居高不下的航天運(yùn)載費(fèi)用是航天發(fā)展的瓶頸，這早就是國際航天界的共識(shí)。多年來，美國航天航空局和美軍都為此不斷努力，但收效甚少。近年來，美國的眾多民營航天公司對(duì)此大力發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)，取得了可喜的成績。與此同時(shí)，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在國防經(jīng)費(fèi)削減的壓力下，仍然致力于研發(fā)新的低成本運(yùn)載技術(shù)。

1 國防部高級(jí)研究計(jì)劃局關(guān)注低成本運(yùn)載技術(shù)

2015年3月26日， 國防部高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)布了新版《服務(wù)于國家安全的突破性技術(shù)》（Breakthrough Technologies for National Security）的報(bào)告。該報(bào)告每兩年發(fā)布一次，主要是總結(jié)國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的歷史使命、當(dāng)前已經(jīng)和正要開展的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，以及近年來將國防部高級(jí)研究計(jì)劃局所發(fā)展的技術(shù)向美軍各軍種兵和其他部門轉(zhuǎn)移的情況。

國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的《服務(wù)于國家安全的突破性技術(shù)》報(bào)告

在這份報(bào)告中，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局認(rèn)為美國當(dāng)前仍保持牢固的戰(zhàn)略優(yōu)勢地位。這在很大程度上得益于美國長期以來的技術(shù)優(yōu)勢。但美國的地位目前面臨著許多挑戰(zhàn)，包括更強(qiáng)大和更低成本的技術(shù)在全球擴(kuò)散、破壞性的非國家行為體出現(xiàn)、相同等級(jí)的對(duì)手們持續(xù)威脅等等。報(bào)告認(rèn)為：“數(shù)十年來，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的使命和理念牢固如初，但國防部高級(jí)研究計(jì)劃局所處的世界已發(fā)生顯著改變。”“這些改變也包括某些卓越的甚至令人驚愕的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展，如果它們能精明和有目的地利用，將不僅可能確保美國軍事優(yōu)勢和國家安全的持續(xù)，還可能促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。與此同時(shí)，世界正在經(jīng)歷某些深刻而令人不安的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和地緣政治變化，對(duì)美國的地位和穩(wěn)定性帶來了潛在的威脅?！?/p>

正是由于這種由潛在威脅和空前機(jī)遇所組成的矛盾統(tǒng)一的趨勢，深刻地影響了國防部高級(jí)研究計(jì)劃局最近有關(guān)未來數(shù)年中戰(zhàn)略優(yōu)先事項(xiàng)的判定。該報(bào)告提出,“加快速度”是核心的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，“國防部高級(jí)研究計(jì)劃局將繼續(xù)推動(dòng)有關(guān)加快速度的戰(zhàn)略措施，其途徑之一是繼續(xù)保持為大膽、允許冒險(xiǎn)的高沖擊力技術(shù)投資，以確保美國能夠首先發(fā)展和采用由此變得可能的各種新穎能力”。

國防部高級(jí)研究計(jì)劃局局長阿爾提·普拉巴卡

該報(bào)告為國防部高級(jí)研究計(jì)劃局設(shè)定了4項(xiàng)主要的戰(zhàn)略投資領(lǐng)域。一是以新思路構(gòu)建復(fù)雜的軍用系統(tǒng)。為了在當(dāng)今快速變化的世界圖景中，實(shí)現(xiàn)更快地發(fā)展和集成突破性的軍事能力，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局正在開展工作，使武器系統(tǒng)變得更加模塊化和更容易升級(jí)改造；保證在空、海、陸、天、網(wǎng)這5個(gè)域中的優(yōu)勢；改善不依賴GPS的定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）能力；增強(qiáng)對(duì)恐怖主義的防御能力。二是征服信息爆炸。國防部高級(jí)研究計(jì)劃局正在發(fā)展一些新穎的途徑，來利用強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)工具，獲得對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的洞察力。三是將生物學(xué)作為技術(shù)利用。四是擴(kuò)展技術(shù)邊界。

在上述報(bào)告發(fā)布會(huì)上，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局局長阿爾提·普拉巴卡(Arati Prabhakar)表示，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局在太空的適度投資，聚焦于確保美國在太空擁有“強(qiáng)大的能力”，尤其是在航天發(fā)射方面。她說：“我們?cè)谔胀顿Y的一個(gè)主要焦點(diǎn)是，首先，意識(shí)到我們對(duì)太空極其依賴，”她說，“現(xiàn)在我們的問題是：我們?nèi)绾问拱l(fā)射變得更易操作，我們?nèi)绾胃淖內(nèi)胲壓笪覀冊(cè)谲壙赡軐?shí)施的操作，然后我們?nèi)绾胃淖兛臻g態(tài)勢感知。”這份報(bào)告強(qiáng)調(diào)國防部高級(jí)研究計(jì)劃局投資的工作將實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的快速，低成本發(fā)射。普拉巴卡爾表示，對(duì)于美國國防部而言，減少發(fā)射成本，增加發(fā)射頻率顯得十分必要。

