美国商业载人发射合同“ 花落” 波音和太空探索技术公司

2015-07-11郭筱曦张蕊北京空间科技信息研究所

国际太空 2015年1期

郭筱曦　张蕊（北京空间科技信息研究所）

郭筱曦张蕊（北京空间科技信息研究所）

美国2017年将开启载人运输的“商业飞船时代”

经过4年的研制与试验、角逐与等待，美国航空航天局（NASA）于2014年9月16日敲定，由商业航天公司—波音公司和太空探索技术（SpaceX）公司共同为其执行“国际空间站”（ISS）载人运输任务。如果一切按计划进行，美国航空航天局将减少或彻底终结对俄罗斯载人发射服务的依赖。首次载人验证飞行任务将于2017年进行。

1　合同背景

自载人航天活动开展以来，美国一直依靠联邦机构—美国航空航天局发射航天员到达近地轨道和月球。此次合同的授出标志着，自航天飞机退役6年之后美国将重获本土载人航天发射能力；也标志着自阿波罗计划结束45年之后，美国将开启“商业飞船时代”。

商业载人和货运计划是2003年哥伦比亚号航天飞机再入损毁事故的直接结果。警醒于灾难，于是小布什政府在2004年命令美国航空航天局在2010年前完成空间站建造并退役航天飞机，该局的任务是研制新火箭和新航天器以期重返月球；随后提出“星座”计划执行这些指示，开始研制能发射月球着陆器和居住舱的土星-5级别超重型火箭，以及能载人发射月球或空间站任务的小型火箭。

奥巴马政府上台后却戏剧性地下令改变路线，决定放弃“星座”计划并绕过月球，转而支持需要两个系列火箭和航天器的“灵活路径”架构，去实现两个非常不一致的目标。美国航空航天局现已将“星座”计划的核心部分重整为“猎户座”（Orion）飞船/“航天发射系统”（SLS）计划—将该局载人发射能力业已存在的3～4年的差距拉长至近6年。

到了2011年，美国航天界才真正体会到“进退维谷”。航天飞机曾是美国载人航天的“旗帜”，1981-2011年主宰近地轨道30年。5架航天飞机在30年的职业生涯中，共执行135次飞行任务（一次发射失败损毁，一次再入失败损毁），飞行总行程近8.7×107km，把16个国家的355名航天员送往太空，并运送了1360余吨货物。航天飞机一退役，美国就不再具备载人天地往返能力。受此影响最大的莫过于美国对“国际空间站”的货物补给和乘员轮换，在过去3年中，美国只能依靠俄罗斯“联盟”系列飞船进行载人天地往返。“联盟”飞船是高度可靠、安全、经验丰富的载人航天器，远超任何其他现役航天器。但站在美国的立场看，这并非理想且非常昂贵，俄罗斯按座位向美国收取高额费用，最新价格高达7600万美元。

在航天飞机临近退役之际，美国航空航天局启动了商业乘员计划，以鼓励私人企业负责设计、建造并运行可到达近地轨道的载人运输系统，而该局只需要为政府航天员支付运送费用。这样做的目的是吸引越来越多的私营机构参与其中，使近地轨道载人探索活动更加便利，成本更低，同时加速技术革新的步伐。

第一轮“商业乘员开发”（CCDev）于2010年2月启动，目标是完成系统方案制定和关键技术研发。美国航空航天局通过“空间行动协议”（SAA）授予蓝源公司、波音公司、帕拉根太空研发公司、内华达山脉公司（SNC）和联合发射联盟（ULA）公司等5家公司共5000万美元的合同。

第二轮“商业乘员开发”于2010年10月启动，主要开展航天器和运载火箭的设计及成熟度研究。该局在2011年4月向包括太空探索技术公司在内的4家公司授出3.162亿美元的合同。

第三轮“商业乘员开发”于2012年2月启动，后改称“商业乘员综合能力”（CCiCap）计划，完成商业乘员运输系统的综合设计，包括航天器、运载火箭、地面运行和任务控制。该局在2012年8月向太空探索技术、波音和内华达山脉公司授出合同，用于继续研制和测试。

美国航空航天局在2013年7月发布“商业乘员运输能力”（CCtCap）合同建议书征求草拟文件。其联邦采购条例（FAR）合同构成了第四轮也是最后一轮“商业乘员开发”计划。与此前不同的是，商业供应商在前几轮计划中根据美国航空航天局合同要求测试已开发的技术，在“商业乘员运输能力”阶段则是与该局工作人员组建联合测试团队（JTT），运作方式更接近该局传统的采购方法，借此监督部分设计选择。这一轮的主要参与者包括太空探索技术、波音、内华达山脉和蓝源4家公司，其中蓝源公司未获该局资助。

