張小林,顧黎明,吳獻忠
(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033)
從2002年Space X公司宣告成立后的15年間,這家純民營航天企業(yè)創(chuàng)造的一個個航天技術(shù)奇跡,拓展的一個個商業(yè)航天市場成果,不僅僅是Space X公司順應(yīng)潮流、勇于探索、大膽創(chuàng)新的結(jié)果,美國國家調(diào)整戰(zhàn)略思維,給予全方位的政策鼓勵與扶持,更是起到?jīng)Q定性的快速發(fā)展推動作用。2017年12月15日,Space X公司利用“二手”獵鷹9火箭發(fā)射“二手”“龍”飛船(Dragon)是人類航天史上的第一次,也是載入世界航天發(fā)展史冊的里程碑事件,這一定也是美國航天領(lǐng)域軍民融合的具體舉措。
Space X公司從成立之初,就站在巨人的肩膀上,其核心員工主要來自美國NASA和傳統(tǒng)的航天大公司的航天精英,Space X公司的雄心壯志還吸引了許多年輕科技人員,到2015年,公司人員已超過4000人。Space X公司成功崛起的經(jīng)驗值得總結(jié)學(xué)習(xí),從中可分析總結(jié)美國的軍事航天發(fā)展的戰(zhàn)略動向和航天技術(shù)的發(fā)展趨勢,對我國的航天技術(shù)發(fā)展有積極的借鑒意義。
Space X公司的產(chǎn)品主要包括“獵鷹”(Falcon)系列運載火箭和“龍”(Dragon)飛船,星鏈(Star link)互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星等。目前研制的“獵鷹”系列運載火箭有“獵鷹”1、“獵鷹”5、“獵鷹”9、“蚱蜢”四個型號?!褒垺憋w船包括正在加緊研制的貨運型號,也包括設(shè)想中的載人型號。
“獵鷹”1:“獵鷹”1是一種兩級火箭,采用液氧和火箭級煤油作為推進劑,能夠?qū)装偾Э思壍呢浳镞\送至近地軌道。2006年3月第一次發(fā)射,現(xiàn)已發(fā)射5次,其中前3次發(fā)射失敗,后2次發(fā)射成功?!矮C鷹”1分為標(biāo)準(zhǔn)型“獵鷹”1和加強型“獵鷹”1e兩個型號。標(biāo)準(zhǔn)型“獵鷹”1火箭長21.3 m,直徑為1.7 m,質(zhì)量為27.67 t,起飛推力347 kN,低地軌道運載能力470 kg。2010年推出的加強型“獵鷹”1e火箭長24.7 m,直徑1.7 m,質(zhì)量35.18 t,起飛推力512 kN,185 km低地圓軌道運載能力1010 kg,發(fā)射價格1090萬美元。該型號已取代標(biāo)準(zhǔn)型。以下介紹針對的是“獵鷹”1e。
“獵鷹”5:與“獵鷹”1一樣,“獵鷹”5也是一種采用液氧和火箭級煤油(RP-1)作推進劑的兩級運載火箭。它與“獵鷹”1使用基本相同的發(fā)動機、結(jié)構(gòu)構(gòu)造(直徑更大)、宇航電子設(shè)備和發(fā)射系統(tǒng)。這意味著其所有關(guān)鍵組件在首飛之前就將已經(jīng)是經(jīng)過飛行驗證的。不過,“獵鷹”5和“獵鷹”9一樣,兩級都可重復(fù)使用。這將使它們成為世界上首批可完全重復(fù)使用的運載火箭。
“獵鷹”5火箭在可靠性上的重大突破源自其有5臺發(fā)動機和單一貯箱的第一級配置。它由此將和“獵鷹”9一起,成為美國自“土星”5之后第一種具有發(fā)動機停車可靠性的運載火箭。更重要的是,其第一級可在有多達3臺發(fā)動機失效的情況下繼續(xù)完成發(fā)射任務(wù)。
“獵鷹”9:Space X公司在2015年9月宣布研制“獵鷹”9運載火箭的?!矮C鷹”9主要有三項用途:一是為商業(yè)和政府用戶向近地轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射各種尺寸的衛(wèi)星;二是發(fā)射重型低軌衛(wèi)星,主要是美國國防部衛(wèi)星;三是爭取用于國際空間站補給發(fā)射,首先是貨物補給,以后還可能用于運送人員。
