国际空间站上的商业航天

● 文 | .中国空间技术研究院 .北京空间科技信息研究所 刘群 王霄 张蕊

2018年3月，NASA按照《2017年NASA过渡授权法案》的要求，向国会提交了《国际空间站过渡报告》，报告讨论了近地轨道商业市场发展以及今后NASA将逐步转变为近地轨道载人航天私营企业的用户等问题。近几年，国际空间站成为商业航天发展的新领地。随着全球科技的发展与创新，进入空间以及开展空间活动的能力在不断增强，方式方法也变得多元化。以美国太空探索技术公司（SpaceX）、轨道-ATK公司为代表的商业公司已经成为为国际空间站提供货物运输的常规军，近地轨道商业乘员运输也即将拉开序幕。此外，作为重要实验平台和商业航天的“试验田”，国际空间站上开展了多项商业空间应用，并取得丰硕成果。

一、若干重要进展

商业航天是由企业投资并承担风险、通过市场为政府及商业用户提供航天资产、产品和服务。航天商业化是指原本只为政府、军队、国家安全需求服务的航天基础设施向商业市场开放，原本只为政府服务的航天制造企业、航天系统运营企业也向商业市场寻求合同，而政府和军队作为大客户进入市场，按商业规律进行招标和采购。商业航天则更多的是指按照市场化模式来组建新的航天企业，按照市场化规律来从事投融资、收购、合并、分立、招投标、议价、赔偿、研发、协作、制造、运营等活动，投资者和企业可以自由进入和退出。表1列出了国外载人航天领域典型的新兴商业航天公司及其主要业务。

表1 国外载人航天领域典型的新兴商业航天公司及其主要业务

二、发展背景

NASA急于摆脱航天飞机退役后对俄罗斯的依赖，因此大力发展以SpaceX、波音、轨道-ATK公司等为代表的商业航天活动，不断寻求与私营公司进行商业航天合作的可能性。

美国总统特朗普上台后多次强调要大力发展公私合作关系，并提到将把公私合作关系作为今后美国民用航天活动的基础，尤其是深空居住和探索系统以及新技术研发等方面。此外，在国际空间站运行和资助方面纳入更多“私人和公共合作伙伴”，美国政府正在逐步退出近地轨道的航天器的运作，一是为了将更多的国家层面的资源与精力，用于探索和利用更远的外层空间；二是为了充分引入新型商业公司的先进技术以及灵活的运营模式，实现航天科技创新，实现科技带动经济效益与社会效益。

美国在近地轨道商业航天领域取得的成功，可以扩展到更远的深空，NASA目前就希望通过在月球项目上“复制”这一模式，将商业航天发展推得更远。NASA公布了商业月球载荷服务（CLPS/Lunar COTS），该计划可视作“商业轨道运输服务”（COTS）的月球版本。根据NASA文件的要求，CLPS计划分三阶段进行：第一阶段下投票的商业机构需要发展可将指定载荷运送至月面/月轨道的着陆器，载荷包括通信站、发电厂及各类科研卫星/月球车等；第二阶段瞄准月面工业化，包括原位资源利用等；第三阶段则是研究长期月面基地的可能性，包括大规模的月间资源运送，以及月面建立有人基地的研究。NASA希望通过引入商业伙伴，大幅度降低地月间的运输成本，使将来的月球任务更具可行性。

随着载人探索进入深空，美国将从历史上最大的轨道实验室——国际空间站开始，释放近地轨道开拓性商业太空企业的无限潜能。随着低成本进入太空需求的飙升，近地轨道的前景已经远远超出了最初的预期。美国政府意识到国际空间站以前的运营模式注定不会长久，而且也无需长久。正因如此，美国政府对国际空间站的直接资助仅以七年为限。目前，政府正在投资开发新的科技能力，供商业航天企业建造未来轨道平台之用。美国政府将是该平台的“租户”和“客户”，而不是“房东”。

三、国家政策

自20世纪80年代开始，美国法律和政策已开始引导NASA拓展商业航天市场。技术的成熟催生航天市场化，这也是美国航天发展的重要策略。这一策略可以降低成本、加快技术创新、提高任务效率。

1988年，时任美国总统里根在《关于国家航天政策的总统指令》中提出，美国政府应借助由市场推动的商业航天领域，扩大私营企业对航天领域的投资。随后的布什和克林顿政府也分别发布了《美国商业航天政策方针》和新版《关于国家航天政策的总统指令》，进一步明确和扩展了美国政府对商业航天领域的支持范围与力度。

1998年，美国通过了《商业航天法案》，以法律的形式再次强调了美国政府对商业航天领域发展的重视。该法案提出，在国际空间站方面，将地球轨道航天活动的经济效益作为建设国际空间站的重点目标之一。在2010年公布的最新版《美国国家航天政策》中，美国大力支持商业航天部门的发展，强调：“稳健、具有竞争力的商业航天部门对空间的持续发展至关重要。美国承诺鼓励并推动美国商业空间部门的发展，这些商业部门要能够支持美国需求，具有全球竞争力，能够提升美国在新一代市场中的领导地位且引领具有创新性的企业精神。”此版航天政策强调了商业航天的重要性并提出了新的要求：积极探索采用创造性、非传统的方式获得商业航天产品和服务，即政府出资支持，指出私营企业应承受一定比例的投资风险和责任。新政策还指出要将日常运营职能转移到商业航天部门，培育商业航天部门的技术创新和创业冒险精神，积极促进美国商业航天产品和服务的出口。新政策指出，要与私有部门加强合作实现往返于国际空间站的乘员及货物商业航天运输能力，对NASA的近地轨道商业运输计划予以支持。

