黃志澄/文

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商業(yè)航天是美國太空探索的新動力

黃志澄：空氣動力學(xué)家、航天技術(shù)專家、技術(shù)評論家。長期從事空氣動力學(xué)、航天發(fā)展戰(zhàn)略研究，為我國大型試驗基地建設(shè)、載人航天方案論證、新型航天器研制做出了貢獻。近十年來從事科學(xué)、技術(shù)與社會等宏觀科學(xué)領(lǐng)域研究，在國內(nèi)外有較大影響。

商業(yè)航天是指以商業(yè)為目的并用市場化的模式運行的航天活動。實際上，在應(yīng)用衛(wèi)星領(lǐng)域，如通信衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星等，早就開始了市場化過程，并取得了很大成效。在西方成熟的市場經(jīng)濟體制下，這個進程并未引起人們的過度關(guān)注。當一個行業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品已足夠成熟，把它推向市場和進行商業(yè)運作是順理成章的事情。然而最近幾年，商業(yè)航天的話題再次引起國際航天界的關(guān)注，則是因為美國在載人航天領(lǐng)域首先引入了商業(yè)和市場機制。

1　美國太空探索實現(xiàn)雙輪驅(qū)動

回顧美國航空航天局（NASA）在2015年的成績，可以說這是NASA取得大豐收的一年。NASA局長查爾斯 博爾登（Charles Bolden）說：“2015年是美妙的一年，我們離火星更近了一步。我們?yōu)樯虡I(yè)合作伙伴取得的進步喝彩，他們很快就能夠?qū)⒚绹教靻T送往‘國際空間站’。我們也為那些能將我們送往深空、改善航空系統(tǒng)、探索宇宙和地球的新技術(shù)和新任務(wù)取得的進步而喝彩。”

回顧NASA在2015年取得的成績不難發(fā)現(xiàn)，NASA除了依靠政府投入外，其鼓勵和支持私營航天創(chuàng)業(yè)公司發(fā)展商業(yè)航天的政策，也為NASA取得2015年的大豐收起到了重要的作用。

在太空探索中采用政府和市場雙輪驅(qū)動政策，是美國航天有史以來最大的轉(zhuǎn)型。實際上，這種轉(zhuǎn)型也是前幾年美國太空探索面臨的嚴峻形勢逼出來的。美國航天飛機退役后，NASA重新打造的新的“獵戶座”（Orion）飛船要在2020年才能升空。在此之前，美國沒有一個航天運輸系統(tǒng)能為空間站服務(wù)。運送人員的唯一選擇是利用俄羅斯的“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船，每個座位須支付約7000萬美元，通常每年要購買6個座位。為改變這一尷尬局面，自2010年開始，奧巴馬政府就要求NASA盡力支持本土有競爭力的公司研發(fā)航天運輸系統(tǒng)，恢復(fù)美國向空間站的運輸能力。

NASA正在研發(fā)的“獵戶座”載人飛船

隨著航天基本技術(shù)的成熟，世界各航天大國除了繼續(xù)關(guān)注太空安全外，將重點轉(zhuǎn)向發(fā)展太空經(jīng)濟與太空探索。在這種形勢下，美國產(chǎn)生了一批私營航天創(chuàng)業(yè)公司。由于私營航天創(chuàng)業(yè)公司管理機制靈活高效，因而研制航天運輸系統(tǒng)的周期短、成本也較低。

NASA早在2006年就啟動了“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”（COTS）項目，旨在為空間站運送貨物。經(jīng)過招標，NASA最終選擇了兩家創(chuàng)新能力強的私企：一家是美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX），按合同該公司要用其“龍”（Dragon）飛船向空間站運送12次貨物；另一家是軌道科學(xué)公司［OSC，2014年4月與美國阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（ATK）合并成為軌道-ATK公司］，按合同該公司要用其“天鵝座”（Cygnus）飛船在2013-2016年間分8次將20t貨物運送至空間站。在美國載人航天領(lǐng)域過去取得的一系列成績中，美國商業(yè)公司功不可沒。NASA本身從未涉足過火箭或飛船制造領(lǐng)域，而是全部交給波音公司（Boeing）和洛馬公司（LM）等私營承包商來負責(zé)實際設(shè)計和建造工作。NASA現(xiàn)在的“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”項目與之前的區(qū)別在于資金使用方式不同。以往NASA在招標時，它所承諾的支付包括研制費用（即“成本”）及利潤（即“加成”），也就是所謂“旱澇保收型”。而“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”則是在招標后支付這些公司一筆固定的資金，如果研制成本超支，則由投標公司自己承擔(dān)。因此，私企承擔(dān)了主要風(fēng)險。

