太空經濟之路充滿荊棘

在上個世紀，火箭的出現定義了太空時代的來臨。在新的世紀，商業太空飛行將取代政府行為而成為航天主要內容，火箭將繼續塑造這個轉型的過程。隨著美國私營航天企業和太空旅游、太空旅館等的興起，太空經濟成為人們熱烈討論的話題。然而話題雖熱，真正的太空經濟卻一直沒有熱起來。這其中的原因是什么呢？

概念與難點

我們這里所說的太空經濟，不同于傳統的衛星通信、遙感、導航、氣象等應用，我們把這些活動稱為衛星應用產業。而本文概念上的太空經濟，主要是指在軌道和地外天體上建立長期的人類居住場所，并在其中實施科研、生產、教育、娛樂等活動，以及圍繞這些工作而展開的天地人員、貨物運輸等活動。

人們為太空經濟設想了不少美好的前景，包括穿梭不停的飛船、源源不絕的太空訪客、豐富的科研成果和高價值的產品。然而從私營航天企業當前的情況看，這種前景還遠不能實現。其中的困難在哪里呢？

在飛向太空的旅程中，最初的100千米高度是最為艱難的。如何克服這一段距離中的困難，將決定私營航天業是不是能在沒有大量國有資金資助的前提下獲得利潤。如果發射費用降低，那么“新太空經濟”就可以成長起來。而如果太空市場成長起來，發射服務的價格會因為規模經濟的效應而進一步降低。

為了解決這個問題，美國政府正在強力推動真正的太空經濟。其中規模最大的，就是NASA（美國航宇局）發起的、前往國際空間站的商業貨物運輸業務。目前，該計劃支持的“龍”飛船已經兩度前往國際空間站。這表明私營企業在宇航飛行上取得了顯著進展，下一步就將是載人航天飛行了。

另外，私營航天界為了在太空市場中賺到錢，想出了各種五花八門的新主意，很多新興市場開始啟動。而且除了已經具備航天偵察能力的大國，其他各國軍隊也在嘗試著利用太空的“高地”效應來執行一些任務。

眼下，太空探索技術公司已經設法解決了往返國際空間站的技術問題。軌道科學公司已經解決了發射問題，正在設法突破返回技術。另外，藍色起源公司、波音公司、Sierra Nevada也在和NASA合作，把商業運輸能力擴展為載人運輸能力。

但是，NASA承擔了上述企業研發費用的80%—90%。NASA表示，通過使用太空探索技術公司的“獵鷹”-9火箭，已經節省了10億美元。太空探索技術公司正在執行12次、價值16億美元的“龍”飛船貨運往返空間站合同。格斯特梅恩的任務委員會還支付了11億美元，以幫助波音、內華達管道公司和太空探索技術公司等企業研制商業載人飛船。但是這些資助依賴于美國國會批準的資金數量。亞馬遜創始人杰夫·比索斯創建的藍色起源公司就已經無法再從NASA獲得資助。

如果沒有NASA購買前往空間站的貨物和人員運輸需求，就沒有市場。即使有NASA這個大客戶存在，市場增長的程度也沒有達到多數傳統董事會所期望的快速投資回報率。

這種類型的政府支付，意味著航天器的主要客戶還是政府，而不是NASA努力描繪的、真正的商業市場。其中的問題還在于發射。

火箭與波音737

要想建立和維持太空經濟，必須用火箭把航天器發射入軌。什么樣的火箭才合用呢？對此，NASA的一位前航天飛行項目經理維尼·黑爾給出了一個類比對象：波音737客機。

波音737是大家極為熟悉的客機，也是國內航線最常見到的機型，占了全世界中短途客運機型的大部分。航天飛機的大小和737差不多。737的結構重量占起飛重量的大約40%，燃料占30%，乘客和他們的行李占30%。

而航天飛機的發射重量中，燃料占了85%，結構占了14%，有效載荷只占1.5%。多數航天發射工具的起飛重量比例都是如此。航天運輸為什么不能像航空運輸那樣普及，可見一斑了。

為什么航空和航天的運載器有這么大的差異？其實利用高中物理知識就可以計算出來。要讓一個質量為1千克的物體達到第一宇宙速度，所需要的動能1.2兆焦耳。而波音737的飛行速度一般是800千米/小時，要讓1千克的物體從0加速到800千米/小時，只需要不到5萬焦耳的動能。這里還沒有考慮空氣阻力等問題。

這還不算完。物體達到第一宇宙速度所消耗的能量，會在重返大氣層的過程中釋放出來。這部分能量之大，絕不是737的降落過程所能相提并論的。黑爾在哥倫比亞號事故10周年的一次論壇上說，哥倫比亞號的事故證明，如果航天器不能有效防護，這部分動能會對機身和乘員造成毀滅性的傷害。

