國際空間站美國太空國家實驗室運營與管理研究

國際空間站（International Space Station，以下簡稱ISS）是人類在近地軌道建造的第十個空間站，同時也是人類有史以來在近地軌道建造的最大飛行器。美國國家航空航天局（以下簡稱NASA）、俄羅斯國家航天集團公司（Roscosmo）、歐洲航天局（ESA）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、加拿大航天局（CSA）直接參與了國際空間站大型模塊的組裝和建設。自1993年以來，美國已投入上千億美元建造以及運營國際空間站，每年投入30億—40億美元。

ISS作為太空實驗室，能夠圍繞科學研究、技術開發、教育活動與推廣等任務開展一系列工作。它所處的獨特的微重力、輻射等太空環境也為商業公司的太空業務拓展提供了極大的便利。因此，如何有效提升國際空間站的資源利用率，如何開拓商業資源以從事更好的商業開發及利用成了主要問題。2005年，為了提升美國對國際空間站的利用率并吸引商業投資，美國國會指定國際空間站美國艙段的研究設施作為太空國家實驗室（ISS National Laboratory，以下簡稱ISSNL）。2011年，NASA選定空間科學促進中心（Center for the Advancement of Science in Space，以下簡稱CASIS）這一非營利組織正式管理ISS美國國家實驗室，并將美國艙段的50%資源投入到太空國家實驗室，以保障足夠數量的科學實驗得以開展。

一、NASA對于太空國家實驗室的管理以及對CASIS的評估

（一）NASA發起并成立CASIS

2010年，NASA選擇了一家名為ProOrbis的管理科學商業公司開展了為期90天的獨立調查，該調查致力于開發管理ISSNL的組織框架并推動美國政府對于ISS管理實現投資最大化的戰略。通過調研ISS獨特的空間環境以及系統存在的潛在風險（上下行的限制、載荷的大小等），ProOrbis公司最終建議NASA通過合作協議（Cooperative Agreement，CA）委托一家非營利機構來實現對國家實驗室的管理。該機構將承擔起籌措外部資金，推動商業公司參與國際空間站項目，發展商業科技應用、創造就業機會和產生經濟效益等任務。隨著2011年CASIS宣告正式成立，NASA就明確了CASIS的主責，即推廣、發展和管理ISSNL。在2017年的最新延長協議中，NASA重新明確了CASIS需要完成的三大主責：①為ISSNL遴選項目；②幫助項目方完成載荷集成任務；③資助部分選中的項目。

（二）NASA對于CASIS的整體預期

自從2011年國際空間站建造完成以來，NASA旋即提出了發展近地軌道商業經濟的任務。而這一任務的實施主體則交給了CASIS。除此以外，NASA為CASIS制定了九項具體的任務規劃。[1]具體任務見下：研究路徑。CASIS需要明確每個方向的研究路徑。①編制太空國家實驗室的研究方向；②評估微重力環境下該研究方向的科學意義和工程可實現性；③提供研究項目申請機會；④繪制研究路徑圖。

STEM教育項目。科普教育是CASIS工作的重點。CASIS需要持續推動太空國家實驗室STEM教育的關注度并增加STEM相關的教育類實驗。

研究經費分配與研究項目平衡。CASIS每年需要至少頒發300萬美元的研究經費。此外，CASIS須實現在ISSNL上開展理論研究、基礎研究以及應用研究的平衡。

研究項目招募。通過各類宣傳，激發廣大研究人員以及研究實體使用太空國家實驗室的興趣。

將研究項目與投資者匹配。建立研究投資主體與研究人員的匹配機制。

選擇“執行伙伴”（implementation partner）。由于研究人員大多沒有太空開展研究的經驗，CASIS需要和商業執行伙伴合作為研究人員提供專業服務，以幫助他們在ISS上開展實驗，并將地面研究的實驗樣品盡快轉化為待上行開展研究的載荷。

籌款。根據早先和NASA的合作協議，CASIS需要籌措到足夠的經費來匹配NASA每年1500萬美元的投入并且逐漸實現自給自足。

宇航員的工時分配。CASIS需要保證太空國家實驗室的利用率，因此宇航員的工時分配仍然是主要的考核標準。

宣傳。CASIS需要與白宮、國會、媒體、教師、學生以及公眾等建立豐富的太空國家實驗室推廣活動。

（三）NASA對CASIS以及ISSNL的評估

NASA高度重視對ISSNL的管理以及運營情況。2016—2017年，NASA督察長辦公室對CASIS運營開展了內部評估，并于2018年發布了題為“NASA對于空間科學促進中心的管理”（NASA＇sManagement of the center for the Advancement of Science in Space）的報告。[2]2019年，NASA委托外部獨立評審小組對太空國家實驗室的未來發展以及近地軌道商業化的發展進行了研究調查。這兩項報告肯定了CASIS管理太空國家實驗室以及在近地軌道發展商業太空經濟的努力，同時也指出在一些方面CASIS并沒有達到NASA的預期，例如CASIS存在研究和商業化側重優先權歸屬定位不夠清晰、項目遴選模式落伍等問題。

