NASA將研發(fā)力量集中到星際載人飛行上，波音助力商業(yè)載人航天任務(wù)

2011年7月8日，亞特蘭蒂斯號執(zhí)行了航天飛機計劃中的最后一次飛行。自此之后，美國的國土上已經(jīng)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(lián)盟號飛船，并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(fā)。8月3日，NASA公布了參與商業(yè)載人航天任務(wù)的第一批宇航員名單，其載人航天的新策略也愈發(fā)明晰：將近地軌道交給商業(yè)航天，將自身的研發(fā)力量集中到星際載人飛行上。

老玩家與新選手

即將為NASA執(zhí)行商業(yè)載人航天任務(wù)的兩種飛船是波音公司研發(fā)的CST-100載人飛船和SpaceX公司的載人型龍飛船。

相比于近幾年頻頻搶占航天新聞頭條的SpaceX，波音公司更為人熟知的業(yè)務(wù)是各類民航客機的研發(fā)。波音747、777、787、737等經(jīng)典機型占據(jù)了國際民航業(yè)的半壁江山。然而在航天領(lǐng)域，波音公司也是老資格的“資深玩家”。早在阿波羅登月任務(wù)開展時，波音就作為承包商承擔(dān)了重要的工作。土星5號火箭是登月成功的關(guān)鍵因素，蘇聯(lián)就因火箭設(shè)計不過關(guān)而輸?shù)袅说窃赂傎?。而提供土?號起飛時高達35000千牛強大推力的火箭第一級，就是由波音公司制造的。后來，波音公司還兼并了曾經(jīng)負責(zé)阿波羅飛船設(shè)計制造的北美公司、負責(zé)航天飛機軌道器設(shè)計制造的羅克韋爾公司等。目前，波音公司是美國“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟”（ULA）的主要成員，其研發(fā)的Delta系列火箭承擔(dān)了不少NASA和美國軍方的發(fā)射任務(wù)。此次波音入選的CST-100飛船采用了比航天飛機簡單得多的兩艙式設(shè)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，每艘飛船可重復(fù)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則首次采用了陸上回收的方式，由飛船在著陸時彈出的氣墊提供緩沖。

（波音CST-100飛船在太空中飛行的效果圖）

航天新秀SpaceX的龍飛船采用的也是兩艙設(shè)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(yè)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復(fù)利用能力。龍飛船的主要回收方式為海上著陸，但在預(yù)留了未來開發(fā)陸上著陸技術(shù)的空間。與CST-100相比，龍飛船的體態(tài)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(xiàn)役火箭發(fā)射的CST-100，龍飛船未來將僅由SpaceX自己研發(fā)的獵鷹系列火箭發(fā)射。

（載人型龍飛船的飛行效果圖）

相比于將發(fā)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(jié)構(gòu)要簡單的多。這很大程度上來自于航天飛機計劃中的教訓(xùn)：過于復(fù)雜的航天器將降低可靠性，增加每次發(fā)射前所需進行的工作量，使每次發(fā)射的費用飆升。在新一代飛船的設(shè)計中，設(shè)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(yè)飛船提出的設(shè)計要求僅僅是能夠安全的搭載宇航員來往于國際空間站。然而，結(jié)構(gòu)簡單的新一代飛船仍有一些超越航天飛機的指標(biāo)。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(fā)的新模式

在美國以往的航天器研發(fā)制造中，波音、格魯曼等私營航天業(yè)巨頭也會參與到項目中來，航天器的制造最終是由這些企業(yè)而不是NASA來完成的。但在研發(fā)過程中，NASA始終對航天器的設(shè)計保持控制，NASA的科學(xué)家和工程師會參與到研發(fā)、制造、測試和發(fā)射的各個過程中來，主導(dǎo)設(shè)計方案和技術(shù)路線的確定，并確保航天器的安全和可靠性。最終，制造出的航天器、其附帶的知識產(chǎn)權(quán)和航天器的運營設(shè)施屬于NASA，研發(fā)的全部預(yù)算也由NASA承擔(dān)。

由于航天活動的未知性和風(fēng)險性，這種一切由政府買單的模式有助于推動新的航天技術(shù)發(fā)展，開辟新的探索領(lǐng)域。但在這種模式下，作為政府機構(gòu)的NASA因官僚主義而導(dǎo)致的內(nèi)耗增加了管理成本。由于項目的成敗由NASA負責(zé)，承包商通過技術(shù)開發(fā)降低成本的動力不強，而幾個大公司對航天業(yè)的壟斷也使市場競爭的作用無法體現(xiàn)，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(fā)生的事情。

