美国载人航天商业运输的发展

张蕊

（北京空间科技信息研究所，北京 100086）

1 引言

随着亚特兰蒂斯号航天飞机的“谢幕”之旅，航天飞机于2011年7月退役，美国面临“国际空间站”（ISS）运输的断档期，而要依靠俄罗斯的联盟号（Soyuz）载人飞船和进步号（Progress）货运飞船执行“国际空间站”运输任务。此外，欧洲的“自动转移飞行器”（ATV）和日本的“H-2 转移飞行器”（HTV）也会承担起“国际空间站”的货物运输任务。为了缩短美国低地球轨道运输的断档期，美国国家航空航天局（NASA）早在2006年就决定发展载人航天商业运输，实施了商业乘员和货物（CCC）项目，将美国低地球轨道的运输任务移交给商业公司。此举也得到了奥巴马总统的支持。

本文介绍了美国商业乘员和货物项目概况，以及商业运输器的特点和研制进展，总结出了美国载人航天商业运输发展的前景和挑战。美国载人航天的这一重大战略转变，对美国社会和经济具有深远意义，其发展思路值得借鉴。

2 美国商业乘员和货物项目概况[1-5]

NASA实施商业乘员和货物项目，旨在推动美国商业公司发展安全、可靠、投资少的低地球轨道运输器，营造载人航天商业运输市场环境，为政府和私人用户提供商业运输服务，缩短美国载人航天能力的断档期，推动美国载人航天事业的发展。

2.1 项目背景

在启动商业乘员和货物项目之前，NASA曾自己规划过低地球轨道载人航天运输项目，并得出了以下结论：处在自由竞争市场中的商业公司，比政府机构更能有效和承担得起开发和运营这样的项目。2005年11月，时任NASA局长的格里芬明确表示：“随着‘国际空间站’建造的稳步进行，将首次出现对低地球轨道运输服务的市场需求，尤其是航天飞机在2011年退役之后，这种需求尤为迫切，因此想从美国商业公司购买这些服务。”NASA认为，开展商业竞争会比政府提供这些服务耗资更少，因此，在2005年成立了商业乘员和货物项目办公室（C3PO），并在2006年初启动了商业轨道运输服务（COTS）计划。

星座（Constellation）计划的战神-1（Ares-1）火箭和“猎户座”（Orion）飞船系统，除了执行“国际空间站”任务，还要执行未来月球及火星任务，其研制成本至少是350亿美元；商业乘员系统任务简单，仅完成“国际空间站”任务，因此研制成本是前者的1/6，而且不需要开发新型运载火箭，具有较大的成本优势。可以说，低成本促成了商业乘员和货物项目的实施，而星座计划的取消，为商业运输器登上载人航天舞台创造了机遇。

航天飞机在2011年退役后，美国要依赖俄罗斯的联盟号载人飞船和进步号货运飞船执行任务，这笔费用十分昂贵，每个座位成本至少为5 100万美元，且还在增加。长期依赖俄罗斯的飞船，会削弱美国对“国际空间站”的控制权。因此，美国决定发展商业运输系统，以减少航天飞机退役后对俄罗斯飞船的依赖，同时推动美国载人航天商业运输的发展。

2.2 项目特点

在商业乘员和货物项目之前，NASA与商业公司的载人航天合作形式是仅购买航天器，项目本身由NASA负责运营和管理；而商业乘员和货物项目则完全由商业公司负责整套运营，包括设计、研制、发射等，NASA仅负责监管。这种转变是美国载人航天策略的一次重大变革，尚属首次。对于没有载人运输系统运营经验的商业公司来说，是机遇也是挑战，必须要确保任务的顺利实施和乘员的安全；而NASA的监管在其中尤为重要。目前，NASA已开始启动相关工作，制定适合商业乘员运输系统的验证流程，并根据商业公司的实际情况，将现有载人航天系统的适人性（humant-rating）修改为载人航天验证流程，使之应用到商业乘员运输系统中，确保商业乘员运输的安全性。

