黄志澄/文



商业航天是美国太空探索的新动力

黄志澄：空气动力学家、航天技术专家、技术评论家。长期从事空气动力学、航天发展战略研究，为我国大型试验基地建设、载人航天方案论证、新型航天器研制做出了贡献。近十年来从事科学、技术与社会等宏观科学领域研究，在国内外有较大影响。

商业航天是指以商业为目的并用市场化的模式运行的航天活动。实际上，在应用卫星领域，如通信卫星和遥感卫星等，早就开始了市场化过程，并取得了很大成效。在西方成熟的市场经济体制下，这个进程并未引起人们的过度关注。当一个行业的技术和产品已足够成熟，把它推向市场和进行商业运作是顺理成章的事情。然而最近几年，商业航天的话题再次引起国际航天界的关注，则是因为美国在载人航天领域首先引入了商业和市场机制。

1　美国太空探索实现双轮驱动

回顾美国航空航天局（NASA）在2015年的成绩，可以说这是NASA取得大丰收的一年。NASA局长查尔斯 博尔登（Charles Bolden）说：“2015年是美妙的一年，我们离火星更近了一步。我们为商业合作伙伴取得的进步喝彩，他们很快就能够将美国航天员送往‘国际空间站’。我们也为那些能将我们送往深空、改善航空系统、探索宇宙和地球的新技术和新任务取得的进步而喝彩。”

回顾NASA在2015年取得的成绩不难发现，NASA除了依靠政府投入外，其鼓励和支持私营航天创业公司发展商业航天的政策，也为NASA取得2015年的大丰收起到了重要的作用。

在太空探索中采用政府和市场双轮驱动政策，是美国航天有史以来最大的转型。实际上，这种转型也是前几年美国太空探索面临的严峻形势逼出来的。美国航天飞机退役后，NASA重新打造的新的“猎户座”（Orion）飞船要在2020年才能升空。在此之前，美国没有一个航天运输系统能为空间站服务。运送人员的唯一选择是利用俄罗斯的“联盟”（Soyuz）飞船，每个座位须支付约7000万美元，通常每年要购买6个座位。为改变这一尴尬局面，自2010年开始，奥巴马政府就要求NASA尽力支持本土有竞争力的公司研发航天运输系统，恢复美国向空间站的运输能力。

NASA正在研发的“猎户座”载人飞船

随着航天基本技术的成熟，世界各航天大国除了继续关注太空安全外，将重点转向发展太空经济与太空探索。在这种形势下，美国产生了一批私营航天创业公司。由于私营航天创业公司管理机制灵活高效，因而研制航天运输系统的周期短、成本也较低。

NASA早在2006年就启动了“商业轨道运输服务”（COTS）项目，旨在为空间站运送货物。经过招标，NASA最终选择了两家创新能力强的私企：一家是美国太空探索技术公司（SpaceX），按合同该公司要用其“龙”（Dragon）飞船向空间站运送12次货物；另一家是轨道科学公司［OSC，2014年4月与美国阿连特技术系统公司（ATK）合并成为轨道-ATK公司］，按合同该公司要用其“天鹅座”（Cygnus）飞船在2013-2016年间分8次将20t货物运送至空间站。在美国载人航天领域过去取得的一系列成绩中，美国商业公司功不可没。NASA本身从未涉足过火箭或飞船制造领域，而是全部交给波音公司（Boeing）和洛马公司（LM）等私营承包商来负责实际设计和建造工作。NASA现在的“商业轨道运输服务”项目与之前的区别在于资金使用方式不同。以往NASA在招标时，它所承诺的支付包括研制费用（即“成本”）及利润（即“加成”），也就是所谓“旱涝保收型”。而“商业轨道运输服务”则是在招标后支付这些公司一笔固定的资金，如果研制成本超支，则由投标公司自己承担。因此，私企承担了主要风险。

太空探索技术公司近期因尝试回收火箭而频频吸引众人眼球。其研制的“龙”飞船已多次向空间站运货，并将提供载人航天服务，未来还将重复使用火箭和飞船，所以能大大降低天地往返的运输成本。轨道科学公司在2013年4月由“安塔瑞斯”（Antares）火箭成功发射了“天鹅座”飞船，搭载了与飞船等质量的3.8t载荷。这一成功发射，证明了又一家私企具备了航天运输能力。NASA局长博尔登表示：“NASA计划利用美国企业的创造性到达近地轨道，从而使NASA可以将资源集中用于深空探测。从这个角度看，与这些企业签订合同，无疑是重要的里程碑。”

NASA在2016年初签订了第二份商业补给服务合同，确保空间站的货运任务持续到至少2024年。这次除了轨道-ATK公司和太空探索技术公司外，内华达山脉公司（SNC）的“追梦者”（DreamChaser）小型太空飞机也赢得了第二轮合同。

