美國載人航天商業化研究（上）

張蕊 （北京空間科技信息研究所）

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美國載人航天商業化研究（上）

張蕊 （北京空間科技信息研究所）

隨著近地空間實現大規模設施的建造部署、人的長期駐留等技術的日益成熟，可重復使用技術快速發展，商業化、產業化逐步具備條件，太空旅游、近地軌道商業運輸和空間應用成為未來發展熱點。美國作為發展載人航天國家積極推進載人航天商業化。近地軌道載人航天私營機構能力建設已初見成效，太空探索技術公司、軌道科學公司（現已更名為軌道-阿連特技術系統公司，簡稱軌道-ATK公司）實現近地軌道貨物運輸常態化；波音公司、太空探索技術公司有望于2017年實現近地軌道商業乘員運輸；XCOR宇航公司、維珍銀河等多家商業公司即將提供太空旅游產品和服務。此外，美國提出商業空間站計劃，并積極拓展月球以遠的商業探索模式。載人航天領域的商業化也是隨著美國商業航天市場規模不斷擴大、體系不斷完善衍生出的，也是美國載人航天降低成本、鼓勵創新、提升競爭力的一個重要途徑。

1　美國商業載人航天政策及管理模式

美國早在20世紀八九十年代已奠定商業載人航天運輸的基礎，從國家層面制定了商業航天法規政策，明確了商業航天在國家中的地位和作用，指定專門機構對商業航天活動進行管理，使得商業航天能夠安全、有效地服務國家各行業發展。

商業航天政策演進

盡管美國在20世紀六七十年代就開始了商業航天的相關嘗試，但并未正式將支持商業航天發展納入國家航天政策。自20世紀80年代開始，美國法律和政策已開始引導美國航空航天局（NASA）拓展商業航天市場。技術的成熟催生航天市場化，這也是美國航天發展的重要策略。這一策略可以降低成本、加快技術創新、提高任務效率。

1988年，時任美國總統里根在《關于國家航天政策的總統指令》中首次使用一整個章節，說明美國促進商業航天領域發展的政策方針，提出美國政府應借助由市場推動的商業航天領域，擴大私營成分對航天領域的投資，通過不斷增長的航天產品與服務促進美國的經濟增長和支持政府航天項目的發展。該政策還提出了最大限度利用商業航天產品與服務，避免政府與商業航天領域的競爭關系等具體方針。隨后的布什和克林頓政府也分別發布了《美國商業航天政策方針》和新版《關于國家航天政策的總統指令》，進一步明確和擴展了美國政府對商業航天領域的支持范圍與力度。

1998年，美國通過了《商業航天法案》（CSA），以法律的形式再次強調了美國政府對商業航天領域發展的重視。1998版美國《商業航天法案》從“國際空間站”、“航天發射系統”、導航衛星和遙感衛星等角度出發，提出了對商業航天的具體支持政策。該法案提出，在“國際空間站”方面，將近地軌道航天活動的經濟效益作為建設“國際空間站”的重點目標之一；在導航衛星方面，美國認識到在商業航天領域提供的GPS設備及相關服務的支持下，GPS系統已成為民用、科學及軍事航天發展的關鍵要素，并提出通過擴展國際合作的方式，支持GPS應用的發展；在遙感衛星方面，提出將空間科學數據作為商業產品進行交易，以便從商業數據提供商處獲取空間科學數據等。美國先后出臺的國家級商業航天政策有力地促進了其商業航天領域的發展，也為各主要商業航天領域的后續發展及有關政策的制定奠定了堅實的政策基礎。

航天飛機執行最后一次任務（STS-135）時拍攝的“國際空間站”

