把近地軌道交給商業(yè)航天
——美國宇航局的載人航天新策略

▲ 波音公司研發(fā)的CST-100載人飛船和太空探索公司的載人型龍飛船飛往國際空間站藝術(shù)想象圖

2011年7月8日，“阿特蘭蒂斯號”執(zhí)行了航天飛機計劃中的最后一次飛行。自此之后，美國的國土上已經(jīng)整整7年沒有起飛過載人航天器。美國航天員來往國際空間站需要搭乘俄羅斯的聯(lián)盟號飛船，并以每年水漲船高的價格購買“船票”。在暫時失去載人航天能力的7年多中，美國一直在積極進行下一代載人航天飛船的研發(fā)。8月3日，美國宇航局（NASA)公布了參與商業(yè)載人航天任務的第一批航天員名單，其載人航天的新策略也愈發(fā)明晰：將近地軌道交給商業(yè)航天，將自身的研發(fā)力量集中到星際載人飛行上。

老玩家與新選手

即將為NASA執(zhí)行商業(yè)載人航天任務的兩種飛船是波音公司研發(fā)的CST-100載人飛船和太空探索技術(shù)（SpaceX）公司的載人型龍飛船。

相比于近幾年頻頻搶占航天新聞頭條的SpaceX公司，波音公司更為人熟知的業(yè)務是各類民航客機的研發(fā)。波音737、747、777、787等經(jīng)典機型占據(jù)了國際民航業(yè)的半壁江山。其實在航天領(lǐng)域，波音公司也是老資格的“資深玩家”。早在阿波羅登月任務開展時，波音公司就作為承包商承擔了重要的工作。土星5號火箭是登月成功的關(guān)鍵因素，蘇聯(lián)則因火箭設計不過關(guān)而輸?shù)袅说窃赂傎?。而提供“土?號”起飛時高達35000千牛強大推力的火箭第一級，就是由波音公司制造的。后來，波音公司還兼并了曾經(jīng)負責阿波羅飛船設計制造的北美公司、負責航天飛機軌道器設計制造的羅克韋爾公司等。目前，波音公司是“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟”（ULA）的主要成員，其研發(fā)的德爾塔系列火箭承擔了不少NASA和美國軍方的發(fā)射任務。

▲ 內(nèi)華達山脈公司研發(fā)的追夢者航天飛機也曾入選商業(yè)載人航天計劃，但在最終階段的PK中落敗

▲ 波音公司CST-100飛船在太空中飛行的效果圖

此次波音公司入選的CST-100飛船采用了比航天飛機簡單得多的兩艙式設計，其外觀與不連接登月艙的阿波羅飛船十分相似。CST-100每次飛行最多可以搭載七名航天員，每艘飛船可重復使用十次。在航天飛機之前，美國的“阿波羅”“雙子座”等載人飛船返回地球時均在海上回收，而CST-100則首次采用陸上回收的方式，由飛船在著陸時彈出的氣墊提供緩沖。

航天新秀SpaceX公司的載人型龍飛船采用的也是兩艙設計。龍飛船的貨運型是第一種成功為國際空間站提供補給的商業(yè)航天飛船。載人型龍飛船也被稱為龍飛船2代，一次最多可以搭載7名航天員，具備10次左右的可重復使用能力。載人型龍飛船的主要回收方式為海上著陸，但預留了未來開發(fā)陸上著陸技術(shù)的空間。與CST-100相比，載人型龍飛船的體態(tài)相對纖瘦，船艙直徑較小，但船艙高度更高，因此船艙的實際容積與CST-100相差不大。此外，相比可以由多種美國現(xiàn)役火箭發(fā)射的CST-100，龍飛船未來將僅由SpaceX公司自己研發(fā)的獵鷹系列火箭發(fā)射。

