美國商業載人航天項目最新進展

羅渠 （中國空間技術研究院）

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，以及可重復使用技術的快速發展，載人航天的商業化、產業化逐步具備條件。以美國商業公司為首的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（SpaceX）、軌道-ATK公司已實現近地軌道貨物運輸常態化；波音公司（Boeing）、太空探索技術公司有望近期實現近地軌道商業乘員運輸。以藍源公司（Blue Origin）、XCOR宇航公司為代表的多家私營航天公司即將提供太空旅游產品和服務。此外，美國還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。

1 發展背景

美國航天商業化起步較早，且在不同階段采用不同的運作模式。此前,美國國家航空航天局（NASA）一直采用合作模式、通過合同管理的辦法對航天企業進行管理，購買航天器，開展載人航天任務。這種分擔成本、共同開發的合作伙伴關系不僅可以滿足NASA的技術需求，還使國家受益。當前,低地球軌道載人航天商業運輸采取的是新的運作模式，即購買服務。商業公司負責項目的整套運營、安全監管和技術支持，以及相應的啟動資金支持。這種模式帶給私營公司更大的自主性和靈活性。

美國總統特朗普上任后著手調整美國航天計劃，大力發展公私合作關系，使得用于空間探索和研發的投資最大化，并帶動社會經濟整體發展。特朗普強調其政策基石是發射和運行重要的空間資產，鼓勵創新，助推經濟發展。使NASA從主要作為后勤機構進行低地球軌道任務的限制中解放出來，并致力于打造一個以美國為首的太空經濟圈。現階段，除了近地軌道領域，商業航天企業在亞軌道領域也積極作為，不斷發展新的商業載人航天項目，同時還未雨綢繆，緊跟政府政策走向，為近地以遠的深空探索布局，尋求同政府開展合作的機會。

2 商業載人航天項目

亞軌道商業載人航天項目

近年來，已有多家企業利用新研發的亞軌道飛行器，開展了以旅游觀光為目的的亞軌道商業飛行，亞軌道飛行的商業運輸發展勢頭愈來愈猛。

鑒于亞軌道商業飛行的發展趨勢，早在2005年，國際民用航空組織（ICAO）的理事會就批準了將“亞軌道飛行概念”納入其第175屆會議的工作計劃中。區別于傳統的航空活動和空間活動，亞軌道飛行是相對于軌道飛行來說的，亞軌道飛行器在沖出大氣層后，由于沒有達到一定的速度而無法圍繞地球進行軌道飛行，很快就會返回大氣空間。由于亞軌道飛行在到達太空后的一段時間里也會有失重感，相較于高成本的太空旅游而言更具吸引力，近十多年來，一些私人企業都在計劃發展亞軌道旅游活動并逐漸付諸實施。

2016年6月19日，美國藍源公司再次發射“新謝潑德”亞軌道飛行器，其推進模塊連續第四次實現了動力控制下的地面著陸，同時也試驗了飛行器的乘員艙的降落傘系統。2017年6月2日，NASA 宣布授予藍源公司一份亞軌道研究飛行任務合同。2017年12月12日，該飛行器新型號首次試飛取得成功。“新謝潑德”亞軌道飛行器從地面垂直起飛，隨后船箭分離，火箭返回，在接近地面時一個發動機點火，著陸支架展開，成功在目標著陸場垂直降落。此次“新謝潑德”飛行器使用的是新一代火箭和2.0版載人艙。

對于此次試飛，藍源公司安全與保障主管杰夫·阿西比稱，這對藍源公司是極為重要的里程碑事件，此后公司可以利用搭載有效載荷開展盈利活動，藍源公司計劃于2019年使用“新謝潑德”搭載6個乘客，2個飛行員進行一次亞軌道飛行，大約有6min的失重狀態，整個飛行事件將持續3.5h。

此外，施樂公司旗下的帕克研究中心（PARC）于2017年12月宣布與藍源公司開展合作，將利用PARC的技術創新能力和藍源公司的“新謝潑德”飛行器推動太空前沿技術研發，最終目標是在亞軌道飛行任務中搭載一項先進的技術研發實驗，并考慮如何使用下一代先進的航天系統為帕克研究中心的商業和政府合作伙伴提供支撐。

近地軌道商業載人航天項目

（1）商業軌道運輸服務

商業乘員和貨物運輸項目包括“商業軌道運輸服務”（COTS）計劃、“商業補給服務”（CRS）和“商業乘員開發”計劃，均由NASA的商業乘員和貨物項目辦公室負責管理。“商業軌道運輸服務”計劃為貨物運輸計劃，向空間站提供貨物補給；“商業乘員開發”計劃于2009年啟動，是乘員運輸計劃。

