國際空間站美國太空國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營與管理研究

國際空間站（International Space Station，以下簡(jiǎn)稱ISS）是人類在近地軌道建造的第十個(gè)空間站，同時(shí)也是人類有史以來在近地軌道建造的最大飛行器。美國國家航空航天局（以下簡(jiǎn)稱NASA）、俄羅斯國家航天集團(tuán)公司（Roscosmo）、歐洲航天局（ESA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）、加拿大航天局（CSA）直接參與了國際空間站大型模塊的組裝和建設(shè)。自1993年以來，美國已投入上千億美元建造以及運(yùn)營國際空間站，每年投入30億—40億美元。

ISS作為太空實(shí)驗(yàn)室，能夠圍繞科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、教育活動(dòng)與推廣等任務(wù)開展一系列工作。它所處的獨(dú)特的微重力、輻射等太空環(huán)境也為商業(yè)公司的太空業(yè)務(wù)拓展提供了極大的便利。因此，如何有效提升國際空間站的資源利用率，如何開拓商業(yè)資源以從事更好的商業(yè)開發(fā)及利用成了主要問題。2005年，為了提升美國對(duì)國際空間站的利用率并吸引商業(yè)投資，美國國會(huì)指定國際空間站美國艙段的研究設(shè)施作為太空國家實(shí)驗(yàn)室（ISS National Laboratory，以下簡(jiǎn)稱ISSNL）。2011年，NASA選定空間科學(xué)促進(jìn)中心（Center for the Advancement of Science in Space，以下簡(jiǎn)稱CASIS）這一非營利組織正式管理ISS美國國家實(shí)驗(yàn)室，并將美國艙段的50%資源投入到太空國家實(shí)驗(yàn)室，以保障足夠數(shù)量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)得以開展。

一、NASA對(duì)于太空國家實(shí)驗(yàn)室的管理以及對(duì)CASIS的評(píng)估

（一）NASA發(fā)起并成立CASIS

2010年，NASA選擇了一家名為ProOrbis的管理科學(xué)商業(yè)公司開展了為期90天的獨(dú)立調(diào)查，該調(diào)查致力于開發(fā)管理ISSNL的組織框架并推動(dòng)美國政府對(duì)于ISS管理實(shí)現(xiàn)投資最大化的戰(zhàn)略。通過調(diào)研ISS獨(dú)特的空間環(huán)境以及系統(tǒng)存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)（上下行的限制、載荷的大小等），ProOrbis公司最終建議NASA通過合作協(xié)議（Cooperative Agreement，CA）委托一家非營利機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)國家實(shí)驗(yàn)室的管理。該機(jī)構(gòu)將承擔(dān)起籌措外部資金，推動(dòng)商業(yè)公司參與國際空間站項(xiàng)目，發(fā)展商業(yè)科技應(yīng)用、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)和產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益等任務(wù)。隨著2011年CASIS宣告正式成立，NASA就明確了CASIS的主責(zé)，即推廣、發(fā)展和管理ISSNL。在2017年的最新延長(zhǎng)協(xié)議中，NASA重新明確了CASIS需要完成的三大主責(zé)：①為ISSNL遴選項(xiàng)目；②幫助項(xiàng)目方完成載荷集成任務(wù)；③資助部分選中的項(xiàng)目。

（二）NASA對(duì)于CASIS的整體預(yù)期

自從2011年國際空間站建造完成以來，NASA旋即提出了發(fā)展近地軌道商業(yè)經(jīng)濟(jì)的任務(wù)。而這一任務(wù)的實(shí)施主體則交給了CASIS。除此以外，NASA為CASIS制定了九項(xiàng)具體的任務(wù)規(guī)劃。[1]具體任務(wù)見下：研究路徑。CASIS需要明確每個(gè)方向的研究路徑。①編制太空國家實(shí)驗(yàn)室的研究方向；②評(píng)估微重力環(huán)境下該研究方向的科學(xué)意義和工程可實(shí)現(xiàn)性；③提供研究項(xiàng)目申請(qǐng)機(jī)會(huì)；④繪制研究路徑圖。

