張綠云（北京航天長征科技信息研究所）

1 引言

2021年5月，美國國家航空航天局（NASA）公布了2022財年預(yù)算案，預(yù)算總額超過248億美元。其中，載人航天預(yù)算項目主要集中于深空探索系統(tǒng)（DSES）以及航天操作兩個領(lǐng)域，總預(yù)算為108.978億美元，約占NASA 2022財年總預(yù)算的44%。對以上兩個領(lǐng)域中與載人航天運輸系統(tǒng)相關(guān)的項目進行分析，包括用于實現(xiàn)載人深空探索目標(biāo)的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭、“獵戶座”（Orion）載人飛船、“探索地面系統(tǒng)”（EGS）、月球“門戶”（Gateway）、月球“載人著陸系統(tǒng)”（HLS）項目，以及用于實現(xiàn)近地軌道載人運輸?shù)摹俺藛T與貨運計劃”（C&CP）、“商業(yè)乘員計劃”（CCP）和近地軌道商業(yè)開發(fā)計劃，可對我國載人航天運輸系統(tǒng)發(fā)展方向以及預(yù)算規(guī)劃提供一定的參考借鑒。

2 深空探索系統(tǒng)

深空探索系統(tǒng)是NASA圍繞深空探索開展的核心任務(wù)領(lǐng)域，包括“探索系統(tǒng)研制”和“探索研究與開發(fā)”兩部分內(nèi)容，為深空探索提供所需系統(tǒng)和能力，主要包括“航天發(fā)射系統(tǒng)”、“獵戶座”載人飛船、“探索地面系統(tǒng)”、月球“門戶”以及月球“載人著陸系統(tǒng)”項目。2022財年，NASA為該領(lǐng)域申請的預(yù)算總額約為68.8億美元，相比2021財年實際所得增加了3.63億美元，以支持“阿爾忒彌斯”（Artemis）載人登月計劃。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”

“航天發(fā)射系統(tǒng)”是NASA組織研制的新一代重型運載火箭，采用兩級結(jié)構(gòu)，包括SLS 1型、SLS 1B型和SLS 2型三種構(gòu)型，近地軌道（LEO）運載能力分別為70t、105t和130t，月球軌道（LTI）運載能力分別為27t、38t和46t，可用于執(zhí)行“獵戶座”多用途載人飛船發(fā)射以及高優(yōu)先級科學(xué)探索等任務(wù)。截至2020財年，美國政府在SLS項目上累計投入了約172億美元。其中，91.083億美元花在了SLS 1型首飛箭的研制上，相比70.214億美元的基線成本，已經(jīng)超過了29.7%。

在研制進度上，截至2021財年底，在美國政府持續(xù)、穩(wěn)定的經(jīng)費支持下，NASA完成了SLS火箭芯級、級間段的設(shè)計與試驗，以及RS-25芯級主發(fā)動機、五段式固體助推器、過渡型低溫上面級（ICPS）的適應(yīng)性改進與試驗，完成了SLS首飛箭的制造、組裝與綜合性試驗，并完成了第2枚火箭相關(guān)組件的生產(chǎn)制造工作。目前，NASA已經(jīng)通過了SLS首飛箭的設(shè)計認(rèn)證審查，即將開展飛行準(zhǔn)備評審，將在2022財年完成阿爾忒彌斯-1無人繞月飛行任務(wù)。不過，比最初制定的首飛時間推遲了4年多。

