李會超：失去載人航天7年，美國為何把近地軌道交給商業航天
【文/ 科工力量專欄作者 李會超】
2011年7月8日，亞特蘭蒂斯號執行了航天飛機計劃中的最後一次飛行。自此之後，美國的國土上已經整整7年沒有起飛過載人航天器。美國宇航員來往國際空間站需要搭乘俄羅斯的聯盟號飛船，並以每年水漲船高的價格購買“船票”。在暫時失去載人航天能力的7年多中，美國一直在積極進行下一代載人航天載具的研發。8月3日，NASA公佈了參與商業載人航天任務的第一批宇航員名單，其載人航天的新策略也愈發明晰：將近地軌道交給商業航天，將自身的研發力量集中到星際載人飛行上。
老玩家與新選手
即將為NASA執行商業載人航天任務的兩種飛船是波音公司研發的CST-100載人飛船和SpaceX公司的載人型龍飛船。
相比於近幾年頻頻搶佔航天新聞頭條的SpaceX，波音公司更為人熟知的業務是各類民航客機的研發。波音747、777、787、737等經典機型佔據了國際民航業的半壁江山。然而在航天領域，波音公司也是老資格的“資深玩家”。早在阿波羅登月任務開展時，波音就作為承包商承擔了重要的工作。土星5號火箭是登月成功的關鍵因素，蘇聯就因火箭設計不過關而輸掉了登月競賽。而提供土星5號起飛時高達35000千牛強大推力的火箭第一級，就是由波音公司製造的。後來，波音公司還兼併了曾經負責阿波羅飛船設計製造的北美公司、負責航天飛機軌道器設計製造的羅克韋爾公司等。
目前，波音公司是美國“聯合發射聯盟”（ULA）的主要成員，其研發的Delta系列火箭承擔了不少NASA和美國軍方的發射任務。此次波音入選的CST-100飛船採用了比航天飛機簡單得多的兩艙式設計，其外觀與不連接登月艙的阿波羅飛船十分相似。CST-100每次飛行最多可以搭載7名宇航員，每艘飛船可重複使用十次。在航天飛機之前，美國的阿波羅、雙子座等載人飛船返回地球時均在海上被回收。而CST-100則首次採用了陸上回收的方式，由飛船在着陸時彈出的氣墊提供緩衝。
波音CST-100飛船在太空中飛行的效果圖
航天新秀SpaceX的龍飛船採用的也是兩艙設計。龍飛船的貨運型是第一種成功為國際空間站提供補給的商業航天。載人型龍飛船也被稱為龍飛船2代，船一次最多可以搭載7名宇航員，具備十次左右的可重複利用能力。龍飛船的主要回收方式為海上着陸，但在預留了未來開發陸上着陸技術的空間。與CST-100相比，龍飛船的體態相對纖瘦，船艙直徑較小，但船艙高度更高，因此船艙的實際容積與CST-100相差不大。此外，相比可以由多種美國現役火箭發射的CST-100，龍飛船未來將僅由SpaceX自己研發的獵鷹系列火箭發射。
載人型龍飛船的飛行效果圖
相比於將發射、貨運、載人功能融為一體的航天飛機，CST飛船和龍飛船的結構要簡單的多。這很大程度上來自於航天飛機計劃中的教訓：過於複雜的航天器將降低可靠性，增加每次發射前所需進行的工作量，使每次發射的費用飆升。在新一代飛船的設計中，設計師們意識飛船本身主要是航天員往返天地的運輸工具，不要在載人功能之外為其賦予太多的其他功能。因此，NASA對新一代商業飛船提出的設計要求僅僅是能夠安全的搭載宇航員來往於國際空間站。然而，結構簡單的新一代飛船仍有一些超越航天飛機的指標。兩種飛船均能在國際空間站上駐留210天以上，大大超過了航天飛機的12天。長期駐留的飛船可以作為國際空間站的“救生艇”，在緊急情況下撤回宇航員。
飛船研發的新模式
在美國以往的航天器研發製造中，波音、格魯曼等私營航天業巨頭也會參與到項目中來，航天器的製造最終是由這些企業而不是NASA來完成的。但在研發過程中，NASA始終對航天器的設計保持控制，NASA的科學家和工程師會參與到研發、製造、測試和發射的各個過程中來，主導設計方案和技術路線的確定，並確保航天器的安全和可靠性。最終，製造出的航天器、其附帶的知識產權和航天器的運營設施屬於NASA，研發的全部預算也由NASA承擔。
由於航天活動的未知性和風險性，這種一切由政府買單的模式有助於推動新的航天技術發展，開闢新的探索領域。但在這種模式下，作為政府機構的NASA因官僚主義而導致的內耗增加了管理成本。由於項目的成敗由NASA負責，承包商通過技術開發降低成本的動力不強，而幾個大公司對航天業的壟斷也使市場競爭的作用無法體現，使得NASA進行航天活動的成本不斷增加，項目超支幾乎成了一定要發生的事情。
NASA商業載人航天項目的LOGO和宣傳海報