（NASA商業(yè)載人航天項目的LOGO和宣傳海報）

2009年，作為經(jīng)濟危機后美國重振法案的一部分，NASA開始了商業(yè)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(fā)射能力，還能刺激本國的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在這個項目框架下，NASA將選擇性的資助一部分企業(yè)，開展近地軌道載人航天飛船的研發(fā)。與以往不同的是，企業(yè)拿到NASA的資助后，對飛船的設(shè)計擁有自主權(quán)，可以采用一切他們認(rèn)為合理的設(shè)計方案和技術(shù)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(fā)，企業(yè)必須投入自身的資金到飛船項目中去。

無論飛船研發(fā)最終的成本是多少，NASA的付費是固定的。在這種模式下，企業(yè)將自發(fā)的提高研發(fā)的效費比，并盡力進行成本控制。用NASA內(nèi)部刊物的話說，“當(dāng)花他們自己的錢時，企業(yè)往往會變得更加精明。“迄今為止，NASA已經(jīng)在此項目上資助了波音約48億美元、SpaceX約31億美元?；ㄍ赀@些錢后，兩家企業(yè)需要完成飛船的研發(fā)和各項測試，達到NASA對飛船提出的各項指標(biāo)及安全可靠性的要求，執(zhí)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(yè)擁有飛船本身和飛船的附加知識產(chǎn)權(quán)。除了為NASA提供服務(wù)外，他們還可以使用飛船開展其他商業(yè)航天業(yè)務(wù)。波音在CST-100飛船上為未來可能出現(xiàn)的太空游客設(shè)置了座位，可以在執(zhí)行NASA任務(wù)時順便“捎”上付費的游客。而SpaceX則計劃用龍飛船進行去往月球的太空旅游，載著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致。

NASA瞄準(zhǔn)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。對于美俄這兩個擁有載人航天能力較早的國家，向LEO軌道發(fā)射載人飛船已是家常便飯，技術(shù)已比較成熟。在商業(yè)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(fā)的同時，NASA自己的獵戶座飛船也在研發(fā)過程中，而這艘飛船則將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了更遠的星際飛行。

（作為“美國制造成就展”主展品的獵戶座飛船乘員艙正在白宮展覽）

獵戶座飛船同樣采用了兩艙構(gòu)型，可以搭載2-6名宇航員。未來，這艘飛船將主要承擔(dān)去往月球、火星的深空飛行。在計劃中的飛行任務(wù)中，獵戶座將首先測試在地月轉(zhuǎn)移軌道上的飛行能力和高速再入大氣層時的防熱能力。之后，它將承擔(dān)起NASA的月球軌道空間站——深空門戶的建設(shè)任務(wù)，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(zhí)行運載宇航員去往火星軌道的任務(wù)。在未來的計劃中，NASA并沒有安排獵戶座飛船進行LEO軌道的飛行，表面NASA有信心將這部分任務(wù)完全交給商業(yè)航天。

作為一艘深空飛船，獵戶座需要實現(xiàn)不少LEO軌道飛行所不需實現(xiàn)的技術(shù)。例如，LEO軌道上飛行的航天器可以通過地面上的測控網(wǎng)和同步軌道上的天基測控衛(wèi)星確定自己的位置，并與地面保持通信。而獵戶座飛船一旦遠離地球，就不得不依靠NASA的深空探測網(wǎng)絡(luò)進行通信，使用深空測控手段來進行定位。為了以防萬一，獵戶座上還布置了一套應(yīng)急的定位系統(tǒng)，宇航員們可以根據(jù)觀測到的地球、太陽和恒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，獵戶座飛船必須采用比LEO軌道飛船更先進可靠的輻射防護技術(shù)。 獵戶座飛船的研發(fā)仍采用NASA的傳統(tǒng)模式進行，目前已經(jīng)花費了美國納稅人125億美元經(jīng)費。

(獵戶座飛船在太空中飛行的示意圖)

如果獵戶座飛船計劃和LEO軌道的商業(yè)航天計劃均進展順利的話，將為我們樹立商業(yè)航天運作模式的示范：政府所屬的航天機構(gòu)可以將技術(shù)已經(jīng)成熟的領(lǐng)域交給企業(yè)進行自負盈虧的項目運作，政府機構(gòu)只根據(jù)需要采購航天服務(wù)、給予一定資助，而不再主導(dǎo)項目運作。這樣一方面能夠為政府節(jié)省開支，另一方面也能創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點，繁榮商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)。此外，對于航天企業(yè)的扶持應(yīng)該根據(jù)企業(yè)本身的技術(shù)能力有選擇的進行。在NASA商業(yè)航天載人計劃的CCDev1階段中，共有多達36家企業(yè)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(jīng)過隨后的CCDev2、CCiCap、CPC1、CPC2四個階段的方案深化與遴選后，最終能夠?qū)w船發(fā)射上天的只有資金和技術(shù)實力均相當(dāng)雄厚的波音和SpaceX。