時至今日，在2010年公布的最新版《美國國家航天政策》中，美國大力支持商業航天部門的發展，在其發展原則中指出：“穩健、具有競爭力的商業航天部門對空間的持續發展至關重要。鼓勵并推動美國商業空間部門的發展，這些商業部門要能夠支持美國需求，具有全球競爭力，能夠提升美國在新一代市場中的領導地位且引領具有創新性的企業精神。”此版航天政策強調了商業航天的重要性并提出了新的要求：積極探索采用創造性、非傳統的方式獲得商業航天產品和服務，即政府出資支持，私營企業應承受一定比例的投資風險和責任。新政策還指出要將日常運營職能轉移到商業航天部門，培育商業航天部門的技術創新和創業冒險精神，積極促進美國商業航天產品和服務的出口。《美國國家航天政策》指出，與私有部門加強合作實現往返于“國際空間站”的乘員及貨物商業航天運輸能力，對NASA的近地軌道商業運輸計劃予以支持。

為了促進美國國內商業航天運輸業的發展，當前美國主要遵循以下原則開展工作：

1）應當盡可能購買和使用市場上提供的商業航天能力和服務來滿足美國政府需求；

2）當現有的商業能力和服務不能完全滿足政府需求時，應當調整商業航天能力和服務，為政府提供一個效費比更高和更加及時的采購渠道；

3）積極開發創新型、非傳統途徑獲取商業航天產品和服務，如采用公共部門和政府部門合作、政府給予私營公司技術支持及購買商業衛星經營科學或操作數據產品，以支持政府任務等方式；

4）只有在涉及國家利益，且無適合的、具有高費效比的商業服務系統（國內或國外）時，才發展政府航天運輸系統；

5）在不涉及國家安全或公共安全的情況下，應當避免美國政府航天活動阻礙或與美國商業航天活動產生競爭；

6）除涉及國家安全利益的發射任務不可私營化外，尋求一切機會將日常的航天發射任務轉至可帶來高效費比的私營公司；

7）通過使用獎勵和競爭激勵機制，在商業航天部門培養更多的技術創新專家和企業家；

8）以有償、不干涉和公平為基礎，最大限度確保美國政府航天技術和基礎設施保障商業航天活動的發展；

9）盡可能為商業航天活動減負，確保及時頒發航天活動許可證；

10）借助美國工業已運用的標準和規定，營造出公正、公開的全球貿易和商業環境；

11）在國際合作中鼓勵購買和使用美國商業航天服務和能力；

12）積極推動美國商業產品和服務出口，但必須符合美國技術轉讓和防擴散條約。

商業載人航天法案及監管

隨著美國商業航天活動的日益增長，促成美國在1984年出臺《商業航天發射法案》（CSLA），該法案歷經幾次修訂，一直沿用至今。該法案對發射、返回管理、重復使用運載火箭以及載人航天飛行參與方作出了規定，但是沒有對在軌活動作出任何規定。該法案的目標是促進美國商業航天產業的發展，提高全球航天企業競爭力，同時提供可預見的、有效的政府監管。為了實現這一目標，法案創建了一套發射許可系統，并為進一步的規章提供授權許可。該法案授予運輸部發放許可并監管發射的特權。目前，該特權已委托給聯邦航空管理局（FAA）的商業航天運輸辦公室（AST）。商業航天運輸辦公室對批準、否決、廢止或修訂發射許可有著重要決定權。

2015年5月，美國參眾兩院出臺多項法案，旨在為商業航天發展營造良好的政策環境。5月20日，參議院以口頭方式通過了《商業航天發射競爭力法案》。11月10日，參議院修訂并最終通過了《商業航天發射競爭力法案》，主要內容包括：將商業載人航天飛行的管制學習期延長至2023年9月，以促進產業成熟；將有關“政府為商業航天發射造成的第三方損失進行補償”的條款延期至2025年9月；明確政府部門對航天商業化發展的監管職能，要求安全優先，減輕監管對企業造成的負擔；賦予美國公民利用太空資源的合法權益；規定NASA重型運載火箭“航天發射系統”的利用政策，凡符合NASA目標、用于探索近地軌道以遠任務的載荷均可使用該火箭發射。11月25日，奧巴馬簽署了該法案，法案的最大亮點是取消對航天創業公司的眾多限制，以及賦予私人太空采礦合法性。