2.3 项目内容

商业乘员和货物项目包括商业轨道运输服务计划、商业再补给服务（CRS）计划和商业乘员开发（CCDev）计划，由NASA的商业乘员和货物项目办公室负责管理。商业轨道运输服务计划属于货物运输计划，主要包括运输器的开发，正在实施；商业再补给服务计划是指实际运输，商业公司通过签订合同获得资金，提供货物运输服务；商业乘员开发计划刚刚启动2年，是乘员运输计划。2.3.1 商业轨道运输服务计划

商业轨道运输服务计划的目标，是鼓励发展商业运输服务和相关市场，面向多个供应商和用户，NASA将是用户之一，在市场上购买运输服务；其直接目标是为“国际空间站”寻求备选货物运输方案。项目的最大特点是，由NASA选定的商业公司研制航天器和运载器，并承担主要的研制资金，航天器和运载器属于商业公司，NASA会随着需求的逐渐清晰签订任务合同。

商业轨道运输服务计划的执行分为两个阶段：第一阶段是商业公司开发和验证往返低地球轨道的航天运输能力；第二阶段是用于“国际空间站”后勤支持的轨道运输服务的竞争采购，由空间运营任务委员会（SOMD）负责。商业公司只有证明已经完成了开发中的一系列重大事件，并获得NASA的认可后，才能获得经费。除了提供资金，NASA还将为商业公司提供技术咨询。

2008年12月，NASA宣布把商业轨道运输服务计划合同授予太空探索技术（SpaceX）公司和轨道科学（Orbital Science）公司。这两家公司在2011-2016年为“国际空间站”提供独立的货运补给服务，期间利用猎鹰-9（Falcon-9）火箭与“龙”（Dragon）飞船，以及金牛座-2（Taurus-2）火箭与“天鹅座”（Cygnus）飞船，分别向“国际空间站”运送质量达20t的货物。2.3.2 商业乘员开发计划

2009年，NASA启动了商业乘员开发计划，并获得了经济恢复法案中的5 000万美元资金，用于激励商业公司开发和验证载人飞行能力。这一计划包括两个主要目标：一是安全运送美国和美国指派的航天员往返“国际空间站”；二是支持往返低地球轨道的商业乘员运输服务在非美国市场的发展。商业乘员开发计划建立在商业轨道运输服务计划和商业再补给服务计划成功的基础上，通过发展商业乘员服务供应商，缩短美国载人航天能力的断档期。

在安全方面，商业乘员运输要遵守NASA的安全规范，遵从用于“国际空间站”乘员运输的美国载人航天认证。在商业合作伙伴的选择上，要通过竞争方式，根据固定的价格合同，选择一家或多家商业服务供应商。在已选定的商业公司完成重大事件的开发，并且验证技术和资金的稳定性以后，NASA将公布运营任务的合同授予情况。

第一轮商业乘员开发（CCDev-1）工作于2010年2月启动，NASA通过空间法案协议（SAA）授予5家公司共5 000万美元合同，用于系统概念、关键技术和最终商业乘员运输系统的能力研发。5家公司负责开发的项目分别是：蓝色起源（Blue Origin）公司负责开发新型推进器发射逃逸系统和复合材料压力容器；波音（Boeing）公司负责开发乘员航天运输-100（CST-100）飞船；帕拉根太空研发（Paragon Space Development）公司负责开发环境控制和生命保障系统（ECLSS）；内华达山脉（Sierra Nevada）公司负责开发“追梦人太空飞机”（Dream Chaser Spaceplane）；联合发射联盟（ULA）负责为改进型一次性运载火箭（EELV）载人运输开发应急检测系统（EDS）。2010年10月，NASA启动了第二轮商业乘员开发（CCDev-2）工作。这一阶段的投资目的是发展轨道商业乘员运输系统概念，在系统要素（如运载火箭和航天器）的设计和发展成熟度上取得重大突破，同时确保航天员和乘客的安全。在竞标第二轮商业乘员开发合同时，轨道科学公司提出了新型载人航天器——“混合升力体”（LiftingBody）的设想。2011年4月18日，NASA向波音公司、内华达山脉公司、太空探索技术公司和蓝色起源公司授出共2.7亿美元的合同。

3 美国商业运输器及其研制进展

3.1 太空探索技术公司的商业运输器[6-7]

