美國(guó)載人航天商業(yè)運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展

張蕊

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

1 引言

隨著亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)的“謝幕”之旅，航天飛機(jī)于2011年7月退役，美國(guó)面臨“國(guó)際空間站”（ISS）運(yùn)輸?shù)臄鄼n期，而要依靠俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)（Soyuz）載人飛船和進(jìn)步號(hào)（Progress）貨運(yùn)飛船執(zhí)行“國(guó)際空間站”運(yùn)輸任務(wù)。此外，歐洲的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）和日本的“H-2 轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）也會(huì)承擔(dān)起“國(guó)際空間站”的貨物運(yùn)輸任務(wù)。為了縮短美國(guó)低地球軌道運(yùn)輸?shù)臄鄼n期，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）早在2006年就決定發(fā)展載人航天商業(yè)運(yùn)輸，實(shí)施了商業(yè)乘員和貨物（CCC）項(xiàng)目，將美國(guó)低地球軌道的運(yùn)輸任務(wù)移交給商業(yè)公司。此舉也得到了奧巴馬總統(tǒng)的支持。

本文介紹了美國(guó)商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目概況，以及商業(yè)運(yùn)輸器的特點(diǎn)和研制進(jìn)展，總結(jié)出了美國(guó)載人航天商業(yè)運(yùn)輸發(fā)展的前景和挑戰(zhàn)。美國(guó)載人航天的這一重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，對(duì)美國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)意義，其發(fā)展思路值得借鑒。

2 美國(guó)商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目概況[1-5]

NASA實(shí)施商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目，旨在推動(dòng)美國(guó)商業(yè)公司發(fā)展安全、可靠、投資少的低地球軌道運(yùn)輸器，營(yíng)造載人航天商業(yè)運(yùn)輸市場(chǎng)環(huán)境，為政府和私人用戶提供商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)，縮短美國(guó)載人航天能力的斷檔期，推動(dòng)美國(guó)載人航天事業(yè)的發(fā)展。

2.1 項(xiàng)目背景

在啟動(dòng)商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目之前，NASA曾自己規(guī)劃過低地球軌道載人航天運(yùn)輸項(xiàng)目，并得出了以下結(jié)論：處在自由競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中的商業(yè)公司，比政府機(jī)構(gòu)更能有效和承擔(dān)得起開發(fā)和運(yùn)營(yíng)這樣的項(xiàng)目。2005年11月，時(shí)任NASA局長(zhǎng)的格里芬明確表示：“隨著‘國(guó)際空間站’建造的穩(wěn)步進(jìn)行，將首次出現(xiàn)對(duì)低地球軌道運(yùn)輸服務(wù)的市場(chǎng)需求，尤其是航天飛機(jī)在2011年退役之后，這種需求尤為迫切，因此想從美國(guó)商業(yè)公司購(gòu)買這些服務(wù)?！盢ASA認(rèn)為，開展商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)比政府提供這些服務(wù)耗資更少，因此，在2005年成立了商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目辦公室（C3PO），并在2006年初啟動(dòng)了商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)（COTS）計(jì)劃。

星座（Constellation）計(jì)劃的戰(zhàn)神-1（Ares-1）火箭和“獵戶座”（Orion）飛船系統(tǒng)，除了執(zhí)行“國(guó)際空間站”任務(wù)，還要執(zhí)行未來月球及火星任務(wù)，其研制成本至少是350億美元；商業(yè)乘員系統(tǒng)任務(wù)簡(jiǎn)單，僅完成“國(guó)際空間站”任務(wù)，因此研制成本是前者的1/6，而且不需要開發(fā)新型運(yùn)載火箭，具有較大的成本優(yōu)勢(shì)?？梢哉f，低成本促成了商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目的實(shí)施，而星座計(jì)劃的取消，為商業(yè)運(yùn)輸器登上載人航天舞臺(tái)創(chuàng)造了機(jī)遇。

航天飛機(jī)在2011年退役后，美國(guó)要依賴俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)載人飛船和進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船執(zhí)行任務(wù)，這筆費(fèi)用十分昂貴，每個(gè)座位成本至少為5 100萬美元，且還在增加。長(zhǎng)期依賴俄羅斯的飛船，會(huì)削弱美國(guó)對(duì)“國(guó)際空間站”的控制權(quán)。因此，美國(guó)決定發(fā)展商業(yè)運(yùn)輸系統(tǒng)，以減少航天飛機(jī)退役后對(duì)俄羅斯飛船的依賴，同時(shí)推動(dòng)美國(guó)載人航天商業(yè)運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

2.2 項(xiàng)目特點(diǎn)

