□ 黃志澄

美國(guó)航宇局（NASA）于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2014年9月16日發(fā)布消息稱，該局已經(jīng)和波音和SpaceX兩家公司簽署了“商業(yè)載人運(yùn)輸能力合同。簽署的合同共計(jì)價(jià)值68億美元，兩家公司分別獲得42億美元和26億美元。美航宇局的這一決定，為開創(chuàng)載人航天的商業(yè)時(shí)代，走出了關(guān)鍵的一步。

美航宇局稱，在載人飛行前，兩家公司的飛行器必須通過安全測(cè)試。在通過飛行認(rèn)證后，每家公司自2017年起，將承擔(dān)2次～6次飛往國(guó)際空間站的載人運(yùn)輸任務(wù)。

波音公司稱，合同意味著其將在佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心，建造3艘“商用載人運(yùn)載系統(tǒng)（CST-100）”載人飛船。SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克在一份聲明中表示，對(duì)于“龍”2飛船入選，他感到“深深的榮幸?！?/p>

美國(guó)在航天飛機(jī)2011年退役后，完全依靠俄羅斯的“聯(lián)盟”飛船,將航天員送上國(guó)際空間站。這確實(shí)是美國(guó)載人航天計(jì)劃中的一大失誤，從而迫使美國(guó)采取“兩條腿走路”來進(jìn)行補(bǔ)救。由航宇局主導(dǎo)并由洛馬公司研制的“獵戶座”載人飛船，乘員艙直徑約5米，總質(zhì)量約25噸，是“阿波羅”飛船可使用空間的2.5倍，可搭乘4名機(jī)組人員，用以實(shí)現(xiàn)地球與火星或小行星之間的載人飛行計(jì)劃。它也具有向國(guó)際空間站運(yùn)送6名航天員的能力。雖然“獵戶座”飛船，在今年要進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)，但由于它的任務(wù)眾多，技術(shù)復(fù)雜，估計(jì)要到2021年才能實(shí)現(xiàn)首次載人飛行。這種嚴(yán)峻的形勢(shì)“倒逼”美航宇局，只能大力鼓勵(lì)私企進(jìn)入載人航天領(lǐng)域，加快載人航天商業(yè)化的步伐。該局今后向國(guó)際空間站運(yùn)送人員和貨物的任務(wù)，將主要由商業(yè)航天公司來承擔(dān)。

面向火星任務(wù)的“獵戶座”飛船和SLS運(yùn)載火箭

載人航天進(jìn)入商業(yè)時(shí)代

商業(yè)化是人類航天事業(yè)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，它也必將成為航天事業(yè)空前繁榮和發(fā)展的新動(dòng)力。從1961年蘇聯(lián)航天員加加林實(shí)現(xiàn)首次載人航天飛行以來，世界載人航天經(jīng)過50多年，取得了舉世公認(rèn)的輝煌成就，但它始終停留在國(guó)家行為上。為了使載人航天能夠充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益，必須使載人航天逐步商業(yè)化。由于在地球低軌道的載人航天技術(shù)已經(jīng)成熟，因此載人航天的商業(yè)化，必然從向地球低軌道運(yùn)輸貨物和載人往返開始。

CST-100-載人飛船

CST-100的內(nèi)艙布置

美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2010年4月的講話和同年10月美國(guó)公布的《國(guó)家航天政策》中，明確了未來將由商業(yè)部門提供美國(guó)近地軌道載人和貨物運(yùn)輸服務(wù)。這是美國(guó)載人航天有史以來最大的一次轉(zhuǎn)型。由此，私營(yíng)公司將成為研發(fā)制造航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主力，NASA則扮演“甲方”的角色。因?yàn)樗綘I(yíng)航天公司管理機(jī)制靈活、高效，所以私企研制航天運(yùn)輸系統(tǒng)周期短，成本也較低。實(shí)際上，NASA早在2006年就啟動(dòng)了“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）項(xiàng)目，它旨在為國(guó)際空間站發(fā)展商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)。經(jīng)過招標(biāo)，NASA最終選擇了兩家創(chuàng)新能力強(qiáng)的私企，即太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和軌道科學(xué)公司，運(yùn)送貨物到國(guó)際空間站。目前，這兩家公司的飛船已經(jīng)多次成功地向國(guó)際空間站運(yùn)送了貨物。