按照目前計劃，NASA將在2023年9月進行阿爾忒彌斯-2載人繞月飛行任務(wù)，2025年進行阿爾忒彌斯-3首次載人登月任務(wù)，而在2026年實現(xiàn)SLS 1B型火箭的首飛。因此，2022財年，NASA繼續(xù)給SLS項目申請大額項目經(jīng)費，總預(yù)算為24.87億美元。其中，24.136億美元將用于支持SLS的研制工作；7340萬美元將用于支持SLS項目集成與支持。在研制方面，NASA的工作重點將轉(zhuǎn)移到SLS的第二、三、四次任務(wù)上，完成第2枚芯級、級間段、ICPS上面級以及第3～4枚固體助推器部段的交付、組裝與試驗，完成阿爾忒彌斯-2任務(wù)的飛行準(zhǔn)備評審；繼續(xù)開展阿爾忒彌斯3～4任務(wù)所需的SLS硬件的生產(chǎn)制造；繼續(xù)設(shè)計和開發(fā)用于SLS 1B型的探索上面級（EUS），并開展用于SLS 2型的先進助推器的方案設(shè)計、試驗與評估。

“獵戶座”飛船

“獵戶座”飛船由乘員艙、適配器、歐洲服務(wù)艙和發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）組成，可將4名航天員送入月球軌道等深空目的地，并可提供長達21天的居住和生活保障、緊急中止以及從深空安全返回的能力。截至2020財年，美國政府在該項目上累計投入了約116億美元。其中，76.56億美元花在了獵戶座-1無人飛船和獵戶座-2載人飛船的研制上，相比67.684億美元的成本基線，已經(jīng)超出了13.1%。

目前，用于阿爾忒彌斯-1任務(wù)的乘員艙、適配器、服務(wù)艙以及LAS系統(tǒng)已經(jīng)完成制造、裝配、試驗和組裝，并已經(jīng)集成至SLS 1型火箭。為了滿足后續(xù)“阿爾忒彌斯”計劃的需求，NASA繼續(xù)給“獵戶座”飛船項目申請足額經(jīng)費，在2022財年為其申請了14.067億美元，計劃用于開展以下工作：①開展首飛飛行后分析，評估航天器性能，并實現(xiàn)非核心電子部件的回收與重復(fù)使用；②完成首個“獵戶座”載人飛船的制造、組裝、試驗與集成以及初步任務(wù)集成審查；③啟動第3～5個“獵戶座”飛船的采購計劃，并進行結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)制造、軟件開發(fā)等。

“探索地面系統(tǒng)”

“探索地面系統(tǒng)”項目在“阿爾忒彌斯”計劃中發(fā)揮不可或缺的作用，主要依靠肯尼迪航天發(fā)射中心（KSC）的地面基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)SLS火箭與“獵戶座”載人飛船的垂直總裝、試驗與發(fā)射。截至2020財年，NASA在該項目上總計投入約40億美元。其中，用于支持SLS 1型首飛任務(wù)的地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用達到了24.964億美元，相比18.435億美元的基線成本，已經(jīng)超過了33.7%。

基于政府持續(xù)的經(jīng)費支持，NASA已經(jīng)完成了“阿波羅”（Apollo）時期到航天飛機時期所建造的垂直組裝大樓（VAB）、發(fā)射控制中心、1號活動發(fā)射平臺（ML1）、履帶式運輸車以及39B發(fā)射工位的升級改造與功能試驗，進行了通信與控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造，并開展了組裝演練、發(fā)射倒計時演練等，具備進行阿爾忒彌斯-1任務(wù)的能力。

2022財年，NASA繼續(xù)給“探索地面系統(tǒng)”項目申請相應(yīng)的經(jīng)費，總預(yù)算為5.9億美元，相比2021財年的撥付金額增加了1000萬美元。NASA計劃將這些預(yù)算用于ML1平臺、VAB組裝大樓以及39B發(fā)射工位的進一步改造，以適應(yīng)后續(xù)的“阿爾忒彌斯”載人飛行任務(wù)，主要包括以下幾個方面：①繼續(xù)為39B發(fā)射工位開發(fā)新型緊急出口系統(tǒng)（EES），設(shè)計可制動吊籃和活動發(fā)射平臺臺面附近掩體，實現(xiàn)緊急逃生；②繼續(xù)開展“獵戶座”乘員艙的回收試驗；③建造2號活動發(fā)射平臺，滿足SLS 1B型的發(fā)射需求；④繼續(xù)在39B發(fā)射工位附近建造、驗證新型液氫儲罐，采用新技術(shù)以減少氣化。

