商業(yè)航天是美國(guó)太空探索的新動(dòng)力

黃志澄/文

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商業(yè)航天是美國(guó)太空探索的新動(dòng)力

黃志澄：空氣動(dòng)力學(xué)家、航天技術(shù)專家、技術(shù)評(píng)論家。長(zhǎng)期從事空氣動(dòng)力學(xué)、航天發(fā)展戰(zhàn)略研究，為我國(guó)大型試驗(yàn)基地建設(shè)、載人航天方案論證、新型航天器研制做出了貢獻(xiàn)。近十年來(lái)從事科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)等宏觀科學(xué)領(lǐng)域研究，在國(guó)內(nèi)外有較大影響。

商業(yè)航天是指以商業(yè)為目的并用市場(chǎng)化的模式運(yùn)行的航天活動(dòng)。實(shí)際上，在應(yīng)用衛(wèi)星領(lǐng)域，如通信衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星等，早就開(kāi)始了市場(chǎng)化過(guò)程，并取得了很大成效。在西方成熟的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，這個(gè)進(jìn)程并未引起人們的過(guò)度關(guān)注。當(dāng)一個(gè)行業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品已足夠成熟，把它推向市場(chǎng)和進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作是順理成章的事情。然而最近幾年，商業(yè)航天的話題再次引起國(guó)際航天界的關(guān)注，則是因?yàn)槊绹?guó)在載人航天領(lǐng)域首先引入了商業(yè)和市場(chǎng)機(jī)制。

1　美國(guó)太空探索實(shí)現(xiàn)雙輪驅(qū)動(dòng)

回顧美國(guó)航空航天局（NASA）在2015年的成績(jī)，可以說(shuō)這是NASA取得大豐收的一年。NASA局長(zhǎng)查爾斯 博爾登（Charles Bolden）說(shuō)：“2015年是美妙的一年，我們離火星更近了一步。我們?yōu)樯虡I(yè)合作伙伴取得的進(jìn)步喝彩，他們很快就能夠?qū)⒚绹?guó)航天員送往‘國(guó)際空間站’。我們也為那些能將我們送往深空、改善航空系統(tǒng)、探索宇宙和地球的新技術(shù)和新任務(wù)取得的進(jìn)步而喝彩?！?/p>

回顧NASA在2015年取得的成績(jī)不難發(fā)現(xiàn)，NASA除了依靠政府投入外，其鼓勵(lì)和支持私營(yíng)航天創(chuàng)業(yè)公司發(fā)展商業(yè)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(chǎng)雙輪驅(qū)動(dòng)政策，是美國(guó)航天有史以來(lái)最大的轉(zhuǎn)型。實(shí)際上，這種轉(zhuǎn)型也是前幾年美國(guó)太空探索面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)逼出來(lái)的。美國(guó)航天飛機(jī)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(guó)沒(méi)有一個(gè)航天運(yùn)輸系統(tǒng)能為空間站服務(wù)。運(yùn)送人員的唯一選擇是利用俄羅斯的“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船，每個(gè)座位須支付約7000萬(wàn)美元，通常每年要購(gòu)買6個(gè)座位。為改變這一尷尬局面，自2010年開(kāi)始，奧巴馬政府就要求NASA盡力支持本土有競(jìng)爭(zhēng)力的公司研發(fā)航天運(yùn)輸系統(tǒng)，恢復(fù)美國(guó)向空間站的運(yùn)輸能力。

NASA正在研發(fā)的“獵戶座”載人飛船

隨著航天基本技術(shù)的成熟，世界各航天大國(guó)除了繼續(xù)關(guān)注太空安全外，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向發(fā)展太空經(jīng)濟(jì)與太空探索。在這種形勢(shì)下，美國(guó)產(chǎn)生了一批私營(yíng)航天創(chuàng)業(yè)公司。由于私營(yíng)航天創(chuàng)業(yè)公司管理機(jī)制靈活高效，因而研制航天運(yùn)輸系統(tǒng)的周期短、成本也較低。