2　合同主要内容

“商业乘员运输能力”合同旨在完成美国航空航天局对商业载人空间运输系统的认证，作用等同于认证货物补给任务的“商业轨道运输服务”（COTS）合同。最终，太空探索技术和波音在2014年9月16日中标，分别获得价值68亿美元的固定价格合同：前者将获得26亿美元，后者将获得42亿美元。

依照该合同，波音和太空探索技术公司被要求通过严格的认证过程，各包括5个认证里程碑：①认证基线评审；②设计认证评审；③试飞就绪评审；④运行就绪评审；⑤认证评审。每家公司都将根据实现认证里程碑和其他关键里程碑的情况获得支付。

作为认证过程的一部分，每家公司的合同包括至少一次空间站载人验证任务，以验证完全集成的火箭和航天器系统可以发射、在轨机动、与空间站对接，并确认所有系统达到预期性能。波音公司期望在2017年中完成载人验证飞行。有消息称太空探索技术公司计划早于波音公司完成载人验证飞行。每次验证飞行乘组都将至少有1名美国航空航天局的航天员。

试飞计划成功完成且其系统通过该局认证后，每家公司将进行至少2次、可能多至6次往返空间站的载人任务。全部飞行都包含在这份合同中，将来任何除此以外的飞行可能会签订后续合同。

这两家公司将拥有并运营他们所建造的乘员运输系统，也能够向除美国航空航天局以外的其他用户出售载人空间运输服务，从而降低所有用户的成本。

乘员航天运输-100飞船在轨飞行示意图

3　几家欢喜几家忧

这样的选择体现出旧与新的融合：波音公司是有几十年历史的宇航龙头企业，而太空探索技术公司由伊隆·马斯克创立不过短短12年。两家公司分别建造乘员航天运输-100（CST-100）飞船和“龙”（Dragon）飞船，都是额定承载7人的可重复使用航天器，都将从肯尼迪航天中心发射。很多航天业内人士认为太空探索技术公司会提供最便宜的备选方案和更具创新性的设计，而波音公司将基于历史经验提供最可靠的服务。

在任何行业中，竞争都是好事情，航天也不例外，但这就意味着必须要有输家——内华达山脉公司研制的“追梦者”（Dream Chaser）航天飞机和蓝源公司研制的名为“空间飞行器”（Space Vehicle）的圆锥体太空船双双落选。

波音公司：宇航龙头

（1）乘员航天运输-100飞船

乘员航天运输-100这一名字脱胎于“乘员航天运输”和100km（传统意义上标志外太空最低的高度边界）。该飞船将由联合发射联盟公司的宇宙神-5火箭发射，宇宙神-5火箭当前采用的是俄制RD-180发动机，之后会被换掉。联合发射联盟公司则是波音与洛马合资的公司。

波音公司在该飞船中融入了很多“波音元素”，即借鉴了其建造商业客机的经验，连波音高层都说，从商业航空到商业航天，几乎就是历史重演。航天器内部比以前的飞船更具用户友好性，乘员航天运输-100的控制面板不到1m宽，上面没有很多按钮开关。采用的波音发光二极管（LED）“天空照明”技术，与波音787“梦幻客机”所用的技术相似，用蓝色调营造出天空效果，让乘员舱感觉上更加宽敞。无线互联网将支持通信和对接操作。

（2）传承和开拓

波音公司是全球最大的航空航天业公司，旗下有4家业务集团，其中综合防务系统集团是美国航空航天局最大的承包商，为全球的国防、政府和商业用户提供大规模、系统的“端对端”的服务。

波音目前还没有造出一艘可用于飞行的乘员航天运输-100飞船。公司高层表示他们将依托“商业乘员运输能力”的资金继续推进建造，正加快步伐建造3艘飞行样机，每艘都能进行10次轨道飞行，用于满足“商业乘员运输能力”对于认证和常规载人飞行的要求。波音既已获得认证，相关操作很快将移至肯尼迪航天中心（KSC）进行。

波音公司已与官方机构太空佛罗里达（Space Florida）合作租下位于肯尼迪航天中心的原航天飞机的轨道器加工厂第3车间，对其进行现代化改造[现称 “商业载人和货运加工厂”（C3PF）]，为乘员航天运输-100的高效制造、组装和试验提供良好环境。波音公司旨在把这里打造为世界级的制造工厂，建筑面积约4600m2，最多可同时加工6艘乘员航天运输-100。