STEM教育項(xiàng)目?？破战逃荂ASIS工作的重點(diǎn)。CASIS需要持續(xù)推動(dòng)太空國家實(shí)驗(yàn)室STEM教育的關(guān)注度并增加STEM相關(guān)的教育類實(shí)驗(yàn)。

研究經(jīng)費(fèi)分配與研究項(xiàng)目平衡。CASIS每年需要至少頒發(fā)300萬美元的研究經(jīng)費(fèi)。此外，CASIS須實(shí)現(xiàn)在ISSNL上開展理論研究、基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究的平衡。

研究項(xiàng)目招募。通過各類宣傳，激發(fā)廣大研究人員以及研究實(shí)體使用太空國家實(shí)驗(yàn)室的興趣。

將研究項(xiàng)目與投資者匹配。建立研究投資主體與研究人員的匹配機(jī)制。

選擇“執(zhí)行伙伴”（implementation partner）。由于研究人員大多沒有太空開展研究的經(jīng)驗(yàn)，CASIS需要和商業(yè)執(zhí)行伙伴合作為研究人員提供專業(yè)服務(wù)，以幫助他們?cè)贗SS上開展實(shí)驗(yàn)，并將地面研究的實(shí)驗(yàn)樣品盡快轉(zhuǎn)化為待上行開展研究的載荷。

籌款。根據(jù)早先和NASA的合作協(xié)議，CASIS需要籌措到足夠的經(jīng)費(fèi)來匹配NASA每年1500萬美元的投入并且逐漸實(shí)現(xiàn)自給自足。

宇航員的工時(shí)分配。CASIS需要保證太空國家實(shí)驗(yàn)室的利用率，因此宇航員的工時(shí)分配仍然是主要的考核標(biāo)準(zhǔn)。

宣傳。CASIS需要與白宮、國會(huì)、媒體、教師、學(xué)生以及公眾等建立豐富的太空國家實(shí)驗(yàn)室推廣活動(dòng)。

（三）NASA對(duì)CASIS以及ISSNL的評(píng)估

NASA高度重視對(duì)ISSNL的管理以及運(yùn)營情況。2016—2017年，NASA督察長(zhǎng)辦公室對(duì)CASIS運(yùn)營開展了內(nèi)部評(píng)估，并于2018年發(fā)布了題為“NASA對(duì)于空間科學(xué)促進(jìn)中心的管理”（NASA＇sManagement of the center for the Advancement of Science in Space）的報(bào)告。[2]2019年，NASA委托外部獨(dú)立評(píng)審小組對(duì)太空國家實(shí)驗(yàn)室的未來發(fā)展以及近地軌道商業(yè)化的發(fā)展進(jìn)行了研究調(diào)查。這兩項(xiàng)報(bào)告肯定了CASIS管理太空國家實(shí)驗(yàn)室以及在近地軌道發(fā)展商業(yè)太空經(jīng)濟(jì)的努力，同時(shí)也指出在一些方面CASIS并沒有達(dá)到NASA的預(yù)期，例如CASIS存在研究和商業(yè)化側(cè)重優(yōu)先權(quán)歸屬定位不夠清晰、項(xiàng)目遴選模式落伍等問題。

二、CASIS對(duì)太空國家實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營以及管理情況

（一）ISSNL的可用資源以及CASIS主要關(guān)注的研究領(lǐng)域

國際空間站國家實(shí)驗(yàn)室是設(shè)置在近地軌道的一個(gè)國家級(jí)的研究平臺(tái)，它為各國科學(xué)家、企業(yè)家以及專業(yè)研究人員提供了獨(dú)一無二的科研平臺(tái)?？臻g站所提供的微重力環(huán)境和空間暴露設(shè)施，推動(dòng)人類對(duì)生命科學(xué)、物理科學(xué)、生物技術(shù)等眾多基礎(chǔ)領(lǐng)域開展研究，賦予人類認(rèn)識(shí)宇宙、探索宇宙的新路徑，開辟了增進(jìn)人類福祉的新方式。