1）商業軌道貨物運輸計劃。目前，美國主要依靠太空探索技術公司的“龍”（Dragon）飛船和軌道-ATK公司的“天鵝座”（Cygnus）飛船開展貨物運輸。2016年1月，NASA宣布第二輪商業補給服務競爭的獲勝者，太空探索技術公司、軌道-ATK公司和內華達山脈公司均獲合同，將從2019年起分別用“龍”飛船、“天鵝座”飛船和“追夢者”太空飛機為“國際空間站”提供貨物補給。“追夢者”太空飛機原是為NASA的商業軌道成員運輸計劃項目研制，該飛行器能像空間站運送5500kg貨物，并能夠返回2000kg貨物，能夠在航天飛機著陸設施或其他機場跑道上降落，有利于著陸后迅速取出有時效性要求的貨物。2018年2月7日，內華達山脈公司宣布收到“追夢者”太空飛機任務的授權書，“追夢者”太空飛機的首次飛行計劃于2020年底進行，將由宇宙神－5運載火箭發射，“追夢者”太空飛機將執行6次空間站往返貨物運輸任務，目前將執行首飛任務的“追夢者”太空飛機正在制造中。

2）“商業乘員開發”計劃。2014年9月，NASA將“商業乘員運輸能力”（CCtCap）合同售出，由太空探索技術公司（獲得26億美元）和波音公司（獲得42億美元）共同為其執行“國際空間站”（ISS）載人運輸任務。2015年5月和11月，波音公司和太空探索技術公司分獲NASA“商業乘員運輸能力”合同第一份訂單，2015年12月波音公司獲第二份訂單。

“追夢者”太空飛機

2017年11月11日，“追夢者”太空飛機試驗樣機在美國加利福尼亞州愛德華空軍基地成功完成滑翔試驗。此次滑翔試驗是該公司商業乘員協議中的重要里程碑，將支撐該公司按照2016年獲得的NASA第二輪“商業補給服務”合同研制貨運型號太空飛機的工作。“追夢者”貨運系統的首飛預定于2020年進行，在2024年前最少進行6次飛行任務。波音公司的“星際客船”（Starliner）商用載人飛船（原名CST－100）項目主管表示，“星際客船”目前正處于飛行硬件廣泛開發和多種運載系統測試階段，計劃于2018年第三季度進行非載人試驗飛行，如果測試結果良好，則計劃于2018年第四季度進行載人飛行測試，一旦“星際客船”完成了飛行測試并獲得NASA認可，波音公司將獲得一份6次飛行任務合同，為NASA向“國際空間站”輸送航天員。

“星際客船”商用載人飛船

（2）低軌商業空間站

2016年4月11日，美國聯合發射聯盟（ULA）與畢格羅航空航天公司在“航天論壇”上宣布了一項合作協議，雙方將聯合建造新型商業化空間站，合作協議顯示，該公司將在2020年為美國聯合發射聯盟發射2艘全功能型B330太空艙，但目前該公司計劃擬于2019年底發射第一艘B330，第二艘B330則在2020-2021年發射。另有4個艙也將陸續建造。B330太空艙的設計方案是基于從NASA購買的載人居住艙技術概念發展而來的，長13.7m，直徑6.7m，總質量在20～23t，使用壽命20年，內部空間在充氣加壓后可達330m3，目前“國際空間站”的內部加壓空間為916m3，B330太空艙可使空間站應用空間增加30%，并可極大地節省發射與運行費用。后續畢格羅航空航天公司還將研發空間更大、擴展空間更強的太空艙“奧林巴斯”（Olympus，也稱B2100），長17.8m，直徑12.6m，質量為65～70t，充氣加壓后的內部空間達到2250m3，預計可乘16人。

2018年2月20日，畢格羅航空航天公司正式宣布組建空間運營子公司，專門負責公司所建商業性空間站的銷售、客戶服務以及最終的運營工作。新公司將針對B330以及未來更大型號的充氣式艙段開展詳細的市場需求研究。該公司目前正在同其他公司合作，已安排艙段發射任務和人員貨物運輸任務，計劃未來的人貨運輸飛行至少8次以上。

B330和B2100太空艙可作為多功能型試驗平臺同時為NASA的空間探索任務和更多的商業性科學試驗研究提供服務。除了工業性與科研用途外，它們還能作為太空旅游的工具以及開展月球和火星探索任務的飛行器。2017年10月，該公司就提出了一個利用B330艙段在月球軌道上建設月球補給站的方案，希望通過積極參與相關項目的建設工作，推動公司業務從近地軌道擴展到更遠的深空。