NASA早在2006年就啟動(dòng)了“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）項(xiàng)目，旨在為空間站運(yùn)送貨物。經(jīng)過(guò)招標(biāo)，NASA最終選擇了兩家創(chuàng)新能力強(qiáng)的私企：一家是美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX），按合同該公司要用其“龍”（Dragon）飛船向空間站運(yùn)送12次貨物；另一家是軌道科學(xué)公司［OSC，2014年4月與美國(guó)阿連特技術(shù)系統(tǒng)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(yùn)送至空間站。在美國(guó)載人航天領(lǐng)域過(guò)去取得的一系列成績(jī)中，美國(guó)商業(yè)公司功不可沒(méi)。NASA本身從未涉足過(guò)火箭或飛船制造領(lǐng)域，而是全部交給波音公司（Boeing）和洛馬公司（LM）等私營(yíng)承包商來(lái)負(fù)責(zé)實(shí)際設(shè)計(jì)和建造工作。NASA現(xiàn)在的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”項(xiàng)目與之前的區(qū)別在于資金使用方式不同。以往NASA在招標(biāo)時(shí)，它所承諾的支付包括研制費(fèi)用（即“成本”）及利潤(rùn)（即“加成”），也就是所謂“旱澇保收型”。而“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”則是在招標(biāo)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(biāo)公司自己承擔(dān)。因此，私企承擔(dān)了主要風(fēng)險(xiǎn)。

太空探索技術(shù)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(yùn)貨，并將提供載人航天服務(wù)，未來(lái)還將重復(fù)使用火箭和飛船，所以能大大降低天地往返的運(yùn)輸成本。軌道科學(xué)公司在2013年4月由“安塔瑞斯”（Antares）火箭成功發(fā)射了“天鵝座”飛船，搭載了與飛船等質(zhì)量的3.8t載荷。這一成功發(fā)射，證明了又一家私企具備了航天運(yùn)輸能力。NASA局長(zhǎng)博爾登表示：“NASA計(jì)劃利用美國(guó)企業(yè)的創(chuàng)造性到達(dá)近地軌道，從而使NASA可以將資源集中用于深空探測(cè)。從這個(gè)角度看，與這些企業(yè)簽訂合同，無(wú)疑是重要的里程碑?！?/p>

NASA在2016年初簽訂了第二份商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同，確保空間站的貨運(yùn)任務(wù)持續(xù)到至少2024年。這次除了軌道-ATK公司和太空探索技術(shù)公司外，內(nèi)華達(dá)山脈公司（SNC）的“追夢(mèng)者”（DreamChaser）小型太空飛機(jī)也贏得了第二輪合同。

隨著NASA將重心轉(zhuǎn)移到更具挑戰(zhàn)性的載人火星探索，私企將接過(guò)把航天員和相關(guān)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(yè)乘員研究計(jì)劃”（CCDev2），旨在幫助美國(guó)私企研制出可替代航天飛機(jī)的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。波音公司的乘員空間運(yùn)輸-100［CST-100飛船，后更名為“星際客車”（Starliner）］、內(nèi)華達(dá)山脈公司的“追夢(mèng)者”小型太空飛機(jī)、太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船和藍(lán)色起源公司的垂直起降方案，分別獲得了數(shù)額不等的資助。

NASA的“商業(yè)乘員計(jì)劃”廣告

2014年9月16日，波音、太空探索技術(shù)兩家公司與NASA簽署協(xié)議，分別獲得42億美元和26億美元的合同。在通過(guò)飛行認(rèn)證后，每家公司將自2017年起各自承擔(dān)2～6次飛往空間站的載人運(yùn)輸任務(wù)。不難預(yù)測(cè)，若內(nèi)華達(dá)山脈公司能順利完成“追夢(mèng)者”小型太空飛機(jī)的運(yùn)貨任務(wù)，也將會(huì)加入到載人任務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)。NASA還任命了4位有經(jīng)驗(yàn)的航天員和測(cè)試飛行員為商業(yè)載人航天任務(wù)進(jìn)行培訓(xùn)和準(zhǔn)備，并與這些商業(yè)公司緊密合作，協(xié)助研發(fā)其載人運(yùn)輸系統(tǒng)。