同“獵鷹”1和“獵鷹”5一樣,獵鷹”9也采用液氧和RP-1煤油作推進劑的兩級運載火箭,而且發(fā)動機、結(jié)構(gòu)構(gòu)造(直徑加大)、航電設(shè)備和發(fā)射系統(tǒng)也與“獵鷹”1基本相同。該火箭已在2010年進行了兩次試射,均取得了成功。2016年發(fā)射7次,成功回收5次,先后實現(xiàn)低軌任務(wù)的陸地回收以及高軌任務(wù)的海上回收?!矮C鷹”9現(xiàn)分為1型和2型。2型“獵鷹”9全長54.9 m,直徑3.6 m,質(zhì)量333.4 t(低地軌道,5.2 m整流罩)或332.8 t(近地轉(zhuǎn)移軌道,5.2 m整流罩),起飛推力約5 MN。
2013年10月19日,美國Space X公司研發(fā)的“蚱蜢”火箭完成了“第八跳”,火箭在點火發(fā)射升空到744 m的高空后,又垂直準(zhǔn)確降落到發(fā)射臺上。整個試驗過程持續(xù)78.8 s,火箭降回地面后外觀完好。與傳統(tǒng)運載火箭相比,“蚱蜢”外形上最大不同是帶有四條鋼鋁結(jié)構(gòu)的“腿”,它們帶有液壓減震器,使火箭能抵御垂直落回地面的巨大沖擊而不致嚴重損壞。
“蚱蜢”火箭使用了全新的垂直起飛垂直降落概念,Space X公司希望憑借該技術(shù)打造出可重復(fù)使用的火箭系統(tǒng),這樣在運載火箭發(fā)射后就可以自動降落在預(yù)訂場地上,不需要從海洋中人工打撈火箭助推器或者其他部件。這項技術(shù)有助于降低運載火箭的發(fā)射成本,使火箭不再是一次使用的消耗品。本次“蚱蜢”試驗是公司研發(fā)垂直起降、完全可重復(fù)使用運載火箭的“關(guān)鍵一步”,希望將垂直起飛垂直降落技術(shù)安裝到下一代的“獵鷹”火箭上。該公司已用“獵鷹”9系列運載火箭承攬衛(wèi)星發(fā)射任務(wù),并與NASA簽訂合同,向“國際空間站”運送航天員和物資。
“龍”飛船是Space X公司設(shè)計的為軌道接收目標(biāo)運送貨物和航天員的空間自由飛行航天器。它作為公司的內(nèi)部項目于2005年啟動,擬用于向低地軌道運送增壓和不增壓貨物,并考慮發(fā)展載人型號。飛船由三大部分組成。頭錐部分用于在上升飛行過程中保護飛船和對接適配器。飛船本體部分用于乘坐人員和裝載增壓貨物,并設(shè)有裝納航電設(shè)備、反推控制系統(tǒng)、降落傘和其它保障設(shè)備的服務(wù)艙。筒形軀干部分用于裝載不增壓貨物,并支撐飛船的太陽能電池陣和散熱器。
NASA于2008年底宣布選用“獵鷹”9火箭和“龍”飛船來執(zhí)行航天飛機退役后國際空間站的貨運補給飛行任務(wù)。2011年4月18日,NASA宣布同4家公司簽訂了“商業(yè)機組發(fā)展”計劃第二輪(CCDev-2)下的協(xié)議,將向這幾家公司提供共計2.693億美元的經(jīng)費資助,以扶持研制以商業(yè)方式運營的人員運輸系統(tǒng),Space X公司獲得了其中的7500萬美元。2017年6月1日Space X公司從NASA肯尼迪航天中心向國際空間站發(fā)射“龍”航天器,執(zhí)行第11次商業(yè)補給任務(wù)?!褒垺睂⒂伞矮C鷹”9火箭發(fā)射,為國際空間站的工作人員運送生活補給和科研物資,包括用于研究中子星的科研設(shè)備、太陽能電池板、地球觀測工具等。
2019年5月23日,Space X公司使用“獵鷹”9運載火箭在卡納維拉爾角空軍站發(fā)射了的60顆星鏈低軌寬帶衛(wèi)星。本次發(fā)射的這些衛(wèi)星每顆質(zhì)量約為227 kg,總質(zhì)量13.62 t。星鏈衛(wèi)星采用新型平板式設(shè)計,配備氪燃料等離子體推力器、大功率天線和防撞預(yù)警相機。星上配備多部高通量天線和單一太陽能電池陣。衛(wèi)星采用利用電和氪氣來產(chǎn)生沖量的霍爾推力器來開展在軌機動、姿態(tài)保持和任務(wù)末期的再入引導(dǎo)。