太空探索技术公司为商业轨道运输服务计划开发的是猎鹰-9火箭和“龙”飞船。根据与NASA签订的合同，“龙”飞船将进行12次发射，第2次验证飞行最早于2011年12月19日执行，将验证与“国际空间站”的交会对接。合同的关键项目是开发和试验发射逃逸系统，相比没有逃逸系统的航天飞机而言，这在安全上是一项重大改进。图1为“龙”飞船与“国际空间站”对接概念图。

图1 “龙”飞船和“国际空间站”对接概念图Fig.1 Dragon berthing at ISS

3.1.1 具有载人能力的可重复使用“龙”飞船

“龙”飞船（见图2）的最大特点是可重复使用，所有结构和机构设计能够支持乘员运输，遵守所有相关的NASA标准和安全因子。

图2 “龙”飞船返回舱的工程模型Fig.2 Enginering model of Dragon spacecraft reentry capsule

“龙”飞船包括载人和载货两种（见图3），干质量为4 200kg，飞船长5.2m（加压舱＋服务舱），直径为3.6m，上行载荷质量为6 000kg（最大），下行载荷质量为3 000kg（最大），任务持续时间为1周～2年。它主要由三部分组成：前锥体，在上升阶段起保护作用；加压舱，体积为10m3，带有外挂箱时体积为34m3，用于搭载乘员和（或）加压货物；服务舱，体积为14m3，装有电子设备、反应控制系统、降落伞和其他支持设备。飞船利用头锥部的标准“国际空间站”通用停泊装置与空间站的美国舱段进行对接，既可载人或载货前往“国际空间站”，又能作为“国际空间站”上航天员紧急返回地球的运载器。

图3 “龙”飞船的载人和货运模型Fig.3 Crew and cargo configurations of Dragon spacecraft

“龙”飞船的主要性能包括：完全自主交会对接，在载人结构中具有手动代替控制功能；可承载质量大于2 500kg的加压货物，在载人结构中最多可载7人，可在“国际空间站”上停留6个月；采用具有广泛继承性的电子系统；采用由18台甲肼/四氧化二氮燃料推进器组成的反作用控制系统；可装载1 200kg推进剂；完整的通用停泊装置，如果需要，低冲击对接系统和异体同构周边式对接系统可提供支持；带有3个或4个舷窗；采用降落伞水上溅落的返回方式；使用烧蚀材料的高性能热防护罩和侧壁热防护系统。另外，在载人结构中，每个座位上都装有触摸屏膝上计算机，在起飞过程中由座位下的脚凳提供支撑，起飞后脚凳会折叠起来。为了方便“龙”飞船从货运舱转换成乘员舱，除了乘员逃逸系统、生命支持系统和允许乘员利用飞行计算机控制飞船的船载控制系统外，货运舱和乘员舱的结构几乎是相同的。

3.1.2 猎鹰-9火箭

猎鹰-9火箭长48.1m，直径为3.66m，发射质量为313t。它为两级液体火箭，两级采用不同数量的灰背隼-1C 发动机，液氧/煤油作为推进剂，低地球轨道运载能力达到10t。

3.1.3 研制进展

2010年6月4日，猎鹰-9火箭首次试射成功，把“龙”飞船的实体模型送入轨道。这是太空探索技术公司和商业航天产业的一个重要里程碑事件。在历次火箭的首次发射中，有50%的首次试验非常糟糕，但此次试验相当成功，初步显示了商业载人航天的可靠性。2010年12月8日，“龙”飞船完成了商业轨道运输服务计划的第1次演示飞行，完成多圈在轨飞行、发射遥测数据、接收指令、轨道机动、模拟与“国际空间站”交会对接、再入大气层、在太平洋上安全溅落并被回收。此次验证飞行，使美国空间探索技术公司成为了第1家使航天器从低地球轨道成功再入大气层的商业公司，此前仅由美国、俄罗斯、中国、日本、印度和欧洲航天局6个国家或政府部门才能完成，标志着商业公司在载人航天领域具有航天器再入、回收的能力。在进行载人发射之前，美国空间探索技术公司还将执行12次发射任务，完成“国际空间站”的货运任务。

