美国以商业航天推进国际空间站的做法及启示

2021-02-25张力王妍山西警察学院

国际太空 2021年1期

张力王妍（山西警察学院）

自21世纪以来，为应对航天飞机退役,国际空间站（ISS）货物运输无法保障的挑战，美国国家航空航天局（NASA）组织实施了商业轨道运输服务/商业再补给服务项目，并分两轮选择了太空探索技术公司（SpaceX）和诺格公司（Northrop Grumman）作为商业合作伙伴，初步打造安全、可靠和低成本近地轨道的往返运输系统。本文总结了NASA以国际空间站为需求，培育近地轨道商业航天企业，强化国际竞争力，恢复往返国际空间站货运能力的经验做法。

1 引言

进入21世纪以来，伴随着全球经济快速增长，资本市场的持续繁荣，以可回收商业火箭发射、低轨道卫星互联网星座组网、亚轨道空间旅游、商业遥感卫星组网等为代表的商业航天应用模式不断涌现，全球商业航天进入以商业运载火箭发射向商业航天产业化转变的突破时期，深入研究国外培育商业航天产业生态的做法，对我国实施航天强国战略[1]，推动商业航天高质量发展具有重要意义。

以美国为例，随着其探索太空的进程从近地轨道向月球、火星等深空领域迈进，航天重大工程项目的投入经费迅速增长，远超出国家和政府部门的资金投入能力。例如：2006年布什政府提出的重返月球“星座计划”（Constellation Program），预算高达900亿美元，被奥巴马政府以经费投入过高为由而取消，再如洛马公司（LM）和波音公司（Boeing）合资成立的联合发射联盟（ULA）研发的改进型一次性运载火箭，为美国空军执行任务的单次发射均价高达3亿美元[2]。NASA通过引入新兴航天企业，改革现有航天工程组织实施模式，打破传统美国军工企业对航天领域重大工程的垄断，进一步巩固美国进入近地轨道空间的能力[3]。

自2006年以来，NASA通过实施商业轨道运输服务/商业再补给服务（COTS/CRS）[4]两步走的策略，为推进国际空间站商业化发展奠定基础。本文梳理COTS/CRS的历史背景及主要做法，并围绕新时代推进商业航天高质量发展，提出三方面对策建议。

2 COTS/CRS项目概述

2004年，布什政府制定了美国的太空探索政策，要求到2020年重返月球，并计划在国际空间站组装完成后，为降低航天飞机单次发射高达15亿美元的费用，计划于2010年年底彻底退役航天飞机[2]。2005年，NASA向美国私营企业提出要求开发能够满足ISS需要的货运和载人航天能力，并请求在五年内拨款5亿美元，促进商业航天能力的发展，对将资金加以限制。

2010年2月，美国时任总统奥巴马取消了“星座计划”，将美国的太空政策转向商业太空活动的道路上。2011年，NASA向国会报告称，NASA依赖于商业货运伙伴，需要商业运货伙伴的COTS/CRS开发工作取得成功，为ISS提供货物补给。总体来看，NASA实施COTS/CRS的历史背景是为了避免美国飞机退役后，美国进入近地轨道的太空能力被削弱的风险，探索近地轨道商业化发展的道路，以期通过利用私营公司的能力，确保美国在近地空间商业航天的竞争力，为下一步全速前进重返月球、探索火星等深空任务提供具有强竞争力和低运营成本的近地空间集结点。

COTS/CRS项目的目标[5]包括三方面：一是加快实施美国太空探索政策，以政府投资的方式刺激商业太空产业；二是促进美国私营企业参与ISS建设，保障空间运输能力，以实现安全、可靠、经济高效地进入近地轨道；三是创造向政府和私营部门客户提供往返ISS的商业化市场环境，改革当前传统航天重大工程的组织实施模式。在COTS/CRS财政预算中，8亿美元用于ISS的商业货物运输演示，并投资5000万美元用于ISS的商业乘员发展计划。

NASA采取两阶段的采购策略。第一阶段是COTS计划，即商业合作伙伴能力展示；第二阶段是CRS，即独立的服务采购。两个阶段的采购策略，为NASA提供了以商业航天方式购买ISS货物运输服务之前，刺激商业合作伙伴的设计和展示性能的机会。通过十多年的实践探索，NASA在COTS/CRS项目实现了COTS计划的四种能力，即ISS外部货物的交付和处置、ISS内部货物交付和处置、ISS内部货物交付和返回地球、商业乘员运输等能力。商业航天企业可以选择提供哪些功能，并将COTS系统的重点放在符合其业务计划和市场预测的能力上。

根据CRS合同，NASA授予SpaceX公司16亿美元的合同，购买12次货运发射，单次费用为1.33亿美元。ISS的第一次合同的货物补给飞行任务于2012年10月7日由猎鹰-9（Falcon-9）火箭发射升空。截至目前，SpaceX公司参与了ISS第31、33、34、35、39～ 44、47、48、50、52～ 62次的探索任务。

2012年5月－2020年12月，SpaceX公司为ISS运送货物和人员共21次，除了演示阶段SpaceX公司的“龙”飞船在太空停留10天之外，该公司的飞船在太空的滞留时间均在30天左右，历次运送到ISS及返回地球的各类货物总量超过49.7吨。