二、CASIS對太空國家實驗室的運營以及管理情況

（一）ISSNL的可用資源以及CASIS主要關注的研究領域

國際空間站國家實驗室是設置在近地軌道的一個國家級的研究平臺，它為各國科學家、企業家以及專業研究人員提供了獨一無二的科研平臺。空間站所提供的微重力環境和空間暴露設施，推動人類對生命科學、物理科學、生物技術等眾多基礎領域開展研究，賦予人類認識宇宙、探索宇宙的新路徑，開辟了增進人類福祉的新方式。

ISSNL從創建伊始就吸引了各方的關注。然而，太空實驗室能夠提供的資源是非常有限的。2005年，美國國會就通過法案明確了ISSNL的資源分配。[3]其中，50%的科學實驗資源包含宇航員工時、研究設施、天地往返的貨運飛船的有效載荷容量。（圖1）2015年，宇航員研究工時首次達到滿負荷。[4]這也在一定意義上說明CASIS在ISSNL的資源利用率方面不斷推進。

CASIS主要投入的五大領域分布是教育和外延、基礎科學、技術展示、應用研究及發展，以及商業設施利用。具體見下[5]：

教育外延——提供世界級的教育項目，向公眾介紹ISSNL以及微重力環境下的科學實驗，增加公眾的參與度。

基礎科學——支持微重力平臺開展圍繞基礎科學的自由探索研究。

技術展示——支持微重力平臺開展新技術研究。

應用研究及發展——支持微重力環境下的原創性應用研究與開發，特別是支持太空生產應用方面的研究與開發。

商業設施利用——通過實驗室商業運營設施支持近地軌道的商業經濟發展。

上述五大領域是CASIS進行項目征集、遴選以及資源分配謀劃的主要領域。同時，NASA也根據這五大領域制定的指標的完成情況來考核CASIS。

（二）CASIS的項目征集與遴選方案

國家實驗室的項目申請者通常來自學術界、商業界和一些政府機構。根據NASA對CASIS發展近地軌道商業化的要求，來自商業界的申請者將會占據主導。當前CASIS的項目征集方案主要有兩種。第一種是一般審核路徑，該路徑由CASIS主導，內部專家結合外部專家一同完成項目審核評估，并給出相應的評審意見。第二種是快速路徑，由CASIS合作的執行伙伴主導完成。執行伙伴下屬的商業服務提供商根據CASIS設定的ISSNL資源以及上下行需求完成項目審核，繼而再由CASIS統一審定最終入圍的項目，并完成上下行的資源分配。（圖2）

（三）CASIS運營管理亮點

自2011年運營以來，關于CASIS運營管理的評價就存在爭議。需要指出的是，NASA對于CASIS的信任度和認同度卻一直沒有降低。2017年，NASA與CASIS完成續約，將本于2020年到期的合同提前3年延期至2024年。從長期的運營情況看，CASIS的表現瑕不掩瑜。在不斷吸納外部資金、緊密地和執行搭檔合作、大力發展教育項目等方面均有不俗表現。具體如下：

1.外部資金吸納表現。以2023財年為例，CASIS吸納了2650萬美元非NASA來源的外部經費來支持由ISSNL發起的實驗項目。相較2022財年，資助金額增幅高達44%。[6]外部資金資助的提升有力保障了ISSNL的項目進展，對發展可持續的近地軌道商業經濟意義重大。

2.和執行搭檔緊密合作。由商業公司擔任執行搭檔是ISSNL項目執行的關鍵一環，用商業公司運營的方式自主推動商業項目的遴選以及載荷的集成、裝配是CASIS工作的一大創舉。CASIS賦予了執行搭檔很多自主權，而這種特殊的合作方式大大縮短了項目從遴選到立項的時間，也縮短了載荷上天開展實驗的等待時間。