3.2 轨道科学公司的运输器[8-9]

2008年2月19日，NASA最终选中轨道科学公司为商业轨道运输服务计划的另外一个合作伙伴，并与之签订了空间法案协议。NASA将商业再补给服务合同授予轨道科学公司，要求该公司在2011-2015年完成8次任务，运送约20t的货物到“国际空间站”。根据合同要求，轨道科学公司将设计、制造和试验金牛座-2中型运载火箭和“天鹅座”飞船。

3.2.1 具有继承性的“天鹅座”飞船

“天鹅座”飞船采用低风险设计，继承了轨道科学公司及其合作者经过飞行验证的航天器技术。飞船一次最多能运送2 700kg的加压货物到达“国际空间站”，其非加压货舱构型可运送非加压货物，能够从“国际空间站”带回1 200kg废物再入大气焚毁。图4为“天鹅座”飞船接近“国际空间站”的概念图。

图4 “天鹅座”飞船接近“国际空间站”的概念图Fig.4 Cygnus spacecraft approaching to ISS

在“天鹅座”飞船的设计中，轨道科学公司利用了“自主交会技术验证”（DART）卫星和“轨道快车”（Orbital Express）卫星的硬件及相关技术。“天鹅座”飞船货舱有两种构型，一种是加压货舱构型，另一种是非加压货舱构型。加压货舱构型飞船（见图5）主要由通用服务舱和加压货舱组成。通用服务舱继承了“星”平台及黎明号（Dawn）探测器的技术，净质量为1 800kg，发电系统为2个固定翼太阳能电池阵以及燃料电池，功率输出为3.5kW（太阳定向），装载双组元推进剂肼/四氧化二氮或单组元推进剂肼。加压货舱基于“国际空间站”的多功能后勤舱设计，可装载乘员日常物资、备用部件和科学实验设备，载货总质量为2 000kg（标准）或2 700kg（改进），体积为18.7m3或26.2m3，“国际空间站”停靠位置为节点-2 通用停泊装置。非加压货舱构型飞船可能具有运送2 000kg有效载荷的能力。

图5 “天鹅座”飞船Fig.5 Cygnus spacecraft

3.2.2 金牛座-2火箭

金牛座-2火箭长40.1m，直径为3.9m，发射质量为275t，低地球轨道运载能力为4 750～6 250kg。火箭采用两级或三级结构：第一级采用2台俄罗斯的AJ-26 发动机，推进剂为液氧/煤油；第二级为ATK 公司在研的海狸-30固体燃料发动机；第三级（可选）为轨道提升级，采用肼/四氧化二氮双组元推进剂。金牛座-2火箭的设计充分借鉴了“飞马座”（Pegasus）、“金牛座”、“米诺陶”（Minotaur）火箭的成熟技术，飞行可靠性将在98%以上。轨道科学公司投入4 500万美元，用于金牛座-2火箭的组装、试验和发射，目前已完成金牛座-2火箭第二级发动机的静态点火试验。3.2.3 研制进展2010年4月，“天鹅座”全尺寸模型在科罗拉多州斯普林斯召开的国家空间论坛上亮相。首个“天鹅座”加压货舱由意大利的泰雷兹-阿莱尼亚航天公司制造完成，并于2011年6月完成了加压货舱的资格和硬件验收评审。轨道科学公司计划在2011年12月发射第1枚金牛座-2火箭，将不携带“天鹅座”飞船，只作为一次新的风险降低试验飞行，验证金牛座-2火箭的设计和飞行性能。原计划的首次商业轨道运输服务计划验证任务，将推迟到2012年初，金牛座-2火箭将发射一艘功能完整的“天鹅座”飞船，对接到“国际空间站”上，完成与商业再补给服务计划类似的操作，但不携带货物。

3.3 太空探索技术公司和轨道科学公司运输器对比

太空探索技术公司和轨道科学公司运输器的比较，见表1和表2。

表1 火箭技术参数对比Table1 Comparisons of rocket parameters

表2 飞船技术参数对比Table2 Comparisons of spacecraft’s parameters

3.4 其他商业乘员运输器开发概念

3.4.1 波音公司乘员航天运输-100飞船

目前，波音公司正在根据NASA授予的商业乘员开发计划合同，研制一种以太空舱为基础的可载人往返“国际空间站”的新型商业飞船——乘员航天运输-100（CST-100），以推动商业乘员空间运输系统制造所必需的概念与技术发展。

