國際空間站上的商業航天

● 文 | .中國空間技術研究院 .北京空間科技信息研究所 劉群 王霄 張蕊

2018年3月，NASA按照《2017年NASA過渡授權法案》的要求，向國會提交了《國際空間站過渡報告》，報告討論了近地軌道商業市場發展以及今后NASA將逐步轉變為近地軌道載人航天私營企業的用戶等問題。近幾年，國際空間站成為商業航天發展的新領地。隨著全球科技的發展與創新，進入空間以及開展空間活動的能力在不斷增強，方式方法也變得多元化。以美國太空探索技術公司（SpaceX）、軌道-ATK公司為代表的商業公司已經成為為國際空間站提供貨物運輸的常規軍，近地軌道商業乘員運輸也即將拉開序幕。此外，作為重要實驗平臺和商業航天的“試驗田”，國際空間站上開展了多項商業空間應用，并取得豐碩成果。

一、若干重要進展

商業航天是由企業投資并承擔風險、通過市場為政府及商業用戶提供航天資產、產品和服務。航天商業化是指原本只為政府、軍隊、國家安全需求服務的航天基礎設施向商業市場開放，原本只為政府服務的航天制造企業、航天系統運營企業也向商業市場尋求合同，而政府和軍隊作為大客戶進入市場，按商業規律進行招標和采購。商業航天則更多的是指按照市場化模式來組建新的航天企業，按照市場化規律來從事投融資、收購、合并、分立、招投標、議價、賠償、研發、協作、制造、運營等活動，投資者和企業可以自由進入和退出。表1列出了國外載人航天領域典型的新興商業航天公司及其主要業務。

表1 國外載人航天領域典型的新興商業航天公司及其主要業務

二、發展背景

NASA急于擺脫航天飛機退役后對俄羅斯的依賴，因此大力發展以SpaceX、波音、軌道-ATK公司等為代表的商業航天活動，不斷尋求與私營公司進行商業航天合作的可能性。

美國總統特朗普上臺后多次強調要大力發展公私合作關系，并提到將把公私合作關系作為今后美國民用航天活動的基礎，尤其是深空居住和探索系統以及新技術研發等方面。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”，美國政府正在逐步退出近地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。

美國在近地軌道商業航天領域取得的成功，可以擴展到更遠的深空，NASA目前就希望通過在月球項目上“復制”這一模式，將商業航天發展推得更遠。NASA公布了商業月球載荷服務（CLPS/Lunar COTS），該計劃可視作“商業軌道運輸服務”（COTS）的月球版本。根據NASA文件的要求，CLPS計劃分三階段進行：第一階段下投票的商業機構需要發展可將指定載荷運送至月面/月軌道的著陸器，載荷包括通信站、發電廠及各類科研衛星/月球車等；第二階段瞄準月面工業化，包括原位資源利用等；第三階段則是研究長期月面基地的可能性，包括大規模的月間資源運送，以及月面建立有人基地的研究。NASA希望通過引入商業伙伴，大幅度降低地月間的運輸成本，使將來的月球任務更具可行性。

隨著載人探索進入深空，美國將從歷史上最大的軌道實驗室——國際空間站開始，釋放近地軌道開拓性商業太空企業的無限潛能。隨著低成本進入太空需求的飆升，近地軌道的前景已經遠遠超出了最初的預期。美國政府意識到國際空間站以前的運營模式注定不會長久，而且也無需長久。正因如此，美國政府對國際空間站的直接資助僅以七年為限。目前，政府正在投資開發新的科技能力，供商業航天企業建造未來軌道平臺之用。美國政府將是該平臺的“租戶”和“客戶”，而不是“房東”。

三、國家政策

自20世紀80年代開始，美國法律和政策已開始引導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，擴大私營企業對航天領域的投資。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》，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。該法案提出，在國際空間站方面，將地球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，強調：“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。美國承諾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，指出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。新政策指出，要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。

四、商業航天發展模式

1.近地軌道商業運輸項目

商業乘員和貨物運輸項目包括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。COTS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

商業軌道貨物運輸計劃包括兩個階段：

第一階段為“商業軌道運輸服務”（COTS）（2006—2013年），推動私營公司開發和驗證往返近地軌道的各種航天運輸能力，目前該計劃已經結束。在該階段，NASA提供8.89億美元的資金和技術支持，通過“空間行動協議”（SAA）與航天公司定下承諾，以資金資助和非資金資助形式推動商業航天運輸市場的發展。NASA允許有資金資助的商業合作伙伴后續可以執行國際空間站驗證飛行，這些商業公司只有完成了開發中的一系列重大事件，并獲得NASA授權后，才能繼續開展商業軌道運輸服務。而非資金資助的商業合作伙伴不能開展國際空間站驗證飛行，但可以利用軌道試驗平臺模擬國際空間站及其接口。在COTS計劃下，SpaceX公司開發了“龍”飛船與獵鷹-9火箭，軌道-ATK公司開發了“天鵝座”飛船與中型“安塔瑞斯”火箭。2013年，隨著“天鵝座”飛船成功完成國際空間站驗證任務，COTS計劃圓滿結束。

▲ SpaceX公司“龍”飛船

▲ 軌道-ATK公司“天鵝座”飛船

第二階段是向商業公司競爭采購用于國際空間站后勤支持的軌道運輸服務，開展空間站“商業補給服務”（CRS），向空間站運輸貨物。2008年12月，NASA最終把合同授予SpaceX公司和軌道-ATK公司。合同規定，SpaceX公司和軌道-ATK公司在2015年前分別完成12次和8次飛行任務。2016年1月，NASA宣布第二輪商業補給服務競爭的獲勝者，SpaceX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”飛船和追夢者號太空飛機為國際空間站提供貨物補給，其中追夢者號太空飛機首次飛行計劃于2019年進行，將由宇宙神-5運載火箭發射。