美國商業航天主要管理機構

當前，與商業航天有關的活動，從發射和地面站到衛星通信和返回艙再入，均由美國以下幾家機構管理：聯邦航空管理局、聯邦通信委員會（FCC）、國家海洋和大氣管理局（NOAA）、國務院和商務部。

在商業載人航天領域，2004年，隨著商業載人航天產業的興起，國會對法案進行了修訂，幫助制定規章標準來管理商業載人航天飛行，隨著產業成熟不斷完善制度，使得規章既不會阻止技術發展，也不會使乘員或航天飛行參與者（如太空旅游者）處于可避免的風險中，制定與乘員、航天飛行參與者有關的規章，并允許發射再入重復使用亞軌道火箭。盡管2004年的修訂法案對載人航天飛行規章的制定有了重大進展，但并沒有對在軌商業活動制定相關規范。盡管目前國會確實對在軌載人航天活動制定了一些規章，但是尚無管理商業航天活動的綜合計劃。

（1）制度管理

美國聯邦航空管理局商業航天運輸辦公室主要負責商業航天運輸的授權和規章制度制定等工作，通過空間運輸開發部、授權與評估部、規章制定與分析部、安全監察部、綜合運營部5個部門進行管理，具體職責如下：①管理美國商業航天運輸產業，確保與美國承擔的國際責任相一致，保護公眾健康安全、財產安全及國家安全；②鼓勵、促進、提高私營部門的商業航天發射和再入活動；③為聯邦法規、協議、規章、政策、規劃和流程提出修改意見；④鞏固并擴大美國航天運輸基礎設施。

美國聯邦航空管理局商業航天運輸辦公室管理在美國境內外的由美國機構團體組織的所有商業發射。許可和執照由商業航天運輸辦公室頒發，包括發射或再入細節許可、發射或再入操作許可、發射地點或再入地點操作許可、試驗準許、安全批準和發射補償等。

1）發射或再入細節許可。該許可針對一個特定的火箭型號的一次特定的發射或再入活動，授權一次或更多次發射或再入。授權通過名稱或任務來區分。有效期滿，或當許可授權的活動完成時授權過期。

2）發射或再入操作許可。該許可允許操作人員完成同一或同類型號的多次發射或再入。該許可授權利用同一系列火箭從一個特定地點的發射或再入，并運送特定種類的有效載荷或完成特定活動。該授權自發布之日起2～5年有效。

3）發射地點或再入地點操作許可。該許可批準一個可用于火箭發射或再入的地點。除了安全方面考慮，美國聯邦航空管理局商業航天運輸辦公室還按照國家環境政策法案考慮了潛在發射或再入地點對環境的影響。發射地點或再入地點操作許可每5年更新一次。

4）試驗準許。該準許允許亞軌道重復使用火箭的發射或再入。該準許比許可（licenses）推進得更快，有效期是1年。

5）安全批準。該文件確定已識別的安全要素不會危害到公眾健康或財產。聯邦航空管理局商業航天運輸辦公室會針對一次火箭發射、再入、安全系統、流程、服務或組件公布安全批文。

6）發射補償。聯邦航空管理局商業航天運輸辦公室還負責管理商業發射與再入運營商的財產責任和風險分擔需求，該部分職責屬于聯邦航空管理局許可和獲批的一部分。在現行法律下，一個航天發射公司將會承擔最高達5億美元的損壞賠償，此后美國政府將會支付5億～27億美元的損壞賠償。

2012年，NASA與聯邦航空管理局已簽訂了一份商業航天活動諒解備忘錄。根據備忘錄要求，聯邦航空管理局將對在美國發射和降落的任何商業載人航天活動進行管理，并要求商業發射服務商從聯邦航空管理局獲取商業發射公共安全許可證；NASA將對商業發射的乘員安全性和任務保證工作負責。這份備忘錄旨在規范商業航天飛行，保護公共安全，同時讓像太空探索技術公司和維珍銀河公司等從事商業發射及太空旅游的私營公司承擔相應風險。備忘錄的簽訂標志著利用商業能力將乘員送往“國際空間站”和近地軌道有了一項官方的運作政策。

