國(guó)際空間站上的商業(yè)航天

● 文 | .中國(guó)空間技術(shù)研究院 .北京空間科技信息研究所 劉群 王霄 張蕊

2018年3月，NASA按照《2017年NASA過渡授權(quán)法案》的要求，向國(guó)會(huì)提交了《國(guó)際空間站過渡報(bào)告》，報(bào)告討論了近地軌道商業(yè)市場(chǎng)發(fā)展以及今后NASA將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻剀壍垒d人航天私營(yíng)企業(yè)的用戶等問題。近幾年，國(guó)際空間站成為商業(yè)航天發(fā)展的新領(lǐng)地。隨著全球科技的發(fā)展與創(chuàng)新，進(jìn)入空間以及開展空間活動(dòng)的能力在不斷增強(qiáng)，方式方法也變得多元化。以美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、軌道-ATK公司為代表的商業(yè)公司已經(jīng)成為為國(guó)際空間站提供貨物運(yùn)輸?shù)某Ｒ?guī)軍，近地軌道商業(yè)乘員運(yùn)輸也即將拉開序幕。此外，作為重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和商業(yè)航天的“試驗(yàn)田”，國(guó)際空間站上開展了多項(xiàng)商業(yè)空間應(yīng)用，并取得豐碩成果。

一、若干重要進(jìn)展

商業(yè)航天是由企業(yè)投資并承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、通過市場(chǎng)為政府及商業(yè)用戶提供航天資產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)。航天商業(yè)化是指原本只為政府、軍隊(duì)、國(guó)家安全需求服務(wù)的航天基礎(chǔ)設(shè)施向商業(yè)市場(chǎng)開放，原本只為政府服務(wù)的航天制造企業(yè)、航天系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)也向商業(yè)市場(chǎng)尋求合同，而政府和軍隊(duì)作為大客戶進(jìn)入市場(chǎng)，按商業(yè)規(guī)律進(jìn)行招標(biāo)和采購(gòu)。商業(yè)航天則更多的是指按照市場(chǎng)化模式來(lái)組建新的航天企業(yè)，按照市場(chǎng)化規(guī)律來(lái)從事投融資、收購(gòu)、合并、分立、招投標(biāo)、議價(jià)、賠償、研發(fā)、協(xié)作、制造、運(yùn)營(yíng)等活動(dòng)，投資者和企業(yè)可以自由進(jìn)入和退出。表1列出了國(guó)外載人航天領(lǐng)域典型的新興商業(yè)航天公司及其主要業(yè)務(wù)。

表1 國(guó)外載人航天領(lǐng)域典型的新興商業(yè)航天公司及其主要業(yè)務(wù)

二、發(fā)展背景

NASA急于擺脫航天飛機(jī)退役后對(duì)俄羅斯的依賴，因此大力發(fā)展以SpaceX、波音、軌道-ATK公司等為代表的商業(yè)航天活動(dòng)，不斷尋求與私營(yíng)公司進(jìn)行商業(yè)航天合作的可能性。

美國(guó)總統(tǒng)特朗普上臺(tái)后多次強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展公私合作關(guān)系，并提到將把公私合作關(guān)系作為今后美國(guó)民用航天活動(dòng)的基礎(chǔ)，尤其是深空居住和探索系統(tǒng)以及新技術(shù)研發(fā)等方面。此外，在國(guó)際空間站運(yùn)行和資助方面納入更多“私人和公共合作伙伴”，美國(guó)政府正在逐步退出近地軌道的航天器的運(yùn)作，一是為了將更多的國(guó)家層面的資源與精力，用于探索和利用更遠(yuǎn)的外層空間；二是為了充分引入新型商業(yè)公司的先進(jìn)技術(shù)以及靈活的運(yùn)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)航天科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)科技帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

美國(guó)在近地軌道商業(yè)航天領(lǐng)域取得的成功，可以擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的深空，NASA目前就希望通過在月球項(xiàng)目上“復(fù)制”這一模式，將商業(yè)航天發(fā)展推得更遠(yuǎn)。NASA公布了商業(yè)月球載荷服務(wù)（CLPS/Lunar COTS），該計(jì)劃可視作“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）的月球版本。根據(jù)NASA文件的要求，CLPS計(jì)劃分三階段進(jìn)行：第一階段下投票的商業(yè)機(jī)構(gòu)需要發(fā)展可將指定載荷運(yùn)送至月面/月軌道的著陸器，載荷包括通信站、發(fā)電廠及各類科研衛(wèi)星/月球車等；第二階段瞄準(zhǔn)月面工業(yè)化，包括原位資源利用等；第三階段則是研究長(zhǎng)期月面基地的可能性，包括大規(guī)模的月間資源運(yùn)送，以及月面建立有人基地的研究。NASA希望通過引入商業(yè)伙伴，大幅度降低地月間的運(yùn)輸成本，使將來(lái)的月球任務(wù)更具可行性。