相比于將發(fā)射、貨運、載人功能融為一體的航天飛機，CST-100飛船和載人型龍飛船的結(jié)構(gòu)要簡單得多。這很大程度上來自于航天飛機的教訓：過于復雜的航天器將降低可靠性，增加每次發(fā)射前所需進行的工作量，使每次發(fā)射的費用飆升。在新一代飛船的設計中，設計師們意識到飛船本身主要是航天員往返天地的運輸工具，不要在載人功能之外為其賦予太多的其他功能。因此，NASA對新一代商業(yè)飛船提出的設計要求僅僅是能夠安全地搭載航天員來往于國際空間站。不過，結(jié)構(gòu)簡單的新一代飛船仍有一些超越航天飛機的指標。兩種飛船均能在國際空間站上駐留210天以上，大大超過了航天飛機的12天。長期駐留的飛船可以作為國際空間站的“救生艇”，在緊急情況下撤回航天員。

▲ 載人型龍飛船的飛行效果圖

飛船研發(fā)的新模式

在美國以往的航天器研發(fā)制造中，波音、格魯曼等私營航天業(yè)巨頭也會參與到項目中來，航天器的制造最終是由這些企業(yè)而不是NASA來完成的。但在研發(fā)過程中，NASA始終對航天器的設計保持控制，NASA的科學家和工程師會參與到研發(fā)、制造、測試和發(fā)射的各個過程中來，主導設計方案和技術(shù)路線的的確定，并確保航天器的安全和可靠性。最終，制造出的航天器、其附帶的知識產(chǎn)權(quán)和航天器的運營設施屬于NASA，研發(fā)的全部預算也由NASA承擔。

由于航天活動的未知性和風險性，這種一切由政府買單的模式有助于推動新的航天技術(shù)發(fā)展，開辟新的探索領(lǐng)域。但在這種模式下，作為政府機構(gòu)的NASA因官僚主義而導致的內(nèi)耗增加了管理成本。由于項目的成敗由NASA負責，承包商通過技術(shù)開發(fā)降低成本的動力不強，而幾個大公司對航天業(yè)的壟斷也使市場競爭的作用無法體現(xiàn)，使得NASA進行航天活動的成本不斷增加，項目超支幾乎成了一定要發(fā)生的事情。

2009年，作為經(jīng)濟危機后美國重振法案的一部分，NASA開始了商業(yè)載人航天項目的運作。通過此項目，NASA不但可以再次獲得去往國際空間站的載人發(fā)射能力，還能刺激本國的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在這個項目框架下，NASA將選擇性地資助一部分企業(yè)，開展近地軌道載人航天飛船的研發(fā)。與以往不同的是，企業(yè)拿到NASA的資助后，對飛船的設計擁有自主權(quán)，可以采用一切他們認為合理的設計方案和技術(shù)路線。同時，NASA只為自身的需求付費，且投資總額一般不足以完全支撐飛船研發(fā)，企業(yè)必須投入自身的資金到飛船項目中去。

無論飛船研發(fā)最終的成本是多少，NASA的付費是固定的。在這種模式下，企業(yè)將自發(fā)地提高研發(fā)的效費比，并盡力進行成本控制。用NASA內(nèi)部一本刊物的話說，“當花他們自己的錢時，企業(yè)往往會變得更加精明”。迄今為止，NASA已經(jīng)在此項目上資助了波音公司約48億美元、SpaceX公司約31億美元。花完這些錢后，兩家企業(yè)需要完成飛船的研發(fā)和各項測試，達到NASA對飛船提出的各項指標及安全可靠性的要求，執(zhí)行去往國際空間站的一次載人測試飛行和至少兩次一般載人飛行。

▲ NASA商業(yè)載人航天項目的LOGO和宣傳海報

▲ 商業(yè)載人航天計劃海報

同時，企業(yè)擁有飛船本身和附加的知識產(chǎn)權(quán)。除了為NASA提供服務外，他們還可以使用飛船開展其他商業(yè)航天業(yè)務。波音公司在CST-100飛船上為未來可能出現(xiàn)的太空游客設置了座位，可以在執(zhí)行NASA任務時順便“捎”上付費的游客。而SpaceX公司則計劃用載人型龍飛船進行去往月球的太空旅游，載著旅客們飛行到地月之間的大橢圓軌道上，使他們在飛掠月球時可以一睹月球上的景致。