這些年來(lái)，美國(guó)除了出現(xiàn)上述商業(yè)航天公司之外，還出現(xiàn)了許多發(fā)展商業(yè)空間站、太空旅游和火星探索的私營(yíng)公司。2015年，比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗(yàn)艙”（BEAM）已經(jīng)運(yùn)抵肯尼迪航天中心。2016年4月，太空探索技術(shù)公司已將該活動(dòng)艙送往空間站，接受為期2年的測(cè)試和技術(shù)驗(yàn)證，有助于推進(jìn)NASA實(shí)施長(zhǎng)期載人飛行任務(wù)的目標(biāo)。

將小行星拖到月球附近也將為有意進(jìn)行小行星采礦的公司開(kāi)啟商業(yè)機(jī)遇。2015年10月，NASA向美國(guó)工業(yè)界征集有關(guān)NASA如何為無(wú)人采礦任務(wù)研制先進(jìn)太陽(yáng)能電推進(jìn)航天器的創(chuàng)新想法。NASA還采取措施，激勵(lì)商業(yè)航天部門(mén)深空探測(cè)能力的發(fā)展，并選擇了12個(gè)項(xiàng)目將參與商業(yè)公司合作，推動(dòng)必需的探測(cè)能力的研發(fā)。

NASA正在研發(fā)的2種“航天發(fā)射系統(tǒng)”

2　商業(yè)航天為NASA注入新活力

NASA的經(jīng)費(fèi)全部由美國(guó)政府投入，先由NASA編制預(yù)算申請(qǐng)，經(jīng)國(guó)會(huì)審議后由總統(tǒng)批準(zhǔn)。2016年2月初，NASA向美國(guó)國(guó)會(huì)遞交了2017財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)。從2017財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)可以看出，科學(xué)領(lǐng)域項(xiàng)目正在穩(wěn)步增長(zhǎng)?？茖W(xué)項(xiàng)目由2015財(cái)年的52億美元增長(zhǎng)到2017財(cái)年的56億美元（漲幅7.7%）；載人探索預(yù)算規(guī)模呈小幅下降趨勢(shì)，但其比重仍舊占50%。隨著“獵戶

130t

70t火箭發(fā)射逃逸系統(tǒng)

“獵戶座”

臨時(shí)低溫推進(jìn)段（lCPS）

級(jí)間

J-2x發(fā)動(dòng)機(jī)上面級(jí)

核心段

固體火箭助推器

改進(jìn)型助推器RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)座”飛船和“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）逐漸完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，探索系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)投入正由2015財(cái)年和2016財(cái)年的峰值水平逐漸下降。另一方面，載人航天投資重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了太空運(yùn)行領(lǐng)域，預(yù)算由2015財(cái)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(duì)“商業(yè)乘員運(yùn)輸”計(jì)劃的投資，2017財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)由2015財(cái)年8.05億美元增加到11.85億美元，增幅47%。