隨著載人探索進(jìn)入深空，美國(guó)將從歷史上最大的軌道實(shí)驗(yàn)室——國(guó)際空間站開始，釋放近地軌道開拓性商業(yè)太空企業(yè)的無(wú)限潛能。隨著低成本進(jìn)入太空需求的飆升，近地軌道的前景已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初的預(yù)期。美國(guó)政府意識(shí)到國(guó)際空間站以前的運(yùn)營(yíng)模式注定不會(huì)長(zhǎng)久，而且也無(wú)需長(zhǎng)久。正因如此，美國(guó)政府對(duì)國(guó)際空間站的直接資助僅以七年為限。目前，政府正在投資開發(fā)新的科技能力，供商業(yè)航天企業(yè)建造未來(lái)軌道平臺(tái)之用。美國(guó)政府將是該平臺(tái)的“租戶”和“客戶”，而不是“房東”。

三、國(guó)家政策

自20世紀(jì)80年代開始，美國(guó)法律和政策已開始引導(dǎo)NASA拓展商業(yè)航天市場(chǎng)。技術(shù)的成熟催生航天市場(chǎng)化，這也是美國(guó)航天發(fā)展的重要策略。這一策略可以降低成本、加快技術(shù)創(chuàng)新、提高任務(wù)效率。

1988年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)里根在《關(guān)于國(guó)家航天政策的總統(tǒng)指令》中提出，美國(guó)政府應(yīng)借助由市場(chǎng)推動(dòng)的商業(yè)航天領(lǐng)域，擴(kuò)大私營(yíng)企業(yè)對(duì)航天領(lǐng)域的投資。隨后的布什和克林頓政府也分別發(fā)布了《美國(guó)商業(yè)航天政策方針》和新版《關(guān)于國(guó)家航天政策的總統(tǒng)指令》，進(jìn)一步明確和擴(kuò)展了美國(guó)政府對(duì)商業(yè)航天領(lǐng)域的支持范圍與力度。

1998年，美國(guó)通過了《商業(yè)航天法案》，以法律的形式再次強(qiáng)調(diào)了美國(guó)政府對(duì)商業(yè)航天領(lǐng)域發(fā)展的重視。該法案提出，在國(guó)際空間站方面，將地球軌道航天活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益作為建設(shè)國(guó)際空間站的重點(diǎn)目標(biāo)之一。在2010年公布的最新版《美國(guó)國(guó)家航天政策》中，美國(guó)大力支持商業(yè)航天部門的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)：“穩(wěn)健、具有競(jìng)爭(zhēng)力的商業(yè)航天部門對(duì)空間的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。美國(guó)承諾鼓勵(lì)并推動(dòng)美國(guó)商業(yè)空間部門的發(fā)展，這些商業(yè)部門要能夠支持美國(guó)需求，具有全球競(jìng)爭(zhēng)力，能夠提升美國(guó)在新一代市場(chǎng)中的領(lǐng)導(dǎo)地位且引領(lǐng)具有創(chuàng)新性的企業(yè)精神?！贝税婧教煺邚?qiáng)調(diào)了商業(yè)航天的重要性并提出了新的要求：積極探索采用創(chuàng)造性、非傳統(tǒng)的方式獲得商業(yè)航天產(chǎn)品和服務(wù)，即政府出資支持，指出私營(yíng)企業(yè)應(yīng)承受一定比例的投資風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任。新政策還指出要將日常運(yùn)營(yíng)職能轉(zhuǎn)移到商業(yè)航天部門，培育商業(yè)航天部門的技術(shù)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)冒險(xiǎn)精神，積極促進(jìn)美國(guó)商業(yè)航天產(chǎn)品和服務(wù)的出口。新政策指出，要與私有部門加強(qiáng)合作實(shí)現(xiàn)往返于國(guó)際空間站的乘員及貨物商業(yè)航天運(yùn)輸能力，對(duì)NASA的近地軌道商業(yè)運(yùn)輸計(jì)劃予以支持。

四、商業(yè)航天發(fā)展模式

1.近地軌道商業(yè)運(yùn)輸項(xiàng)目

商業(yè)乘員和貨物運(yùn)輸項(xiàng)目包括COTS計(jì)劃、“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）和“商業(yè)乘員開發(fā)”計(jì)劃，均由NASA的商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目辦公室負(fù)責(zé)管理。COTS計(jì)劃為貨物運(yùn)輸計(jì)劃，向空間站提供貨物補(bǔ)給；“商業(yè)乘員開發(fā)”計(jì)劃于2009年啟動(dòng)，是乘員運(yùn)輸計(jì)劃。