“龍”飛船執行第六次貨運補給任務發射現場

太空探索技術公司的火箭海上回收平臺

藍色起源公司的“新謝潑德”亞軌道火箭回收著陸

（2）安全監管

在商業運輸計劃中，政府的要求會降至最低，但最為關注的是載人飛行的安全性問題。合作伙伴不需要套用NASA的項目管理流程和要求，可以自主開發創新方案。但為確保任務安全性，美國政府正逐步開發和完善商業軌道運輸服務的安全性標準，并嚴格監管。

為了驗證貨物運輸能力，商業公司必須遵守NASA和聯邦航空管理局的要求或規章，而且由于運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射，太空探索技術公司必須滿足美國空軍的要求。商業運輸系統必須做好以下幾點：與“國際空間站”兼容、滿足發射安全范圍要求和獲得聯邦航空管理局的發射授權。“國際空間站”項目辦公室向到訪“國際空間站”的商業航天器提出相關要求并負責監督管理。美國空軍第45航天聯隊管理、監督和實施發射安全范圍要求。太空探索技術公司必須驗證其操作滿足第45航天聯隊發射安全范圍要求，或者可以提供相同的安全等級。軌道科學公司的驗證發射計劃在弗吉尼亞的普斯飛行研究所進行，這里的安全范圍由NASA監督。

目前，NASA已啟動商業航天器使用要求和標準的制定工作。NASA根據商業公司的實際情況，基于現有的載人航天系統適人性評估流程，制訂一套用于商業乘員運輸的載人航天認證流程，為此，NASA形成了“商業載人航天適人性計劃”（CHRP）。該計劃是基于NASA在載人航天領域豐富的知識和經驗建立的一套經過整理的技術要求、文件和流程，適用于商業空間運輸服務供應商。商業載人航天適人性計劃主要包含強制性要求、NASA的監管、飛行試驗項目、落實安全要求的檢查、逃逸系統設計和飛行試驗要求，以及NASA特殊要求等要素，為商業乘員運輸服務獲取完整的NASA適人性認證。

除了滿足NASA適人性要求，為了將NASA乘員成功運送到“國際空間站”，商業乘員運輸公司也必須滿足服務要求文檔中描述的項目要求及空間站到訪航天器的要求。

近地軌道商業載人航天運輸項目特點

（1）已有的合同管理模式

自NASA成立以來，一直通過私營部門建造運載火箭和其他航天設備。NASA主要采用合作模式、通過合同管理的辦法對航天企業進行管理，開展載人航天任務。采取合作模式可減輕NASA內部和外部在資金、技術上的壓力，突破技術障礙，具備技術能力。這種分擔成本、共同開發的合作伙伴關系可帶來新的信息資源，不僅滿足了NASA的技術需求，還使國家受益。NASA已經建立合作伙伴關系，制定了開發計劃，與其他政府機構和商業機構一起開發NASA探索和發現任務所需的技術。

很長時間以來，NASA與商業公司的載人航天合作形式主要為購買航天器或部件，項目本身由NASA負責運營和管理。NASA的絕大部分項目都會面向美國各大航天技術公司公開招標：一般NASA會提前提出項目的基本需求，而后各公司會根據自己的技術能力制作出相應的標書。NASA評估后，選出最符合要求的企業，進一步確定合同細節。

在合同管理方式中，首先通過招標與主承包商直接簽訂合同，主承包商又把一些部件的生產轉給分包商，分包商再把一些部件的生產轉給“第二層”的分包商，如此轉包下去。這種總承包與分承包相結合的承包制，使得眾多中小型公司有機會從利潤豐厚的航天工業中分一杯羹，形成了以幾家大型公司為中心囊括成百上千家中小企業的航天工業項目協作網，這些主承包商、分系統供應商和數以千計的零部件供應商構成了世界上技術最先進、種類最齊全、產值最高的航天工業體系。這種特殊的產業結構符合現代社會分工協作的客觀規律，也符合經濟效益原則和現代經濟管理的原則，不僅實現了技術上的互相彌補、資源的有效組合，而且大大縮短了研制時間和生產周期，降低了生產成本，航天產品的產量和質量都得以較大幅度地提高。