太空技術(shù)領(lǐng)域投資連續(xù)3年保持高速增長(zhǎng)，由2015財(cái)年的6.03億美元增長(zhǎng)到2017財(cái)年的8.27億美元。高度重視太空技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)，由2015財(cái)年3.78億美元增長(zhǎng)到5.79億美元。首先，太空技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)包括了多個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目：NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）、太空技術(shù)研究獎(jiǎng)勵(lì)（STRG）、NASA各大中心創(chuàng)新基金（CIF）、小型飛行器技術(shù)（SST）、百年挑戰(zhàn)等。通過(guò)這些項(xiàng)目的實(shí)施，能夠?yàn)镹ASA未來(lái)科學(xué)和探索任務(wù)培育可轉(zhuǎn)化、具有高度應(yīng)用前景的前瞻性技術(shù)。2017財(cái)年投資重點(diǎn)包括開(kāi)發(fā)高性能星載計(jì)算機(jī)處理器、火星制氧技術(shù)、電推進(jìn)技術(shù)等。其次，NASA還將加大對(duì)小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）和小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移（STTR）項(xiàng)目的投入，由2015財(cái)年的1.97億美元增長(zhǎng)到2.13億美元。將繼續(xù)開(kāi)展太空在軌服務(wù)演示任務(wù)；繼續(xù)研發(fā)高性能太陽(yáng)能電推進(jìn)技術(shù)，滿足NASA探索任務(wù)的需求；繼續(xù)開(kāi)展高碼速率深空通信技術(shù)研究。

將NASA的2017財(cái)年預(yù)算與2007財(cái)年預(yù)算進(jìn)行比較不難發(fā)現(xiàn)，NASA的商業(yè)航天政策，對(duì)促進(jìn)其在2030年或稍后達(dá)到載人火星探索目標(biāo)起到了十分積極的作用。這項(xiàng)政策促進(jìn)和催化了美國(guó)商業(yè)航天工業(yè)的增長(zhǎng)，雖然NASA投入的經(jīng)費(fèi)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(jī)的高額運(yùn)行費(fèi)用和航天飛機(jī)退役后的困境，并能確保有財(cái)力繼續(xù)研發(fā)“獵戶座”飛船、“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭以及相應(yīng)的地面系統(tǒng)，以便NASA在未來(lái)能運(yùn)送航天員到達(dá)近地軌道以遠(yuǎn)的區(qū)域；而且還有助于NASA在太空科學(xué)探索、地球科學(xué)、航天技術(shù)和航空研究等諸多方面仍保持世界領(lǐng)先地位。無(wú)疑，NASA在2015年星際探索方面的大豐收，也與NASA商業(yè)航天政策的成效密切相關(guān)。

3　商業(yè)航天促進(jìn)太空探索技術(shù)創(chuàng)新

實(shí)際上，美國(guó)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的主力是企業(yè)，特別是正在創(chuàng)業(yè)的中小企業(yè)。企業(yè)創(chuàng)新的動(dòng)力既來(lái)自市場(chǎng)需求的推動(dòng)，也來(lái)自市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致優(yōu)勝劣汰，為了保證不在競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰，并取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，企業(yè)就必須通過(guò)各種手段增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越多地表現(xiàn)為技術(shù)創(chuàng)新的競(jìng)爭(zhēng)，特別是顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的競(jìng)爭(zhēng)。誰(shuí)擁有顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的成果，誰(shuí)就占有了市場(chǎng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。與大型企業(yè)相比，中小企業(yè)雖然在資金、人才和設(shè)備等方面處于劣勢(shì)，但是中小企業(yè)規(guī)模小，靈活方便；專業(yè)化程度高，開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新快捷省時(shí)，效率較高；管理層次少，凝聚力強(qiáng)，富于合作精神；中小企業(yè)對(duì)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的需求更高，創(chuàng)新的意識(shí)更強(qiáng)。因此，中小企業(yè)具有顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的潛在優(yōu)勢(shì)?；谝陨显?，美國(guó)中小企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)量、質(zhì)量、效率和周期等方面，都表現(xiàn)出很高的水平。研究表明，美國(guó)中小企業(yè)創(chuàng)造的技術(shù)創(chuàng)新成果和新技術(shù)在數(shù)量上占全國(guó)的55%以上，中小企業(yè)人均技術(shù)創(chuàng)新量是大企業(yè)的2.5倍。根據(jù)1958年成立的美國(guó)聯(lián)邦中小企業(yè)局（SBA）的調(diào)查，20世紀(jì)對(duì)美國(guó)和世界有過(guò)巨大貢獻(xiàn)的65項(xiàng)發(fā)明和創(chuàng)造全是由中小企業(yè)創(chuàng)造的，從飛機(jī)、計(jì)算機(jī)到復(fù)印機(jī)、圓珠筆等，無(wú)所不包。