载人型“龙”飞船在轨飞行示意图

太空探索技术公司：行业新秀

（1）第二代“龙”飞船

2014年5月29日，太空探索技术公司举行了第二代“龙”飞船（Dragon V2，即载人型“龙”飞船）的发布会。该公司称此次发布的改进型飞船将成为有史以来最安全、最可靠的载人航天器。

载人型“龙”飞船仍用猎鹰-9（Folcon-9）火箭发射，采用圆锥形外观，最多可搭载7名乘员或可人、货混装。首创的发射逃逸系统将在乘员从进入飞船到入轨的全过程中提供逃逸能力。该系统还能让飞船在地球或其他行星表面以直升飞机的精度推进式着陆。此外还为飞船加装了4条可伸缩的冲击减震着陆支腿，并保留降落伞备份着陆功能。着陆后，飞船可补加燃料并飞行多次。飞船内部一共有7个褐色真皮座椅，上层4个，下层3个，其操控台由4块很大的触控屏组成。马斯克说，这些设计与他的特斯拉电动汽车内部设计很相似。如果触控屏出现故障，所有功能都可通过硬件控制来实现。

包括美国载货型“龙”飞船、“天鹅座”飞船和日本“H-2转移飞行器”（HTV）在内的航天器都采用“停靠”这种非自主方式与“国际空间站”连接，需用站上机械臂完成操作；而载人型“龙”飞船可在没有机械臂辅助的条件下自主（或手控）对接。其他改进还包括冲击减震着陆支腿和更先进的第三代酚碳热烧蚀板-X（PICA-X）防热罩。该飞船强大的热防护系统能承受月球任务的热压力。

（2）伟业和宏愿

太空探索技术公司目前正依照与美国航空航天局在2008年签订的“商业补给服务”（CRS）合同用其货运型号“龙”飞船在2016年前执行12次空间站货运任务，总价值16亿美元。货运型号“龙”飞船曾是首个到访空间站的商业航天器，也是首个从轨道返回地球的商业航天器。从2012年5月成功执行“商业轨道运输服务”验证任务起，已先后于2012年10月、2013年3月、2014年4月和9月成功发射4次“商业补给服务”任务，纪录非常出色。

太空探索技术公司在3家竞争者中有最好的价格，美国航空航天局副局长威廉·格斯滕迈尔对该公司成功履行“商业乘员运输能力”合同能力的整体置信水平评价为“高”，但他承认“建议书有一些技术问题”，并担心后期进度会受影响。尽管该公司在认证产品合同（CPC）期间的表现只达到了“满意”，但格斯滕迈尔说，这家年轻的航天公司在其他相关工作上“表现非常好”，比起其他公司有进度余地更多的优点。

太空探索技术公司还有更宏伟的商业开发、利用太空的计划。长期以来，马斯克都对火星上存在生命的可能性十分感兴趣。他认为在天灾和自我毁灭（如核战）的威胁下，移民其他星球是我们人类文明得以延续的唯一方法，而成本和技术限制是人类行星际航行计划的真正障碍。他的目标是将发射费用降低到商业航天发射市场的1/10，并计划在未来研制超巨型火箭用于“火星移民”计划。

内华达山脉公司：焦土政策？

美国航空航天局刚授出合同时，内华达山脉公司曾发表官方声明，表示认可该局在“商业乘员运输能力”合同竞争中做出的决定，但仅仅过了10天（2014年9月26日），内华达山脉公司突然宣布，对美国航空航天局的商业载人合同授予决定提出抗议。在其51年的公司历史中，该公司从未对政府合同授予决定提出法律挑战，但此次其认为在“商业乘员运输能力”合同分配中，航空航天局自己发布的供方选择声明和情况汇报表明，供方选择过程中存在严重的问题和自相矛盾；同时认为，在预算受限的关键时刻，向美国公众传递物超所值的观念比以往任何时候都更加重要。重要的是，该局正式征求合同建议书时将价格因素作为首要评价标准优先考虑，将其设定为另两项主要评价标准（任务适用性和过往实绩）的总值。内华达山脉公司“追梦者”太空飞机建议书是“商业乘员运输能力”合同竞争中报价第二低的建议书，也取得了和其他两家相仿的任务适用性分数。实际上，排名最高和最低的要约公司总分相差很少，其他因素也同样具有可比性。

