高級研究計劃局致力于低成本運載技術研發(fā)

居高不下的航天運載費用是航天發(fā)展的瓶頸，這早就是國際航天界的共識。多年來，美國航天航空局和美軍都為此不斷努力，但收效甚少。近年來，美國的眾多民營航天公司對此大力發(fā)展創(chuàng)新技術，取得了可喜的成績。與此同時，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在國防經費削減的壓力下，仍然致力于研發(fā)新的低成本運載技術。

1 國防部高級研究計劃局關注低成本運載技術

2015年3月26日， 國防部高級研究計劃局發(fā)布了新版《服務于國家安全的突破性技術》（Breakthrough Technologies for National Security）的報告。該報告每兩年發(fā)布一次，主要是總結國防部高級研究計劃局的歷史使命、當前已經和正要開展的重點研究領域，以及近年來將國防部高級研究計劃局所發(fā)展的技術向美軍各軍種兵和其他部門轉移的情況。

國防部高級研究計劃局的《服務于國家安全的突破性技術》報告

在這份報告中，國防部高級研究計劃局認為美國當前仍保持牢固的戰(zhàn)略優(yōu)勢地位。這在很大程度上得益于美國長期以來的技術優(yōu)勢。但美國的地位目前面臨著許多挑戰(zhàn)，包括更強大和更低成本的技術在全球擴散、破壞性的非國家行為體出現、相同等級的對手們持續(xù)威脅等等。報告認為：“數十年來，國防部高級研究計劃局的使命和理念牢固如初，但國防部高級研究計劃局所處的世界已發(fā)生顯著改變。”“這些改變也包括某些卓越的甚至令人驚愕的科學技術進展，如果它們能精明和有目的地利用，將不僅可能確保美國軍事優(yōu)勢和國家安全的持續(xù)，還可能促進社會進步和經濟發(fā)展。與此同時，世界正在經歷某些深刻而令人不安的技術、經濟和地緣政治變化，對美國的地位和穩(wěn)定性帶來了潛在的威脅?！?/p>

正是由于這種由潛在威脅和空前機遇所組成的矛盾統(tǒng)一的趨勢，深刻地影響了國防部高級研究計劃局最近有關未來數年中戰(zhàn)略優(yōu)先事項的判定。該報告提出,“加快速度”是核心的挑戰(zhàn)和機遇，“國防部高級研究計劃局將繼續(xù)推動有關加快速度的戰(zhàn)略措施，其途徑之一是繼續(xù)保持為大膽、允許冒險的高沖擊力技術投資，以確保美國能夠首先發(fā)展和采用由此變得可能的各種新穎能力”。

國防部高級研究計劃局局長阿爾提·普拉巴卡

該報告為國防部高級研究計劃局設定了4項主要的戰(zhàn)略投資領域。一是以新思路構建復雜的軍用系統(tǒng)。為了在當今快速變化的世界圖景中，實現更快地發(fā)展和集成突破性的軍事能力，國防部高級研究計劃局正在開展工作，使武器系統(tǒng)變得更加模塊化和更容易升級改造；保證在空、海、陸、天、網這5個域中的優(yōu)勢；改善不依賴GPS的定位、導航與授時（PNT）能力；增強對恐怖主義的防御能力。二是征服信息爆炸。國防部高級研究計劃局正在發(fā)展一些新穎的途徑，來利用強大的大數據工具，獲得對大規(guī)模數據的洞察力。三是將生物學作為技術利用。四是擴展技術邊界。

在上述報告發(fā)布會上，國防部高級研究計劃局局長阿爾提·普拉巴卡(Arati Prabhakar)表示，國防部高級研究計劃局在太空的適度投資，聚焦于確保美國在太空擁有“強大的能力”，尤其是在航天發(fā)射方面。她說：“我們在太空投資的一個主要焦點是，首先，意識到我們對太空極其依賴，”她說，“現在我們的問題是：我們如何使發(fā)射變得更易操作，我們如何改變入軌后我們在軌可能實施的操作，然后我們如何改變空間態(tài)勢感知?！边@份報告強調國防部高級研究計劃局投資的工作將實現衛(wèi)星的快速，低成本發(fā)射。普拉巴卡爾表示，對于美國國防部而言，減少發(fā)射成本，增加發(fā)射頻率顯得十分必要。