随着NASA将重心转移到更具挑战性的载人火星探索，私企将接过把航天员和相关货物送到空间站的接力棒。2011年4月18日，NASA宣布了“第二轮商业乘员研究计划”（CCDev2），旨在帮助美国私企研制出可替代航天飞机的天地往返运输系统。波音公司的乘员空间运输-100［CST-100飞船，后更名为“星际客车”（Starliner）］、内华达山脉公司的“追梦者”小型太空飞机、太空探索技术公司的“龙”飞船和蓝色起源公司的垂直起降方案，分别获得了数额不等的资助。

NASA的“商业乘员计划”广告

2014年9月16日，波音、太空探索技术两家公司与NASA签署协议，分别获得42亿美元和26亿美元的合同。在通过飞行认证后，每家公司将自2017年起各自承担2～6次飞往空间站的载人运输任务。不难预测，若内华达山脉公司能顺利完成“追梦者”小型太空飞机的运货任务，也将会加入到载人任务的竞争中来。NASA还任命了4位有经验的航天员和测试飞行员为商业载人航天任务进行培训和准备，并与这些商业公司紧密合作，协助研发其载人运输系统。

这些年来，美国除了出现上述商业航天公司之外，还出现了许多发展商业空间站、太空旅游和火星探索的私营公司。2015年，比格罗航天公司的“比格罗充气式试验舱”（BEAM）已经运抵肯尼迪航天中心。2016年4月，太空探索技术公司已将该活动舱送往空间站，接受为期2年的测试和技术验证，有助于推进NASA实施长期载人飞行任务的目标。

将小行星拖到月球附近也将为有意进行小行星采矿的公司开启商业机遇。2015年10月，NASA向美国工业界征集有关NASA如何为无人采矿任务研制先进太阳能电推进航天器的创新想法。NASA还采取措施，激励商业航天部门深空探测能力的发展，并选择了12个项目将参与商业公司合作，推动必需的探测能力的研发。

NASA正在研发的2种“航天发射系统”

2　商业航天为NASA注入新活力

NASA的经费全部由美国政府投入，先由NASA编制预算申请，经国会审议后由总统批准。2016年2月初，NASA向美国国会递交了2017财年预算申请。从2017财年预算申请可以看出，科学领域项目正在稳步增长。科学项目由2015财年的52亿美元增长到2017财年的56亿美元（涨幅7.7%）；载人探索预算规模呈小幅下降趋势，但其比重仍旧占50%。随着“猎户

130t

70t火箭发射逃逸系统

“猎户座”

临时低温推进段（lCPS）

级间

J-2x发动机上面级

核心段

固体火箭助推器

改进型助推器RS-25发动机座”飞船和“航天发射系统”（SLS）逐渐完成关键设计评审，探索系统的经费投入正由2015财年和2016财年的峰值水平逐渐下降。另一方面，载人航天投资重点转向了太空运行领域，预算由2015财年的46.26亿美元增加到了50.76亿美元，增幅10%。其中，将特别加大对“商业乘员运输”计划的投资，2017财年预算申请由2015财年8.05亿美元增加到11.85亿美元，增幅47%。

太空技术领域投资连续3年保持高速增长，由2015财年的6.03亿美元增长到2017财年的8.27亿美元。高度重视太空技术研究与开发，由2015财年3.78亿美元增长到5.79亿美元。首先，太空技术研究与开发包括了多个创新项目：NASA创新先进概念（NIAC）、太空技术研究奖励（STRG）、NASA各大中心创新基金（CIF）、小型飞行器技术（SST）、百年挑战等。通过这些项目的实施，能够为NASA未来科学和探索任务培育可转化、具有高度应用前景的前瞻性技术。2017财年投资重点包括开发高性能星载计算机处理器、火星制氧技术、电推进技术等。其次，NASA还将加大对小型企业创新研究（SBIR）和小型企业技术转移（STTR）项目的投入，由2015财年的1.97亿美元增长到2.13亿美元。将继续开展太空在轨服务演示任务；继续研发高性能太阳能电推进技术，满足NASA探索任务的需求；继续开展高码速率深空通信技术研究。

将NASA的2017财年预算与2007财年预算进行比较不难发现，NASA的商业航天政策，对促进其在2030年或稍后达到载人火星探索目标起到了十分积极的作用。这项政策促进和催化了美国商业航天工业的增长，虽然NASA投入的经费并不多，但起到了“一两拨千斤”的作用，给NASA注入了新活力。这不仅使NASA摆脱了航天飞机的高额运行费用和航天飞机退役后的困境，并能确保有财力继续研发“猎户座”飞船、“航天发射系统”火箭以及相应的地面系统，以便NASA在未来能运送航天员到达近地轨道以远的区域；而且还有助于NASA在太空科学探索、地球科学、航天技术和航空研究等诸多方面仍保持世界领先地位。无疑，NASA在2015年星际探索方面的大丰收，也与NASA商业航天政策的成效密切相关。