在商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目之前，NASA與商業(yè)公司的載人航天合作形式是僅購(gòu)買航天器，項(xiàng)目本身由NASA負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)和管理；而商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目則完全由商業(yè)公司負(fù)責(zé)整套運(yùn)營(yíng)，包括設(shè)計(jì)、研制、發(fā)射等，NASA僅負(fù)責(zé)監(jiān)管。這種轉(zhuǎn)變是美國(guó)載人航天策略的一次重大變革，尚屬首次。對(duì)于沒有載人運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的商業(yè)公司來說，是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，必須要確保任務(wù)的順利實(shí)施和乘員的安全；而NASA的監(jiān)管在其中尤為重要。目前，NASA已開始啟動(dòng)相關(guān)工作，制定適合商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)的驗(yàn)證流程，并根據(jù)商業(yè)公司的實(shí)際情況，將現(xiàn)有載人航天系統(tǒng)的適人性（humant-rating）修改為載人航天驗(yàn)證流程，使之應(yīng)用到商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)中，確保商業(yè)乘員運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

2.3 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目包括商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃、商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)（CRS）計(jì)劃和商業(yè)乘員開發(fā)（CCDev）計(jì)劃，由NASA的商業(yè)乘員和貨物項(xiàng)目辦公室負(fù)責(zé)管理。商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃屬于貨物運(yùn)輸計(jì)劃，主要包括運(yùn)輸器的開發(fā)，正在實(shí)施；商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)計(jì)劃是指實(shí)際運(yùn)輸，商業(yè)公司通過簽訂合同獲得資金，提供貨物運(yùn)輸服務(wù)；商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃剛剛啟動(dòng)2年，是乘員運(yùn)輸計(jì)劃。2.3.1 商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃

商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃的目標(biāo)，是鼓勵(lì)發(fā)展商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)和相關(guān)市場(chǎng)，面向多個(gè)供應(yīng)商和用戶，NASA將是用戶之一，在市場(chǎng)上購(gòu)買運(yùn)輸服務(wù)；其直接目標(biāo)是為“國(guó)際空間站”尋求備選貨物運(yùn)輸方案。項(xiàng)目的最大特點(diǎn)是，由NASA選定的商業(yè)公司研制航天器和運(yùn)載器，并承擔(dān)主要的研制資金，航天器和運(yùn)載器屬于商業(yè)公司，NASA會(huì)隨著需求的逐漸清晰簽訂任務(wù)合同。

商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃的執(zhí)行分為兩個(gè)階段：第一階段是商業(yè)公司開發(fā)和驗(yàn)證往返低地球軌道的航天運(yùn)輸能力；第二階段是用于“國(guó)際空間站”后勤支持的軌道運(yùn)輸服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)采購(gòu)，由空間運(yùn)營(yíng)任務(wù)委員會(huì)（SOMD）負(fù)責(zé)。商業(yè)公司只有證明已經(jīng)完成了開發(fā)中的一系列重大事件，并獲得NASA的認(rèn)可后，才能獲得經(jīng)費(fèi)。除了提供資金，NASA還將為商業(yè)公司提供技術(shù)咨詢。

2008年12月，NASA宣布把商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃合同授予太空探索技術(shù)（SpaceX）公司和軌道科學(xué)（Orbital Science）公司。這兩家公司在2011-2016年為“國(guó)際空間站”提供獨(dú)立的貨運(yùn)補(bǔ)給服務(wù)，期間利用獵鷹-9（Falcon-9）火箭與“龍”（Dragon）飛船，以及金牛座-2（Taurus-2）火箭與“天鵝座”（Cygnus）飛船，分別向“國(guó)際空間站”運(yùn)送質(zhì)量達(dá)20t的貨物。2.3.2 商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃

2009年，NASA啟動(dòng)了商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃，并獲得了經(jīng)濟(jì)恢復(fù)法案中的5 000萬美元資金，用于激勵(lì)商業(yè)公司開發(fā)和驗(yàn)證載人飛行能力。這一計(jì)劃包括兩個(gè)主要目標(biāo)：一是安全運(yùn)送美國(guó)和美國(guó)指派的航天員往返“國(guó)際空間站”；二是支持往返低地球軌道的商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)在非美國(guó)市場(chǎng)的發(fā)展。商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃建立在商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃和商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)計(jì)劃成功的基礎(chǔ)上，通過發(fā)展商業(yè)乘員服務(wù)供應(yīng)商，縮短美國(guó)載人航天能力的斷檔期。