2 用戰(zhàn)機發(fā)射小衛(wèi)星的“空中發(fā)射輔助太空進入”計劃

據國防部高級研究計劃局網站2015年2月5日報道，該局將通過其“空中發(fā)射輔助太空進入”（ALASA）項目，發(fā)展一種低成本的發(fā)射小型衛(wèi)星入軌的運載體系。在美國聯邦航空管理局商用太空運輸18屆年會上，國防部高級研究計劃局戰(zhàn)術技術辦公室主任布拉德?！D斯雷（ Bradford Tousley）介紹了該項目的進展，包括成功完成了第一階段設計、選定波音公司擔任本項目第二階段主合同商。在第二階段中，計劃在2015年末進行1次飛行驗證，在2016年上半年進行1次軌道發(fā)射，2016年夏季繼續(xù)進行多次演示驗證發(fā)射。

“空中發(fā)射輔助太空進入”的目標是在24h內將45.4kg的衛(wèi)星發(fā)射進入低地球軌道，而且每次發(fā)射成本不超過100萬美元。美國衛(wèi)星發(fā)射場數量有限，國防部或其它部門發(fā)射衛(wèi)星都需要在發(fā)射場的年度計劃中提前安排,這已成為發(fā)射太空設施的瓶頸?！翱罩邪l(fā)射輔助太空進入”計劃從常規(guī)飛機上發(fā)射低成本一次性火箭，通過簡化設計和制造，利用空中平臺的靈活性和重復性，以克服現有發(fā)射系統(tǒng)的局限，從而實現在任何位置、任何時間都能及時發(fā)射小衛(wèi)星。在航天發(fā)射市場，小型衛(wèi)星的發(fā)射需求呈現出快速增長的趨勢，如果“空中發(fā)射輔助太空進入”取得成功，它將為政府和商業(yè)公司日益增長的小型衛(wèi)星發(fā)射需求，提供更方便、更便宜的發(fā)射能力。

L－1011飛機發(fā)射“飛馬座”空射火箭

波音公司提出的“空中發(fā)射輔助太空進入”方案

早在2002年，國防部高級研究計劃局就將該項目的“發(fā)射系統(tǒng)設計與概念發(fā)展”合同授予了波音公司、洛馬公司和維珍銀河公司。波音選擇的載機是F－15E，洛馬公司是F－22，維珍銀河是太空船－2。從成熟度和成本等因素來看，F－15E最有優(yōu)勢。何況在1985年9月13日，一架F－15A曾發(fā)射過一枚ASM－135導彈，成功地摧毀了在555km軌道上運行的一顆衛(wèi)星。綜合以上考慮，國防部高級研究計劃局當然會選擇波音公司。

實際上，將飛機作為衛(wèi)星發(fā)射平臺，并不是國防部高級研究計劃局最近才提出的的創(chuàng)新技術。它于20世紀90年代就實施過一項空中發(fā)射計劃，那就是軌道科學公司的“飛馬座”火箭。發(fā)射標準型“飛馬座”火箭的載機為改裝的B－52轟炸機，運載火箭吊掛在機翼下，其近地軌道運載能力375kg，1998年后該載機停止使用。發(fā)射加長型飛馬座－XL的載機為改裝的L－1011飛機，火箭吊掛在載機腹部，其近地軌道運載能力443kg。發(fā)射時，火箭由載機攜帶至預定地點上空投放，自由下落5s后點火，投放時的飛機高度約11900m，飛行速度為0.8Ma?！帮w馬座”火箭已成功發(fā)射過幾十次，其成本比在地面發(fā)射衛(wèi)星的費用約5000萬美元要低50%左右，但仍離“空中發(fā)射輔助太空進入”的目標成本有較大距離。

