攜手共進：“航天4.0”時代的開啟

張偉 （中國航天工業科學技術咨詢有限公司）

攜手共進：“航天4.0”時代的開啟

Hand in Hand：We Step forward Space 4.0

張偉 （中國航天工業科學技術咨詢有限公司）

2016年11月，歐洲航天局（ESA）正式對外發布“航天4.0”概念。強調世界航天發展正進入一個新的時代—“航天4.0”時代。在這個時代，航天發展越來越依賴于政府、企業、公民等社會各界的力量。為此，歐洲應加快歐洲航天政策一體化進程，全面整合歐洲航天界和其他社會各界力量，從太空科學、商業航天、對地觀測、深空探測等多個方面著手，將歐洲打造成具有全球競爭力的航天力量。對此，筆者認為在新的全球形勢下，歐洲當局已充分認識到航天活動在整合歐洲各方利益、凝聚歐洲社會共識、推動歐洲一體化方面所具有的獨特作用。“航天4.0”概念不僅是對早前頒布的《歐洲航天戰略》的響應，更通過全面的布局、清晰的目標，為歐洲航天確立了未來5年的發展方向。盡管在執行過程中可能面臨著諸如英國脫歐、同類機構競爭等諸多挑戰，但“航天4.0”概念無疑將給歐洲航天和世界航天發展注入新的動力。

1 前言

2016年是世界航天發展史上特別的一年。在這一年里，世界各主要航天力量相繼頒布重大航天政策或規劃。作為世界航天大家庭中的重要一員，歐洲的舉措無疑更值得關注。歐洲不僅公布了最新的航天發展戰略，從宏觀層面描繪了未來歐洲航天發展途徑，還出臺了《歐洲航天戰略》的“執行計劃”——“航天4.0”，就具體的發展目標、計劃內容和預期影響作了詳細的闡述。本文針對“航天4.0”出臺的原因、核心內容以及可能面臨的挑戰及應對之策作出簡要介紹與分析。

2 “航天4.0”概念的出臺

2016年11月，ESA正式對外發布“航天4.0”概念。ESA選在此時出臺這樣一個文件，其直接原因是同年10月《歐洲航天戰略》的公布。因而，“航天4.0”概念可以看作是《歐洲航天戰略》的后續執行計劃。“航天4.0”概念的出臺有著復雜的時代背景，主要可概括為三點：全球商業航天熱潮的來臨；“工業4.0”席卷歐洲；歐洲一體化面臨危機。

1）全球商業航天蓬勃發展成為“航天4.0”概念出臺的最重要原因。對于ESA來說，資金無疑是阻礙歐洲航天發展的最大障礙。由于ESA自身所存在的局限，它很難從各成員國政府那里獲得可觀的資金支持。因而，ESA只能另辟蹊徑。近年來，全球航天市場持續發展壯大，保持繁榮向上的態勢。根據2016年6月美國航天基金會（SF）發布的第11版《航天報告》顯示，2015年全球航天產業收入較上一年（3290億美元）有小幅度降低，但仍達到了3229.4億美元。這其中，商業市場收入約2464.2億美元，占全行業總收入近80%。就歐洲而言，2015年，歐洲航天業實現營業收入75.3億歐元，較上一年增長4.3%。在歐洲經濟整體低迷的情況下，航天業的增長成為少有的亮點。為促進歐洲航天整體的發展，2014-2020年，ESA在航天領域內的投入將超過120億歐元。從內容上看，ESA所發布的“航天4.0”概念無疑是一項全面而宏大的航天發展規劃，所需資金也絕非ESA所公布的長期預算能支撐下來的。加入到全球商業航天大潮中，ESA既能通過商業活動獲得發展所需資金，推動航天整體發展，又能使航天發展更好地回饋到歐洲社會之中，獲得歐洲民眾支持?？偠灾?，全球商業航天的發展為歐洲航天發展提供了新機遇，成為“航天4.0”概念出臺的最重要原因。