太空探索技術(shù)公司近期因嘗試回收火箭而頻頻吸引眾人眼球。其研制的“龍”飛船已多次向空間站運貨，并將提供載人航天服務(wù)，未來還將重復(fù)使用火箭和飛船，所以能大大降低天地往返的運輸成本。軌道科學(xué)公司在2013年4月由“安塔瑞斯”（Antares）火箭成功發(fā)射了“天鵝座”飛船，搭載了與飛船等質(zhì)量的3.8t載荷。這一成功發(fā)射，證明了又一家私企具備了航天運輸能力。NASA局長博爾登表示：“NASA計劃利用美國企業(yè)的創(chuàng)造性到達近地軌道，從而使NASA可以將資源集中用于深空探測。從這個角度看，與這些企業(yè)簽訂合同，無疑是重要的里程碑?！?/p>

NASA在2016年初簽訂了第二份商業(yè)補給服務(wù)合同，確?？臻g站的貨運任務(wù)持續(xù)到至少2024年。這次除了軌道-ATK公司和太空探索技術(shù)公司外，內(nèi)華達山脈公司（SNC）的“追夢者”（DreamChaser）小型太空飛機也贏得了第二輪合同。

隨著NASA將重心轉(zhuǎn)移到更具挑戰(zhàn)性的載人火星探索，私企將接過把航天員和相關(guān)貨物送到空間站的接力棒。2011年4月18日，NASA宣布了“第二輪商業(yè)乘員研究計劃”（CCDev2），旨在幫助美國私企研制出可替代航天飛機的天地往返運輸系統(tǒng)。波音公司的乘員空間運輸-100［CST-100飛船，后更名為“星際客車”（Starliner）］、內(nèi)華達山脈公司的“追夢者”小型太空飛機、太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船和藍色起源公司的垂直起降方案，分別獲得了數(shù)額不等的資助。

NASA的“商業(yè)乘員計劃”廣告

2014年9月16日，波音、太空探索技術(shù)兩家公司與NASA簽署協(xié)議，分別獲得42億美元和26億美元的合同。在通過飛行認證后，每家公司將自2017年起各自承擔(dān)2～6次飛往空間站的載人運輸任務(wù)。不難預(yù)測，若內(nèi)華達山脈公司能順利完成“追夢者”小型太空飛機的運貨任務(wù)，也將會加入到載人任務(wù)的競爭中來。NASA還任命了4位有經(jīng)驗的航天員和測試飛行員為商業(yè)載人航天任務(wù)進行培訓(xùn)和準備，并與這些商業(yè)公司緊密合作，協(xié)助研發(fā)其載人運輸系統(tǒng)。

這些年來，美國除了出現(xiàn)上述商業(yè)航天公司之外，還出現(xiàn)了許多發(fā)展商業(yè)空間站、太空旅游和火星探索的私營公司。2015年，比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗艙”（BEAM）已經(jīng)運抵肯尼迪航天中心。2016年4月，太空探索技術(shù)公司已將該活動艙送往空間站，接受為期2年的測試和技術(shù)驗證，有助于推進NASA實施長期載人飛行任務(wù)的目標。

將小行星拖到月球附近也將為有意進行小行星采礦的公司開啟商業(yè)機遇。2015年10月，NASA向美國工業(yè)界征集有關(guān)NASA如何為無人采礦任務(wù)研制先進太陽能電推進航天器的創(chuàng)新想法。NASA還采取措施，激勵商業(yè)航天部門深空探測能力的發(fā)展，并選擇了12個項目將參與商業(yè)公司合作，推動必需的探測能力的研發(fā)。

NASA正在研發(fā)的2種“航天發(fā)射系統(tǒng)”

2　商業(yè)航天為NASA注入新活力

NASA的經(jīng)費全部由美國政府投入，先由NASA編制預(yù)算申請，經(jīng)國會審議后由總統(tǒng)批準。2016年2月初，NASA向美國國會遞交了2017財年預(yù)算申請。從2017財年預(yù)算申請可以看出，科學(xué)領(lǐng)域項目正在穩(wěn)步增長?？茖W(xué)項目由2015財年的52億美元增長到2017財年的56億美元（漲幅7.7%）；載人探索預(yù)算規(guī)模呈小幅下降趨勢，但其比重仍舊占50%。隨著“獵戶