據悉，波音公司設計的“空中發(fā)射輔助太空進入”火箭長約7.3m，掛在F－15E的腹部，其發(fā)射過程與上述“飛馬座”火箭類似，并根據小型載荷的要求進行了專門設計。為了降低成本，火箭將采用商業(yè)航電和先進復合材料結構。如果成功，相比于傳統(tǒng)使用兩種液體（如液氫和液氧），系統(tǒng)將更簡化，并將降低制造和運行成本?！翱罩邪l(fā)射輔助太空進入”還要求利用現有衛(wèi)星發(fā)展監(jiān)控火箭飛行的太空遙測技術，以取代地面遙測系統(tǒng)。它還要求具有自動飛行終止系統(tǒng)，該系統(tǒng)能監(jiān)測飛行時的實時條件，并在必要時終止飛行。

作為一種低成本、快速響應的發(fā)射技術，“空中發(fā)射輔助太空進入”一旦成功，將為小衛(wèi)星的廣泛使用鋪平道路。屆時，小衛(wèi)星有望像現在的無人機那樣，成為廣泛運用的戰(zhàn)術系統(tǒng)，大量用于戰(zhàn)場偵察、通信等領域。特別是當今“反衛(wèi)星”技術已不再神秘，在真實戰(zhàn)場環(huán)境中，急需快速發(fā)射小衛(wèi)星，對損失的衛(wèi)星進行補缺?！翱罩邪l(fā)射輔助太空進入”項目需要的火箭的載荷，也可將衛(wèi)星改為一種攔截器，那么它就能成為一種快速響應的低成本反衛(wèi)星武器。由此可見，“空中發(fā)射輔助太空進入”項目的資金很少，比起美軍高達十億美元以上的大型衛(wèi)星項目來說，只是一個小小的項目，但“四兩撥千金”，對其承載的意義和價值，我們不能低估。

3 重復使用的試驗型太空飛機－1計劃

2013年11月， 國防部高級研究計劃局發(fā)布了試驗型太空飛機－1項目方案征詢公告。這種太空飛機將在2018年進行首次飛行，最終能夠在10天內進行10次飛行，能以低于500萬美元的價格將有效載荷送入近地軌道。2014年4月，國防部高級研究計劃局已經向3個競標團隊授出了試驗型太空飛機－1項目第一階段的主合同，以啟動太空飛機的方案研究。這3個團隊包括波音公司[與藍色起源(Blue Origin)公司合作]、Masten太空系統(tǒng)公司（與XCOR航宇公司合作）和諾格公司（與維珍銀河公司合作）。這3個團隊都有民營航天公司參與。

諾格公司提出的試驗型太空飛機－1方案

國防部高級研究計劃局在2015財年為該項目申請了2700萬美元的經費，該項目2014財年獲批經費為1000萬美元。國防部高級研究計劃局已為該項目可能的第二階段工作制定了1.4億美元預算，第二階段將集中進行最終設計和集成。

國防部高級研究計劃局在上述征詢中稱：“在預算緊縮和對美國航空航天資產威脅激增的年代，快速響應且經濟可承受的進出太空，就顯得越來越重要”?！皬脑囼炐吞诊w機－1項目中衍生出的技術，能夠使常規(guī)航天運載器實現和航空器一樣的成本、可操作性能和可靠性。試驗型太空飛機－1技術的長期目標不僅支持政府和商業(yè)用戶的下一代航天發(fā)射，而且將支持能快速全球到達的高超聲速飛行器和進入太空的飛行器?！?/p>

波音公司提出的試驗型太空飛機－1方案

試驗型太空飛機－1計劃與美國已經試驗的使用超燃發(fā)動機的X－51A無關，它不是一種試驗性的空天飛機，而是一種可重復使用的運載火箭第一級，可以采用有翼或無翼構型，包括有人駕駛、選擇性有人駕駛和無人駕駛等多種方案，能夠攜帶一次性使用的上面級，將重達1800kg的有效載荷送入近地軌道，這意味著其成本比空軍使用的人牛怪－4火箭要低10倍。其飛行速度可達到10Ma，將降低一次性使用上面級的尺寸和成本。從諾格公司公布的方案來看，設計工作將重點圍繞可行性和經濟可承受性來開展，確保項目的核心目標像飛機一樣作戰(zhàn)和運營的實現。其關鍵技術包括：使用機動式起豎發(fā)射裝置，以最小化基礎設施和地面人員規(guī)模；充分吸收發(fā)展無人機的經驗，實現高度自主的飛行操縱；像飛機一樣在標準跑道上水平著陸并回收。