這次發(fā)射的衛(wèi)星型號屬于0.9版,沒有配置星間鏈路,但能利用地面站作為中繼通道。星鏈的用戶終端采用相控陣電掃天線,同傳統(tǒng)碟形天線相比,電掃系統(tǒng)能同時跟蹤多顆衛(wèi)星。
Space X公司最終計劃發(fā)射和運營多達4409顆Ku和Ka波段衛(wèi)星,7518顆V波段衛(wèi)星組成的一個網(wǎng)絡(luò),這將使Space X公司低軌寬帶星座衛(wèi)星數(shù)量達到11927顆。
Space X公司的星鏈計劃準(zhǔn)備三步走搭建:
第一步:用1600顆衛(wèi)星完成初步覆蓋。其中,前800顆衛(wèi)星滿足美國、加拿大和波多黎各等國的天基高速互聯(lián)網(wǎng)的需求。這1600顆衛(wèi)星分布在32條軌道上,每條軌道50顆衛(wèi)星。軌道高度1150 km,軌道傾角53°。
第二步:用2825顆衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)。這2825顆衛(wèi)星分為4組。第1組由1600顆衛(wèi)星組成,布于32條軌道上,每條軌道50顆,軌道高度為1110 km,軌道傾角為53.8°;第2組由400顆衛(wèi)星組成,分布在8條軌道上,每條軌道50顆,軌道高度1130 km,軌道傾角為74°;第3組由375顆衛(wèi)星組成,分布在5條軌道上,每條軌道75顆,軌道高度1275 km,軌道傾角為81°;第4組由450顆衛(wèi)星組成,分布在6條軌道上,每條軌道75顆,軌道高度1325 km,軌道傾角為70°。前兩步的衛(wèi)星總數(shù)量為4425顆,這些衛(wèi)星工作在較為傳統(tǒng)的Ka波段和Ku波段,力爭以量取勝。
第三步:用7518顆衛(wèi)星組成更為激進的低軌星座。這些衛(wèi)星的運行軌道比第一步和第二步的4425顆衛(wèi)星的1110~1325 km軌道高度要更低,為340 km高度附近。而且,第三步的7518顆衛(wèi)星將工作在40~75 GHz之間V波段。
星鏈計劃的三步走完成后,就在近地軌道組成了兩層龐大的衛(wèi)星星座,內(nèi)層340 km軌道高度的7518顆衛(wèi)星與外層的1000多千米軌道高度的4425顆衛(wèi)星組成的11943顆衛(wèi)星星座。2018年11月12日,Space X公司對星鏈進行了修訂,旨在減少龐大數(shù)量的衛(wèi)星對近地空間造成的影響。此次修訂只針對第一批發(fā)射計劃中第一階段發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量。
星鏈第一批發(fā)射計劃原包括4425顆衛(wèi)星,其中第一階段包括1600顆衛(wèi)星,在距地面高度為1150 km的軌道上運行。修訂后,該階段待發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)減少至1584顆,運行高度降低到550 km,衛(wèi)星的運行方式也做出了相應(yīng)調(diào)整,如表1所示。
表1 第一批衛(wèi)星布置調(diào)整
星座的通信架構(gòu)部署將分兩階段進行。第一階段,Space X將使用Ku波段頻譜進行衛(wèi)星與網(wǎng)關(guān)和用戶終端之間的通信,同時在地面站安裝拋物面天線。第二階段共計劃發(fā)射7518顆衛(wèi)星,隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加,Space X將結(jié)合Ku/Ka雙波段芯片組和其他支持技術(shù),逐步轉(zhuǎn)向使用Ka波段頻譜進行網(wǎng)關(guān)通信;隨著系統(tǒng)的發(fā)展,逐步引入相控陣天線。這2個階段的數(shù)據(jù)鏈路頻率如表2所示。