（1）商業(yè)軌道貨物運(yùn)輸計(jì)劃

商業(yè)軌道貨物運(yùn)輸計(jì)劃包括兩個(gè)階段：

第一階段為“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）（2006—2013年），推動(dòng)私營(yíng)公司開發(fā)和驗(yàn)證往返近地軌道的各種航天運(yùn)輸能力，目前該計(jì)劃已經(jīng)結(jié)束。在該階段，NASA提供8.89億美元的資金和技術(shù)支持，通過“空間行動(dòng)協(xié)議”（SAA）與航天公司定下承諾，以資金資助和非資金資助形式推動(dòng)商業(yè)航天運(yùn)輸市場(chǎng)的發(fā)展。NASA允許有資金資助的商業(yè)合作伙伴后續(xù)可以執(zhí)行國(guó)際空間站驗(yàn)證飛行，這些商業(yè)公司只有完成了開發(fā)中的一系列重大事件，并獲得NASA授權(quán)后，才能繼續(xù)開展商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)。而非資金資助的商業(yè)合作伙伴不能開展國(guó)際空間站驗(yàn)證飛行，但可以利用軌道試驗(yàn)平臺(tái)模擬國(guó)際空間站及其接口。在COTS計(jì)劃下，SpaceX公司開發(fā)了“龍”飛船與獵鷹-9火箭，軌道-ATK公司開發(fā)了“天鵝座”飛船與中型“安塔瑞斯”火箭。2013年，隨著“天鵝座”飛船成功完成國(guó)際空間站驗(yàn)證任務(wù)，COTS計(jì)劃圓滿結(jié)束。

▲ SpaceX公司“龍”飛船

▲ 軌道-ATK公司“天鵝座”飛船

第二階段是向商業(yè)公司競(jìng)爭(zhēng)采購(gòu)用于國(guó)際空間站后勤支持的軌道運(yùn)輸服務(wù)，開展空間站“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS），向空間站運(yùn)輸貨物。2008年12月，NASA最終把合同授予SpaceX公司和軌道-ATK公司。合同規(guī)定，SpaceX公司和軌道-ATK公司在2015年前分別完成12次和8次飛行任務(wù)。2016年1月，NASA宣布第二輪商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)的獲勝者，SpaceX公司、軌道-ATK公司和內(nèi)華達(dá)山脈公司均獲合同，將從2019年起分別用“龍”飛船、“天鵝座”飛船和追夢(mèng)者號(hào)太空飛機(jī)為國(guó)際空間站提供貨物補(bǔ)給，其中追夢(mèng)者號(hào)太空飛機(jī)首次飛行計(jì)劃于2019年進(jìn)行，將由宇宙神-5運(yùn)載火箭發(fā)射。

（2）“商業(yè)乘員開發(fā)”計(jì)劃

2009年，NASA啟動(dòng)“商業(yè)乘員開發(fā)”計(jì)劃，目的是支持未來(lái)國(guó)際空間站的乘員運(yùn)輸。分別于2010年2月、10月和2012年2月完成三輪計(jì)劃。2014年9月，“商業(yè)乘員運(yùn)輸能力”（CCtCap）合同售出。NASA最終售出價(jià)值68億美元的“商業(yè)乘員運(yùn)輸能力”合同，由SpaceX公司（獲得26億美元）和波音公司（獲得42億美元）共同為其執(zhí)行國(guó)際空間站載人運(yùn)輸任務(wù)。2015年5月和11月，波音公司和SpaceX公司分獲NASA“商業(yè)乘員運(yùn)輸能力”合同第一份訂單，2015年12月波音公司獲第二份訂單。波音公司“星際客船”（CST-100）的首次載人飛行任務(wù)將推遲到2019年。2017年11月11日，追夢(mèng)者號(hào)太空飛機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)

▲ 追夢(mèng)者號(hào)太空飛機(jī)