NASA瞄準深空載人飛行

▲ 獵戶座飛船在太空中飛行示意圖

目前，國際空間站等載人航天器都運行在距離地面約400公里的近地軌道（LEO軌道）上。對于美俄這兩個擁有載人航天能力較早的國家來說，向LEO軌道發(fā)射載人飛船已是家常便飯，技術(shù)已比較成熟。在商業(yè)載人航天計劃開始實施時，NASA提出的需求就是向LEO軌道上的國際空間站輸送航天員。在CST-100飛船和載人型龍飛船研發(fā)的同時，NASA自己研制的獵戶座飛船也在研發(fā)過程中，而這艘飛船則將目標瞄準了更遠的星際飛行。

獵戶座飛船同樣采用了兩艙構(gòu)型，可以搭載2～6名航天員。未來，這艘飛船將主要承擔去往月球、火星的深空飛行任務。在計劃中的飛行任務中，“獵戶座”將首先測試在地月轉(zhuǎn)移軌道上的飛行能力和高速再入大氣層時的防熱能力。之后，它將承擔起NASA的月球軌道空間站——“深空門戶”的建設任務，運送航天員到月球附近。未來，NASA還計劃將它與“深空棲息艙”進行組合，執(zhí)行運載航天員去往火星軌道的任務。在未來的計劃中，NASA并沒有安排獵戶座飛船進行LEO軌道的飛行，表面上NASA有信心將這部分任務完全交給商業(yè)航天。

▲ 作為“美國制造成就展”主展品的獵戶座飛船乘員艙正在白宮展覽

作為一艘深空飛船，“獵戶座”需要實現(xiàn)不少LEO軌道飛行所不需實現(xiàn)的技術(shù)。例如，LEO軌道上飛行的航天器可以通過地面上的測控網(wǎng)和同步軌道上的天基測控衛(wèi)星確定自己的位置，并與地面保持通信，而獵戶座飛船一旦遠離地球，就不得不依靠NASA的深空探測網(wǎng)絡進行通信，使用深空測控手段來進行定位。為了以防萬一，獵戶座上還布置了一套應急的定位系統(tǒng)，航天員們可以根據(jù)觀測到的地球、太陽和恒星的相對位置獨立確定自身位置。在深空飛行中，失去了地球磁場保護的飛船將承受比LEO軌道更加強烈的太陽高能粒子和宇宙線輻射。為了保證航天員的飛行安全，獵戶座飛船必須采用比LEO軌道飛船更先進可靠的輻射防護技術(shù)。 獵戶座飛船的研發(fā)仍采用NASA的傳統(tǒng)模式進行，目前已經(jīng)花費了美國納稅人125億美元經(jīng)費。

如果獵戶座飛船計劃和LEO軌道的商業(yè)航天計劃均進展順利的話，將為我們樹立商業(yè)航天運作模式的示范：政府所屬的航天機構(gòu)可以將技術(shù)已經(jīng)成熟的領(lǐng)域交給企業(yè)進行自負盈虧的項目運作，政府機構(gòu)只根據(jù)需要采購航天服務并給予一定資助，而不再主導項目運作。這樣一方面能夠為政府節(jié)省開支，另一方面也能創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點，繁榮商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)。此外，對于航天企業(yè)的扶持應該根據(jù)企業(yè)本身的技術(shù)能力有選擇地進行。在NASA商業(yè)航天載人計劃的CCDev1階段中，共有多達36家企業(yè)提出了自己的方案，其中不乏一些PPT公司，而最終獲得資助的僅有5家。在經(jīng)過隨后的CCDev2、CCiCap、CPC1、CPC2四個階段的方案深化與遴選后，最終能夠?qū)w船發(fā)射上天的只有資金和技術(shù)實力均相當雄厚的波音公司和SpaceX公司。