3.通過太空教育項目推動大眾科普。激勵未來的太空產業相關就業人群以及在大、中、小學生中推廣科普知識是ISSNL的中心任務之一。隨著CASIS推動的太空商業項目增多，這項工作受益的人群也越來越廣泛。以2023年為例，超過2500萬人使用了ISSNL的網上教育產品。超過1000萬人參加了ISSNL的25個教育相關的科研項目。教育項目對于國際空間站成果的傳播、激發青年一代參與科學創新工作有著舉足輕重的意義。

三、美國太空國家實驗室運營與管理經驗啟示

截至2024年，國際空間站美國太空國家實驗室已經運營了近20年，隨著CASIS從2011年開始管理實驗室的運營，實驗室的定位不斷清晰完善并逐步走向正軌。在商業科學項目征集、科學應用成果、發展近地軌道的商業經濟等方面取得了一系列成績。美國的經驗對我國國家太空實驗室的運營與管理具有一定的借鑒意義。

（一）建立太空國家實驗室多元評價體系

客觀來說，NASA對太空國家實驗室的評估是定量和定性數據結合，外部獨立評估和內部評估兼具，周期性評估和季報、年報審核結合的綜合評價方式。自2011年以來，從一開始的部分不及預期到現今的達到甚至超過NASA的預期；從提高ISSNL的（商業）科學實驗資源利用率到大力發展近地軌道商業化；從完全依賴NASA經費運營到吸納超過年運營經費額度的外部經費支持商業研究項目，CASIS在美國太空國家實驗室的運營與管理方面取得了一定的成功。盡管如此，外界對CASIS的評價卻一直莫衷一是、褒貶不一。這也意味著只有更加全面、有效的評估方式介入，才有可能獲得更趨于客觀的評價。人工智能大模型的崛起為客觀評價的獲取提供了一種可能。大模型通過提示工程方法（Prompt Engineering）訓練豐富的數據，使自身成為強大的知識檢索器。未來，利用大模型加強對太空國家實驗室的政策分析以及對公眾認知等第三方數據的訓練或可得到更加客觀、公正的評價。這對于建立多元評價體系具有積極的參考意義。

（二）夯實以近地軌道商業化推動科技創新發展的基礎

截至2023年，ISSNL已將700余載荷送入國際空間站開展科學實驗研究。商業公司由于預算、營利等客觀條件限制，只有不斷創新開發出新產品，才能夠占據市場，滿足消費者需求，實現公司可持續發展。商業公司也因此成為科技創新的主體。美國太空國家實驗室作為商業孵化器，對于拓展國際空間站的設施，發展近地軌道的商業經濟產出、推動商業公司提升科技創新能力、創造就業機會、提高經濟效益都有積極作用。與此同時，由商業公司承擔的載荷研制可以減少財政支出，從而將更多的經費投入深空探測，對于人類探索宇宙、發掘更多宇宙的奧秘大有裨益。

（三）項目遴選注重商業化、小微化、自主化、快速化

推動近地軌道商業化是CASIS的中心任務。因此，CASIS自創立伊始就不遺余力地推動太空國家實驗室的商業化進程。以2023財年為例，當年80%的實驗載荷來自商業企業，而來自私營部門的2050萬美元的支持經費更是超過了CASIS當年的運營經費。[7]近地軌道商業化的重要標志就是各種規模的企業都能參與其中，因此NASA希望CASIS邀請更多的小微企業、初創企業作為執行伙伴參與到近地軌道的經濟圈中。[8]從項目實施情況來看，CASIS也正在朝著這一目標積極努力。此外，由于CASIS把更多的項目遴選自主權交給了獨立執行伙伴，這使得平均立項時間控制在63天內，而由獨立執行伙伴推薦的項目申請書，CASIS批準了393項，拒絕了5項[9]，通過率接近99%。由此可見，CASIS在項目遴選方面做到了充分信任、快速立項、企業類型全覆蓋，推動近地軌道商業經濟的全面發展。

注釋：

[1]NASA Office of Inspector General.NASA＇s Management of the Center for the Advancement of Science in Space，2018.

[2]同[1]。

[3]U.S. Government Accountability Office. International Space Station： Opportunities Exist to Improve Communication with National Laboratory Users，2022.

[4]NASA.A Strategy for the Future of the International Space Station （ISS） National Laboratory （ISSNL） and Commercial Low-Earth Orbit （LEO） Development，2020.

[5]同[3]。

[6]ISS National Laboratory.International Space Station National Laboratory Annual Report for Fiscal Year 2023，2023.

[7]同[6]。

[8]同[1]。

[9]同[3]。

（作者為中國科學院空間應用工程與技術中心助理研究員）

責任編輯：馬莉莎