表2 工作頻率范圍
Space X公司的企業(yè)使命是:發(fā)展宇宙空間探測火箭和飛行器,持續(xù)提高航天運輸系統(tǒng)的可靠性和成本效率,鑄就世界領(lǐng)先的航天服務(wù)公司。為了實現(xiàn)企業(yè)使命,該公司先進的經(jīng)營理念是:簡單、可靠、低成本。
作為新興的私營航天企業(yè),為了與壟斷美國政府發(fā)射市場的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司競爭,Space X公司制勝的關(guān)鍵就是低成本。其降低發(fā)射成本的主要秘訣集中在降低間接費用、動力系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)、電子系統(tǒng)和發(fā)射操作等方面。
Space X公司在技術(shù)上體現(xiàn)出技術(shù)成熟與持續(xù)創(chuàng)新的特點。一方面,Space X公司十分注重使用成熟技術(shù)與成熟產(chǎn)品,將成熟技術(shù)、成熟產(chǎn)品運用到極致?!矮C鷹”系列火箭的灰背隼發(fā)動機采用了“阿波羅”計劃登月艙下降段發(fā)動機的噴管;“獵鷹”系列火箭使用了2195鋁鋰合金材料和攪拌摩擦焊技術(shù),因為2195鋁鋰合金材料早已用于航天飛機的外置燃料箱,攪拌摩擦焊技術(shù)也是如此,所以,不需再研發(fā)工藝。沿用成熟技術(shù)和成熟產(chǎn)品在很大程度上降低了火箭的研制費用,提高了可靠性。
另一方面,Space X公司高度重視技術(shù)創(chuàng)新,堅持擁有自己的核心技術(shù),自主研制了“獵鷹”系列火箭的主發(fā)動機、上面級發(fā)動機、低溫貯箱結(jié)構(gòu)和制導(dǎo)系統(tǒng)等關(guān)鍵產(chǎn)品。
傳統(tǒng)的航天公司多以大團隊協(xié)同的工作模式研制火箭,如波音公司在研制“德爾它”4火箭時投人了近千名工程師。而Space X公司采用了扁平化的管理架構(gòu),公司內(nèi)部沒有通常意義上的部門劃分,各領(lǐng)域的員工平等地參加技術(shù)研討、開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)等工作。
扁平化的組織結(jié)構(gòu),能夠?qū)?chuàng)新的想法和概念及時傳送到?jīng)Q策層,也能夠使相關(guān)決策及時傳遞到基層并實施,同時還使設(shè)計與生產(chǎn)的聯(lián)系更為緊密。研發(fā)人員在考慮材料和工藝的可實現(xiàn)性時,可隨時到生產(chǎn)車間與生產(chǎn)人員直接溝通,以便及時發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)是否具備投入生產(chǎn)的條件。事實證明,扁平化的管理保證了整個研發(fā)工作團隊的效率,節(jié)約了管理成本。
美國政府積極扶持商業(yè)航天企業(yè),營造有利于新興航天企業(yè)發(fā)展的環(huán)境。在市場準(zhǔn)入上,美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)2011年授予Space X公司飛行器再入軌道許可證書。
除了美國國家頂層的航天政策,美國還制定了一系列促進商業(yè)航天發(fā)展的配套法律,包括《零重力零稅收法》、《航天現(xiàn)代投資法》、《商業(yè)航天法》、《商業(yè)航天發(fā)射法》等,這些政策、法規(guī)的出臺,有力地推動了美國商業(yè)航天的發(fā)展,使得美國航天工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從過去的軍、民的結(jié)構(gòu)向軍、民、商業(yè)航天三足鼎立的結(jié)構(gòu)發(fā)展。