2）“工業4.0”在歐洲開展得如火如荼是“航天4.0”概念出臺的又一重要原因。在歐洲歷史上，一直有一種“傳統”，即決策者習慣于通過制定特定產業政策，特別是針對支柱行業的產業政策，以求刺激并帶動整個經濟體系的復蘇與發展。自歐洲一體化進程啟動以來，航天產業常常成為歐洲決策者作出此類決策時的首選項。無論20世紀70年代“阿里安”（Ariane）火箭的研制，還是21世紀初“伽利略”（Galileo）計劃的實施，其中都搭載著“振興歐洲經濟”的特殊載荷。此番歐洲決策者提出“航天4.0”概念，無疑帶有牽引“工業4.0”進一步發展的意味。“工業4.0”被廣泛譽為“第四次工業革命”，最早由歐洲傳統制造業強國德國在2011年提出。2010年，對于歐洲制造業來說是具有轉折意義的一年。在這一年，歐洲工業產值占總產值比重持續10年的下滑趨勢得到遏制，較上一年占比上升0.8個百分點，達到15.2%。此后，借助“工業4.0”的東風，歐洲制造業總體呈現出緩慢復蘇進程。2016年，歐洲工業產值占總產值比重達到16.0%，創近9年來新高?！肮I4.0”寄托著歐洲制造業復興的使命，而“航天4.0”將為“工業4.0”注入強大動力。

3）歐洲一體化進程受挫成為推動“航天4.0”概念出臺的另一大推動力。2016年英國脫歐的出現是英國對于歐洲大陸長期存在“離心力”的總爆發，也可以說是，歐洲一體化政策在促進英國的“歐洲意識”方面幾近失敗。這種失敗之所以會出現，是因為歐洲一體化政策長期以來的“有名無實”。具體而言，自2007年《里斯本條約》出臺后，歐洲在一體化進程中所取得的實質性成果寥寥，使得各國對歐洲一體化成功的信心備受打擊，“歐洲意識”日益淡薄。在此時景下，歐洲大規模發展航天事業有其充分的理由。首先，歐洲是近代科學的發源地，各國公民普遍擁有較高的科學素養，對重大科學活動有較高的關注度和接納度；其次，盡管航天是一項高風險、高投入的活動，但在商業航天如火如荼的當下，歐洲通過進一步發展航天先進技術，不僅有可能收回高額成本，還能取得可觀的經濟回報；最后，“航天4.0”從始至終都在強調其是在突出“歐洲”、依托“歐洲”、發展“歐洲”，增強歐洲在世界上的地位?？偠灾?，“航天4.0”將有助于凝聚“歐洲”共識，整合“歐洲”利益，團結“歐洲”力量，使歐洲一體化擺脫困境，走向勝利。

3 “航天4.0”概念的內容

“航天4.0”概念認為繼“航天1.0”、“航天2.0”、“航天3.0”之后，“航天4.0”時代正向我們走來。在“航天4.0”時代，太空不再是少數幾個航天國家的政府所有，而是為全世界越來越多的航天參與者所擁有的熱土。這些參與者可以是私有企業、可以是學者，也可以是各行各業以及各個階層的公民。這種參與是數字化的，是一種全球范圍內的互動。“航天4.0”標志著全球航天工業進入到了一個新紀元，是一座新競技場。“航天4.0”開啟了政府與私營企業、社會以及政界互動的序幕。實現上述目標需要一個與歐洲社會經濟組織緊密相連的可持續的歐洲航天產業。為此，航天必須安全可靠，太空進出必須方便快捷。歐洲需要使其科技保持全面而持續的領先。

“航天4.0”還指出，ESA希望在以下幾個方面發揮其重要影響：通過知識政策重塑經濟形態；創新型社會的形成；航天技術與非航天技術融合的潮流形成；航天應用進入并服務人們日常生活的進程；個體賦能；提升政府治理效能（如電子政務）；應對各種不平等現象；提高歐洲國際地位（特別是在經濟發展方面）；通過航天合作取得的成就，提振信心，增進歐洲認同，構建包容性社會。