（2）“商業乘員開發”計劃

2009年，NASA啟動“商業乘員開發”計劃，目的是支持未來國際空間站的乘員運輸。分別于2010年2月、10月和2012年2月完成三輪計劃。2014年9月，“商業乘員運輸能力”（CCtCap）合同售出。NASA最終售出價值68億美元的“商業乘員運輸能力”合同，由SpaceX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載人運輸任務。2015年5月和11月，波音公司和SpaceX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。波音公司“星際客船”（CST-100）的首次載人飛行任務將推遲到2019年。2017年11月11日，追夢者號太空飛機試驗樣機

▲ 追夢者號太空飛機

2.空間應用

（1）商業搭載

目前，國際空間站應用集中在技術開發與驗證、空間科學研究與應用、教育活動與推廣等領域，其中空間應用中的商業搭載也是探索商業模式的一個重要領域。商業搭載主要是利用貨運飛船向國際空間站運送貨物和實驗設備。用戶和貨運飛船所在公司簽署合同，支付運費，貨運飛船將貨物搭載至空間站，再將在國際空間站上獲得的實驗數據和相關資料帶回（特指返回式飛船“龍”飛船）。根據NASA總檢察長辦公室2018年4月發布的一份報告稱，根據2016年NASA授出的第二輪“商業補給服務”合同，NASA將為運送到國際空間站的單位質量貨物支付更多。在2008年授出的現行“商業補給服務”合同中，軌道-ATK公司和SpaceX公司應在31次任務中向國際空間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。追夢者號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。站運送93.8t貨物，合同總價值59.3億美元。而在第二輪“商業補給服務”合同中，這兩家公司和內華達山脈公司將在21次任務中運送87.9t貨物，總價值63.1億美元。

▲ “星際客船”

其他商業公司也可以利用SpaceX公司為NASA提供商業運輸服務時，支付低廉運輸成本，“搭順風車”，將實驗設備和相關物品送至空間站。

（2）實驗機柜租賃

NanoRacks公司是一家提供航天商業產品和服務的私營企業，是國際空間站商業應用的唯一代理商，位于NASA約翰遜航天中心附近。自2009年以來，NanoRacks向全球三十多個國家的客戶提供服務，客戶包括歐洲航天局（ESA）、德國航空航天中心（DLR）、美國國家航空航天局等。NanoRacks已經向國際空間站運送了600余個有效載荷，其中包括200余顆小衛星。NanoRacks公司業務主要覆蓋實驗機柜租賃、微納衛星釋放等，近期，NanoRacks公司還與波音公司達成合作協議，將共同建造空間站上首個商業氣閘艙。

NanoRacks為用戶在國際空間站上提供“空間站內（外）部試驗平臺”（NREP），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，NanoRacks租賃NASA在空間站的空間，向NASA交付租金。而NASA需要使用NanoRacks的試驗平臺，則屬于商業行為，需向NanoRacks交付使用試驗平臺的資金。用NanoRacks公司負責人的話說，“NASA是我們的房東，是我們的監管人，有時也是我們的客戶，但我們從來不是競爭對手，我們是合作伙伴”。

以前，商業公司想要進行太空試驗或者衛星原型測試必須同NASA進行合作，還需要指定返航計劃。但是NanoRacks出現后，這一過程被大大簡化，NREP放置在國際空間站的Kibo艙，運載試驗品的裝置可以自由移動，不需要航天員在艙外操作，而且價格低廉，目前只要支付十萬美元就可以完成試驗了。NREP只有兩個架子，每個架子上有16個試驗品裝載裝置，可以同時預定多個位置。

▲ 空間站內（外）部試驗平臺

（3）微納衛星釋放

已經有13家公司通過簽署“空間行動協議”為空間站提供商業服務，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，主要進行納型支架（Nanorack）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NanoRacks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。

“NanoRacks立方體衛星釋放系統”（NRCSD）由NanoRacks公司研制和運營。NanoRacks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NRCSD系統。NRCSD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。

（4）商業氣閘艙

2017年2月6日，波音公司發布消息，將與美國NanoRacks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美國艙段上。新型的氣閘艙由NanoRacks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主承包商。在這之前，NanoRacks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。NanoRacks公司將自主投資1200萬～1500萬美元，開發的氣閘艙被稱為“doorway to space”。當前，國際空間站主要利用日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的Kibo氣閘艙（美國也在使用）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NanoRacks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。NanoRacks公司CEO 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。

▲ NanoRacks研制的商業氣閘艙

五、結語

商業航天是航天技術應用水平發展到一定階段和產業發展到一定規模的必然產物，國際空間站上商業航天的發展經驗表明，政府政策推動與市場需求牽引在商業航天發展過程中起到了至關重要的作用。政府的扶持逐步釋放了商業航天的發展空間，鼓勵和促進了商業航天的快速發展。而最終支持商業航天可持續良性發展的是持續穩定的市場需求，是與經濟社會發展和人民大眾需求的緊密結合，保證企業可以按照市場規律發展商業航天產品和提供服務。

無論從傳統航天企業，還是新興航天公司的發展模式創新都可以看出，建立適應市場經濟規律的內部機制和運作模式是商業航天企業發展的根本。以市場需求、用戶需求為導向，以提升盈利能力為目標，不斷關注市場對航天產品和技術需求的趨勢變化，根據不同用戶需求提供有針對性的產品和服務，注重創新發展理念和商業模式、開發和運用新技術來降低成本和拓展市場。