乘员航天运输-100 飞船类似于锥形的“阿波罗”或“猎户座”飞船，但比“猎户座”稍小，比“阿波罗”稍大，能够乘坐7 人，其中“100”代表着距地100km 的低地球轨道。飞船可在轨停留7个月，通过半弹道式再入返回地球后利用减速伞在陆地着陆。乘员舱（见图6）经更换新的热防护屏并刷新后，可以继续使用，其设计寿命为10次任务。波音公司计划在佛罗里达州发射乘员航天运输-100飞船。飞船与许多火箭兼容，备选火箭为宇宙神-5、德尔他-4和猎鹰-9火箭，但是目前尚未确定使用哪种火箭。NASA提出了在2016年发射乘员航天运输-100飞船的目标，据目前看，飞船研制工作可能提前完成，以有助于缩短NASA取消星座计划之后在载人航天领域的断档期。

图6 乘员航天运输-100飞船的乘员舱Fig.6 Crew module of CST-100

3.4.2 轨道科学公司的“混合升力体”航天器设想

NASA于2010年12月13日公布的商业乘员开发-2意见征集结果中，包括轨道科学公司提出的“混合升力体”航天器设想（见图7）。此航天器可由宇宙神-5火箭发射，能把4 名航天员送往“国际空间站”。其他承包商还包括：泰雷兹-阿莱尼亚航天公司，将负责航天器的加压乘员舱研制；霍尼韦尔和德雷伯实验室，共同负责适人性电子设备研制；联合发射联盟，建造和运营宇宙神-5火箭。

图7 “混合升力体”航天器Fig.7 Lifting Body spacecraft

4 美国载人航天商业运输的发展前景与挑战[10-16]

2010年10月11日，奥巴马签署了为期3年的NASA授权法案，标志着奥巴马政府空间政策的主要内容以法律形式得到确定。授权法案中明确了NASA将继续执行商业乘员开发计划，商业运输器将继续稳步向前发展。低地球轨道载人运输系统研制向商业公司转移，国家工业退出垄断，给商业公司提供机会，让商业公司成为研制载人航天器的主力，NASA则扮演“监工”的角色。这是美国重要的航天战略转向，对美国社会和经济具有深远意义。

4.1 推动美国载人航天事业持续发展

发展商业运输服务将推动美国载人航天事业的持续发展，提升空间能力。把航天员运送服务转移到商业公司，这种做法虽然存在技术和项目风险，但创造了降低运营成本的可能性，并可能加速美国在2016年前利用新的载人航天器进入低地球轨道。

参与竞争的公司包括新创办的公司，也包括经验丰富的公司，它们通过竞争的方式设计、建造和发射运送乘员和货物冲出大气层的运输器，能够加速技术创新的步伐。新计划可以使美国更快、更频繁地到达太空，有助于改进技术能力并降低成本，这对于实现航天飞行的长期可持续发展具有重要的作用。

低地球轨道商业载人航天市场包括稳健、有活力、盈利的商业公司、供应商，以及私人和政府用户，商业运输将在未来载人航天运输中发挥重要作用，对美国航天事业和其他产业有着重要的推动作用。在美国公布的2010版《国家航天政策》中，重点强调推动商业飞行的重要性，并建立了一条指导原则——商业航天领域强有力的竞争力对美国在空间领域的持续进步至关重要。

4.2 实现商业乘员运输尚需时日

商业轨道运输服务计划早在2006年就已启动，但是，美国问责办公室（GAO）在2009年6月公布的一份报告中表明，虽然太空探索技术公司和轨道科学公司的研制工作取得了不同程度的进展，但是它们在验证“国际空间站”关键货物运输能力的进度上仍面临着很大的挑战。商业乘员开发计划在2009年才启动，商业公司至少要到2015年才能实现商业乘员运输，要缩短乘员运输的断档期，需加速商业乘员运输的发展，而发展面临的进度挑战使商业乘员运输的实现尚需时日。