近年來,隨著對太空威脅認識的不斷深化和自身對太空能力需求的不斷增長,美國將太空安全視為核心利益,重視把開發(fā)太空資源與維護太空安全統(tǒng)一起來,深度推進太空領(lǐng)域軍民融合,軍民融合的范圍不斷拓展、模式持續(xù)創(chuàng)新。
面對日益復(fù)雜的太空環(huán)境,美軍積極推動太空力量轉(zhuǎn)型,強調(diào)增強太空體系結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性、防護性和重構(gòu)能力。美空軍航天司令部謀劃發(fā)展分散式太空系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),通過將太空能力“分散”到多個平臺或系統(tǒng)(包括民用/商業(yè))上,提高太空系統(tǒng)的生存能力,增加對手實施攻擊決策的困難,為威脅環(huán)境下的能力重構(gòu)、恢復(fù)或運行提供保障。2016年4月,美空軍航天司令部發(fā)布“太空企業(yè)級構(gòu)想”,謀求構(gòu)建富有彈性的國家安全太空體系,通過體系對抗增強太空系統(tǒng)生存能力,提升國家太空安全。
2017年4月,美空軍航天司令部制定“太空作戰(zhàn)架構(gòu)”(SWC),指導(dǎo)未來太空力量體系發(fā)展,其中特別強調(diào)軍民商伙伴關(guān)系的重要支撐作用,這意味著軍民商融合是美國未來太空力量體系的重要基礎(chǔ)之一。未來,美國將通過合理調(diào)配軍民商太空資源,建設(shè)一個更加富有彈性和靈活性的太空力量體系架構(gòu),能夠?qū)μ兆鲬?zhàn)做出快速反應(yīng),在充滿對抗、沖突的太空環(huán)境中贏得作戰(zhàn),維持21世紀(jì)的太空優(yōu)勢。
美國認為,當(dāng)前的太空安全環(huán)境日益呈現(xiàn)“擁擠、對抗、競爭”的局面,俄、中太空對抗能力的發(fā)展,對美國太空系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅。美國的太空資源不再處于絕對安全區(qū),每個軌道上的美國衛(wèi)星都受到威脅,太空帶給美國的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢不再是理所當(dāng)然的事情。
為鞏固太空戰(zhàn)略優(yōu)勢,2017年6月30日,美國總統(tǒng)特朗普發(fā)布行政令,針對美國太空活動日益分化的現(xiàn)實,重建國家航天委員會,將軍民商航天活動統(tǒng)管提升到國家戰(zhàn)略層面,通過統(tǒng)籌協(xié)調(diào)政策規(guī)劃、合理調(diào)配資源,把開發(fā)太空資源與維護太空安全統(tǒng)一起來,確保每個太空部門都在提升美國利益中扮演適當(dāng)?shù)慕巧_保國家資源都用于實現(xiàn)國家目標(biāo)。國家航天委員會主席彭斯宣布,將制定綜合性的國家太空政策,以支持美國太空領(lǐng)域的重要利益。國家安全顧問麥克馬斯特表示,正在進行全面戰(zhàn)略評審,制定“太空戰(zhàn)略框架”,并提出幾個重要目標(biāo):一是加強太空活動的安全性、穩(wěn)定性、可持續(xù)性以及彈性,在必要時攝止和挫敗敵人針對美國及其盟友的太空威脅;二是強化與商業(yè)部門合作,確保美國持續(xù)引領(lǐng)航天創(chuàng)新。