四、商业航天发展模式

1.近地轨道商业运输项目

商业乘员和货物运输项目包括COTS计划、“商业补给服务”（CRS）和“商业乘员开发”计划，均由NASA的商业乘员和货物项目办公室负责管理。COTS计划为货物运输计划，向空间站提供货物补给；“商业乘员开发”计划于2009年启动，是乘员运输计划。

（1）商业轨道货物运输计划

商业轨道货物运输计划包括两个阶段：

第一阶段为“商业轨道运输服务”（COTS）（2006—2013年），推动私营公司开发和验证往返近地轨道的各种航天运输能力，目前该计划已经结束。在该阶段，NASA提供8.89亿美元的资金和技术支持，通过“空间行动协议”（SAA）与航天公司定下承诺，以资金资助和非资金资助形式推动商业航天运输市场的发展。NASA允许有资金资助的商业合作伙伴后续可以执行国际空间站验证飞行，这些商业公司只有完成了开发中的一系列重大事件，并获得NASA授权后，才能继续开展商业轨道运输服务。而非资金资助的商业合作伙伴不能开展国际空间站验证飞行，但可以利用轨道试验平台模拟国际空间站及其接口。在COTS计划下，SpaceX公司开发了“龙”飞船与猎鹰-9火箭，轨道-ATK公司开发了“天鹅座”飞船与中型“安塔瑞斯”火箭。2013年，随着“天鹅座”飞船成功完成国际空间站验证任务，COTS计划圆满结束。

▲ SpaceX公司“龙”飞船

▲ 轨道-ATK公司“天鹅座”飞船

第二阶段是向商业公司竞争采购用于国际空间站后勤支持的轨道运输服务，开展空间站“商业补给服务”（CRS），向空间站运输货物。2008年12月，NASA最终把合同授予SpaceX公司和轨道-ATK公司。合同规定，SpaceX公司和轨道-ATK公司在2015年前分别完成12次和8次飞行任务。2016年1月，NASA宣布第二轮商业补给服务竞争的获胜者，SpaceX公司、轨道-ATK公司和内华达山脉公司均获合同，将从2019年起分别用“龙”飞船、“天鹅座”飞船和追梦者号太空飞机为国际空间站提供货物补给，其中追梦者号太空飞机首次飞行计划于2019年进行，将由宇宙神-5运载火箭发射。

（2）“商业乘员开发”计划

2009年，NASA启动“商业乘员开发”计划，目的是支持未来国际空间站的乘员运输。分别于2010年2月、10月和2012年2月完成三轮计划。2014年9月，“商业乘员运输能力”（CCtCap）合同售出。NASA最终售出价值68亿美元的“商业乘员运输能力”合同，由SpaceX公司（获得26亿美元）和波音公司（获得42亿美元）共同为其执行国际空间站载人运输任务。2015年5月和11月，波音公司和SpaceX公司分获NASA“商业乘员运输能力”合同第一份订单，2015年12月波音公司获第二份订单。波音公司“星际客船”（CST-100）的首次载人飞行任务将推迟到2019年。2017年11月11日，追梦者号太空飞机试验样机

▲ 追梦者号太空飞机

2.空间应用

（1）商业搭载

目前，国际空间站应用集中在技术开发与验证、空间科学研究与应用、教育活动与推广等领域，其中空间应用中的商业搭载也是探索商业模式的一个重要领域。商业搭载主要是利用货运飞船向国际空间站运送货物和实验设备。用户和货运飞船所在公司签署合同，支付运费，货运飞船将货物搭载至空间站，再将在国际空间站上获得的实验数据和相关资料带回（特指返回式飞船“龙”飞船）。根据NASA总检察长办公室2018年4月发布的一份报告称，根据2016年NASA授出的第二轮“商业补给服务”合同，NASA将为运送到国际空间站的单位质量货物支付更多。在2008年授出的现行“商业补给服务”合同中，轨道-ATK公司和SpaceX公司应在31次任务中向国际空间在美国加利福尼亚州爱德华空军基地成功完成滑翔试验。此次滑翔试验是该公司商业乘员协议中的重要里程碑，将支撑该公司按照2016年获得的NASA第二轮“商业补给服务”合同研制货运型号太空飞机的工作。追梦者号货运系统的首飞预定于2020年进行，在2024年前最少进行6次飞行任务。站运送93.8t货物，合同总价值59.3亿美元。而在第二轮“商业补给服务”合同中，这两家公司和内华达山脉公司将在21次任务中运送87.9t货物，总价值63.1亿美元。