具體而言，“航天4.0”文件的正文從計劃目標、計劃內容和計劃影響3個維度來描述其有關計劃內容，分別涉及太空科學、對地觀測、電信及其綜合應用、衛星導航、運載火箭、載人航天與機器人探索、通用技術、太空安全與太空交通管理8個方面。

太空科學

通過執行“胡夫”（CHEOPS）計劃、發射“貝皮-科倫坡”（Bepi Colombo）探測器與“歐幾里得”（Euclid）探測器、協助美國發射“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）等活動，使歐洲科技處于并維持在世界前列，成為全歐洲獲得鼓舞、保持魅力、獲取動力的永恒來源，成為歐洲航天技術與航天能力獲取與維護的支柱，從而證明歐洲在相應領域處于世界前列，回應當前基礎科學領域里的挑戰，并形成一個充滿生機并長期處于世界基礎性科研前沿的科學群體。同時，通過近距離展示航天科學計劃所帶來的獨特成果，彰顯歐洲的卓越性，進而為歐洲的創新與發展作出重要貢獻。

在對地觀測方面，主要包含3個計劃。

（1）對地觀測一攬子計劃（第五期）

此項計劃主要目標是通過開展新的科學對地觀測任務與數據探索計劃，推動地球科學發展，獲取地球最新知識。主要內容有：①下一代對地觀測任務準備工作與工具，包括“哥白尼”（Copernicus）系統航天組件升級；②地球探測器，包括“生物量”（Biomass，發射/運營）、“熒光”（FLEX，研發/發射）、地球探索者-9（Earth Explorer-9，甄選/研發）、地球探索者-10（甄選），以及“暗含性任務”（mission of opportunity）的可行性研究；③與阿根廷聯合研發Saocom-CS（阿根廷微波觀測衛星）；④啟動“北極星”（Polaris）任務（極地監測）的準備工作；⑤支持聯合國2030議程中可持續發展的航天應用。

（2）歐洲地球監測計劃—全球關鍵性氣候變量監測+3（GMECV+3）

此項計劃主要目標是希望擴展并完善全球關鍵性氣候變量（GECV）記錄，以支持氣候科學與氣候政策。主要內容包括：從歐洲對地觀測計劃中獲得最新長期氣候記錄；增加歐洲在國際氣候變化評估小組的影響力；為氣候模型與氣候服務提供關鍵性輸入；氣候科學取得重大進展；“后聯合國氣候大會”（第21屆）更完善的政策執行力度。

（3）歐洲地球監測計劃—“阿提修斯”（ALTlUS）計劃

此項計劃主要目標是開發并進行一次小型任務，操作監控平流層臭氧基本情況。主要內容包括：一次附帶的對地觀測操作任務；一臺前所未有的大氣測深儀；發布2021-2024年準確的臭氧層概況信息。

電信及其綜合應用

（1）核心競爭力計劃

此項計劃主要目標是支持增強歐洲與加拿大航天行業在全球市場上的競爭力，培育出具有世界級競爭力的行業生態系統，跟蹤新興航天系統（特別是星座）所引發的突發性事件。主要內容包括：為建立一套穩定的電信行業長期計劃，為“通信系統預先研究”（ARTES）計劃的未來做好準備；“通信系統預先研究”的核心競爭力。一系列在全球通信衛星市場上富有競爭力的產品與應用，使歐洲通信衛星行業成為全球近地軌道通信衛星星座升級及其他商業機會有競爭力的供應方。ESA將提供財政支持和行業資訊，用公正的方式共同管理上述活動。