130t

70t火箭發(fā)射逃逸系統(tǒng)

“獵戶座”

臨時低溫推進段（lCPS）

級間

J-2x發(fā)動機上面級

核心段

固體火箭助推器

改進型助推器RS-25發(fā)動機座”飛船和“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）逐漸完成關(guān)鍵設(shè)計評審，探索系統(tǒng)的經(jīng)費投入正由2015財年和2016財年的峰值水平逐漸下降。另一方面，載人航天投資重點轉(zhuǎn)向了太空運行領(lǐng)域，預(yù)算由2015財年的46.26億美元增加到了50.76億美元，增幅10%。其中，將特別加大對“商業(yè)乘員運輸”計劃的投資，2017財年預(yù)算申請由2015財年8.05億美元增加到11.85億美元，增幅47%。

太空技術(shù)領(lǐng)域投資連續(xù)3年保持高速增長，由2015財年的6.03億美元增長到2017財年的8.27億美元。高度重視太空技術(shù)研究與開發(fā)，由2015財年3.78億美元增長到5.79億美元。首先，太空技術(shù)研究與開發(fā)包括了多個創(chuàng)新項目：NASA創(chuàng)新先進概念（NIAC）、太空技術(shù)研究獎勵（STRG）、NASA各大中心創(chuàng)新基金（CIF）、小型飛行器技術(shù)（SST）、百年挑戰(zhàn)等。通過這些項目的實施，能夠為NASA未來科學(xué)和探索任務(wù)培育可轉(zhuǎn)化、具有高度應(yīng)用前景的前瞻性技術(shù)。2017財年投資重點包括開發(fā)高性能星載計算機處理器、火星制氧技術(shù)、電推進技術(shù)等。其次，NASA還將加大對小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）和小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移（STTR）項目的投入，由2015財年的1.97億美元增長到2.13億美元。將繼續(xù)開展太空在軌服務(wù)演示任務(wù)；繼續(xù)研發(fā)高性能太陽能電推進技術(shù)，滿足NASA探索任務(wù)的需求；繼續(xù)開展高碼速率深空通信技術(shù)研究。

將NASA的2017財年預(yù)算與2007財年預(yù)算進行比較不難發(fā)現(xiàn)，NASA的商業(yè)航天政策，對促進其在2030年或稍后達到載人火星探索目標起到了十分積極的作用。這項政策促進和催化了美國商業(yè)航天工業(yè)的增長，雖然NASA投入的經(jīng)費并不多，但起到了“一兩撥千斤”的作用，給NASA注入了新活力。這不僅使NASA擺脫了航天飛機的高額運行費用和航天飛機退役后的困境，并能確保有財力繼續(xù)研發(fā)“獵戶座”飛船、“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭以及相應(yīng)的地面系統(tǒng)，以便NASA在未來能運送航天員到達近地軌道以遠的區(qū)域；而且還有助于NASA在太空科學(xué)探索、地球科學(xué)、航天技術(shù)和航空研究等諸多方面仍保持世界領(lǐng)先地位。無疑，NASA在2015年星際探索方面的大豐收，也與NASA商業(yè)航天政策的成效密切相關(guān)。

3　商業(yè)航天促進太空探索技術(shù)創(chuàng)新

實際上，美國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的主力是企業(yè)，特別是正在創(chuàng)業(yè)的中小企業(yè)。企業(yè)創(chuàng)新的動力既來自市場需求的推動，也來自市場競爭的壓力。競爭導(dǎo)致優(yōu)勝劣汰，為了保證不在競爭中被淘汰，并取得競爭優(yōu)勢，企業(yè)就必須通過各種手段增強競爭力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的競爭越來越多地表現(xiàn)為技術(shù)創(chuàng)新的競爭，特別是顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的競爭。誰擁有顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的成果，誰就占有了市場的絕對優(yōu)勢。與大型企業(yè)相比，中小企業(yè)雖然在資金、人才和設(shè)備等方面處于劣勢，但是中小企業(yè)規(guī)模小，靈活方便；專業(yè)化程度高，開展技術(shù)創(chuàng)新快捷省時，效率較高；管理層次少，凝聚力強，富于合作精神；中小企業(yè)對顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的需求更高，創(chuàng)新的意識更強。因此，中小企業(yè)具有顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的潛在優(yōu)勢。基于以上原因，美國中小企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)量、質(zhì)量、效率和周期等方面，都表現(xiàn)出很高的水平。研究表明，美國中小企業(yè)創(chuàng)造的技術(shù)創(chuàng)新成果和新技術(shù)在數(shù)量上占全國的55%以上，中小企業(yè)人均技術(shù)創(chuàng)新量是大企業(yè)的2.5倍。根據(jù)1958年成立的美國聯(lián)邦中小企業(yè)局（SBA）的調(diào)查，20世紀對美國和世界有過巨大貢獻的65項發(fā)明和創(chuàng)造全是由中小企業(yè)創(chuàng)造的，從飛機、計算機到復(fù)印機、圓珠筆等，無所不包。