2 用戰(zhàn)機(jī)發(fā)射小衛(wèi)星的“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”計(jì)劃

據(jù)國防部高級(jí)研究計(jì)劃局網(wǎng)站2015年2月5日?qǐng)?bào)道，該局將通過其“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”（ALASA）項(xiàng)目，發(fā)展一種低成本的發(fā)射小型衛(wèi)星入軌的運(yùn)載體系。在美國聯(lián)邦航空管理局商用太空運(yùn)輸18屆年會(huì)上，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室主任布拉德?！D斯雷（ Bradford Tousley）介紹了該項(xiàng)目的進(jìn)展，包括成功完成了第一階段設(shè)計(jì)、選定波音公司擔(dān)任本項(xiàng)目第二階段主合同商。在第二階段中，計(jì)劃在2015年末進(jìn)行1次飛行驗(yàn)證，在2016年上半年進(jìn)行1次軌道發(fā)射，2016年夏季繼續(xù)進(jìn)行多次演示驗(yàn)證發(fā)射。

“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”的目標(biāo)是在24h內(nèi)將45.4kg的衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入低地球軌道，而且每次發(fā)射成本不超過100萬美元。美國衛(wèi)星發(fā)射場數(shù)量有限，國防部或其它部門發(fā)射衛(wèi)星都需要在發(fā)射場的年度計(jì)劃中提前安排,這已成為發(fā)射太空設(shè)施的瓶頸?！翱罩邪l(fā)射輔助太空進(jìn)入”計(jì)劃從常規(guī)飛機(jī)上發(fā)射低成本一次性火箭，通過簡化設(shè)計(jì)和制造，利用空中平臺(tái)的靈活性和重復(fù)性，以克服現(xiàn)有發(fā)射系統(tǒng)的局限，從而實(shí)現(xiàn)在任何位置、任何時(shí)間都能及時(shí)發(fā)射小衛(wèi)星。在航天發(fā)射市場，小型衛(wèi)星的發(fā)射需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，如果“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”取得成功，它將為政府和商業(yè)公司日益增長的小型衛(wèi)星發(fā)射需求，提供更方便、更便宜的發(fā)射能力。

L－1011飛機(jī)發(fā)射“飛馬座”空射火箭

波音公司提出的“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”方案

早在2002年，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局就將該項(xiàng)目的“發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與概念發(fā)展”合同授予了波音公司、洛馬公司和維珍銀河公司。波音選擇的載機(jī)是F－15E，洛馬公司是F－22，維珍銀河是太空船－2。從成熟度和成本等因素來看，F(xiàn)－15E最有優(yōu)勢。何況在1985年9月13日，一架F－15A曾發(fā)射過一枚ASM－135導(dǎo)彈，成功地摧毀了在555km軌道上運(yùn)行的一顆衛(wèi)星。綜合以上考慮，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局當(dāng)然會(huì)選擇波音公司。

實(shí)際上，將飛機(jī)作為衛(wèi)星發(fā)射平臺(tái)，并不是國防部高級(jí)研究計(jì)劃局最近才提出的的創(chuàng)新技術(shù)。它于20世紀(jì)90年代就實(shí)施過一項(xiàng)空中發(fā)射計(jì)劃，那就是軌道科學(xué)公司的“飛馬座”火箭。發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)型“飛馬座”火箭的載機(jī)為改裝的B－52轟炸機(jī)，運(yùn)載火箭吊掛在機(jī)翼下，其近地軌道運(yùn)載能力375kg，1998年后該載機(jī)停止使用。發(fā)射加長型飛馬座－XL的載機(jī)為改裝的L－1011飛機(jī)，火箭吊掛在載機(jī)腹部，其近地軌道運(yùn)載能力443kg。發(fā)射時(shí)，火箭由載機(jī)攜帶至預(yù)定地點(diǎn)上空投放，自由下落5s后點(diǎn)火，投放時(shí)的飛機(jī)高度約11900m，飛行速度為0.8Ma?！帮w馬座”火箭已成功發(fā)射過幾十次，其成本比在地面發(fā)射衛(wèi)星的費(fèi)用約5000萬美元要低50%左右，但仍離“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”的目標(biāo)成本有較大距離。

