投身商業(yè)大潮，歐洲貨運飛船迎來新機遇

文/張晨

2023年5月，歐空局提出了“商業(yè)貨物運輸計劃”（CCTI），旨在為國際空間站和未來的商業(yè)空間站提供高效率、低成本的貨運服務。顯然，CCTI主要對標美國宇航局的“商業(yè)軌道運輸服務計劃”，而美國這項計劃堪稱太空探索技術公司“崛起之源”，因此外界認為，歐空局可能也想借助CCTI培育商業(yè)航天力量發(fā)展。

▲ 貨運飛船返回艙再入大氣層想象圖

▲ 歐洲新型貨運飛船對接國際空間站想象圖

限制更嚴要求高

歐空局為CCTI劃分了3個階段，向20個成員國和其他國家廣泛征集方案，從參與投標的航天企業(yè)中預選出4家。隨后，歐空局將在2023年9月～2024年6月實施CCTI的1-1階段，從投標企業(yè)中選出2家中標者，并提供200萬歐元作為穩(wěn)定支持資金，確保中標者完成CCTI貨運飛船演示任務的初步設計。

接下來，進入CCTI的1-2階段，預計持續(xù)到2025年12月，歐空局將輔助中標者進行深化設計，攻克技術難關，進一步鞏固其資金鏈安全。

之后，進入CCTI的第二階段，目標是在2028年12月前發(fā)射演示飛船。歐空局在此階段不僅會支持第一階段的中標者發(fā)射演示飛船，還會采購其他公司的飛船，前提是這些“幸運兒”在CCTI第一階段未中標，但仍自行研發(fā)貨運飛船。

根據(jù)CCTI要求，發(fā)射服務方需要將2噸加壓貨物運輸至近地軌道上的國際空間站和未來商業(yè)低軌目的地（一般理解為商業(yè)空間站），并在2028年將1噸加壓貨物下行到地球，不限制飛船大小。如果發(fā)射服務方滿足了CCTI的要求，歐空局將與其簽訂后續(xù)合同。

值得注意的是，歐空局將為CCTI的演示任務提供資金和技術支持，但僅支持貨運飛船研制和飛行的部分開支。而且，歐空局要求中標者公布貨運飛船的研制計劃和項目進展節(jié)點，選定適合自身技術水平的研發(fā)路線，包括每個階段的研發(fā)內(nèi)容和預算、涉及技術轉(zhuǎn)讓等。

歐空局雖然向中標者提供了絕對的自主權，但不會放任自流，反而會深入?yún)⑴c每個項目，了解開發(fā)情況，評估其技術優(yōu)勢和第三方經(jīng)費是否充裕，確保項目不會采用過激技術而導致超支或拖延。歐空局還表示，對CCTI每個階段提供的資金額度是固定的，如果產(chǎn)生任何超支情況，均由中標者自行負擔；如果中標者未完成某個節(jié)點，歐空局有權撤回所有支持。

▲ 貨運飛船奔向預定軌道示意圖

這樣看來，CCTI的商業(yè)限制比美國宇航局的“商業(yè)軌道運輸服務計劃”更加嚴格。當初，軌道科學公司研發(fā)新型火箭遇到了技術問題，直接向美國宇航局申請推遲1年發(fā)射。而CCTI不容忍任何明顯的項目進度推遲，為此甘愿放棄可能過于激進的新技術，這就對參與競爭者的初始技術水平提出了較高的要求。

投標方案大比拼

盡管CCTI的限制不少，但利潤前景可觀，因此吸引了不少商業(yè)航天公司參與競爭，一些方案頗有亮點。

奧格斯堡火箭工廠（簡稱RFA公司）提交了Argo商業(yè)貨運飛船的概念方案。Argo命名源自古希臘神話中的亞爾古舟，英雄乘坐這艘船尋找到了稀世之寶金羊毛。此外，Argo也可以指代南船座。

▲ Argo貨運飛船設計具備加壓艙和重啟式返回艙

Argo商業(yè)貨運飛船采用不銹鋼船體以降低成本，可攜帶3.4噸貨物至近地軌道，擁有13立方米加壓空間，其最明顯的特征是采用了柔性充氣隔熱盾的可返回式貨艙。飛船配置推進系統(tǒng)，具備自主接近空間站并實施對接的能力，遵循西方航天器通用的對接適配器標準。