4.3 NASA的有力监管确保安全性

低地球轨道载人运输系统研制转向商业公司将驱动航天业的拓展，但安全性与可靠性将成为潜在的巨大挑战和风险。不过，有关商业公司坚定地表示，未来的商业载人航天能比星座计划以更低成本更快实现。通过购买航天运输服务，而不是航天器本身，仍可以继续确保航天器满足安全标准。

虽然商业乘员运输面临安全问题，但实际上一个包含多条独立空间航线的“国际空间站”商业乘员运输系统，比单一的运输计划，如“猎户座”与“战神”系统更稳健。首先，商业乘员运输系统完成的任务更简单，因此系统设计相对简单，安全性较高。其次，商业运输器是经过验证的。宇宙神-5和德尔他-4火箭均有着连续多年成功飞行的记录。猎鹰-9火箭已经展示了其到达轨道的能力，而且执行商业乘员运输任务之前还将进行多次试验飞行。最后，也是非常重要的一点，NASA将对商业乘员运输系统的安全性实施有力的监管。对NASA来讲，安全是核心价值观，如果不能首先确保所有人员，包括公众、乘员、乘客和地面人员的安全，就不能取得任务的成功，因此，NASA将对商业乘员运输的全部阶段实施强有力的监管。在商业轨道运输服务计划和商业乘员开发计划中，商业公司已经开始与NASA合作，设计和开发满足或超出NASA目前适人性标准文档中规定的安全级别。NASA也会及时地完成适人性要求的制定，目前已经启动商业运输系统乘员安全认证流程。2010年5月21日，NASA公布了来自行业界对商业乘员运输器的信息申请（RFI），目前正处于发展商业乘员运输（CCT）能力要求的初步阶段。NASA将根据商业公司的实际情况，将现有载人航天系统的适人性修改为载人航天验证流程，使之应用到商业乘员运输服务系统中，为此，NASA制定了商业载人航天适人性计划（CHRP），以说明NASA将怎样为商业乘员运输实施载人航天适人性认证。该计划是基于NASA在载人航天领域丰富的知识和经验建立的一套经过整理的技术要求、文件和流程，适用于商业运输服务供应商。在NASA制定出商业乘员安全要求以后，商业乘员运输将在NASA的安全体系规章要求下，更好地履行自己的职责，提供更加安全、可靠的“国际空间站”货物和乘员运输服务。

商业载人航天适人性计划包含的内容远不止满足一组预先定义的要求，它包含的范围很广。该计划为商业乘员运输服务获取完整的NASA适人性证明，包含以下要素：强制性要求、NASA的监管、飞行试验项目、对安全要求的遵守、逃逸系统设计和飞行试验要求，以及NASA独立的要求。除了满足NASA适人性要求，为了将NASA乘员成功运送到“国际空间站”，商业公司还必须满足服务要求文档中描述的项目要求，以及空间站到访航天器的要求。在运送“国际空间站”乘员或NASA资助的人员往返“国际空间站”之前，商业乘员运输必须获得NASA授予的适人性认证。

4.4 引领世界载人航天发展新方向

载人航天工程建设一直是作为政府行为，体现着国家的整体实力。美国在载人航天政策调整中，将商业化运作纳入低地球轨道乘员与货物运输，这一举措除了缓解金融危机压力与弥补美国政府载人运输能力缺乏外，还为了确保在安全前提下引入竞争机制，既降低运输费用，又可将NASA在载人航天领域的成熟技术与经验向商业公司转移，大力推进低地球轨道商业运输能力建设，培育新型航天工业基础，继而保持未来11年低地球轨道载人航天活动能力，并为未来深空载人探索提供基础，引领世界载人航天发展新方向。

目前，主要载人航天大国，如俄罗斯、中国等的载人航天活动都是政府运作，美国这一政策的转变也会影响其他国家。商业公司将以其成本低、竞争性强等优势逐渐进入市场，国家通过将一些载人航天项目移交给商业公司，可以将更多的精力投入更长远、更复杂的载人航天活动中，促进载人航天事业更快、更好发展。

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