月球“門戶”

月球“門戶”是一個繞月飛行空間站，計劃為載人深空探索任務(wù)提供著陸系統(tǒng)各艙段，及其與“獵戶座”載人飛船的對接平臺及燃料加注、后勤保障、科學(xué)研究等服務(wù)，助力實現(xiàn)美國載人深空探索的可持續(xù)性發(fā)展。為了滿足“阿爾忒彌斯”計劃的發(fā)展需求，NASA將先期建設(shè)最簡版月球“門戶”，主要由電力和推進模塊（PPE）及居住艙（HALO）組成。未來，NASA會依靠國際合作伙伴的參與將其發(fā)展成規(guī)模更大、能力更強的深空平臺，將為人類在軌停留以及同一次“阿爾忒彌斯”任務(wù)中航天員反復(fù)到訪月球以及飛往火星鋪路。

2022財年，NASA為該項目申請了7.85億美元，用于完成以下重點工作：①準(zhǔn)備進行“門戶”的1期關(guān)鍵設(shè)計評審，建立機構(gòu)基線承諾和計劃承諾協(xié)議；②完成電力與推進模塊和居住艙的關(guān)鍵設(shè)計評審及其組合體發(fā)射任務(wù)的初步設(shè)計審查，啟動居住艙的組裝、集成和測試；③繼續(xù)與商業(yè)伙伴合作，為“門戶”居住、電子、飛行軟件、生命支持、在軌燃料加注等方面提供技術(shù)支持。

月球“載人著陸系統(tǒng)”

月球“載人著陸系統(tǒng)”可載人往返于月球軌道或“門戶”至月球表面，是NASA開展“阿爾忒彌斯”計劃的重要組成部分。NASA計劃依靠多家商業(yè)公司開展月球“載人著陸系統(tǒng)”的方案設(shè)計與研制，確保項目可持續(xù)性?；?020-2021財年總計約16億美元的經(jīng)費支持，NASA組織多家公司開展了針對阿爾忒彌斯-3載人登月任務(wù)的月球“載人著陸系統(tǒng)”的方案論證工作，并已選定太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星艦”（Starship）載人著陸系統(tǒng)方案。另外，NASA已經(jīng)與藍源公司（Blue Origin）、動力系統(tǒng)公司（Dynetics）、洛馬公司（LM）、諾格公司（NG）和SpaceX公司等5家企業(yè)簽訂了第二階段載人著陸系統(tǒng)方案論證合同，滿足后續(xù)“阿爾忒彌斯”計劃的可持續(xù)載人登月需求。

2022財年，NASA繼續(xù)為該項目申請了所需經(jīng)費，總計11.95億美元，相比2021財年增加了約29%。在這一財年，NASA計劃繼續(xù)為SpaceX公司的第一個著陸器研制提供經(jīng)費。另外，NASA還將繼續(xù)與工業(yè)界展開合作，為采購可持續(xù)的月球表面運輸服務(wù)開辟道路。

3 航天操作系統(tǒng)

商業(yè)近地軌道運輸系統(tǒng)

為了實現(xiàn)自主能力，NASA從2006年啟動商業(yè)近地軌道航天運輸系統(tǒng)研制項目，包括“乘員與貨運計劃”和“商業(yè)乘員計劃”。截至2020年9月，NASA在這兩個項目上累計撥款約195億美元。其中，60億美元用于支持已經(jīng)完成的獵鷹-9（Falcon-9）火箭/“龍”（Dragon）飛船和“安塔瑞斯”（Antares）火箭/“天鵝座”（Cygnus）飛船貨運系統(tǒng)，以及“載人龍”（Crew Dragon）飛船、在研的“追夢者”（Dream Chaser）太空飛機和“星際客船”（Starliner）的研制；130億美元用于向俄羅斯以及SpaceX公司和波音公司（Boeing）采購“國際空間站”（ISS）載人運輸服務(wù)，以及向SpaceX公司、諾格公司和內(nèi)華達山脈公司（SNC）采購“國際空間站”商業(yè)貨運服務(wù)。