2.空間應(yīng)用

（1）商業(yè)搭載

目前，國(guó)際空間站應(yīng)用集中在技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、空間科學(xué)研究與應(yīng)用、教育活動(dòng)與推廣等領(lǐng)域，其中空間應(yīng)用中的商業(yè)搭載也是探索商業(yè)模式的一個(gè)重要領(lǐng)域。商業(yè)搭載主要是利用貨運(yùn)飛船向國(guó)際空間站運(yùn)送貨物和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。用戶和貨運(yùn)飛船所在公司簽署合同，支付運(yùn)費(fèi)，貨運(yùn)飛船將貨物搭載至空間站，再將在國(guó)際空間站上獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料帶回（特指返回式飛船“龍”飛船）。根據(jù)NASA總檢察長(zhǎng)辦公室2018年4月發(fā)布的一份報(bào)告稱，根據(jù)2016年NASA授出的第二輪“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，NASA將為運(yùn)送到國(guó)際空間站的單位質(zhì)量貨物支付更多。在2008年授出的現(xiàn)行“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同中，軌道-ATK公司和SpaceX公司應(yīng)在31次任務(wù)中向國(guó)際空間在美國(guó)加利福尼亞州愛德華空軍基地成功完成滑翔試驗(yàn)。此次滑翔試驗(yàn)是該公司商業(yè)乘員協(xié)議中的重要里程碑，將支撐該公司按照2016年獲得的NASA第二輪“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同研制貨運(yùn)型號(hào)太空飛機(jī)的工作。追夢(mèng)者號(hào)貨運(yùn)系統(tǒng)的首飛預(yù)定于2020年進(jìn)行，在2024年前最少進(jìn)行6次飛行任務(wù)。站運(yùn)送93.8t貨物，合同總價(jià)值59.3億美元。而在第二輪“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同中，這兩家公司和內(nèi)華達(dá)山脈公司將在21次任務(wù)中運(yùn)送87.9t貨物，總價(jià)值63.1億美元。

▲ “星際客船”

其他商業(yè)公司也可以利用SpaceX公司為NASA提供商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)時(shí)，支付低廉運(yùn)輸成本，“搭順風(fēng)車”，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)物品送至空間站。

（2）實(shí)驗(yàn)機(jī)柜租賃

NanoRacks公司是一家提供航天商業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的私營(yíng)企業(yè)，是國(guó)際空間站商業(yè)應(yīng)用的唯一代理商，位于NASA約翰遜航天中心附近。自2009年以來(lái)，NanoRacks向全球三十多個(gè)國(guó)家的客戶提供服務(wù)，客戶包括歐洲航天局（ESA）、德國(guó)航空航天中心（DLR）、美國(guó)國(guó)家航空航天局等。NanoRacks已經(jīng)向國(guó)際空間站運(yùn)送了600余個(gè)有效載荷，其中包括200余顆小衛(wèi)星。NanoRacks公司業(yè)務(wù)主要覆蓋實(shí)驗(yàn)機(jī)柜租賃、微納衛(wèi)星釋放等，近期，NanoRacks公司還與波音公司達(dá)成合作協(xié)議，將共同建造空間站上首個(gè)商業(yè)氣閘艙。

NanoRacks為用戶在國(guó)際空間站上提供“空間站內(nèi)（外）部試驗(yàn)平臺(tái)”（NREP），NASA以及其他企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、高校都可以是它的用戶方。通過與NASA簽署協(xié)議，NanoRacks租賃NASA在空間站的空間，向NASA交付租金。而NASA需要使用NanoRacks的試驗(yàn)平臺(tái)，則屬于商業(yè)行為，需向NanoRacks交付使用試驗(yàn)平臺(tái)的資金。用NanoRacks公司負(fù)責(zé)人的話說，“NASA是我們的房東，是我們的監(jiān)管人，有時(shí)也是我們的客戶，但我們從來(lái)不是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，我們是合作伙伴”。

以前，商業(yè)公司想要進(jìn)行太空試驗(yàn)或者衛(wèi)星原型測(cè)試必須同NASA進(jìn)行合作，還需要指定返航計(jì)劃。但是NanoRacks出現(xiàn)后，這一過程被大大簡(jiǎn)化，NREP放置在國(guó)際空間站的Kibo艙，運(yùn)載試驗(yàn)品的裝置可以自由移動(dòng)，不需要航天員在艙外操作，而且價(jià)格低廉，目前只要支付十萬(wàn)美元就可以完成試驗(yàn)了。NREP只有兩個(gè)架子，每個(gè)架子上有16個(gè)試驗(yàn)品裝載裝置，可以同時(shí)預(yù)定多個(gè)位置。

▲ 空間站內(nèi)（外）部試驗(yàn)平臺(tái)