據(jù)悉，波音公司設(shè)計(jì)的“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”火箭長約7.3m，掛在F－15E的腹部，其發(fā)射過程與上述“飛馬座”火箭類似，并根據(jù)小型載荷的要求進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。為了降低成本，火箭將采用商業(yè)航電和先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。如果成功，相比于傳統(tǒng)使用兩種液體（如液氫和液氧），系統(tǒng)將更簡化，并將降低制造和運(yùn)行成本?！翱罩邪l(fā)射輔助太空進(jìn)入”還要求利用現(xiàn)有衛(wèi)星發(fā)展監(jiān)控火箭飛行的太空遙測技術(shù)，以取代地面遙測系統(tǒng)。它還要求具有自動(dòng)飛行終止系統(tǒng)，該系統(tǒng)能監(jiān)測飛行時(shí)的實(shí)時(shí)條件，并在必要時(shí)終止飛行。

作為一種低成本、快速響應(yīng)的發(fā)射技術(shù)，“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”一旦成功，將為小衛(wèi)星的廣泛使用鋪平道路。屆時(shí)，小衛(wèi)星有望像現(xiàn)在的無人機(jī)那樣，成為廣泛運(yùn)用的戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)，大量用于戰(zhàn)場偵察、通信等領(lǐng)域。特別是當(dāng)今“反衛(wèi)星”技術(shù)已不再神秘，在真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境中，急需快速發(fā)射小衛(wèi)星，對(duì)損失的衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)缺。“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”項(xiàng)目需要的火箭的載荷，也可將衛(wèi)星改為一種攔截器，那么它就能成為一種快速響應(yīng)的低成本反衛(wèi)星武器。由此可見，“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”項(xiàng)目的資金很少，比起美軍高達(dá)十億美元以上的大型衛(wèi)星項(xiàng)目來說，只是一個(gè)小小的項(xiàng)目，但“四兩撥千金”，對(duì)其承載的意義和價(jià)值，我們不能低估。

3 重復(fù)使用的試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1計(jì)劃

2013年11月， 國防部高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)布了試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1項(xiàng)目方案征詢公告。這種太空飛機(jī)將在2018年進(jìn)行首次飛行，最終能夠在10天內(nèi)進(jìn)行10次飛行，能以低于500萬美元的價(jià)格將有效載荷送入近地軌道。2014年4月，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局已經(jīng)向3個(gè)競標(biāo)團(tuán)隊(duì)授出了試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1項(xiàng)目第一階段的主合同，以啟動(dòng)太空飛機(jī)的方案研究。這3個(gè)團(tuán)隊(duì)包括波音公司[與藍(lán)色起源(Blue Origin)公司合作]、Masten太空系統(tǒng)公司（與XCOR航宇公司合作）和諾格公司（與維珍銀河公司合作）。這3個(gè)團(tuán)隊(duì)都有民營航天公司參與。

諾格公司提出的試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1方案

國防部高級(jí)研究計(jì)劃局在2015財(cái)年為該項(xiàng)目申請(qǐng)了2700萬美元的經(jīng)費(fèi)，該項(xiàng)目2014財(cái)年獲批經(jīng)費(fèi)為1000萬美元。國防部高級(jí)研究計(jì)劃局已為該項(xiàng)目可能的第二階段工作制定了1.4億美元預(yù)算，第二階段將集中進(jìn)行最終設(shè)計(jì)和集成。

國防部高級(jí)研究計(jì)劃局在上述征詢中稱：“在預(yù)算緊縮和對(duì)美國航空航天資產(chǎn)威脅激增的年代，快速響應(yīng)且經(jīng)濟(jì)可承受的進(jìn)出太空，就顯得越來越重要”?！皬脑囼?yàn)型太空飛機(jī)－1項(xiàng)目中衍生出的技術(shù)，能夠使常規(guī)航天運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)和航空器一樣的成本、可操作性能和可靠性。試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1技術(shù)的長期目標(biāo)不僅支持政府和商業(yè)用戶的下一代航天發(fā)射，而且將支持能快速全球到達(dá)的高超聲速飛行器和進(jìn)入太空的飛行器?！?/p>

波音公司提出的試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1方案

試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1計(jì)劃與美國已經(jīng)試驗(yàn)的使用超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的X－51A無關(guān)，它不是一種試驗(yàn)性的空天飛機(jī)，而是一種可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭第一級(jí)，可以采用有翼或無翼構(gòu)型，包括有人駕駛、選擇性有人駕駛和無人駕駛等多種方案，能夠攜帶一次性使用的上面級(jí)，將重達(dá)1800kg的有效載荷送入近地軌道，這意味著其成本比空軍使用的人牛怪－4火箭要低10倍。其飛行速度可達(dá)到10Ma，將降低一次性使用上面級(jí)的尺寸和成本。從諾格公司公布的方案來看，設(shè)計(jì)工作將重點(diǎn)圍繞可行性和經(jīng)濟(jì)可承受性來開展，確保項(xiàng)目的核心目標(biāo)像飛機(jī)一樣作戰(zhàn)和運(yùn)營的實(shí)現(xiàn)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：使用機(jī)動(dòng)式起豎發(fā)射裝置，以最小化基礎(chǔ)設(shè)施和地面人員規(guī)模；充分吸收發(fā)展無人機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高度自主的飛行操縱；像飛機(jī)一樣在標(biāo)準(zhǔn)跑道上水平著陸并回收。