在NASA眾多承包商中，波音公司是NASA最大的主承包商。該公司承擔了大部分載人航天項目的研發制造工作，包括航天飛機軌道器和主發動機、土星-5火箭、“國際空間站”艙段等。此外，洛馬公司是NASA另一大主承包商，研發制造的載人航天器和運輸系統包括：“獵戶座”多用途乘員飛行器、“航天發射系統”、“國際空間站”艙段和組件等。

以“航天發射系統”為例，在一個完整和開放的競爭流程下，NASA最近選定了幾項“航天發射系統”先進助推器風險降低項目。洛克達因公司與普拉特-惠特尼公司（簡稱普惠公司）正在基于阿波羅-土星-5主發動機合作開發液體助推器，該方式可最大程度地降低成本、提高可靠性和助推器性能。洛克達因公司正在開展飛行驗證設計，融入最現代的商業制造技術。此外，NASA與洛克達因公司簽訂了一份協議，允許洛克達因公司在成本償還契約的基礎上，參加推進、測試、制造和先進焊接加工應用等流程。在該協議下，洛克達因公司能夠接觸NASA專家團隊、廠房和設備，而NASA可以分攤成本，加快工程進度。此外NASA這款助推器在可重復使用運載火箭系統有直接的商業應用。

（2）新興的市場運作模式

在商業乘員和貨物運輸項目之前，NASA與商業公司的載人航天合作形式主要為合同購買航天器或部件，項目本身由NASA負責運營和管理。而在“商業軌道運輸服務”（COTS）計劃中，商業公司負責項目的整套運營，包括總體設計、研制、制造、試驗、發射和運營管理等，NASA僅負責進度、安全監管及技術支持。在此項目中，NASA與商業公司的關系能夠最大程度地提高私人公司研制計劃的靈活性。與NASA簽訂合同的公司不是承包商，而是商業合作伙伴（CPs），商業公司在項目的運作上具有高度的自主性。

聯邦采購條例（FAR）中規定了合同采購的法律流程，但是“商業軌道運輸服務”計劃不是傳統的采購，或者確切地說根本就不是采購。NASA不是在購買產品，而是與工業界合作，幫助其開發近地軌道運輸服務。在“商業軌道運輸服務”計劃中，NASA需要使用基于“其他事務授權”（OTA）的“空間行動協議”（SAA）。

在“商業軌道運輸服務”計劃中，采用固定價格里程碑事件的合作方式。在以往NASA與工業界的合作關系中，政府需要為不可預見的研發進度延遲支付額外的成本，由于開發商不需要為進度延遲和成本超支承擔額外費用，造成承包商工作效率的降低。為此，探索系統任務部（ESMD）研究提出，利用衡量實際表現的里程碑事件可以對未來資金投入進行可信預測，也就是說，政府只有在企業完成相關的里程碑任務后才向其提供開發資金，而不再簽訂一個成本加利潤的、開放式的研發合同，企業要比以往投入更多的自有資金。而且，每個承包商的里程碑事件不必完全相同。

總的來說，新型商業運作有如下三個特點：有限的NASA監管，靈活、現代的采購流程，以及可控成本和計劃的固定價格激勵機制。這種轉變是美國航天策略的一次重大變革。對于未來商業乘員運輸的運營，將注重高水平和通用性，從而提供給商業供應商最大的靈活性，提出創新的、高效費比的解決方法。商業供應商通常負責所有管理、工程、生產、物流、測試和試驗、發射準備、任務規劃、集成、培訓以及運營職能。（未完待續）

祁首冰/本文編輯

Study on the Commercialization of U.S. Human Spaceflight （Ⅰ）