降低發射費用

至于如何降低航天發射的費用，美國航空和宇航聯合會專門組織有一個年度大會，叫做“宇宙再發明”，到2013年已經是第十屆。本屆會議的主題是如何在維持任務高水平的情況下有效降低費用。降低費用的核心，是找到一種能大幅度降低發射費用的途徑，尤其是降低小衛星的發射費用。目前的航天發射費用大約是每千克20000美元。因此，如果一枚火箭的費用高達3000萬美元，人們很難下決心研制一顆價值只有幾百萬美元的衛星。

專用發射之外的選擇

要想減少發射費用和耗時，最簡單有效的辦法就是不發射。有很多實驗、試驗是不需要航天飛行的。

氣球可以提供數小時乃至數天的高空飛行，價錢也很便宜。如果一定要進行微重力試驗，可以用微重力塔或者微重力隧道實施。這兩種手段可以提供5秒～10秒的微重力試驗時間。美國NASA的格林研究中心和德國應用空間技術與微重力中心都有這樣的設施。人們立刻就可以得到試驗數據，而且每天可以進行兩次試驗。

如果需要持續20秒～25秒的微重力試驗（要模擬月球或者火星重力環境的話，還需要更久），可以采用飛機拋物線飛行的方式。一架試驗飛機每天可以進行40次拋物線飛行。更重要的是，實驗設備和實驗者可以一起飛行，觀察試驗過程，并及時進行調整和糾正。現在。美國已經有商業公司提供這種服務。

如果還需要更長時間的微重力環境，就需要亞軌道飛行的探空火箭了。這種工具可以飛行到1200千米高度，最多可以提供12分鐘的良好微重力環境。這也意味著有效載荷可以飛到低地球軌道的高度，進入真空帶，還能全景式地觀察地球和太空，和LEO衛星幾乎一樣。當然，探空火箭的軌道速度不如衛星，價錢也比飛機貴多了。

如果必須進行LEO軌道飛行，那么對于小型載荷來說，最好的方式就是搭載發射。阿里安5火箭上裝備有一種稱為“阿里安附屬載荷機構”（ASAP），它是一個環形體，最多可以搭載6顆小衛星，每顆小衛星不超過100千克。ASAP已經服役多年，運送了無數低價小衛星進入太空。最近，美國人也開始有樣學樣，在EELV火箭的第二級上安裝了“EELV火箭附屬載荷適配器”（ESPA），裝備在“宇宙神”和“德爾它”火箭上。其他火箭也可以提供搭載發射服務，但是不同的有效載荷之間要充分協調，解決好如何擺放和各自去往哪里的問題。

綜上所述，有很多方法可以代替專門購買一枚火箭的發射。這些方法都能降低任務的費用、縮短周期，但它們各有優劣，需要根據任務實際進行取舍。

即使對于較為大型的衛星，也有很多方法來降低發射費用和縮短周期。例如，部分器件可以用上述方法進行先期試驗，提前發現設計和工藝缺陷，提前解決。避免研制后期甚至入軌之后才出現故障，那時候再實施改進，就要付出昂貴的代價了。

適應多種運載器

或許，要想降低費用和縮短周期，最好的手段就是把有效載荷設計成可以適應多種航天運載器的形式。至少，這種方式可以防止超支。一般來說，發射服務的價格是在買家和賣家之間討價還價后才確定的。購買的發射次數越多，議價的空間就越大。把衛星設計成為適應多種火箭，這在技術上的難度并不大，價錢也不高。因為各種火箭為有效載荷提供的環境都差不多。不過少數火箭有點特殊，例如美國的“米諾陶”火箭和俄羅斯的“衛星”號火箭，它們都是用退役洲際導彈改造而來的，并不考慮衛星這種類型的載荷。譬如“米諾陶”的軸向加速度可以達到13g，一般運載火箭是不需要這么大加速度的。

同樣地，多運載器適應性設計也能有效地保證進度。雖然一般火箭都能達到90%以上的可靠性，但萬一某型火箭發射失敗，它的后續發射就要嚴重耽擱。如果某顆衛星正好排在失敗發射的后面，可能就要在地面上等很久，一直等到事故原因查明、缺陷排除才能再上發射架。如果遇上某些衛星擁有更高的優先級——譬如應急發射的軍用衛星，就要耽擱更久。所以，幾乎所有的星座發射任務都要考慮采用多種運載火箭，不在一棵樹上吊死。舉例來說，如果某個星座需要發射50顆衛星，運營商可能會委托A發射商發射15顆，B發射商發射15顆，另外20顆的合同給誰，取決于A和B各自的表現。考慮到人們往往用一箭多星的方式來發射星座，這種多運載器發射的方法也是有好有壞。銥星系統沒有遭遇發射失敗就部署成功了整個星座。而全球星在1998年因為天頂-2火箭的發射失敗，一次就損失了12顆衛星。