没有中标的“追梦者”航天飞机

内华达山脉公司提出抗议后，遵照美国联邦审计总署（GAO）的条例，航空航天局在2014年10月2日向波音和太空探索技术两家公司发布停工令。1周后的10月9日，航空航天局决定根据其适用的法定权限，继续执行已授予的商业载人合同，不理会内华达山脉公司提出的投标抗议。该局认为，如不能尽快提供“商业乘员运输能力”的运输服务，将对空间站乘员构成风险，危害空间站的继续运行，并可能导致美国无法履行其在国际条约中做出的承诺。这些顾虑迫使航空航天局动用其法定权限，避免出现更严重的不良后果。

内华达山脉公司于2014年10月15日在联邦法院提起诉讼，力图推翻航空航天局解除停工令的决定。该公司在提交给美国联邦索赔法院的文件中同时申请了“临时禁止令”和“预先禁止令”。

“临时禁止令”是企业在非常紧急的情况下申请的一种保障措施。它在做出前不需要通知对方，只需要申请方提供证据证明，如果不采取该种保护措施，企业将受到不可逆转的损失和打击。不过，“临时禁止令”只有14天的有效期，设立的目的是为当事人（企业）争取到时间，随后当事人（企业）就必须进行诉讼或申请“预先禁止令”，以获得更长时间的保护。“预先禁止令”在颁发前需要通知对方，并且有一个双方讨价还价的过程。从实践上来看，“预先禁止令”因为能有效阻挡对手的交易，因而有些企业申请到禁令就停止了，申请人如果想把它作为一个最终的判决来看的话，还需要在诉讼中提出要求。

据悉，美国联邦审计总署必须在2015年1月5日之前就内华达山脉公司的抗议进行裁决。

（1）“追梦者”航天飞机

在提出抗议之前，内华达山脉公司已开始建造其第一架追梦者号太空飞机，计划于2016年底由宇宙神-5火箭发射进行首次轨道飞行试验，也已经购买了这枚火箭。公司主管人员曾表示，有或没有美国航空航天局的支持，他们都希望继续研制“追梦者”，但该公司的近期计划目前还不清楚。

内华达山脉公司称，“追梦者”航天飞机的设计提供了更广泛的功能和价值，包括通过将其设计为有人驾驶的可重复使用升力体航天器，继承了航天飞机的特点，体现出开启未来革新的当今先进技术和灵活性。

（2）落选原因浅析

美国航空航天局副局长威廉·格斯滕迈尔在2014 年9月15日签署的一份内部文件中披露了其落选的部分原因。

首先，内华达山脉公司的设计成熟度最低，需要完成的技术工作和做出的关键设计决策比其他两家多得多。建议书没有彻底解决设计挑战和权衡问题。设计成熟度不足的一个直接后果就是进度有更多的不确定性。“追梦者”航天飞机的认证周期最长，若拓展到2017年之后需要完成的额外工作最多。

尽管该公司的报价低于波音公司的报价，但航空航天局认为，其技术和管理方法及过往实绩没有达到波音公司的水准，因此存在较大风险。该公司和太空探索技术公司的过往成绩不相上下，也都有非常优秀的技术和管理方法，但其报价远高于后者的报价。

蓝源公司：另辟蹊径

2014年9月17日，联合发射联盟公司与蓝源公司宣布将共同研制可用于宇宙神-5等火箭的国产发动机，用于替代俄制RD-180发动机，两家公司预计在2016年启动新型发动机的全尺寸试验，为2019年在联合发射联盟公司的火箭上的首次飞行做准备。

2014年年初以来，美俄关系持续紧张，矛盾不断升级，重新建造全美产发动机的需求愈加强烈。俄罗斯扬言要终止RD-180出货或限制其用于民用任务。在俄罗斯可以停止出口RD-180发动机之前，美国法院曾颁布一项禁令，鉴于已经发生的经济制裁决定禁止进口RD-180发动机。这项禁令9天后即解除，让联合发射联盟公司可以继续进口该发动机。

蓝源公司由亚马逊网站首席执行官杰夫·贝索斯在2000年创立，总体目标是用增量法开发出以较高可靠性和较低成本实现民间个人进入太空的技术。蓝源公司参与了航空航天局前两轮商业乘员开发计划，并在此期间研制了蓝色引擎-3（BE-3）发动机。该公司将与联合发射联盟公司合作研制蓝色引擎-4发动机，它是使用液氧作为氧化剂、液化天然气（LNG）作为燃料的液体燃料推进火箭发动机，总推力可达2450kN。发动机采用富氧分级燃烧循环，一部分推进剂在气体发生器内燃烧以产生高压气体，从而驱动发动机涡轮泵的涡轮机，后者将推进剂传输给燃烧室和气体发生器。