3　商业航天促进太空探索技术创新

实际上，美国颠覆性技术创新的主力是企业，特别是正在创业的中小企业。企业创新的动力既来自市场需求的推动，也来自市场竞争的压力。竞争导致优胜劣汰，为了保证不在竞争中被淘汰，并取得竞争优势，企业就必须通过各种手段增强竞争力。随着科学技术的发展，产品的竞争越来越多地表现为技术创新的竞争，特别是颠覆性技术创新的竞争。谁拥有颠覆性技术创新的成果，谁就占有了市场的绝对优势。与大型企业相比，中小企业虽然在资金、人才和设备等方面处于劣势，但是中小企业规模小，灵活方便；专业化程度高，开展技术创新快捷省时，效率较高；管理层次少，凝聚力强，富于合作精神；中小企业对颠覆性技术创新的需求更高，创新的意识更强。因此，中小企业具有颠覆性技术创新的潜在优势。基于以上原因，美国中小企业在技术创新的数量、质量、效率和周期等方面，都表现出很高的水平。研究表明，美国中小企业创造的技术创新成果和新技术在数量上占全国的55%以上，中小企业人均技术创新量是大企业的2.5倍。根据1958年成立的美国联邦中小企业局（SBA）的调查，20世纪对美国和世界有过巨大贡献的65项发明和创造全是由中小企业创造的，从飞机、计算机到复印机、圆珠笔等，无所不包。

同时，市场的开放程度往往决定这种竞争能否带来何种创新的效果，只有做到市场的充分开放，也就是只有打破垄断，才能催生颠覆性技术创新。例如，2006年之前，美国在航天商业运输领域只有波音和洛马等大公司，2006年开始决定在航天商业运输领域充分开放市场后，立即就涌现出一批如太空探索技术公司、轨道-ATK公司、内华达山脉公司、比格罗航天公司、蓝色起源公司、维珍银河公司（Virgin Galactic）等这样朝气蓬勃的公司，培育着航天运输领域的技术突破。这些公司不仅可以提供大公司同样性能的火箭（如“猎鹰”系列火箭）和飞船（如“龙”飞船），而其运输费用明显降低50%以上。其中，太空探索技术公司和蓝色起源公司正在进行试验的火箭回收技术、内华达山脉公司的升力体航天飞机技术和比格罗航天公司的“比格罗充气式试验舱”技术等，都给人们留下了深刻的印象。

与“国际空间站”对接的“追梦者”小型太空飞机示意图

另一方面，NASA的商业航天政策使得NASA过去开发的产品获得了新的应用，长期积累的技术也能转化成工程系统。例如，太空探索技术公司的“猎鹰”火箭使用的“灰背隼”（Merlin）火箭发动机，就源于NASA在20世纪60年代开发的登月轨道舱的煤油/液氧燃料火箭发动机，经过该公司多次改进，最新版的“灰背隼”发动机已达到了很高的工作效率。比格罗航天公司的“比格罗充气式试验舱”技术，也曾是NASA试验了多年的技术。内华达山脉公司的“追梦者”小型太空飞机采用的构型，就是NASA在多年积累的升力体技术上研发出的HL-20升力体构型。假若没有NASA的商业航天政策，这些成果仍将束之高阁。

不仅如此，由于一大批富有创新活力的商业航天公司的出现，也给NASA的旧体制以很大冲击。在竞争的压力下，在激励员工创新和改进科普宣传方面也出现了新气象。NASA与二十世纪福克斯电影公司合作拍摄的“火星救援”，于2015年10月在全球首映，为争取民众支持NASA实现未来的“火星之旅”起到了很好的宣传作用。

4　结束语

NASA的商业航天政策虽取得了惊人的成效，但也并非一帆风顺。2014年10月，“安塔瑞斯”火箭在发射“天鹅座”飞船时爆炸，使得这项计划暂停。直到2015年12月，“天鹅座”飞船改用宇宙神-5（Atlas-5）火箭发射，才再次成功完成空间站的运货任务。2015年6月，太空探索技术公司的猎鹰-9火箭在发射“龙”飞船时也发生爆炸。但这些事故并未阻挡美国商业航天前进的步伐，但同时它也提供了深刻的教训：商业航天发展中既要重视创新，又要重视安全性。由此可见，美国采用政府与市场双轮驱动太空探索的政策，积累了一些发展商业航天的经验教训，必将对世界航天，包括中国航天的发展，产生深远的影响。

黄志澄/文

Commercial Space is New Drive for U.S. Space Exploration