同時(shí)，市場(chǎng)的開(kāi)放程度往往決定這種競(jìng)爭(zhēng)能否帶來(lái)何種創(chuàng)新的效果，只有做到市場(chǎng)的充分開(kāi)放，也就是只有打破壟斷，才能催生顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。例如，2006年之前，美國(guó)在航天商業(yè)運(yùn)輸領(lǐng)域只有波音和洛馬等大公司，2006年開(kāi)始決定在航天商業(yè)運(yùn)輸領(lǐng)域充分開(kāi)放市場(chǎng)后，立即就涌現(xiàn)出一批如太空探索技術(shù)公司、軌道-ATK公司、內(nèi)華達(dá)山脈公司、比格羅航天公司、藍(lán)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(yùn)輸領(lǐng)域的技術(shù)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(yùn)輸費(fèi)用明顯降低50%以上。其中，太空探索技術(shù)公司和藍(lán)色起源公司正在進(jìn)行試驗(yàn)的火箭回收技術(shù)、內(nèi)華達(dá)山脈公司的升力體航天飛機(jī)技術(shù)和比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗(yàn)艙”技術(shù)等，都給人們留下了深刻的印象。

與“國(guó)際空間站”對(duì)接的“追夢(mèng)者”小型太空飛機(jī)示意圖

另一方面，NASA的商業(yè)航天政策使得NASA過(guò)去開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品獲得了新的應(yīng)用，長(zhǎng)期積累的技術(shù)也能轉(zhuǎn)化成工程系統(tǒng)。例如，太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”火箭使用的“灰背隼”（Merlin）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，就源于NASA在20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的登月軌道艙的煤油/液氧燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)該公司多次改進(jìn)，最新版的“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)已達(dá)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(yàn)艙”技術(shù)，也曾是NASA試驗(yàn)了多年的技術(shù)。內(nèi)華達(dá)山脈公司的“追夢(mèng)者”小型太空飛機(jī)采用的構(gòu)型，就是NASA在多年積累的升力體技術(shù)上研發(fā)出的HL-20升力體構(gòu)型。假若沒(méi)有NASA的商業(yè)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(chuàng)新活力的商業(yè)航天公司的出現(xiàn)，也給NASA的舊體制以很大沖擊。在競(jìng)爭(zhēng)的壓力下，在激勵(lì)員工創(chuàng)新和改進(jìn)科普宣傳方面也出現(xiàn)了新氣象。NASA與二十世紀(jì)?？怂闺娪肮竞献髋臄z的“火星救援”，于2015年10月在全球首映，為爭(zhēng)取民眾支持NASA實(shí)現(xiàn)未來(lái)的“火星之旅”起到了很好的宣傳作用。

4　結(jié)束語(yǔ)

NASA的商業(yè)航天政策雖取得了驚人的成效，但也并非一帆風(fēng)順。2014年10月，“安塔瑞斯”火箭在發(fā)射“天鵝座”飛船時(shí)爆炸，使得這項(xiàng)計(jì)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(fā)射，才再次成功完成空間站的運(yùn)貨任務(wù)。2015年6月，太空探索技術(shù)公司的獵鷹-9火箭在發(fā)射“龍”飛船時(shí)也發(fā)生爆炸。但這些事故并未阻擋美國(guó)商業(yè)航天前進(jìn)的步伐，但同時(shí)它也提供了深刻的教訓(xùn)：商業(yè)航天發(fā)展中既要重視創(chuàng)新，又要重視安全性。由此可見(jiàn)，美國(guó)采用政府與市場(chǎng)雙輪驅(qū)動(dòng)太空探索的政策，積累了一些發(fā)展商業(yè)航天的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，必將對(duì)世界航天，包括中國(guó)航天的發(fā)展，產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

黃志澄/文

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