2009年，作為經濟危機後美國重振法案的一部分，NASA開始了商業載人航天項目的運作。通過此項目，NASA不但可以再次獲得去往國際空間站的載人發射能力，還能刺激本國的商業航天產業的發展。在這個項目框架下，NASA將選擇性的資助一部分企業，開展近地軌道載人航天飛船的研發。與以往不同的是，企業拿到NASA的資助後，對飛船的設計擁有自主權，可以採用一切他們認為合理的設計方案和技術路線。同時，NASA只為自身的需求付費，且投資總額一般不足以完全支撐飛船研發，企業必須投入自身的資金到飛船項目中去。
無論飛船研發最終的成本是多少，NASA的付費是固定的。在這種模式下，企業將自發的提高研發的效費比，並盡力進行成本控制。用NASA內部刊物的話説，“當花他們自己的錢時，企業往往會變得更加精明。“迄今為止，NASA已經在此項目上資助了波音約48億美元、SpaceX約31億美元。花完這些錢後，兩家企業需要完成飛船的研發和各項測試，達到NASA對飛船提出的各項指標及安全可靠性的要求，執行去往國際空間站的一次載人測試飛行和至少兩次一般載人飛行。
同時，企業擁有飛船本身和飛船的附加知識產權。除了為NASA提供服務外，他們還可以使用飛船開展其他商業航天業務。波音在CST-100飛船上為未來可能出現的太空遊客設置了座位，可以在執行NASA任務時順便“捎”上付費的遊客。而SpaceX則計劃用龍飛船進行去往月球的太空旅遊，載着旅客們飛行與地月之間的大橢圓軌道上，在飛掠月球時可以一睹與月球上的景緻。
NASA瞄準深空載人飛行
目前，國際空間站等載人航天器都運行在距離地面約400公里的近地軌道（LEO軌道）上。對於美俄這兩個擁有載人航天能力較早的國家，向LEO軌道發射載人飛船已是家常便飯，技術已比較成熟。在商業載人航天計劃開始實施時，NASA提出的需求就是向LEO軌道上的國際空間站輸送宇航員。在CST-100飛船和龍飛船研發的同時，NASA自己的獵户座飛船也在研發過程中，而這艘飛船則將目標瞄準了更遠的星際飛行。
（作為“美國製造成就展”主展品的獵户座飛船乘員艙正在白宮展覽）
獵户座飛船同樣採用了兩艙構型，可以搭載2-6名宇航員。未來，這艘飛船將主要承擔去往月球、火星的深空飛行。在計劃中的飛行任務中，獵户座將首先測試在地月轉移軌道上的飛行能力和高速再入大氣層時的防熱能力。之後，它將承擔起NASA的月球軌道空間站——深空門户的建設任務，運輸航天員到月球附近。未來，NASA還計劃將它與“深空棲息艙”進行組合，執行運載宇航員去往火星軌道的任務。在未來的計劃中，NASA並沒有安排獵户座飛船進行LEO軌道的飛行，表面NASA有信心將這部分任務完全交給商業航天。
作為一艘深空飛船，獵户座需要實現不少LEO軌道飛行所不需實現的技術。例如，LEO軌道上飛行的航天器可以通過地面上的測控網和同步軌道上的天基測控衞星確定自己的位置，並與地面保持通信。而獵户座飛船一旦遠離地球，就不得不依靠NASA的深空探測網絡進行通信，使用深空測控手段來進行定位。為了以防萬一，獵户座上還佈置了一套應急的定位系統，宇航員們可以根據觀測到的地球、太陽和恆星的相對位置獨立確定自身位置。在深空飛行中，失去了地球磁場保護的飛船將承受比LEO軌道更加強烈的太陽高能粒子和宇宙線輻射。為了保證宇航員的飛行安全，獵户座飛船必須採用比LEO軌道飛船更先進可靠的輻射防護技術。 獵户座飛船的研發仍採用NASA的傳統模式進行，目前已經花費了美國納税人125億美元經費。
獵户座飛船在太空中飛行的示意圖
如果獵户座飛船計劃和LEO軌道的商業航天計劃均進展順利的話，將為我們樹立商業航天運作模式的示範：政府所屬的航天機構可以將技術已經成熟的領域交給企業進行自負盈虧的項目運作，政府機構只根據需要採購航天服務、給予一定資助，而不再主導項目運作。這樣一方面能夠為政府節省開支，另一方面也能創造新的經濟增長點，繁榮商業航天產業。此外，對於航天企業的扶持應該根據企業本身的技術能力有選擇的進行。在NASA商業航天載人計劃的CCDev1階段中，共有多達36家企業提出了自己的方案，其中不乏一些PPT公司，而最終獲得資助的僅有5家。在經過隨後的CCDev2、CCiCap、CPC1、CPC2四個階段的方案深化與遴選後，最終能夠將飛船發射上天的只有資金和技術實力均相當雄厚的波音和SpaceX。
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