（2）“通信系統預先研究”（ARTES）合作計劃

該計劃具體包括6個：“伊萊克特拉”（Electra）計劃、“冰”（ICE）計劃、“先鋒”（Pioneer）計劃、“政府衛星通信先驅”（GOVESATCOM Precursor）計劃、“山貓”（Lynxsat）計劃，以及“艾登”（Aidan）計劃。計劃的主要內容包括：運營符合新的市場潮流的、符合終端用戶預期的、配有最新基礎設施的下一代通信衛星移動系統；積極推進“新星”（Neosat）計劃，與歐洲衛星公司（SES）、德國不萊梅軌道高技術系統股份公司（OHB）聯合研制質量3t左右的全電推進地球靜止軌道通信衛星平臺；擁有更快捷的數據傳輸服務，更高效的機器到機器的應用服務，以及廣播和多路廣播功能等。

衛星導航

“導航創新與支撐計劃”（NAVISP）意圖聯合ESA各成員國以及衛星導航全價值鏈上的行業力量，催生革命性提議，以鞏固歐洲現有衛星導航業的基礎?！皩Ш絼撔屡c支撐計劃”將助推歐洲航天業繼續在競爭激烈、形勢多變的全球衛星導航市場上取得成功，支撐歐洲定位、導航與授時（PNT）技術和服務，進而幫助各成員國實現國家目標，提升衛星導航業能力。

運載火箭

在運載火箭及發射方面，包含以下六部分內容：

（1）歐洲航天港

2017-2021年，ESA繼續向圭亞那庫魯航天中心（CSG）及有關發射服務提供資金支持，確保圭亞那庫魯航天中心能夠實施發射服務，使歐洲航天港保持運行，由此能夠使進入太空變得可靠、經濟，并保持獨立性。

（2）“運載火箭利用與伴隨計劃”（LEAP）

該計劃希望通過執行“運載火箭利用與伴隨計劃”，確保阿里安-5與“織女星”（Vega）運載火箭在技術上和經濟上的可持續性，特別是阿里安-5運載火箭的可持續利用。

（3）“航天騎士”（Space Rider）計劃

ESA計劃通過該計劃，研發一套經濟的、可重復使用的、終端到終端的航天運輸集成服務系統（“航天騎士”），由織女星-C火箭負責發射。通過使用一套可重復使用的系統，向不同航天應用、不同軌道高度和傾斜度運送載荷。“航天騎士”將使歐洲擁有獨立的、常態化的往返近地軌道的能力?！昂教祢T士”將在2020年首次發射。

（4）織女星-E火箭預備計劃

該計劃意圖繼續推進織女星-E火箭（新型號“織女星”火箭）研制的準備工作，特別是針對液氧/甲烷發動機的準備工作；用新型發動機替代現有“織女星”火箭上面級的契法羅-9（Zefiro-9）和“姿態游標”（AVUM）發動機，以更好的性能和更廉價的成本適應市場需求，減少對歐洲以外火箭發動機的依賴；執行“小型飛行器任務服務”（SSMS）計劃，滿足持續增長的小衛星市場需求；細化“織女星”火箭新上面級“維納斯”（VENUS）電推艙段的設計活動。

（5）“未來運載火箭預備計劃”（FLPP）

該計劃希望通過完成超低成本發動機樣機[“普羅米修斯”（Prometheus）]驗證、液氧/甲烷測試臺建設等工作，為未來的運載火箭儲備低研發成本、低生產成本的技術，縮短運載火箭研制周期（少于5年），以及更低的研發風險，進而推動行業及新加入的ESA成員國參與未來火箭的研發進程。

（6）“輕衛星、低成本發射”（LLL）計劃

該計劃主要內容是希望通過擴大“織女星”/織女星-C和阿里安-6運載火箭的發射服務訂單，滿足低于500kg輕衛星的發射需求，降低小型任務的發射服務成本。圍繞“織女星”/織女星-C和阿里安-6運載火箭，在發射輕衛星方面，提供適時的、有競爭力的和標準化的發射服務解決方案。