ISSNL從創(chuàng)建伊始就吸引了各方的關(guān)注。然而，太空實(shí)驗(yàn)室能夠提供的資源是非常有限的。2005年，美國國會(huì)就通過法案明確了ISSNL的資源分配。[3]其中，50%的科學(xué)實(shí)驗(yàn)資源包含宇航員工時(shí)、研究設(shè)施、天地往返的貨運(yùn)飛船的有效載荷容量。（圖1）2015年，宇航員研究工時(shí)首次達(dá)到滿負(fù)荷。[4]這也在一定意義上說明CASIS在ISSNL的資源利用率方面不斷推進(jìn)。

CASIS主要投入的五大領(lǐng)域分布是教育和外延、基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)展示、應(yīng)用研究及發(fā)展，以及商業(yè)設(shè)施利用。具體見下[5]：

教育外延——提供世界級(jí)的教育項(xiàng)目，向公眾介紹ISSNL以及微重力環(huán)境下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，增加公眾的參與度。

基礎(chǔ)科學(xué)——支持微重力平臺(tái)開展圍繞基礎(chǔ)科學(xué)的自由探索研究。

技術(shù)展示——支持微重力平臺(tái)開展新技術(shù)研究。

應(yīng)用研究及發(fā)展——支持微重力環(huán)境下的原創(chuàng)性應(yīng)用研究與開發(fā)，特別是支持太空生產(chǎn)應(yīng)用方面的研究與開發(fā)。

商業(yè)設(shè)施利用——通過實(shí)驗(yàn)室商業(yè)運(yùn)營設(shè)施支持近地軌道的商業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

上述五大領(lǐng)域是CASIS進(jìn)行項(xiàng)目征集、遴選以及資源分配謀劃的主要領(lǐng)域。同時(shí)，NASA也根據(jù)這五大領(lǐng)域制定的指標(biāo)的完成情況來考核CASIS。

（二）CASIS的項(xiàng)目征集與遴選方案

國家實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目申請(qǐng)者通常來自學(xué)術(shù)界、商業(yè)界和一些政府機(jī)構(gòu)。根據(jù)NASA對(duì)CASIS發(fā)展近地軌道商業(yè)化的要求，來自商業(yè)界的申請(qǐng)者將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)。當(dāng)前CASIS的項(xiàng)目征集方案主要有兩種。第一種是一般審核路徑，該路徑由CASIS主導(dǎo)，內(nèi)部專家結(jié)合外部專家一同完成項(xiàng)目審核評(píng)估，并給出相應(yīng)的評(píng)審意見。第二種是快速路徑，由CASIS合作的執(zhí)行伙伴主導(dǎo)完成。執(zhí)行伙伴下屬的商業(yè)服務(wù)提供商根據(jù)CASIS設(shè)定的ISSNL資源以及上下行需求完成項(xiàng)目審核，繼而再由CASIS統(tǒng)一審定最終入圍的項(xiàng)目，并完成上下行的資源分配。（圖2）

（三）CASIS運(yùn)營管理亮點(diǎn)

自2011年運(yùn)營以來，關(guān)于CASIS運(yùn)營管理的評(píng)價(jià)就存在爭(zhēng)議。需要指出的是，NASA對(duì)于CASIS的信任度和認(rèn)同度卻一直沒有降低。2017年，NASA與CASIS完成續(xù)約，將本于2020年到期的合同提前3年延期至2024年。從長(zhǎng)期的運(yùn)營情況看，CASIS的表現(xiàn)瑕不掩瑜。在不斷吸納外部資金、緊密地和執(zhí)行搭檔合作、大力發(fā)展教育項(xiàng)目等方面均有不俗表現(xiàn)。具體如下：

