美国开启载人航天商业时代

□ 黄志澄

美国航宇局（NASA）于当地时间2014年9月16日发布消息称，该局已经和波音和SpaceX两家公司签署了“商业载人运输能力合同。签署的合同共计价值68亿美元，两家公司分别获得42亿美元和26亿美元。美航宇局的这一决定，为开创载人航天的商业时代，走出了关键的一步。

美航宇局称，在载人飞行前，两家公司的飞行器必须通过安全测试。在通过飞行认证后，每家公司自2017年起，将承担2次～6次飞往国际空间站的载人运输任务。

波音公司称，合同意味着其将在佛罗里达的肯尼迪航天中心，建造3艘“商用载人运载系统（CST-100）”载人飞船。SpaceX首席执行官埃隆·马斯克在一份声明中表示，对于“龙”2飞船入选，他感到“深深的荣幸。”

美国在航天飞机2011年退役后，完全依靠俄罗斯的“联盟”飞船,将航天员送上国际空间站。这确实是美国载人航天计划中的一大失误，从而迫使美国采取“两条腿走路”来进行补救。由航宇局主导并由洛马公司研制的“猎户座”载人飞船，乘员舱直径约5米，总质量约25吨，是“阿波罗”飞船可使用空间的2.5倍，可搭乘4名机组人员，用以实现地球与火星或小行星之间的载人飞行计划。它也具有向国际空间站运送6名航天员的能力。虽然“猎户座”飞船，在今年要进行首次飞行试验，但由于它的任务众多，技术复杂，估计要到2021年才能实现首次载人飞行。这种严峻的形势“倒逼”美航宇局，只能大力鼓励私企进入载人航天领域，加快载人航天商业化的步伐。该局今后向国际空间站运送人员和货物的任务，将主要由商业航天公司来承担。

面向火星任务的“猎户座”飞船和SLS运载火箭

载人航天进入商业时代

商业化是人类航天事业发展到一定阶段的必然产物，它也必将成为航天事业空前繁荣和发展的新动力。从1961年苏联航天员加加林实现首次载人航天飞行以来，世界载人航天经过50多年，取得了举世公认的辉煌成就，但它始终停留在国家行为上。为了使载人航天能够充分发挥其经济效益，必须使载人航天逐步商业化。由于在地球低轨道的载人航天技术已经成熟，因此载人航天的商业化，必然从向地球低轨道运输货物和载人往返开始。

CST-100-载人飞船

CST-100的内舱布置

美国总统奥巴马在2010年4月的讲话和同年10月美国公布的《国家航天政策》中，明确了未来将由商业部门提供美国近地轨道载人和货物运输服务。这是美国载人航天有史以来最大的一次转型。由此，私营公司将成为研发制造航天运输系统的主力，NASA则扮演“甲方”的角色。因为私营航天公司管理机制灵活、高效，所以私企研制航天运输系统周期短，成本也较低。实际上，NASA早在2006年就启动了“商业轨道运输服务”（COTS）项目，它旨在为国际空间站发展商业补给服务。经过招标，NASA最终选择了两家创新能力强的私企，即太空探索技术公司（SpaceX）和轨道科学公司，运送货物到国际空间站。目前，这两家公司的飞船已经多次成功地向国际空间站运送了货物。

2010年年初，NASA又启动了“商业载人开发” (CCDev)计划,以鼓励私营公司研发可靠、高性价比的商业载人航天运输系统，接替航天飞机执行向国际空间站运输货物与人员的任务。NASA采用与COTS计划相似的方式，来执行CCDev计划。CCDev与COTS项目的重要区别，在于前者允许有经验的资深公司和现有为CCDev计划研发的火箭，都可以参与其中。COTS项目则聚焦于市场中的小型公司和新生力量。

2010年 2月 1日，NASA宣布了“第一轮商业载人开发项目”（CCDev1），以帮助有关公司进行早期设计和开发工作，突破关键技术，以研制出可替代美国航天飞机的天地往返运输系统。NASA向五家公司共注入5000万美元的启动资金。

在展览会上的CST-100-模型

2011年 4月 18日，NASA宣布了“第二轮商业载人开发项目”（CCDev2），波音公司因其CTS-100飞船获得了9230万美元；内华达山脉公司（SNC），因其“追梦者”航天飞机获得8000万美元；来自加州的SpaceX公司,因其“龙”飞船而获得了7500美元；来自华盛顿州的蓝源（Blue Origin）公司，因其垂直起降方案获得2200万美元。对此，美航宇局局长博尔登表示：“NASA计划利用美国企业的创造性到达近地轨道（LEO），从而使NASA可以将资源集中用于深空探测。从这个角度看，这些合同无疑是重要的里程碑。”后来，其中前三家公司进入了第三阶段，即“商业载人飞行能力整合”（CCiCap）阶段。