載人航天與機器人探索

在載人航天與機器人探索領域，“航天4.0”概念主要提及的計劃是“歐洲探索極限計劃”（E3P）。其主要內容是希望盡快形成政治決定，聯合國際上的伙伴，使“國際空間站”（ISS）運行到2024年；確?！皻W洲探索極限計劃”第一階段（2017-2019）的預算獲得批準，到2020年將開展下列7項主要活動：“國際空間站”、“火星生物學”(ExoMars)、“月球資源著陸器”（Luna-Resource Lander）、未來人類探索（Future Human Exploration）、太空環境科學（SciSpacE）、“探索準備、研究與技術”（ExPeRT）、商業合作（Commercial Partnerships），從而使歐洲在全球太空探索中占據中心位置，擁有基礎科學和應用科學最新成果，并提供引人注目的全球探索愿景，豐富社會知識，激勵下一代人。

通用技術

在航天通用技術領域，“航天4.0”概念主要提及的計劃是“通用支持技術計劃”（GSTP）。該計劃希望通過保障任務成功，采用跨領域技術、大數據技術、突破性技術，促進歐洲航天業增長，以使得ESA的創新鏈無縫連接，從基礎性活動的研發到成熟技術應用，到所有航天技術領域內的產品和ESA的所有計劃中。通過提供先進的技術和創新性產品，為所有歐洲和加拿大的航天任務及行業內商業的成功做出貢獻。在與其他行業合作中，促進技術孵化和技術孵出，如商業孵化中心。

太空安全與太空交通管理

在太空安全與太空交通管理方面，“航天4.0”概念主要有以下三方面內容：

（1）（小行星）脫離軌道、偏離軌道/拖拽

在完成任務定義后，在2019年開始執行第一次太空垃圾主動清除任務，將一塊較大的由ESA負責的太空垃圾清離軌道。

（2）行星撞擊

計劃2020年發射撞擊飛行器，2022年撞擊迪蒂莫斯（Didymos）小行星。為美國航空航天局（NASA）的“自主交會技術驗證”（DART）撞擊器提供一次伴隨觀測任務和小型著陸器著陸任務。該撞擊器將撞擊迪蒂莫斯雙小行星的小衛星。

（3）“空間態勢感知”（SSA）計劃

該計劃將基于現有和將有的太空資產（如新太空氣象預報工具），提供太空氣象預報服務，并在此基礎上，執行拉格朗日點（L1或L5）飛行任務，主導執行一次載荷任務；近地目標調查望遠鏡網絡；搭載“空間態勢感知”載荷的小衛星（低于100kg）。通過該計劃，使歐洲擁有監控太空環境中對在軌飛行器、航天員以及地面設備安全構成威脅的自然災害和人為災害的能力。

4 “航天4.0”概念的落實與挑戰

一項計劃能否達到預期的效果，完全取決于其執行的徹底程度?！昂教?.0”概念是ESA在太空領域提出的一項宏大計劃，其所面臨的最主要的挑戰也是執行。對于“航天4.0”概念最終能否達到其預期影響，筆者持一種謹慎樂觀的態度，原因如下。

“航天4.0”概念是一項發展倡議，而非政策，

具有特殊優勢“航天4.0”概念重視發展商業航天，順應了當前全球商業航天發展趨勢

ESA是一個獨立于歐盟和各成員國政府的國際政府間科學機構，資金來源主要由兩大部分組成：各成員國會費以及歐盟（EU）、歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）和其他機構的贊助。這一點就決定了ESA所受到的外部影響更多的是經濟上的，政治上的干預極為有限。因而，從性質上講，ESA發布的文件不同于一般意義上的政治性組織（國家、政黨等）所頒布的決議文件，它的形成完全服從于組織自身的規章流程，不需要成員國或歐盟的批準，時間成本隨之降低。決策效率上的優勢是ESA區別于其他國家航天局最為根本的一點，也是ESA相較于其他競爭對手最具競爭力的一點。因而，作為一項太空發展倡議，“航天4.0”概念在日后的執行進程中，所受到的政治上的牽扯會變少，執行效率將相應上升。