▲ “星际客船”

其他商业公司也可以利用SpaceX公司为NASA提供商业运输服务时，支付低廉运输成本，“搭顺风车”，将实验设备和相关物品送至空间站。

（2）实验机柜租赁

NanoRacks公司是一家提供航天商业产品和服务的私营企业，是国际空间站商业应用的唯一代理商，位于NASA约翰逊航天中心附近。自2009年以来，NanoRacks向全球三十多个国家的客户提供服务，客户包括欧洲航天局（ESA）、德国航空航天中心（DLR）、美国国家航空航天局等。NanoRacks已经向国际空间站运送了600余个有效载荷，其中包括200余颗小卫星。NanoRacks公司业务主要覆盖实验机柜租赁、微纳卫星释放等，近期，NanoRacks公司还与波音公司达成合作协议，将共同建造空间站上首个商业气闸舱。

NanoRacks为用户在国际空间站上提供“空间站内（外）部试验平台”（NREP），NASA以及其他企业、科研机构、高校都可以是它的用户方。通过与NASA签署协议，NanoRacks租赁NASA在空间站的空间，向NASA交付租金。而NASA需要使用NanoRacks的试验平台，则属于商业行为，需向NanoRacks交付使用试验平台的资金。用NanoRacks公司负责人的话说，“NASA是我们的房东，是我们的监管人，有时也是我们的客户，但我们从来不是竞争对手，我们是合作伙伴”。

以前，商业公司想要进行太空试验或者卫星原型测试必须同NASA进行合作，还需要指定返航计划。但是NanoRacks出现后，这一过程被大大简化，NREP放置在国际空间站的Kibo舱，运载试验品的装置可以自由移动，不需要航天员在舱外操作，而且价格低廉，目前只要支付十万美元就可以完成试验了。NREP只有两个架子，每个架子上有16个试验品装载装置，可以同时预定多个位置。

▲ 空间站内（外）部试验平台

（3）微纳卫星释放

已经有13家公司通过签署“空间行动协议”为空间站提供商业服务，NanoRacks是首个提供空间站商业释放微纳卫星服务的公司，成立于2009年。公司刚成立时，主要进行纳型支架（Nanorack）模块设计，这些模块可与国际空间站的研究支架相匹配，用户通过NanoRacks公司的模块进入空间，完成微重力研究实验。后来推出进行生物学实验的创新仪器（MixStix），与2台显微镜、1台酶标仪和离心分离机一起供研究使用。

“NanoRacks立方体卫星释放系统”（NRCSD）由NanoRacks公司研制和运营。NanoRacks公司于2013年利用J-SSOD装置释放小卫星后，意识到从国际空间站释放小卫星的商业潜力，利用不到10个月的时间研发了NRCSD系统。NRCSD系统设计符合NASA国际空间站安全性要求，于2014年搭载发射至国际空间站。

（4）商业气闸舱

2017年2月6日，波音公司发布消息，将与美国NanoRacks公司合作研制首个自主投资研发的商业气闸装置，计划在2019年发射并安装在国际空间站美国舱段上。新型的气闸舱由NanoRacks公司研制，波音公司研制并安装气闸舱的被动式通用对接机构（PCBM），将气闸舱与国际空间站上美国的加压舱连接。波音公司一直以来都是国际空间站主承包商。在这之前，NanoRacks公司已在2016年5月与NASA签署协议，计划在国际空间站上安装商业气闸舱产品，在历史上尚属首次。NanoRacks公司将自主投资1200万～1500万美元，开发的气闸舱被称为“doorway to space”。当前，国际空间站主要利用日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的Kibo气闸舱（美国也在使用）在轨部署立方星与小卫星，但内部空间有限，每年部署次数有限。波音公司与NanoRacks联合开发首个商业气闸舱，对于国际空间站的商业开发具有显著而重要的意义。NanoRacks公司CEO Jeffrey Manber表示，国际空间站正迎来一个新的时代，私营机构正在越来越多地加入，气闸舱项目仅仅是与波音公司合作的开始，未来将打开近地轨道上国际空间站的商业市场。

▲ NanoRacks研制的商业气闸舱

五、结语

商业航天是航天技术应用水平发展到一定阶段和产业发展到一定规模的必然产物，国际空间站上商业航天的发展经验表明，政府政策推动与市场需求牵引在商业航天发展过程中起到了至关重要的作用。政府的扶持逐步释放了商业航天的发展空间，鼓励和促进了商业航天的快速发展。而最终支持商业航天可持续良性发展的是持续稳定的市场需求，是与经济社会发展和人民大众需求的紧密结合，保证企业可以按照市场规律发展商业航天产品和提供服务。

无论从传统航天企业，还是新兴航天公司的发展模式创新都可以看出，建立适应市场经济规律的内部机制和运作模式是商业航天企业发展的根本。以市场需求、用户需求为导向，以提升盈利能力为目标，不断关注市场对航天产品和技术需求的趋势变化，根据不同用户需求提供有针对性的产品和服务，注重创新发展理念和商业模式、开发和运用新技术来降低成本和拓展市场。