2010年年初，NASA又啟動(dòng)了“商業(yè)載人開發(fā)” (CCDev)計(jì)劃,以鼓勵(lì)私營(yíng)公司研發(fā)可靠、高性價(jià)比的商業(yè)載人航天運(yùn)輸系統(tǒng)，接替航天飛機(jī)執(zhí)行向國(guó)際空間站運(yùn)輸貨物與人員的任務(wù)。NASA采用與COTS計(jì)劃相似的方式，來執(zhí)行CCDev計(jì)劃。CCDev與COTS項(xiàng)目的重要區(qū)別，在于前者允許有經(jīng)驗(yàn)的資深公司和現(xiàn)有為CCDev計(jì)劃研發(fā)的火箭，都可以參與其中。COTS項(xiàng)目則聚焦于市場(chǎng)中的小型公司和新生力量。

2010年 2月 1日，NASA宣布了“第一輪商業(yè)載人開發(fā)項(xiàng)目”（CCDev1），以幫助有關(guān)公司進(jìn)行早期設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，突破關(guān)鍵技術(shù)，以研制出可替代美國(guó)航天飛機(jī)的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。NASA向五家公司共注入5000萬美元的啟動(dòng)資金。

在展覽會(huì)上的CST-100-模型

2011年 4月 18日，NASA宣布了“第二輪商業(yè)載人開發(fā)項(xiàng)目”（CCDev2），波音公司因其CTS-100飛船獲得了9230萬美元；內(nèi)華達(dá)山脈公司（SNC），因其“追夢(mèng)者”航天飛機(jī)獲得8000萬美元；來自加州的SpaceX公司,因其“龍”飛船而獲得了7500美元；來自華盛頓州的藍(lán)源（Blue Origin）公司，因其垂直起降方案獲得2200萬美元。對(duì)此，美航宇局局長(zhǎng)博爾登表示：“NASA計(jì)劃利用美國(guó)企業(yè)的創(chuàng)造性到達(dá)近地軌道（LEO），從而使NASA可以將資源集中用于深空探測(cè)。從這個(gè)角度看，這些合同無疑是重要的里程碑。”后來，其中前三家公司進(jìn)入了第三階段，即“商業(yè)載人飛行能力整合”（CCiCap）階段。

自2011年美國(guó)航天飛機(jī)退役后，美國(guó)航天員一直只能搭乘俄羅斯“聯(lián)盟”飛船，往返于地面和國(guó)際空間站，通常每年要購(gòu)買6個(gè)座位，現(xiàn)在每個(gè)座位漲到了7000萬美元，隨著美國(guó)和俄羅斯在烏克蘭問題上的分歧不斷深化，NASA可能面臨俄羅斯因報(bào)復(fù)而中斷合同的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也越來越擔(dān)心使用“聯(lián)盟”飛船運(yùn)送美國(guó)航天員的安全性。因此，查爾斯·博爾登在9月16日的發(fā)布會(huì)上說：“今天的發(fā)布，開啟了美國(guó)航宇局和載人航天史上最雄心勃勃和令人興奮的新篇章?！薄皬囊婚_始,奧巴馬總統(tǒng)就已經(jīng)說得很清楚，這個(gè)地球上最偉大的國(guó)家不應(yīng)該依賴于其他任何國(guó)家進(jìn)入太空……今天我們離從美國(guó)本土用美國(guó)航天器運(yùn)載我們的航天員，更近了一步，我們將在2017年結(jié)束美國(guó)單一依賴俄羅斯的狀態(tài)?！?/p>

各家方案的概況

由于美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)的國(guó)際空間站的經(jīng)費(fèi)預(yù)算有限，因此，NASA只能支持兩家甚至只能支持一家進(jìn)行載人系統(tǒng)的研制。由此，NASA必須作出抉擇，選定一家或兩家繼續(xù)進(jìn)行研制。在這里，我們簡(jiǎn)單介紹一下上述各家公司提出的方案。