自2011年美国航天飞机退役后，美国航天员一直只能搭乘俄罗斯“联盟”飞船，往返于地面和国际空间站，通常每年要购买6个座位，现在每个座位涨到了7000万美元，随着美国和俄罗斯在乌克兰问题上的分歧不断深化，NASA可能面临俄罗斯因报复而中断合同的风险，同时也越来越担心使用“联盟”飞船运送美国航天员的安全性。因此，查尔斯·博尔登在9月16日的发布会上说：“今天的发布，开启了美国航宇局和载人航天史上最雄心勃勃和令人兴奋的新篇章。”“从一开始,奥巴马总统就已经说得很清楚，这个地球上最伟大的国家不应该依赖于其他任何国家进入太空……今天我们离从美国本土用美国航天器运载我们的航天员，更近了一步，我们将在2017年结束美国单一依赖俄罗斯的状态。”

各家方案的概况

由于美国国会批准的国际空间站的经费预算有限，因此，NASA只能支持两家甚至只能支持一家进行载人系统的研制。由此，NASA必须作出抉择，选定一家或两家继续进行研制。在这里，我们简单介绍一下上述各家公司提出的方案。

美国航空航天巨头波音公司的方案是发展“商用载人运输系统”（CST-100），其飞船名字中的数字100，代表离地面100千米，说明它专门执行从地面到近地轨道的短途运输任务。“CST-100”飞船高为5米，直径为4.65米，其构形与“阿波罗”和“猎户座”飞船很相似，并都是采用由乘员舱和服务舱组成的两舱方案，而其体积却处于它们两者的体积之间，能一次性搭载7名航天员。它在陆上降落，更换防热系统后可重复使用10次。

“CST-100”飞船的技术创新主要是舱内的环绕型天蓝色LED照明、广泛应用平板电脑技术、全船无焊接设计、现代结构以及升级版的热控技术等。波音公司声称它采用的一体化设计方法，降低了飞船整体质量，并加快了舱体的制造速度。2013年7月波音公司在地面完成了“CST-100”飞船的飞行状态测试。并争取在2015年进行首次飞行试验。

“CST-100”飞船设计以保障航天员完成前往空间站生活和工作为目标，因此，采用了自动驾驶技术，让航天员从繁复的飞船操纵中解脱出来。传统的载人飞船内部布满线路和按钮，而“CST-100”飞船的内部设计，充分发挥了波音公司长期设计商用飞机坐舱的优势，给人以干净整洁的感觉。此外，飞船还采用了航天员喜爱的大窗户设计和采用轻型塑料的舒适坐椅。按照设计，投入使用的“CST-100”，将由波音与洛马公司合资的“联合发射同盟（ULA）”开发的“宇宙神”5火箭送入太空。未来，波音公司还希望CST-100的服务范围，能扩大到商业空间站，比如毕格罗航空航天公司计划发射的可充气空间站等。

“龙”2载人飞船

2014年5月29日，美国SpaceX公司举行了第二代“龙”2飞船的发布会。载货的“龙”飞船高约6.1米，直径约3.7米。载人的“龙”2飞船的尺寸与此相当，并也用公司自己研制并正在不断改进的“猎鹰”9火箭来发射，可搭载7名航天员。

CST-100-飞船和国际空间站

马斯克在“龙”2飞船的模型中

“龙”2飞船的内舱布置

首先，“龙2”飞船在外形上与载货的第一代飞船有明显不同。它是一个非轴对称的较扁平的外形。它采用公司自行研制多年的4组8台天龙座火箭发动机，并呈X型分布在舱体两侧。采用这种外形，明显提高了再入时的升阻比，让航天员在再入时更舒服，并减小气动加热而便于重复使用。其次，“龙”2飞船采用了像直升飞机那样的定点降落方式。飞船利用上述天龙座发动机，可以在低空减速乃至悬停,并伸出4个支架降落在选定的任何地方。为了增加安全性，飞船也有备用的降落伞。特别巧妙的是这些发动机在上升段，还可以用于应急救生。这种设计突破了载人飞船习惯使用降落伞降落的传统，使得飞船在降落时更安全更舒适。无疑，这种降落方式，也更适宜在登陆火星时使用。再次，飞船将实现可重复使用。无需更换飞船上的任何部件，包括防热大底，只需要为其补充燃料，就可再次发射升空。据报道，主结构寿命很长，但防热系统只可使用10次，到时只需局部更换防热系统即可继续使用。因此，飞船具有更好的经济性。根据估算，“龙”2飞船每次飞行的成本在2000万美元左右。最后，飞船与国际空间站对接,采用了标准化的同构异体自动对接装置，确保飞船在空间站需要全员撤离时，能够自动解锁，不必像第一代“龙”飞船需要留下一名航天员，在空间站内操纵机械臂使飞船分离。对接机构被安置飞船的顶部锥形整流罩内,在对接前整流罩将整体开启。

“龙”2飞船使用了大量先进的制造工艺，操作系统是由4块可移动的液晶触控屏组成，操作更简便。推进系统的燃烧室，是利用金属激光烧结技术用3D打印而成，其总推力达到2.22万牛顿米，是第一代“龙”飞船的200倍。在太空中，飞船依靠船身上贴的太阳能板来供电。运货空间位于飞船尾部。如果不搭载航天员，也可转载等量的货物。