1.外部資金吸納表現(xiàn)。以2023財(cái)年為例，CASIS吸納了2650萬美元非NASA來源的外部經(jīng)費(fèi)來支持由ISSNL發(fā)起的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。相較2022財(cái)年，資助金額增幅高達(dá)44%。[6]外部資金資助的提升有力保障了ISSNL的項(xiàng)目進(jìn)展，對(duì)發(fā)展可持續(xù)的近地軌道商業(yè)經(jīng)濟(jì)意義重大。

2.和執(zhí)行搭檔緊密合作。由商業(yè)公司擔(dān)任執(zhí)行搭檔是ISSNL項(xiàng)目執(zhí)行的關(guān)鍵一環(huán)，用商業(yè)公司運(yùn)營的方式自主推動(dòng)商業(yè)項(xiàng)目的遴選以及載荷的集成、裝配是CASIS工作的一大創(chuàng)舉。CASIS賦予了執(zhí)行搭檔很多自主權(quán)，而這種特殊的合作方式大大縮短了項(xiàng)目從遴選到立項(xiàng)的時(shí)間，也縮短了載荷上天開展實(shí)驗(yàn)的等待時(shí)間。

3.通過太空教育項(xiàng)目推動(dòng)大眾科普。激勵(lì)未來的太空產(chǎn)業(yè)相關(guān)就業(yè)人群以及在大、中、小學(xué)生中推廣科普知識(shí)是ISSNL的中心任務(wù)之一。隨著CASIS推動(dòng)的太空商業(yè)項(xiàng)目增多，這項(xiàng)工作受益的人群也越來越廣泛。以2023年為例，超過2500萬人使用了ISSNL的網(wǎng)上教育產(chǎn)品。超過1000萬人參加了ISSNL的25個(gè)教育相關(guān)的科研項(xiàng)目。教育項(xiàng)目對(duì)于國際空間站成果的傳播、激發(fā)青年一代參與科學(xué)創(chuàng)新工作有著舉足輕重的意義。

三、美國太空國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營與管理經(jīng)驗(yàn)啟示

截至2024年，國際空間站美國太空國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)運(yùn)營了近20年，隨著CASIS從2011年開始管理實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營，實(shí)驗(yàn)室的定位不斷清晰完善并逐步走向正軌。在商業(yè)科學(xué)項(xiàng)目征集、科學(xué)應(yīng)用成果、發(fā)展近地軌道的商業(yè)經(jīng)濟(jì)等方面取得了一系列成績(jī)。美國的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國國家太空實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營與管理具有一定的借鑒意義。

（一）建立太空國家實(shí)驗(yàn)室多元評(píng)價(jià)體系

客觀來說，NASA對(duì)太空國家實(shí)驗(yàn)室的評(píng)估是定量和定性數(shù)據(jù)結(jié)合，外部獨(dú)立評(píng)估和內(nèi)部評(píng)估兼具，周期性評(píng)估和季報(bào)、年報(bào)審核結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方式。自2011年以來，從一開始的部分不及預(yù)期到現(xiàn)今的達(dá)到甚至超過NASA的預(yù)期；從提高ISSNL的（商業(yè)）科學(xué)實(shí)驗(yàn)資源利用率到大力發(fā)展近地軌道商業(yè)化；從完全依賴NASA經(jīng)費(fèi)運(yùn)營到吸納超過年運(yùn)營經(jīng)費(fèi)額度的外部經(jīng)費(fèi)支持商業(yè)研究項(xiàng)目，CASIS在美國太空國家實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營與管理方面取得了一定的成功。盡管如此，外界對(duì)CASIS的評(píng)價(jià)卻一直莫衷一是、褒貶不一。這也意味著只有更加全面、有效的評(píng)估方式介入，才有可能獲得更趨于客觀的評(píng)價(jià)。人工智能大模型的崛起為客觀評(píng)價(jià)的獲取提供了一種可能。大模型通過提示工程方法（Prompt Engineering）訓(xùn)練豐富的數(shù)據(jù)，使自身成為強(qiáng)大的知識(shí)檢索器。未來，利用大模型加強(qiáng)對(duì)太空國家實(shí)驗(yàn)室的政策分析以及對(duì)公眾認(rèn)知等第三方數(shù)據(jù)的訓(xùn)練或可得到更加客觀、公正的評(píng)價(jià)。這對(duì)于建立多元評(píng)價(jià)體系具有積極的參考意義。