2022財年，NASA繼續(xù)為近地軌道商業(yè)運輸項目申請相應(yīng)的經(jīng)費，總計17.717億美元。其中，16.172億美元用于采購發(fā)射服務(wù)，1.545億美元主要用于完成波音公司的載人航天運輸系統(tǒng)的評估和認(rèn)證。

在貨物運輸方面，NASA已經(jīng)在第一輪貨物運輸合同（CRS-1）下采購并完成了34次運輸任務(wù)，并于2020財年售出了總計至少18次的第二輪貨物運輸合同（CRS-2）。在CRS-2合同下，SpaceX公司和諾格公司將在2022財年分別執(zhí)行3次和2次貨物發(fā)射，而內(nèi)華達山脈公司有望加入其中。在乘員運輸方面，隨著SpaceX公司的獵鷹-9火箭/“載人龍”飛船組成的載人運輸系統(tǒng)投入常規(guī)使用，并且波音公司的“星際客船”將在2022財年初完成載人試飛，NASA計劃在2022財年由這兩家公司至少進行2次載人發(fā)射服務(wù)。

近地軌道商業(yè)開發(fā)

近地軌道商業(yè)開發(fā)項目最初是在2019財年預(yù)算申請中增加的，計劃通過商業(yè)競爭模式開發(fā)和運營更小、更現(xiàn)代以及更高效的商業(yè)近地軌道空間站，確保NASA可持續(xù)擁有近地軌道訪問能力，同時發(fā)展強大的空間經(jīng)濟。在建設(shè)方面，NASA致力于利用“國際空間站”及其能力來給予工業(yè)界一定的幫助，并承諾政府將利用商業(yè)平臺進行基礎(chǔ)研究、深空觀測等任務(wù)。

在預(yù)算方面，2019-2021財年，NASA都為該項目申請了1.5億美元，但都未獲得批復(fù)，實際支付金額都未能超過2000萬美元。2022財年，NASA繼續(xù)為該項目申請所需經(jīng)費，約1億美元。基于前兩年在項目管理、方案選擇、發(fā)展路線等方面開展的相關(guān)工作，NASA計劃在2022財年繼續(xù)推進美國公理空間公司（Axiom Space）等多家私營公司在可居住部分等商業(yè)空間站模塊方面的設(shè)計與試驗，繼續(xù)由SpaceX公司等私營企業(yè)開展“國際空間站”私人載人飛行任務(wù)，并持續(xù)進行航天員在軌支持等方面的研究工作。

4 發(fā)展分析

2022財年，NASA仍將“深空探索系統(tǒng)”的預(yù)算提高了5%，增至68.8億美元，占到了NASA總預(yù)算的28%。“獵戶座”飛船、SLS重型火箭以及“探索地面系統(tǒng)”等研制項目的申請額與上一財年基本持平，屬于持續(xù)的大投入。但“探索研究與開發(fā)”領(lǐng)域的預(yù)算增加超過20%，達到近24億美元，其中11.95億美元計劃用在月球“載人著陸系統(tǒng)”項目上。針對該預(yù)算，美國眾議院撥款委員會擬為“深空探索系統(tǒng)”增加4億美元，提高了SLS、“探索地面系統(tǒng)”和“探索研究與開發(fā)”項目的額度；而參議院撥款委員會擬維持SLS和“獵戶座”飛船的預(yù)算水平，但給“探索地面系統(tǒng)”和月球“載人著陸系統(tǒng)”項目分別增加了1億美元，給“門戶”項目增加了8000萬美元。預(yù)算額和撥款額的持續(xù)增加充分體現(xiàn)了拜登政府以及美國國會對以“阿爾忒彌斯”計劃為主的載人深空探測計劃的高度重視。隨著SLS 1型/“獵戶座”無人首飛任務(wù)進入飛行準(zhǔn)備階段，NASA計劃在新財年重點開展阿爾忒彌斯-2～4任務(wù)所需的火箭、飛船組件及各系統(tǒng)的制造、組裝、試驗等工作，為載人任務(wù)設(shè)置緊急撤離等地面支持系統(tǒng)，并開展探索上面級、2號活動發(fā)射平臺以及改進型固體助推器的設(shè)計與研制，確?！鞍栠瘡浰埂庇媱澮约昂罄m(xù)載人深空探索任務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。