诺格公司及其前身轨道-ATK公司参与了ISS第37～38、40～41、45～47、49～53、55～60次的货运任务。截至2020年12月，该公司为ISS运送货物的往返次数为14次，货运总量超过39.6吨。诺格公司的“天鹅座”货运飞船由服务模块和加压货物模块组成。其中，服务模块提供姿态控制、推进、导航、电力，并包含太阳能阵列；加压货物模块提供了运送货物和物流的空间。NASA授予该公司19亿美元的CRS合同，用于向ISS运送货物。

3 COTS/CRS项目主要做法

以少量政府财政投入显著降低美国研发ISS运送货物系统成本

由NASA开发并执行的COTS模型已经证明了NASA与私营企业合作中，由联邦政府所提供的种子资金是高度杠杆化。到COTS项目结束时，NASA为商业运输系统的开发和演示提供了不到一半的费用。NASA公布的COTS第一轮和第二轮的商业伙伴的系统开发和演示费用，商业伙伴资助了COTS开发成本的50%以上。第一轮，SpaceX公司承担了53%，总额为4.54亿美元的社会资本投入，NASA代表的政府部门的资金投入比例为47%，总额为3.96亿美元。第二轮，原轨道科学公司承担了58%，总额为5.9亿美元的社会资本投入，NASA代表的政府部门投入资金比例为42%，总额为4.25亿美元[5]。

建立公私合营成本和风险分担及激励的工作机制

在两家商业航天公司执行COTS计划的具体实践中，诺格公司和SpaceX公司在2014年10月和2015年6月的发射过程中，均出现了商业火箭发射失败。为了应对由于商业航天公司出现的失败问题，在COTS能力设计中采用了工业界创建私人拥有和运营的太空运输系统，而NASA则是ISS运输服务的主要投资者和客户新的商业模式，并且在项目进行过程中提供技术援助策略。COTS项目促进了合作伙伴和NASA下属的十大中心之间的密切联系，强化了商业合作伙伴以及包括NASA在内的所有供应商之间的协作沟通，这种模式使联邦政府的资金从NASA的COTS项目流向商业合作伙伴，然后流向NASA的下属中心[6]。

强化与美国联邦航空管理局协作

2020年4月，美国联邦航空管理局（FAA）下设的商业发射和再入许可证审批机构完成重组，旨在提高工作效率。重组后的商业航天运输管理协会（AST）下设运行安全办公室和战略管理办公室。其中运行安全办公室负责许可证办理，以及安全和规范工作；战略管理办公室负责政策、研发、宣贯、保障服务和航天港办公室工作。这项改革有助于继续简化发射规则，以应对不断增多的商业发射，并将提升效率、效能和问责能力。

4 美国基于ISS的商业航天发展项目的成效

深入研究美国实施的基于ISS的商业航天发展项目的举措及成效，为我国推进商业航天发展提供有益借鉴[7]。

NASA高度重视商业航天对于确保ISS稳定运行、维护美国进入近地轨道空间能力的作用，并将其作为保障国家安全的重要举措，但由于商业航天是在全球化经济发展背景下以企业自有资金、社会资本或者合资合营等方式开展的经营活动，必须要统筹好国家安全与商业航天发展的关系。从NASA发布COTS/CRS第一轮公告中可以看出，美国联邦政府要求推进商业航天的主体必须为美国公民控制的企业，或者能够提供维护美国国家利益企业的实质性证据。此外在技术转移环节中，要求参与的公司必须签署约定，不允许其将所获得的航天技术和产品再次转移。这表明美国并非完全开放商业航天的市场空间，仍持有谨慎态度，带着强烈的国家意志[8]。

美国推进商业航天的主要需求是为了恢复美国在近地轨道空间进入的能力，改变现有依靠国际合作伙伴运送货物和人员的格局，确保美国ISS国家实验室的正常运行，并以此为契机，进一步部署商业乘员计划、ISS过渡战略、商业近地轨道发展等项目。美国政府在推进商业航天发展过程中起着关键性的作用，并非完全采用市场化的方式去推动商业航天，而是以ISS为基础发展商业航天。根据美国运输部的统计数据[9]，美国、俄罗斯和欧洲在商业航天发射领域的次数均比我国的商业航天发射次数要多，而且印度、日本和乌克兰也在积极探索商业航天发射。此外，海上发射作为商业航天发射的一种重要举措和手段，也受到了一些国家和地区的青睐。

NASA在推进COTS/CRS等商业航天重大项目过程中，一方面，坚持市场主导产业发展的思路，通过设立技术性和财务性阶段目标，发挥联邦政府资金的杠杆作用，建立动态退出机制，以前期的少量投资带动了美国商业航天的发展，实现了美国政府从航天探索的实施者到市场需求服务购买者的转变[7]；另一方面，注重与FAA等部门协同配合[10]，创新美国发展航天重大工程的模式，将航天看成是具有商业性质的活动，由FAA具体负责业务流程，而NASA则专注于技术领域，弱化自身在推进商业航天中的业务管理。