4　商业航天未来前景

自20世纪80年代开始，美国法律和政策已开始引导美国航空航天局拓展商业航天市场。技术的成熟催生航天市场化，这也是近年来美国航天发展的重要策略。截至目前，美国是唯一建立商业航天运行许可的国家，把载人运输服务转交给商业部门是美国空间探索战略最为重大的一次变化，航空航天局从直接负责设计转变为商业公司的用户。

目前，尚不清楚美国国会是否会拨出足够款项资助这两种航天器的研制，或者航空航天局在将来某一时刻是否会被迫只选择一家供应商，但博尔登局长对此有信心，认为国会将为这两家公司在2017年首飞提供必要资助。来自美国国内各方的最初反应都是积极的。2011-2014财年，航空航天局为商业乘员计划共申请了30亿美元，国会仅拨款19.27亿美元，10亿美元的缺口拉长了研制周期，将首飞时间一再推迟。航空航天局在2015财年的预算案中为商业乘员计划申请了8.48亿美元，众参两院还未决定最终数目，但预计会再少5000万美元以上。

第二轮空间站货运合同启动

商业载人合同授出后不久，美国航空航天局就宣布面向私人企业为空间站下一轮货运任务征询方案。该局有意在第二轮“商业补给服务”中向一家或多家公司授出合同，每份合同包含6次或以上飞行任务；在2020财年之前为该局提供空间站后勤和研究类货物补给，可能会根据其延寿情况扩展到2024年。此轮征询面向有能力验证安全、可靠发射和交会能力的公司，不仅限于首轮获选的太空探索技术公司和轨道科学公司，目的是鼓励完全、开放的竞争，提供最完备的服务体系。该合同将在首轮“商业补给服务”合同完结之后继续，仍将是固定价格的不定期交付/非确定数量合同。航空航天局预计在2015 年5月做出选择。

商业空间站有望成真

据美国比格罗宇航公司高级代表称，“比格罗扩展活动舱”（BEAM）预计于2015年由太空探索技术公司的载货型“龙”飞船发射，抵站后由加拿大机械臂-2安装在宁静号节点舱的尾向对接口上，以充分检验充气式扩展居住舱技术。航空航天局为此次演示验证向毕格罗公司支付了1780万美元，该舱段将至少在轨2～3年。毕格罗公司志在建造全部由充气式舱段组成的商业空间站，可用作院校研究人员、太空旅客和其他非航天国家航天员的根据地。波音公司已与其建立合作伙伴关系，该公司管理者曾表示，乘员航天运输-100可支持毕格罗公司的计划。

从近地拓展到深空

2014年年初，美国航空航天局向美国私人企业征集不设资金的建议书，以协作发展新的商业航天合作伙伴关系—“商业空间能力协作”（CCSC）倡议。在此之前与商业航天有关的合作倡议还包括：“月球货物运输与软着陆方式降落”（即“月球催化剂”）倡议，旨在征集商业机器人月球着陆器能力建议书；“小行星重定向任务”广泛机构公告，旨在征集与载人小行星探索计划相关的研究建议书。航空航天局及其合作伙伴将应用“空间行动协议”商定一系列互惠互利活动。

就美国航空航天局之前的商业合作伙伴关系而言，美国企业已从该局广泛的基础设施及其关于航天开发和运营的经验中有效获益。虽然有技术和进度风险，但创造了降低运营成本的可能性。美国对商业载人运输服务的培育，将推动发射服务业和航天器制造业的进一步发展，形成载人航天发射市场，有助于航天产业化和国家经济发展。通过竞争的方式设计、建造和发展商业载人及货物运输系统，也将加速载人航天技术的创新步伐，对于实现航天飞行的长期可持续发展具有重要作用。

载人航天工程建设一直作为美国政府行为体现国家整体实力，目前其他航天大国，如俄罗斯和中国的载人航天活动还都是政府运作。美国在载人航天商业化方面的成功初试也会深刻影响其他国家，商业公司将以其成本低、效率高、竞争性强等优势逐渐进入市场，通过将一些已经发展成熟的载人航天项目转交给商业公司，国家可以将更多精力投入更长远、更复杂的载人深空探索活动中，促进载人航天事业更快、更好发展。