事實上,通信、對地觀測、導(dǎo)航等應(yīng)用衛(wèi)星不僅在軍事作戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用,而且廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟和社會各領(lǐng)域,成為軍民融合發(fā)展的重要領(lǐng)域。隨著民用和商業(yè)太空技術(shù)的不斷進步和廣泛應(yīng)用,太空安全領(lǐng)域的軍民融合成為新熱點。
一是軍方重視利用商業(yè)太空態(tài)勢感知能力。美國已與50多家商業(yè)航天公司簽署太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)共享協(xié)議,在世界范圍內(nèi)建成天地一體化太空態(tài)勢感知體系。
二是重視發(fā)展軍民兩用太空操作技術(shù)。美國防部和NASA都在積極開展相關(guān)研究太空操控技術(shù),不僅能應(yīng)用于空間站,也具有重要的軍事應(yīng)用價值。以該技術(shù)為基礎(chǔ),可以發(fā)展對非合作目標(biāo)的繞飛監(jiān)視、逼近檢查,以至捕獲、攔截等多種技術(shù)。
三是通過商業(yè)搭載、分布式手段等將太空能力分散布置在不同軌道的不同平臺上,使太空能力去中心化,以體系能力對抗可能的不對稱打擊。
四是探索在軌裝配、軌道碎片清除等具備多種用途的太空先進技術(shù)發(fā)展,這些技術(shù)的使用目的與界限模糊,其軍事應(yīng)用前景值得關(guān)注。
五是通過深空探索任務(wù)牽引,推進先進太空技術(shù)創(chuàng)新。在深空探索任務(wù)中演示驗證的深空自主控制/探測/跟蹤、在軌機動、與非合作目標(biāo)交會等技術(shù)也是太空攻擊武器的必備技術(shù)。
航天技術(shù)自帶很強的軍民兩用屬性,商業(yè)航天的發(fā)展不只為國家參與世界航天技術(shù)競爭,完善國家航天戰(zhàn)略布局時增加了可選擇的手段和產(chǎn)品,而且其技術(shù)發(fā)展必將對軍用航天和相關(guān)武器裝備的發(fā)展提供巨大的支撐作用,并將推進在航天和太空探索、應(yīng)用領(lǐng)域軍民融合深度發(fā)展格局的行程和落地。
過去,我國航天事業(yè)的發(fā)展主要得益于集中力量辦大事的舉國體制,這種體制在資源籌措和資源投入上有很大的優(yōu)勢,但是市場機制在資源利用效率上會有更大的優(yōu)勢,二者并不矛盾,這也是歐美商業(yè)航天發(fā)展取得成功的主要原因,其中商業(yè)航天發(fā)展所展現(xiàn)的效率優(yōu)勢已經(jīng)令人刮目相看。
一般情況下,在封閉的任務(wù)導(dǎo)向型的發(fā)展體制下,企業(yè)在技術(shù)選擇時必然會傾向于選擇既有成熟技術(shù),而放棄創(chuàng)新型技術(shù),以確保任務(wù)成功,即使要采取創(chuàng)新技術(shù),也必然要開展大量的驗證性試驗,為了打消各參與方的顧慮,整個驗證過程通常是冗長而低效的,而在市場化的創(chuàng)新型企業(yè)中,由于存在市場競爭和資本對投資效果的關(guān)注,相關(guān)的驗證必然會采取最科學(xué)和最具效率的方式,只要取得同專業(yè)專家的共識和認可。
Space X公司的成功屬于美國軍民融合發(fā)展的一個典范,對我國航天的后續(xù)發(fā)展有很大的借鑒和參考意義,軍民融合深度發(fā)展是要讓技術(shù)發(fā)展,設(shè)施建設(shè)兼顧軍民兩方面的需求,從制度設(shè)計上讓國家對國防科技工業(yè)的扶持和投入可以形成工業(yè)能力,同時要在市場規(guī)律作用下激發(fā)全社會力量的投入到國防科技工業(yè)傳統(tǒng)領(lǐng)域提升全行業(yè)的能力和效率,只有這樣才能實現(xiàn)一體化國家戰(zhàn)略體系和能力。