研制小型專用運載火箭

研制一種低價、小型、快速響應的運載火箭，也是降低費用和縮短周期的重要方式。其中的關鍵技術，一方面是研制出能業務運行的小型衛星，另一方面是擁有大系統的快速測試技術和工藝流程。還要能不斷采用新技術，這對正處在迅速發展中的小衛星來說尤其重要。總體上說，開發一種新型火箭是昂貴而高風險的事業。但最近提出的不少小型運載火箭概念中，很多研發投入是一次性的，用一兩次發射就可以收回投資。即使只需要發射一個小型星座，研制小型火箭也很值得。目前小型火箭的研發相當活躍，不少企業和組織都投身于此。競爭的活躍也會促使價格下降。

建立按需發射能力

建立一批有能力提供按需發射服務的運載器，可以有效降低費用和縮短周期。如果讓火箭等衛星，而不是衛星等火箭，還能提高對衛星的利用率。今天，衛星等火箭的情況并不罕見，衛星在倉庫里等待一兩年甚至更長時間的情況，在各個航天國家都有發生。這種等待不但導致衛星的投資陷入閑置，對于某些貸款制造的衛星來說，還會帶來沉重的利息負擔。至于倉儲費用也不能忽略。如果沒有按需發射能力，在自然災害發生時、在需要應對太空垃圾時，人們也會束手無策。

需要指出的是，前蘇聯在長達30多年的航天活動中，一直具備按需發射能力。在長達73天的馬爾維納斯群島戰爭中，蘇聯先后發射了29個航天器，其中多數是直接用于偵察監視這場戰爭的。如果具備按需發射能力，一國的軍隊可以在有需要的時候才發射衛星，而不是花費高昂代價，隨時保持對全球的偵察監視能力。

如果擁有一種要價500萬美元的小型火箭，那么即使先把火箭造出來等待衛星完工，其中的利息開銷也是可以承受的。如果貸款年息為10%，那么讓火箭等待半年，也只會增加5%的發射費用。相比當前的航天任務總體費用來說，這已經很節省了。

艱難謀求出路

NASA負責載人航天和太空運行的副局長格斯特梅恩曾謹慎地表示，不能保證很快就有航天市場大發展，初期只可能是低速、小步的發展。不過，雖然太空探索技術公司和聯合發射聯盟公司這樣的發射公司不一定會迎來業務大增長，但政府業務的比例將逐步降低，更多的客戶將逐步出現，譬如在空間站里搭載試驗設備的用戶，以及太空旅游者。

格斯特梅恩說，當國際空間站在2028年退役后，微重力試驗可能就要在商業空間站上開展了。NASA已經和比格羅宇航公司簽署協議，在國際空間站上為后者安裝一個小型充氣式太空艙，以支持比格羅公司關于獨立充氣式軌道設施的研制。

太空探索技術公司也在考慮把龍飛船改造成商業化的“龍”實驗室，其他一些商業航天企業同樣有這種計劃。格斯特梅恩說，NASA打算用國際空間站驗證這種商業化的空間實驗室是否存在市場。

目前，至少有兩家美國企業打算用可重復使用飛行器載乘客進行亞軌道飛行，時間在2014或2015年。這些活動的經驗可能有利于發展真正的可重復使用航天飛行器。

美國XCOR公司是其中一家，創辦者兼老板杰夫。格利遜說，主要的問題是如何保證高頻率飛行，并且降低維護工時，這樣才能保證經濟效益。

如果有兩架飛行器投入運行，每架每年發射50～100次，就需要找到數百件發射合同。這些合同可以是衛星、用來組合大型空間平臺的零件，也可以是送給其他空間站的補給品或者桶裝燃料，當然也可以是人。

格利遜對燃料補給生意很抱希望，他說，燃料罐一般沒有壽命問題，而且燃料的用戶不會關心這些東西是以什么形態送來的，是3個大罐子、30個中罐子還是300個小罐子。而且可以根據發射市場的價格變化，選擇一個價格低谷時段來發射。

NASA前局長格里芬在2011年的論文中給出了詳細的計算過程，一個政府支持、商業補給的月球基地將是私營貨運市場的可靠誘因，如果保持6人的月球站，每年需要運送15噸貨物，這項生意的回報率將超過27%。只要美國政府決心修建月球基地，還需要先期的貨物運輸，其回報率超過ISS和其他目的地。格斯特梅恩還表示，要在第二拉格朗日點修建一個空間站，作為進一步深空探測的中轉站。這空間站也將由商業企業負責補給，這進一步激勵了業界。而相比之下，格里芬認為ISS補給任務的回報率只有13%。

總而言之，航天活動尤其是航天發射的高成本，以及載人航天活動尚未進入應用期，導致了太空經濟活動一直沒能發展起來。但各界對太空經濟的前景都保持著樂觀的態度，在太空中進行科學實驗、高等級材料制備、生物制品的生產……部是有發展前途的。而其中的核心問題，就是如何能把進入太空的成本降低下來，如何能在軌道上提供一個功能強大的空間站平臺。在地面上，只要有交通設施和定位恰當的開發區，產業就能蓬勃發展起來。這樣的道理，或許也適用于太空吧。