RFA公司躊躇滿志地稱，該飛船不僅有望恢復歐洲空間貨物運輸能力，還具備強大的下行能力，是“歐洲航天的游戲規(guī)則改變者”。雖然該公司正在研制RFA One小火箭，但這款火箭無法發(fā)射Argo商業(yè)貨運飛船。RFA表示，該飛船沒使用和火箭一體化設計，因此可以搭載其他國家或組織的火箭發(fā)射。

▲ Nyx貨運飛船設計采用常規(guī)兩艙布局和貼片式太陽能電池板

▲ 美國公理航天公司規(guī)劃的商業(yè)空間站想象圖

2021年成立的探索公司提出了Nyx商業(yè)貨運飛船方案。Nyx是古希臘神話中黑夜女神的名字。

這款飛船使用模塊化設計，包括錐形返回艙和服務艙，可攜帶4噸貨物前往近地軌道，工作6個月左右，還能將2.5噸加壓貨物和100千克非加壓貨物送回地面，甚至服務艙可以掛運1.4噸載荷。飛船首飛計劃攜帶300千克載荷，而未來業(yè)務成本預計為15000歐元/千克。

按探索公司的原計劃，阿里安6火箭首飛時，將攜帶質(zhì)量約40千克的比基尼號再入返回演示器。但阿里安6火箭進度延遲，這個演示器將在2024年9月改由印度PSLV火箭發(fā)射。探索公司計劃在2027年完成CCTI的演示飛船貨運任務。

▲ SUSIE軌道器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

除了投標歐空局的商業(yè)貨運計劃外，探索公司還在2023年9月和美國公理航天公司簽訂合同，爭取在2025年達到任務節(jié)點。這很可能是曾計劃于2024年第四季度發(fā)射的一個更大的再入返回演示器。按合同約定，自2027年第四季度起，Nyx商業(yè)貨運飛船將向美國公理航天公司帶頭籌建的商業(yè)空間站提供補給，而該公司2/3訂單來自商業(yè)空間站項目。按設計，Nyx商業(yè)貨運飛船可以方便地兼容多國運載火箭，甚至不排除未來改為載人飛船。

2022年，阿里安集團提出了SUSIE“革命性創(chuàng)新智能上面級”概念方案，本質(zhì)上是一種多用途可復用軌道器，同樣參與了CCTI競標。

SUSIE軌道器使用體襟翼作為再入段的氣動控制舵面，繼承了早期赫爾墨斯航天飛機設計方案的“技術基因”。此外，SUSIE軌道器將采用垂直反推著陸技術。歐空局研究認為，相比降落傘，這種模式可以降低失效概率。由于不需要跑道來滑翔降落，該軌道器并未配置大翼面，似乎具備了“星艦”的某些技術特點。

SUSIE軌道器計劃由阿里安6火箭送入預定軌道，重達25噸，擁有40立方米加壓空間，可搭載7噸貨物或5名航天員，也考慮到了經(jīng)濟性指標。未來，它有可能搭配新型火箭，實現(xiàn)更高比例的回收復用。不過，由于阿里安6火箭不支持復用，加上SUSIE軌道器的結(jié)構(gòu)較復雜，下行質(zhì)量偏小，很可能不符合CCTI的規(guī)范要求。對此，阿里安集團準備發(fā)展更大的運輸航天器。

重現(xiàn)輝煌有難度

▲ “生不逢時”的ATV貨運飛船

過去，歐空局曾擁有頂級貨運飛船，那就是ATV“自動轉(zhuǎn)移飛行器”。該飛船在1998年開始研制，克服了阿里安5火箭故障、飛船軟件重寫等不利因素后，2008年成功首飛。當時，ATV是航天史上最大的貨運飛船，發(fā)射質(zhì)量達20.75噸，可攜帶7667千克加壓貨物前往國際空間站，并擁有48立方米加壓空間。除了運貨外，ATV還負責將國際空間站從340千米高的組裝軌道提升至400千米高的工作軌道，展示了強悍的能力。不過，ATV需要使用特定的對接口，無法使用容納標準機柜的對接口，導致大件貨物運輸能力很差，而當時國際空間站對較小的散件貨物需求不大，導致ATV的運載需求受到了限制。最終，ATV僅入軌飛行5次，2015年執(zhí)行了最后一次任務。