美國(guó)航空航天巨頭波音公司的方案是發(fā)展“商用載人運(yùn)輸系統(tǒng)”（CST-100），其飛船名字中的數(shù)字100，代表離地面100千米，說明它專門執(zhí)行從地面到近地軌道的短途運(yùn)輸任務(wù)?！癈ST-100”飛船高為5米，直徑為4.65米，其構(gòu)形與“阿波羅”和“獵戶座”飛船很相似，并都是采用由乘員艙和服務(wù)艙組成的兩艙方案，而其體積卻處于它們兩者的體積之間，能一次性搭載7名航天員。它在陸上降落，更換防熱系統(tǒng)后可重復(fù)使用10次。

“CST-100”飛船的技術(shù)創(chuàng)新主要是艙內(nèi)的環(huán)繞型天藍(lán)色LED照明、廣泛應(yīng)用平板電腦技術(shù)、全船無焊接設(shè)計(jì)、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)以及升級(jí)版的熱控技術(shù)等。波音公司聲稱它采用的一體化設(shè)計(jì)方法，降低了飛船整體質(zhì)量，并加快了艙體的制造速度。2013年7月波音公司在地面完成了“CST-100”飛船的飛行狀態(tài)測(cè)試。并爭(zhēng)取在2015年進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)。

“CST-100”飛船設(shè)計(jì)以保障航天員完成前往空間站生活和工作為目標(biāo)，因此，采用了自動(dòng)駕駛技術(shù)，讓航天員從繁復(fù)的飛船操縱中解脫出來。傳統(tǒng)的載人飛船內(nèi)部布滿線路和按鈕，而“CST-100”飛船的內(nèi)部設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了波音公司長(zhǎng)期設(shè)計(jì)商用飛機(jī)坐艙的優(yōu)勢(shì)，給人以干凈整潔的感覺。此外，飛船還采用了航天員喜愛的大窗戶設(shè)計(jì)和采用輕型塑料的舒適坐椅。按照設(shè)計(jì)，投入使用的“CST-100”，將由波音與洛馬公司合資的“聯(lián)合發(fā)射同盟（ULA）”開發(fā)的“宇宙神”5火箭送入太空。未來，波音公司還希望CST-100的服務(wù)范圍，能擴(kuò)大到商業(yè)空間站，比如畢格羅航空航天公司計(jì)劃發(fā)射的可充氣空間站等。

“龍”2載人飛船

2014年5月29日，美國(guó)SpaceX公司舉行了第二代“龍”2飛船的發(fā)布會(huì)。載貨的“龍”飛船高約6.1米，直徑約3.7米。載人的“龍”2飛船的尺寸與此相當(dāng)，并也用公司自己研制并正在不斷改進(jìn)的“獵鷹”9火箭來發(fā)射，可搭載7名航天員。

CST-100-飛船和國(guó)際空間站

馬斯克在“龍”2飛船的模型中

“龍”2飛船的內(nèi)艙布置

首先，“龍2”飛船在外形上與載貨的第一代飛船有明顯不同。它是一個(gè)非軸對(duì)稱的較扁平的外形。它采用公司自行研制多年的4組8臺(tái)天龍座火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并呈X型分布在艙體兩側(cè)。采用這種外形，明顯提高了再入時(shí)的升阻比，讓航天員在再入時(shí)更舒服，并減小氣動(dòng)加熱而便于重復(fù)使用。其次，“龍”2飛船采用了像直升飛機(jī)那樣的定點(diǎn)降落方式。飛船利用上述天龍座發(fā)動(dòng)機(jī)，可以在低空減速乃至懸停,并伸出4個(gè)支架降落在選定的任何地方。為了增加安全性，飛船也有備用的降落傘。特別巧妙的是這些發(fā)動(dòng)機(jī)在上升段，還可以用于應(yīng)急救生。這種設(shè)計(jì)突破了載人飛船習(xí)慣使用降落傘降落的傳統(tǒng)，使得飛船在降落時(shí)更安全更舒適。無疑，這種降落方式，也更適宜在登陸火星時(shí)使用。再次，飛船將實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。無需更換飛船上的任何部件，包括防熱大底，只需要為其補(bǔ)充燃料，就可再次發(fā)射升空。據(jù)報(bào)道，主結(jié)構(gòu)壽命很長(zhǎng)，但防熱系統(tǒng)只可使用10次，到時(shí)只需局部更換防熱系統(tǒng)即可繼續(xù)使用。因此，飛船具有更好的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)估算，“龍”2飛船每次飛行的成本在2000萬美元左右。最后，飛船與國(guó)際空間站對(duì)接,采用了標(biāo)準(zhǔn)化的同構(gòu)異體自動(dòng)對(duì)接裝置，確保飛船在空間站需要全員撤離時(shí)，能夠自動(dòng)解鎖，不必像第一代“龍”飛船需要留下一名航天員，在空間站內(nèi)操縱機(jī)械臂使飛船分離。對(duì)接機(jī)構(gòu)被安置飛船的頂部錐形整流罩內(nèi),在對(duì)接前整流罩將整體開啟。