（3）小衛星釋放、空間站試驗平臺以及商業氣閘艙

納米架公司（NanoRacks）是首個提供空間站商業釋放微納衛星服務的公司，成立于2009年。公司剛成立時，主要進行納米支架模塊設計，這些模塊可與“國際空間站”的研究支架相匹配，用戶通過納米架公司的模塊進入空間，完成微重力研究實驗。后來推出進行生物學實驗的創新儀器（MixStix），與2臺顯微鏡、1臺酶標儀和離心分離機一起供研究使用。

1）“納米支架立方體衛星釋放系統”（NRCSD）。該系統由美國納米架公司研制和運營。該公司于2013年利用J-SSOD裝置釋放小衛星后，意識到從“國際空間站”釋放小衛星的商業潛力，利用不到10個月的時間研發了“納米支架立方體衛星釋放系統”。系統設計符合NASA“國際空間站”安全性要求，于2014年搭載發射至“國際空間站”。

2）“空間站內（外）部試驗平臺”。納米架公司還提供“空間站內（外）部試驗平臺”，NASA以及其他企業、科研機構、高校都可以是它的用戶方。通過與NASA簽署協議，納米架公司租賃NASA在空間站的空間，向其交付租金。而NASA要使用納米架公司的試驗平臺，則屬于商業行為，需向納米架公司交付使用試驗平臺的資金。用納米架公司負責人的話說，“NASA是我們的房東和監管人，有時也是我們的客戶，但我們從來不是競爭對手，而是合作伙伴。”

首個商業氣閘艙

3）商業氣閘艙。2017年2月6日，波音公司與納米架公司宣布聯合開發首個商業氣閘艙。兩家公司合作研制首個自主投資研發的商業氣閘裝置，計劃在2019年發射并安裝在國際空間站（ISS）美國艙段上。新型的氣閘艙由納米架公司研制，波音公司研制并安裝氣閘艙的被動式通用對接機構（PCBM），將氣閘艙與“國際空間站”上美國的加壓艙連接。波音公司一直以來都是“國際空間站”的主承包商。在這之前，納米架公司已在2016年5月與NASA簽署協議，計劃在“國際空間站”上安裝商業氣閘艙產品，在歷史上尚屬首次。納米架公司將自主投資1200萬～1500萬美元開發的氣閘艙稱為“太空之路”（Doorway to Space）。當前，“國際空間站”主要利用日本宇宙研究開發機構（JAXA）的希望號（Kibo）氣閘艙在軌部署立方星與小衛星，但內部空間有限，每年部署次數有限。波音公司與納米架公司聯合開發首個商業氣閘艙，對于國際空間站的商業開發具有顯著而重要的意義。納米架公司CEO杰弗瑞·曼博（Jeffrey Manber）表示，“國際空間站”正迎來一個新的時代，私營機構正在越來越多地加入，氣閘艙項目僅僅是與波音公司合作的開始，未來將打開近地軌道上“國際空間站”的商業市場。

近地以遠商業載人航天項目

（1）太空旅游

近年來，軌道-ATK公司、聯合發射聯盟（ULA）、太空探索技術公司等提出地月空間及載人火星探索規劃。2017年2月27日，太空探索技術公司宣布其新的計劃：于2018年下半年發射一艘載有兩名付費乘客的龍－2飛船進行繞月飛行。龍－2飛船是為NASA商業乘員計劃開發的“龍”飛船的一個版本，也就是載人版的“龍”飛船。在任務設想中，該公司將使用“獵鷹重型”火箭在佛羅里達州的LC－39A發射臺進行發射，以自由返回飛行飛掠月球表面，到達距離地球640000km的深空，然后返回地球。整個任務大約需要一周。此次任務將在龍－2飛船與“國際空間站”試驗飛行演示驗證后進行，計劃于2018年8月完成一次無人試飛，2018年12月完成一次載人飛行任務。但近期，馬斯克在一次電話記者會上表示，“獵鷹重型”運載火箭將放棄載人計劃。因此，太空探索技術公司的載人繞月飛行計劃是否實施還將有待持續關注。

（2）私營公司參與建造“深空之門”