美國發(fā)展重復(fù)使用航天運(yùn)載器的道路充滿坎坷，降低航天運(yùn)輸費(fèi)用是航天事業(yè)幾代人的夢(mèng)想，因?yàn)橹挥杏辛吮憬莸倪\(yùn)輸工具，才能使太空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生效益，而重復(fù)使用就是降低成本的關(guān)鍵一步。然而，美國航天飛機(jī)的重復(fù)使用的軌道器卻成本昂貴，使人望而卻步。由于迫于降低空間站的運(yùn)行補(bǔ)給費(fèi)用的壓力，美國航空航天局先后探索了水平起降的“國家空天飛機(jī)”、垂直起飛水平降落的X－33/“冒險(xiǎn)星”，垂直起飛垂直降落的DC－X等，但這些項(xiàng)目無一修成正果。隨著美國航空航天局的主要任務(wù)轉(zhuǎn)向探索月球、小行星和火星， 美國航空航天局也慢慢失去了發(fā)展重復(fù)使用航天運(yùn)載器的興趣。

擔(dān)負(fù)繁重的軍用衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的美國空軍，不得不繼續(xù)關(guān)注重復(fù)使用航天運(yùn)載器，但其命運(yùn)仍然不佳。最初，美國空軍提出了“混合運(yùn)載器”概念，并于2006年分別授予諾格公司、洛馬公司、安德魯斯航天公司等有關(guān)“戰(zhàn)神”火箭的研究合同，但2007財(cái)年國防授權(quán)法案終止了“戰(zhàn)神”計(jì)劃。2010年美國空軍不變初衷，重新明確規(guī)劃了“可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)”技術(shù)演示驗(yàn)證的系列計(jì)劃。作為部分可重復(fù)使用運(yùn)載器的核心技術(shù)，“可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)”與“混合運(yùn)載器”一脈相通，并計(jì)劃第一個(gè)用于演示驗(yàn)證“可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)”的“探路者”，將于2013年進(jìn)行試驗(yàn)?！翱芍貜?fù)使用助推器系統(tǒng)”系列計(jì)劃所設(shè)定的目標(biāo)為發(fā)射成本減半，其前提是年發(fā)射頻度不低于8次。“可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)”構(gòu)型包括可重復(fù)使用的第一級(jí)和一次性的上面級(jí)，計(jì)劃開發(fā)兩種“可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)”型號(hào)：一種是配備一個(gè)可重復(fù)使用的第一級(jí)和低溫上面級(jí)，用于中型發(fā)射任務(wù)；另外一種是配備兩臺(tái)可重復(fù)使用助推器，低溫核心級(jí)和上面級(jí)，用于重型發(fā)射任務(wù)。2011年，美國空軍再次授予上述3家公司合同，但這個(gè)計(jì)劃也是好景不長，2012年10月，“探路者”因空軍預(yù)算削減，這個(gè)項(xiàng)目也決定下馬。

X－33/“冒險(xiǎn)星”示意圖

不難發(fā)現(xiàn)，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1項(xiàng)目與“探路者”項(xiàng)目密切相關(guān)。試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1的項(xiàng)目經(jīng)理杰斯·斯波納布（Jess Sponable）在2012年12月加入國防部高級(jí)研究計(jì)劃局之前，曾是美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的“探路者”項(xiàng)目的總工程師。在目前空軍預(yù)算不斷削減的情況下，將發(fā)展重復(fù)使用航天運(yùn)載器的任務(wù)，轉(zhuǎn)到有一定資金而管理靈活的國防部高級(jí)研究計(jì)劃局，不失為明智之舉。美國重復(fù)使用航天運(yùn)載器在國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的管理下能否走出一條新路，堅(jiān)持到底，我們將拭目以待。

已被終止的戰(zhàn)神－1（左）、5火箭

4 結(jié)束語

眾所周知，降低航天運(yùn)載費(fèi)用既包括航天運(yùn)載器研制和生產(chǎn)費(fèi)用，還包括在總費(fèi)用中占有很大比重的發(fā)射和測控的費(fèi)用。國防部高級(jí)研究計(jì)劃局目前正在執(zhí)行的兩個(gè)計(jì)劃，不僅可以降低前者，還可以大幅度降低后者的費(fèi)用。這就提醒人們，降低航天運(yùn)載費(fèi)用不僅要降低航天運(yùn)載器的成本，還要設(shè)法大幅度降低發(fā)射和測控費(fèi)用。