“龍”2飛船使用了大量先進(jìn)的制造工藝，操作系統(tǒng)是由4塊可移動(dòng)的液晶觸控屏組成，操作更簡(jiǎn)便。推進(jìn)系統(tǒng)的燃燒室，是利用金屬激光燒結(jié)技術(shù)用3D打印而成，其總推力達(dá)到2.22萬牛頓米，是第一代“龍”飛船的200倍。在太空中，飛船依靠船身上貼的太陽能板來供電。運(yùn)貨空間位于飛船尾部。如果不搭載航天員，也可轉(zhuǎn)載等量的貨物。

內(nèi)華達(dá)山脈公司設(shè)計(jì)的“追夢(mèng)者”航天飛機(jī)方案，采用了NASA多年研發(fā)的HL-20升力體構(gòu)形。與美國(guó)的航天飛機(jī)一樣，“追夢(mèng)者”也是垂直起飛，水平著陸,但它改成裝在“阿特拉斯5號(hào)”運(yùn)載火箭的頂部來發(fā)射。由于它不需要攜帶大量貨物，因此可載7名航天員的“追夢(mèng)者”，要比航天飛機(jī)輕和小得多。它長(zhǎng)9米，直徑為7米，總重為11噸。“追夢(mèng)者”的結(jié)構(gòu)采用了大量最先進(jìn)的復(fù)合材料。它的在軌動(dòng)力采用兩臺(tái)推力可調(diào)的固體與液體混合的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑采用端羥基聚丁二烯（HTPB，固體燃料）和一氧化二氮（氧化劑），它們都具有無毒易存儲(chǔ)的特性。2013年10月26日，“追夢(mèng)者”原型機(jī)在美國(guó)愛德華茲空軍基地進(jìn)行飛行測(cè)試。一架直升機(jī)將它吊至3810米左右的高度釋放，“追夢(mèng)者”隨即啟用自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了近1分鐘的飛行，堪稱“完美”。然而在降落地面時(shí)，它的左起落架展開時(shí)出現(xiàn)異常，結(jié)果“追夢(mèng)者”滑出了跑道，但“追夢(mèng)者”的載人艙在事故中并沒有受到損壞。

藍(lán)色起源(Blue Origin)公司是由美國(guó)亞馬遜網(wǎng)絡(luò)公司的創(chuàng)始人杰夫·貝索斯(Jeff Bezos)創(chuàng)建的航天技術(shù)公司。它首先致力于發(fā)展BE-3液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其用于它設(shè)計(jì)的垂直起降火箭來發(fā)射“新謝潑德”（New Shephard）載人飛船。BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)于2013年12月成功完成了其首次全壽命測(cè)試。由于這家公司的進(jìn)度較慢，它在CCiCap階段就已經(jīng)淘汰出局。2014年9月，這家公司與ULA合作，將開發(fā)一款新的BE-4火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以替代目前“宇宙神”5火箭使用的俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，這就大大增加了波音“CST-100”飛船的競(jìng)爭(zhēng)力。

SpaceX有驚無險(xiǎn)

SuperDraco火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

航空航天巨頭波音公司在這次NASA決策前夕，憑著它的雄厚實(shí)力和豐富經(jīng)驗(yàn)，似乎已穩(wěn)操勝券。9月15日，美國(guó)多家媒體報(bào)道說，據(jù)一位政府官員透露，NASA領(lǐng)導(dǎo)層已經(jīng)得出了初步結(jié)論：波音公司提交的載人飛船方案風(fēng)險(xiǎn)較小，最有可能在3年內(nèi)把美國(guó)的航天員送入國(guó)際空間站。因此，波音公司可能擊敗規(guī)模較小的兩家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，獨(dú)家拿下NASA運(yùn)送航天員的訂單。但該官員也警告稱，NASA局長(zhǎng)博爾登可能會(huì)在最后時(shí)刻改變決定。