内华达山脉公司设计的“追梦者”航天飞机方案，采用了NASA多年研发的HL-20升力体构形。与美国的航天飞机一样，“追梦者”也是垂直起飞，水平着陆,但它改成装在“阿特拉斯5号”运载火箭的顶部来发射。由于它不需要携带大量货物，因此可载7名航天员的“追梦者”，要比航天飞机轻和小得多。它长9米，直径为7米，总重为11吨。“追梦者”的结构采用了大量最先进的复合材料。它的在轨动力采用两台推力可调的固体与液体混合的火箭发动机，推进剂采用端羟基聚丁二烯（HTPB，固体燃料）和一氧化二氮（氧化剂），它们都具有无毒易存储的特性。2013年10月26日，“追梦者”原型机在美国爱德华兹空军基地进行飞行测试。一架直升机将它吊至3810米左右的高度释放，“追梦者”随即启用自动控制系统，进行了近1分钟的飞行，堪称“完美”。然而在降落地面时，它的左起落架展开时出现异常，结果“追梦者”滑出了跑道，但“追梦者”的载人舱在事故中并没有受到损坏。

蓝色起源(Blue Origin)公司是由美国亚马逊网络公司的创始人杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)创建的航天技术公司。它首先致力于发展BE-3液氢火箭发动机，并将其用于它设计的垂直起降火箭来发射“新谢泼德”（New Shephard）载人飞船。BE-3发动机于2013年12月成功完成了其首次全寿命测试。由于这家公司的进度较慢，它在CCiCap阶段就已经淘汰出局。2014年9月，这家公司与ULA合作，将开发一款新的BE-4火箭发动机，以替代目前“宇宙神”5火箭使用的俄制RD-180发动机，这就大大增加了波音“CST-100”飞船的竞争力。

SpaceX有惊无险

SuperDraco火箭发动机

航空航天巨头波音公司在这次NASA决策前夕，凭着它的雄厚实力和丰富经验，似乎已稳操胜券。9月15日，美国多家媒体报道说，据一位政府官员透露，NASA领导层已经得出了初步结论：波音公司提交的载人飞船方案风险较小，最有可能在3年内把美国的航天员送入国际空间站。因此，波音公司可能击败规模较小的两家竞争对手，独家拿下NASA运送航天员的订单。但该官员也警告称，NASA局长博尔登可能会在最后时刻改变决定。

任何一个国家的航天决策，都不可能是单纯的技术决策，都离不开它的国内外的政治环境。波音公司是在美国国会有很大影响力的军工复合体的核心成员，一定程度上，NASA对它也惹不起。由于NASA将“猎户座”飞船的合同，授予了波音公司的老对手洛马公司，作为补偿，NASA就必然要支持波音公司研制“CTS-100”飞船。尽管“CTS-100”飞船的构形和“猎户座”飞船非常相似，而时间进度上又落后于“龙”飞船，但仍毫无意外地胜出。内华达山脉公司的“追梦者”航天飞机，在2013年首次飞行试验在降落时出了事故，进度明显落后；再加上波音公司在研制成功X-37B后，又提出了载人的X-37C方案作为备胎，NASA也不会再担心航天飞机技术从此失传。最后，这家公司还要依靠ULA的“宇宙神”5运载火箭来发射，而SpaceX公司的“龙”2载人飞船，却用由自己研制的“猎鹰9号”重型火箭来发射。综合上述因素，“追梦者”航天飞机就被淘汰出局。

追梦者航天飞机停靠在国际空间站的想象图

商用的充气空间站

SpaceX公司在这次竞标中却是有惊无险。说其惊是因为在开标前夕，媒体放风说，SpaceX已命悬一线，最终将取决于博尔登手中的关键一票。因此，在开标前马斯克自称一点也没有底。但最终的结果还是波音拿大头，SpaceX拿小头。这为何会有如此结果？作者认为有以下几个原因。首先，假若将SpaceX也淘汰，只剩下波音，那么就和NASA过去的大合同，总是在波音和洛马两家公司中选择毫无区别。这也基本上违背了奥巴马鼓励私营企业进入载人航天领域的初衷。其次“CTS-100”的运输费用明显高于“龙”2，只有保留SpaceX，才能在竞争中逐步降低“CTS-100”的运费。再次，“龙”2毕竟有垂直起降等创新点，应予扶植。最后，SpaceX背后，也有加州议员和硅谷精英的支持。展望未来，SpaceX仍然存在风险，特别是业内人士仍有人质疑“龙”2载人飞船的安全性。在这里，我们预祝这家富有创新精神的SpaceX公司，继续乘风破浪，克服困难，取得最后的成功！

结束语

美国载人航天商业化的浪潮，必将对世界载人航天活动产生深远的影响。载人航天商业化带来的技术创新和成本降低，也必将给我国载人航天的发展，提出严峻挑战。我国在载人航天的起步阶段，采用政府主导的体制是完全必要和合理的，但随着载人航天进入建设空间站的阶段，有必要进一步吸收民间资本和让更多私企参与进来；更关键的是要加快改革步伐，不断增强我国载人航天持续发展和自主创新的活力。