“阿爾忒彌斯”計劃依靠商業(yè)和國際合作途徑，發(fā)展主要由SLS火箭、“獵戶座”飛船、“探索地面系統(tǒng)”、月球“門戶”和月球“載人著陸系統(tǒng)”組成的深空探索框架，以實現(xiàn)在本世紀(jì)20年代末的月球可持續(xù)探索目標(biāo)?；谀壳暗陌l(fā)展?fàn)顩r，成本控制與經(jīng)費不足等問題是影響該計劃有效實施的關(guān)鍵問題。截至2020財年，用于支持阿爾忒彌斯-1任務(wù)的SLS重型火箭、“獵戶座”飛船以及“探索地面系統(tǒng)”的研制成本相比成本基線分別超出了約29%、13%和33%，而絕大部分超支與管理有關(guān)。目前，NASA采取成本加獎勵的合同管理方式，在產(chǎn)品研制進度一再延期的情況下仍然給予承包商高額獎勵費用。未來，NASA可能售出固定價格合同，使承包商主動降低產(chǎn)品研制成本，保障研發(fā)進度。月球“載人著陸系統(tǒng)”研制項目一直存在經(jīng)費不足問題，2021財年僅撥款約9億美元，只占最初申請額的25%左右。雖然2022財年參議院要求在該項目上增加1億美元，但與預(yù)計的160億美元（2家單位未來5年內(nèi)的總需求）相比，相差甚遠。美國加速載人登月計劃所需的全部研制經(jīng)費尚未落實，未來仍將面臨巨大的考驗。

目前，NASA已通過與諾格公司和SpaceX公司等商業(yè)公司的合作，完成了34次貨運服務(wù)，形成了持續(xù)、穩(wěn)定的“國際空間站”貨物往返運輸能力，且內(nèi)華達山脈公司也有望從2022財年開始執(zhí)行近地軌道貨物運輸任務(wù)。而在商業(yè)載人運輸方面，SpaceX公司已經(jīng)開始常規(guī)載人發(fā)射服務(wù)，且波音公司也將在2022財年完成載人試飛，在完成商業(yè)乘員運輸能力認(rèn)證之后正式投入使用。按照要求，從2022財年開始，SpaceX公司和波音公司需至少保證2次“國際空間站”載人發(fā)射服務(wù)。除了通過商業(yè)運輸系統(tǒng)成功搭建美國近地軌道的貨物與乘員運輸能力以外，NASA從2019財年開始持續(xù)為近地軌道商業(yè)開發(fā)項目申請經(jīng)費，旨在打造后國際空間站時代近地軌道商業(yè)化運營模式。2022財年，NASA為該項目制定了合理的發(fā)展規(guī)劃，最終獲得了1.01億美元的全額撥款。基于NASA的經(jīng)費、技術(shù)支持，以及公理空間公司、SpaceX公司等商業(yè)公司在商業(yè)空間站艙段設(shè)計與試驗、私人載人飛行等方面做出的努力，美國將迎來真正意義上的常規(guī)化近地軌道商業(yè)化發(fā)射與運營。