（二）夯實(shí)以近地軌道商業(yè)化推動(dòng)科技創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)

截至2023年，ISSNL已將700余載荷送入國際空間站開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。商業(yè)公司由于預(yù)算、營利等客觀條件限制，只有不斷創(chuàng)新開發(fā)出新產(chǎn)品，才能夠占據(jù)市場(chǎng)，滿足消費(fèi)者需求，實(shí)現(xiàn)公司可持續(xù)發(fā)展。商業(yè)公司也因此成為科技創(chuàng)新的主體。美國太空國家實(shí)驗(yàn)室作為商業(yè)孵化器，對(duì)于拓展國際空間站的設(shè)施，發(fā)展近地軌道的商業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出、推動(dòng)商業(yè)公司提升科技創(chuàng)新能力、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)、提高經(jīng)濟(jì)效益都有積極作用。與此同時(shí)，由商業(yè)公司承擔(dān)的載荷研制可以減少財(cái)政支出，從而將更多的經(jīng)費(fèi)投入深空探測(cè)，對(duì)于人類探索宇宙、發(fā)掘更多宇宙的奧秘大有裨益。

（三）項(xiàng)目遴選注重商業(yè)化、小微化、自主化、快速化

推動(dòng)近地軌道商業(yè)化是CASIS的中心任務(wù)。因此，CASIS自創(chuàng)立伊始就不遺余力地推動(dòng)太空國家實(shí)驗(yàn)室的商業(yè)化進(jìn)程。以2023財(cái)年為例，當(dāng)年80%的實(shí)驗(yàn)載荷來自商業(yè)企業(yè)，而來自私營部門的2050萬美元的支持經(jīng)費(fèi)更是超過了CASIS當(dāng)年的運(yùn)營經(jīng)費(fèi)。[7]近地軌道商業(yè)化的重要標(biāo)志就是各種規(guī)模的企業(yè)都能參與其中，因此NASA希望CASIS邀請(qǐng)更多的小微企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)作為執(zhí)行伙伴參與到近地軌道的經(jīng)濟(jì)圈中。[8]從項(xiàng)目實(shí)施情況來看，CASIS也正在朝著這一目標(biāo)積極努力。此外，由于CASIS把更多的項(xiàng)目遴選自主權(quán)交給了獨(dú)立執(zhí)行伙伴，這使得平均立項(xiàng)時(shí)間控制在63天內(nèi)，而由獨(dú)立執(zhí)行伙伴推薦的項(xiàng)目申請(qǐng)書，CASIS批準(zhǔn)了393項(xiàng)，拒絕了5項(xiàng)[9]，通過率接近99%。由此可見，CASIS在項(xiàng)目遴選方面做到了充分信任、快速立項(xiàng)、企業(yè)類型全覆蓋，推動(dòng)近地軌道商業(yè)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展。

注釋：

[1]NASA Office of Inspector General.NASA＇s Management of the Center for the Advancement of Science in Space，2018.

[2]同[1]。

[3]U.S. Government Accountability Office. International Space Station： Opportunities Exist to Improve Communication with National Laboratory Users，2022.

[4]NASA.A Strategy for the Future of the International Space Station （ISS） National Laboratory （ISSNL） and Commercial Low-Earth Orbit （LEO） Development，2020.

[5]同[3]。

[6]ISS National Laboratory.International Space Station National Laboratory Annual Report for Fiscal Year 2023，2023.

[7]同[6]。

[8]同[1]。

[9]同[3]。

（作者為中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心助理研究員）

責(zé)任編輯：馬莉莎