▲ “太空騎士”入軌想象圖

2022年，阿里安集團推出了綽號“太空騎士”的小型可重復使用航天器方案，采用升力體和體襟翼來減少包絡尺寸。該航天器計劃采用織女星-C火箭發(fā)射，還與該火箭第四級形成了一體化設計。雖然“太空騎士”不適合為空間站提供大規(guī)模貨運服務，但可以作為任務持續(xù)數(shù)月的太空試驗平臺。

盡管技術積累不少，新方案頗具亮點，但談到CCTI的發(fā)展前景，恐怕不能忽視歐空局的現(xiàn)狀及未來規(guī)劃。當前，歐空局處于“深低谷期”：阿里安5火箭已退役；阿里安6火箭首飛一再推遲，商業(yè)發(fā)射訂單已被競爭對手搶走了很多；織女星-C火箭處于更換部件、重新測試、排除故障的漫長過程中；早期型織女星火箭依靠庫存發(fā)射，顯得“獨木難支”；至于被寄予厚望的“阿里安”Next，仍處于漫長的完善設計、驗證測試過程中，涉及各參與國的利益分配爭奪，參考以往項目經(jīng)驗，成功不易。在這種形勢下，歐空局力推CCTI，很可能是為了效仿美國，另辟蹊徑，嘗試培養(yǎng)商業(yè)化軌道發(fā)射投送能力。

外界認為，盡管CCTI獲得歐空局大力倡導，投標響應者不少，但對這個項目的前景不宜過于樂觀。太空探索技術公司的獵鷹系列火箭和龍系列飛船雖然為追隨者指明了方向，但其成就建立在美國宇航局從技術、資金、政治等多方面提供支持的基礎上，歐空局很難提供這么大的幫助。美國早年一系列宏偉的航天項目也培育了深厚的航天技術儲備和眾多航天產(chǎn)業(yè)鏈供應商，歐洲同樣無法相比。所以，CCTI的競標方案能否滿足指標要求，目前仍不確定。

其實，拋開歐洲航天的內(nèi)部問題不談，從國際市場需求的角度來看，CCTI就面臨不小的挑戰(zhàn)。CCTI的目標是向國際空間站和未來商業(yè)空間站提供運輸服務，但國際空間站主要由美國和俄羅斯的艙段組成，兩國都擁有強大的航天運輸保障能力，而歐空局僅有1個實驗艙，在國際空間站運營和資源分配中缺乏話語權，那么CCTI收獲大量國際空間站運輸訂單的希望相當渺茫，也就難以大規(guī)模提升歐洲航天運輸能力，更不用說新飛船、新火箭服役初期成本不占優(yōu)勢了。

▲ Nyx貨運飛船等計劃執(zhí)行探月任務

至于商業(yè)空間站，雖然探索公司和美國公理航天公司簽訂了合同，但美國公理航天公司規(guī)劃的商業(yè)空間站規(guī)模有限，對貨運飛船的需求不會太大。何況這家公司與太空探索技術公司長期密切合作，提供商業(yè)載人航天服務，很難再給予歐洲企業(yè)太多支持。

此外，歐空局或許希望借助西方多國合作的繞月空間站項目，提高航天貨運能力。但這個繞月空間站在規(guī)劃上不要求航天員長期駐留，貨物需求相對有限，加上已有日本HTV-XG貨運飛船和美國龍-XL貨運飛船參與競爭，留給歐洲貨運飛船的發(fā)揮空間似乎不大。因此，歐空局必須持續(xù)補貼商業(yè)航天公司，支持到繞月空間站的航天運輸需求充分釋放之時。

總體來看，CCTI是歐洲航天借鑒美國宇航局發(fā)展路徑的大膽嘗試，有望促進更廣泛的社會力量投入航天領域，加速商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術進步。但受限于多方面因素，該項目本身可能無法達成預定目標，需要歐空局更多支持，努力拓展市場。