任何一個(gè)國(guó)家的航天決策，都不可能是單純的技術(shù)決策，都離不開它的國(guó)內(nèi)外的政治環(huán)境。波音公司是在美國(guó)國(guó)會(huì)有很大影響力的軍工復(fù)合體的核心成員，一定程度上，NASA對(duì)它也惹不起。由于NASA將“獵戶座”飛船的合同，授予了波音公司的老對(duì)手洛馬公司，作為補(bǔ)償，NASA就必然要支持波音公司研制“CTS-100”飛船。盡管“CTS-100”飛船的構(gòu)形和“獵戶座”飛船非常相似，而時(shí)間進(jìn)度上又落后于“龍”飛船，但仍毫無意外地勝出。內(nèi)華達(dá)山脈公司的“追夢(mèng)者”航天飛機(jī)，在2013年首次飛行試驗(yàn)在降落時(shí)出了事故，進(jìn)度明顯落后；再加上波音公司在研制成功X-37B后，又提出了載人的X-37C方案作為備胎，NASA也不會(huì)再擔(dān)心航天飛機(jī)技術(shù)從此失傳。最后，這家公司還要依靠ULA的“宇宙神”5運(yùn)載火箭來發(fā)射，而SpaceX公司的“龍”2載人飛船，卻用由自己研制的“獵鷹9號(hào)”重型火箭來發(fā)射。綜合上述因素，“追夢(mèng)者”航天飛機(jī)就被淘汰出局。

追夢(mèng)者航天飛機(jī)?？吭趪?guó)際空間站的想象圖

商用的充氣空間站

SpaceX公司在這次競(jìng)標(biāo)中卻是有驚無險(xiǎn)。說其驚是因?yàn)樵陂_標(biāo)前夕，媒體放風(fēng)說，SpaceX已命懸一線，最終將取決于博爾登手中的關(guān)鍵一票。因此，在開標(biāo)前馬斯克自稱一點(diǎn)也沒有底。但最終的結(jié)果還是波音拿大頭，SpaceX拿小頭。這為何會(huì)有如此結(jié)果？作者認(rèn)為有以下幾個(gè)原因。首先，假若將SpaceX也淘汰，只剩下波音，那么就和NASA過去的大合同，總是在波音和洛馬兩家公司中選擇毫無區(qū)別。這也基本上違背了奧巴馬鼓勵(lì)私營(yíng)企業(yè)進(jìn)入載人航天領(lǐng)域的初衷。其次“CTS-100”的運(yùn)輸費(fèi)用明顯高于“龍”2，只有保留SpaceX，才能在競(jìng)爭(zhēng)中逐步降低“CTS-100”的運(yùn)費(fèi)。再次，“龍”2畢竟有垂直起降等創(chuàng)新點(diǎn)，應(yīng)予扶植。最后，SpaceX背后，也有加州議員和硅谷精英的支持。展望未來，SpaceX仍然存在風(fēng)險(xiǎn)，特別是業(yè)內(nèi)人士仍有人質(zhì)疑“龍”2載人飛船的安全性。在這里，我們預(yù)祝這家富有創(chuàng)新精神的SpaceX公司，繼續(xù)乘風(fēng)破浪，克服困難，取得最后的成功！

結(jié)束語

美國(guó)載人航天商業(yè)化的浪潮，必將對(duì)世界載人航天活動(dòng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。載人航天商業(yè)化帶來的技術(shù)創(chuàng)新和成本降低，也必將給我國(guó)載人航天的發(fā)展，提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國(guó)在載人航天的起步階段，采用政府主導(dǎo)的體制是完全必要和合理的，但隨著載人航天進(jìn)入建設(shè)空間站的階段，有必要進(jìn)一步吸收民間資本和讓更多私企參與進(jìn)來；更關(guān)鍵的是要加快改革步伐，不斷增強(qiáng)我國(guó)載人航天持續(xù)發(fā)展和自主創(chuàng)新的活力。