2017年3月，NASA提出了“深空之門”和“深空運輸站”計劃。“深空之門”（Deep Space Gateway）是規劃中將在21世紀20年代建成的有人照料地月空間站，將用作擬建“深空運輸站”（Deep Space Transport）的中轉補給站。為緩解經濟壓力同時推動技術創新，“深空之門”將以公私合作、國際合作的方式共同完成建造，2017年11月1日，NASA授出為期4個月的電力推進平臺研究合同，研究總經費約為240萬美元，獲選的5家公司分別為：波音公司、洛馬公司、軌道-ATK公司、內華達山脈公司和勞拉空間系統公司；目前入選的有6個深空居住艙概念方案有望納入第二輪“下一代空間探索技術合作伙伴”（NextSTEP－2）計劃中研制的部件，這6家公司包括洛馬公司、畢格羅航空航天公司、波音公司、軌道-ATK公司、內華達山脈公司、納米架公司。未來私營公司也將積極參與NASA主導的“深空之門”計劃建造工作中。

（3）商業開發太空資源

太空資源開發目前面臨耗資大、風險高等難題，但美國仍有不少小型初創公司對此領域躍躍欲試。2015年11月，美國國會通過了《美國商業太空發射競爭法案》，規定美國個人或企業在小行星或月球上發現的任何物質，包括礦物質、水等，所有權和處置權均歸發現者。這一法案為商業開發太空資源鋪路，被稱作“美國對太空開發領導力的里程碑”。

“深空工業”（Deep Space Industry）計劃在一些小行星上部署小衛星，用來評估礦物質儲量并收集樣本。深空工業公司致力于2020年代中期進行小行星采礦，勘探者-1（Prospetor－1）作為低成本的航天探礦器，裝滿燃料后質量為50kg，依靠“彗星”（Comet）水動力系統釋放出超高溫水蒸氣產生的動力前行，其主要任務是搜集數據資料，計劃于2020年代中期正式執行采礦任務。

2012年由谷歌公司創始人之一拉里·佩奇成立的行星資源公司（Planetary Resources）也稱“小行星采礦公司”。2015年，該公司的首顆衛星阿凱德－3R（Arkyd－3R）搭載“龍”飛船發射升空，阿凱德－3R衛星的目的是研究小行星，對小行星上的資源進行勘探。

3 綜合分析

美國在“國際空間站”上推行的載人航天商業化的模式不僅能夠使NASA投入更多的精力到更加艱巨的任務中，如載人登火等，而且還能夠推進大量私人資本注入國內航天經濟。未來，“政府主導、商業公司參與”和最大化利用商業合作伙伴關系的模式將進一步深化，商業化將成為載人航天發展的支柱。

未來美國載人航天發展將進入高度商業化階段

特朗普上臺后多次強調要大力發展公私合作關系。未來可能將公私合作關系作為美國民用航天活動的基礎，在低地球軌道載人航天領域大力發展與私營公司的商業航天合作，在低地球軌道以遠的深空探索領域也在尋求合作的可能性。也許是較早嗅到了特朗普政府“鐘情月球”的氣息，各家航天公司都已早早開始了針對月球的布局。不僅波音、洛馬公司與NASA合作的“空間發射系統”和“獵戶座”飛船在持續推進，以太空探索技術公司、藍源公司為代表的航天初創公司也都相繼推出了涉及月球探索的相關計劃。

特朗普政府2018年2月12日公布的2019財年預算案提出，2025年將停止為NASA提供“國際空間站”項目經費，從而將空間站的運營完全商業化，預算案還提出擬出資1.5億美元來“支持商業伙伴，鼓勵發展可供私用部門和NASA使用的能力”，以作為“國際空間站”繼續運營的手段。可以預見，美國政府對私營企業的大力扶持，使得特朗普任期內美國重返月球計劃實現的可能性將在多方競爭的形勢下得以大大提升，并且，未來美國的載人航天發展必將進入高度商業化的發展階段。

“國際空間站”的商業開發建構商業航天新格局

近幾年，“國際空間站”成為繼火箭、衛星之后方案與效益都比較明確的商業航天新領地。隨著全球科技的發展與創新，進入空間以及在空間從事活動的能力也在不斷增強，方式方法也變得靈活。美國將大力發展以太空探索技術公司、藍源公司等為代表的商業航天活動，尋求與私營公司進行商業航天合作的可能性。未來計劃將近地軌道進入和近地軌道操作任務都移交給商業部門，此外在“國際空間站”運行和資助方面納入更多“私人和公共合作伙伴”，包括延長“國際空間站”的使用壽命。

美國政府曾多次明確表示將逐步退出低地球軌道的航天器的運作，一是為了將更多的國家層面的資源與精力，用于探索和利用更遠的外層空間，二是為了充分引入新型商業公司的先進技術以及靈活的運營模式，實現航天科技創新，實現科技帶動經濟效益與社會效益。政府的政策傾斜，極大地推動了私營航天公司的發展，大量小型航天公司依托傳統航天平臺與工業能力不斷進行創新，NASA作為國家航天頂層機構，一直在采取實質性的舉措推進新格局的形成。