同時，市場的開放程度往往決定這種競爭能否帶來何種創(chuàng)新的效果，只有做到市場的充分開放，也就是只有打破壟斷，才能催生顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。例如，2006年之前，美國在航天商業(yè)運輸領(lǐng)域只有波音和洛馬等大公司，2006年開始決定在航天商業(yè)運輸領(lǐng)域充分開放市場后，立即就涌現(xiàn)出一批如太空探索技術(shù)公司、軌道-ATK公司、內(nèi)華達山脈公司、比格羅航天公司、藍色起源公司、維珍銀河公司（Virgin Galactic）等這樣朝氣蓬勃的公司，培育著航天運輸領(lǐng)域的技術(shù)突破。這些公司不僅可以提供大公司同樣性能的火箭（如“獵鷹”系列火箭）和飛船（如“龍”飛船），而其運輸費用明顯降低50%以上。其中，太空探索技術(shù)公司和藍色起源公司正在進行試驗的火箭回收技術(shù)、內(nèi)華達山脈公司的升力體航天飛機技術(shù)和比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗艙”技術(shù)等，都給人們留下了深刻的印象。

與“國際空間站”對接的“追夢者”小型太空飛機示意圖

另一方面，NASA的商業(yè)航天政策使得NASA過去開發(fā)的產(chǎn)品獲得了新的應(yīng)用，長期積累的技術(shù)也能轉(zhuǎn)化成工程系統(tǒng)。例如，太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”火箭使用的“灰背隼”（Merlin）火箭發(fā)動機，就源于NASA在20世紀60年代開發(fā)的登月軌道艙的煤油/液氧燃料火箭發(fā)動機，經(jīng)過該公司多次改進，最新版的“灰背隼”發(fā)動機已達到了很高的工作效率。比格羅航天公司的“比格羅充氣式試驗艙”技術(shù)，也曾是NASA試驗了多年的技術(shù)。內(nèi)華達山脈公司的“追夢者”小型太空飛機采用的構(gòu)型，就是NASA在多年積累的升力體技術(shù)上研發(fā)出的HL-20升力體構(gòu)型。假若沒有NASA的商業(yè)航天政策，這些成果仍將束之高閣。

不僅如此，由于一大批富有創(chuàng)新活力的商業(yè)航天公司的出現(xiàn)，也給NASA的舊體制以很大沖擊。在競爭的壓力下，在激勵員工創(chuàng)新和改進科普宣傳方面也出現(xiàn)了新氣象。NASA與二十世紀?？怂闺娪肮竞献髋臄z的“火星救援”，于2015年10月在全球首映，為爭取民眾支持NASA實現(xiàn)未來的“火星之旅”起到了很好的宣傳作用。

4　結(jié)束語

NASA的商業(yè)航天政策雖取得了驚人的成效，但也并非一帆風(fēng)順。2014年10月，“安塔瑞斯”火箭在發(fā)射“天鵝座”飛船時爆炸，使得這項計劃暫停。直到2015年12月，“天鵝座”飛船改用宇宙神-5（Atlas-5）火箭發(fā)射，才再次成功完成空間站的運貨任務(wù)。2015年6月，太空探索技術(shù)公司的獵鷹-9火箭在發(fā)射“龍”飛船時也發(fā)生爆炸。但這些事故并未阻擋美國商業(yè)航天前進的步伐，但同時它也提供了深刻的教訓(xùn)：商業(yè)航天發(fā)展中既要重視創(chuàng)新，又要重視安全性。由此可見，美國采用政府與市場雙輪驅(qū)動太空探索的政策，積累了一些發(fā)展商業(yè)航天的經(jīng)驗教訓(xùn)，必將對世界航天，包括中國航天的發(fā)展，產(chǎn)生深遠的影響。

黃志澄/文

Commercial Space is New Drive for U.S. Space Exploration