美國發(fā)展重復使用航天運載器的道路充滿坎坷，降低航天運輸費用是航天事業(yè)幾代人的夢想，因為只有有了便捷的運輸工具，才能使太空經濟產生效益，而重復使用就是降低成本的關鍵一步。然而，美國航天飛機的重復使用的軌道器卻成本昂貴，使人望而卻步。由于迫于降低空間站的運行補給費用的壓力，美國航空航天局先后探索了水平起降的“國家空天飛機”、垂直起飛水平降落的X－33/“冒險星”，垂直起飛垂直降落的DC－X等，但這些項目無一修成正果。隨著美國航空航天局的主要任務轉向探索月球、小行星和火星， 美國航空航天局也慢慢失去了發(fā)展重復使用航天運載器的興趣。

擔負繁重的軍用衛(wèi)星發(fā)射任務的美國空軍，不得不繼續(xù)關注重復使用航天運載器，但其命運仍然不佳。最初，美國空軍提出了“混合運載器”概念，并于2006年分別授予諾格公司、洛馬公司、安德魯斯航天公司等有關“戰(zhàn)神”火箭的研究合同，但2007財年國防授權法案終止了“戰(zhàn)神”計劃。2010年美國空軍不變初衷，重新明確規(guī)劃了“可重復使用助推器系統(tǒng)”技術演示驗證的系列計劃。作為部分可重復使用運載器的核心技術，“可重復使用助推器系統(tǒng)”與“混合運載器”一脈相通，并計劃第一個用于演示驗證“可重復使用助推器系統(tǒng)”的“探路者”，將于2013年進行試驗?！翱芍貜褪褂弥破飨到y(tǒng)”系列計劃所設定的目標為發(fā)射成本減半，其前提是年發(fā)射頻度不低于8次?！翱芍貜褪褂弥破飨到y(tǒng)”構型包括可重復使用的第一級和一次性的上面級，計劃開發(fā)兩種“可重復使用助推器系統(tǒng)”型號：一種是配備一個可重復使用的第一級和低溫上面級，用于中型發(fā)射任務；另外一種是配備兩臺可重復使用助推器，低溫核心級和上面級，用于重型發(fā)射任務。2011年，美國空軍再次授予上述3家公司合同，但這個計劃也是好景不長，2012年10月，“探路者”因空軍預算削減，這個項目也決定下馬。

X－33/“冒險星”示意圖

不難發(fā)現，國防部高級研究計劃局的試驗型太空飛機－1項目與“探路者”項目密切相關。試驗型太空飛機－1的項目經理杰斯·斯波納布（Jess Sponable）在2012年12月加入國防部高級研究計劃局之前，曾是美國空軍研究實驗室（AFRL）的“探路者”項目的總工程師。在目前空軍預算不斷削減的情況下，將發(fā)展重復使用航天運載器的任務，轉到有一定資金而管理靈活的國防部高級研究計劃局，不失為明智之舉。美國重復使用航天運載器在國防部高級研究計劃局的管理下能否走出一條新路，堅持到底，我們將拭目以待。

已被終止的戰(zhàn)神－1（左）、5火箭

4 結束語

眾所周知，降低航天運載費用既包括航天運載器研制和生產費用，還包括在總費用中占有很大比重的發(fā)射和測控的費用。國防部高級研究計劃局目前正在執(zhí)行的兩個計劃，不僅可以降低前者，還可以大幅度降低后者的費用。這就提醒人們，降低航天運載費用不僅要降低航天運載器的成本，還要設法大幅度降低發(fā)射和測控費用。