（3）微納衛(wèi)星釋放

已經(jīng)有13家公司通過簽署“空間行動(dòng)協(xié)議”為空間站提供商業(yè)服務(wù)，NanoRacks是首個(gè)提供空間站商業(yè)釋放微納衛(wèi)星服務(wù)的公司，成立于2009年。公司剛成立時(shí)，主要進(jìn)行納型支架（Nanorack）模塊設(shè)計(jì)，這些模塊可與國(guó)際空間站的研究支架相匹配，用戶通過NanoRacks公司的模塊進(jìn)入空間，完成微重力研究實(shí)驗(yàn)。后來(lái)推出進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新儀器（MixStix），與2臺(tái)顯微鏡、1臺(tái)酶標(biāo)儀和離心分離機(jī)一起供研究使用。

“NanoRacks立方體衛(wèi)星釋放系統(tǒng)”（NRCSD）由NanoRacks公司研制和運(yùn)營(yíng)。NanoRacks公司于2013年利用J-SSOD裝置釋放小衛(wèi)星后，意識(shí)到從國(guó)際空間站釋放小衛(wèi)星的商業(yè)潛力，利用不到10個(gè)月的時(shí)間研發(fā)了NRCSD系統(tǒng)。NRCSD系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合NASA國(guó)際空間站安全性要求，于2014年搭載發(fā)射至國(guó)際空間站。

（4）商業(yè)氣閘艙

2017年2月6日，波音公司發(fā)布消息，將與美國(guó)NanoRacks公司合作研制首個(gè)自主投資研發(fā)的商業(yè)氣閘裝置，計(jì)劃在2019年發(fā)射并安裝在國(guó)際空間站美國(guó)艙段上。新型的氣閘艙由NanoRacks公司研制，波音公司研制并安裝氣閘艙的被動(dòng)式通用對(duì)接機(jī)構(gòu)（PCBM），將氣閘艙與國(guó)際空間站上美國(guó)的加壓艙連接。波音公司一直以來(lái)都是國(guó)際空間站主承包商。在這之前，NanoRacks公司已在2016年5月與NASA簽署協(xié)議，計(jì)劃在國(guó)際空間站上安裝商業(yè)氣閘艙產(chǎn)品，在歷史上尚屬首次。NanoRacks公司將自主投資1200萬(wàn)～1500萬(wàn)美元，開發(fā)的氣閘艙被稱為“doorway to space”。當(dāng)前，國(guó)際空間站主要利用日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的Kibo氣閘艙（美國(guó)也在使用）在軌部署立方星與小衛(wèi)星，但內(nèi)部空間有限，每年部署次數(shù)有限。波音公司與NanoRacks聯(lián)合開發(fā)首個(gè)商業(yè)氣閘艙，對(duì)于國(guó)際空間站的商業(yè)開發(fā)具有顯著而重要的意義。NanoRacks公司CEO Jeffrey Manber表示，國(guó)際空間站正迎來(lái)一個(gè)新的時(shí)代，私營(yíng)機(jī)構(gòu)正在越來(lái)越多地加入，氣閘艙項(xiàng)目?jī)H僅是與波音公司合作的開始，未來(lái)將打開近地軌道上國(guó)際空間站的商業(yè)市場(chǎng)。

▲ NanoRacks研制的商業(yè)氣閘艙

五、結(jié)語(yǔ)

商業(yè)航天是航天技術(shù)應(yīng)用水平發(fā)展到一定階段和產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模的必然產(chǎn)物，國(guó)際空間站上商業(yè)航天的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，政府政策推動(dòng)與市場(chǎng)需求牽引在商業(yè)航天發(fā)展過程中起到了至關(guān)重要的作用。政府的扶持逐步釋放了商業(yè)航天的發(fā)展空間，鼓勵(lì)和促進(jìn)了商業(yè)航天的快速發(fā)展。而最終支持商業(yè)航天可持續(xù)良性發(fā)展的是持續(xù)穩(wěn)定的市場(chǎng)需求，是與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民大眾需求的緊密結(jié)合，保證企業(yè)可以按照市場(chǎng)規(guī)律發(fā)展商業(yè)航天產(chǎn)品和提供服務(wù)。

無(wú)論從傳統(tǒng)航天企業(yè)，還是新興航天公司的發(fā)展模式創(chuàng)新都可以看出，建立適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律的內(nèi)部機(jī)制和運(yùn)作模式是商業(yè)航天企業(yè)發(fā)展的根本。以市場(chǎng)需求、用戶需求為導(dǎo)向，以提升盈利能力為目標(biāo)，不斷關(guān)注市場(chǎng)對(duì)航天產(chǎn)品和技術(shù)需求的趨勢(shì)變化，根據(jù)不同用戶需求提供有針對(duì)性的產(chǎn)品和服務(wù)，注重創(chuàng)新發(fā)展理念和商業(yè)模式、開發(fā)和運(yùn)用新技術(shù)來(lái)降低成本和拓展市場(chǎng)。