“航天4.0”概念所提及的發展內容不僅具有很強的科學導向，也包含了非常明顯的商業性內容，特別是在第三點—“電信及其綜合應用”中，非常明確地就更好地發展歐洲商業航天事業提出“核心競爭力計劃”，以及“公私合營“計劃等內容?！昂教?.0”概念將發展商業航天作為歐洲航天發展重點，順應了當前全球航天產業及商業航天快速發展的趨勢。近10年來，全球航天產業收入總體保持增長態勢。與此同時，全球商業航天市場收入與全球政府航天預算之比基本維持在3：1。

2015年，全球商業航天市場收入約2464.2億美元，已占全球航天經濟產值的3/4，并將繼續保持快速發展態勢。歐洲在通信衛星、航天發射等領域擁有競爭優勢。為保持競爭力，通過“航天4.0”概念，促進歐洲商業航天發展，有助于歐洲以更經濟的手段獲取先進航天技術，提升航天能力，實現航天經濟可持續發展，以確保歐洲在全球航天領域內的領先地位。

“航天4.0”概念執行所依靠的力量來自歐洲航天企業等市場主體，利益一致性與執行力強

ESA是一家國際性機構，與各成員國政府之間關系相對獨立?！昂教?.0”概念本身作為一份“非政策性”文件，對成員國政府不具有強制約束力，因而，文件缺乏足夠執行力。為此，要想實現“航天4.0”概念所制定的目標，就要充分利用其他社會力量。

“航天4.0”概念重視發展商業航天，既是當今全球航天發展的大勢所趨，也是希望通過與各市場主體在利益上保持一致，從而調動包括航天企業在內的市場主體參與到“航天4.0”概念中來，發揮積極影響，攜手共進。通過各種航天項目創造出商業機會，吸引市場力量參與。在實現自身航天發展目標的同時，也使各參與主體獲得實際利益。同時，“航天4.0”還通過“公私合營”計劃，從機制上理順公共機構與私人企業間的合作關系，探索出一條“公私合營”合作模式下適合歐洲的合作發展道路，確保此類合作的常態化。

“航天4.0”概念執行所依靠的力量來自歐洲航天企業等市場主體，這一特點有助于將公共機構與個體的利益捆綁在一起，解決資金不足問題，有效避免“政策”在自上而下“落地”過程中所出現的“打折扣”情況—因個體利益與公共利益沖突而在執行過程中選擇損害公共利益。

來自其他歐洲空間機構的競爭

“航天4.0”概念未來在執行過程中所面臨的最大挑戰是來自其他歐洲空間機構的競爭。當前，ESA是歐洲航天領域中最具專業影響力的機構，但卻長期獨立于歐盟這一地區最具政治影響力的地區政治實體。長期以來，ESA和歐盟在發展戰略、項目計劃等方面缺乏統一的協調和管理。不僅如此，更大范圍內的管理缺失還存在于ESA和歐盟與成員國空間機構、歐洲空間理事會、歐洲空間科學委員會等相關機構之間。

盡管獨立于上述機構，但在“航天4.0”概念實際落實過程中，ESA難免會與上述機構發生利益上的牽扯。為此，為避免“航天4.0”概念在執行過程中出現類似“伽利略”計劃的情況，ESA需要對此問題認真研究，提前啟動專門的協調機制，為“航天4.0”概念的落實保駕護航。

5 總結

“航天4.0”概念是ESA在新的復雜形勢下頒布的航天發展倡議，英國脫歐、歐洲難民危機、全歐經濟衰退，使得“航天4.0”概念在促進歐洲航天發展之外，肩負起了更多的社會意義?！昂教?.0”概念重視商業航天發展，意圖通過商業航天手段，全面促進歐洲航天科學與航天技術進步，推動歐洲航天經濟可持續發展，增強歐洲航天在全球航天圈中的綜合競爭力。盡管還面臨著來自其他同類機構的競爭，但這一困難將隨著歐洲全球地位上升而迎來解決的良機，“統一的歐洲空間機構”也將在不久的將來應運而生。