在安全方面，商業(yè)乘員運(yùn)輸要遵守NASA的安全規(guī)范，遵從用于“國(guó)際空間站”乘員運(yùn)輸?shù)拿绹?guó)載人航天認(rèn)證。在商業(yè)合作伙伴的選擇上，要通過競(jìng)爭(zhēng)方式，根據(jù)固定的價(jià)格合同，選擇一家或多家商業(yè)服務(wù)供應(yīng)商。在已選定的商業(yè)公司完成重大事件的開發(fā)，并且驗(yàn)證技術(shù)和資金的穩(wěn)定性以后，NASA將公布運(yùn)營(yíng)任務(wù)的合同授予情況。

第一輪商業(yè)乘員開發(fā)（CCDev-1）工作于2010年2月啟動(dòng)，NASA通過空間法案協(xié)議（SAA）授予5家公司共5 000萬美元合同，用于系統(tǒng)概念、關(guān)鍵技術(shù)和最終商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)的能力研發(fā)。5家公司負(fù)責(zé)開發(fā)的項(xiàng)目分別是：藍(lán)色起源（Blue Origin）公司負(fù)責(zé)開發(fā)新型推進(jìn)器發(fā)射逃逸系統(tǒng)和復(fù)合材料壓力容器；波音（Boeing）公司負(fù)責(zé)開發(fā)乘員航天運(yùn)輸-100（CST-100）飛船；帕拉根太空研發(fā)（Paragon Space Development）公司負(fù)責(zé)開發(fā)環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)（ECLSS）；內(nèi)華達(dá)山脈（Sierra Nevada）公司負(fù)責(zé)開發(fā)“追夢(mèng)人太空飛機(jī)”（Dream Chaser Spaceplane）；聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）負(fù)責(zé)為改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭（EELV）載人運(yùn)輸開發(fā)應(yīng)急檢測(cè)系統(tǒng)（EDS）。2010年10月，NASA啟動(dòng)了第二輪商業(yè)乘員開發(fā)（CCDev-2）工作。這一階段的投資目的是發(fā)展軌道商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)概念，在系統(tǒng)要素（如運(yùn)載火箭和航天器）的設(shè)計(jì)和發(fā)展成熟度上取得重大突破，同時(shí)確保航天員和乘客的安全。在競(jìng)標(biāo)第二輪商業(yè)乘員開發(fā)合同時(shí)，軌道科學(xué)公司提出了新型載人航天器——“混合升力體”（LiftingBody）的設(shè)想。2011年4月18日，NASA向波音公司、內(nèi)華達(dá)山脈公司、太空探索技術(shù)公司和藍(lán)色起源公司授出共2.7億美元的合同。

3 美國(guó)商業(yè)運(yùn)輸器及其研制進(jìn)展

3.1 太空探索技術(shù)公司的商業(yè)運(yùn)輸器[6-7]

太空探索技術(shù)公司為商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃開發(fā)的是獵鷹-9火箭和“龍”飛船。根據(jù)與NASA簽訂的合同，“龍”飛船將進(jìn)行12次發(fā)射，第2次驗(yàn)證飛行最早于2011年12月19日?qǐng)?zhí)行，將驗(yàn)證與“國(guó)際空間站”的交會(huì)對(duì)接。合同的關(guān)鍵項(xiàng)目是開發(fā)和試驗(yàn)發(fā)射逃逸系統(tǒng)，相比沒有逃逸系統(tǒng)的航天飛機(jī)而言，這在安全上是一項(xiàng)重大改進(jìn)。圖1為“龍”飛船與“國(guó)際空間站”對(duì)接概念圖。

圖1 “龍”飛船和“國(guó)際空間站”對(duì)接概念圖Fig.1 Dragon berthing at ISS

3.1.1 具有載人能力的可重復(fù)使用“龍”飛船

“龍”飛船（見圖2）的最大特點(diǎn)是可重復(fù)使用，所有結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠支持乘員運(yùn)輸，遵守所有相關(guān)的NASA標(biāo)準(zhǔn)和安全因子。

圖2 “龍”飛船返回艙的工程模型Fig.2 Enginering model of Dragon spacecraft reentry capsule

“龍”飛船包括載人和載貨兩種（見圖3），干質(zhì)量為4 200kg，飛船長(zhǎng)5.2m（加壓艙＋服務(wù)艙），直徑為3.6m，上行載荷質(zhì)量為6 000kg（最大），下行載荷質(zhì)量為3 000kg（最大），任務(wù)持續(xù)時(shí)間為1周～2年。它主要由三部分組成：前錐體，在上升階段起保護(hù)作用；加壓艙，體積為10m3，帶有外掛箱時(shí)體積為34m3，用于搭載乘員和（或）加壓貨物；服務(wù)艙，體積為14m3，裝有電子設(shè)備、反應(yīng)控制系統(tǒng)、降落傘和其他支持設(shè)備。飛船利用頭錐部的標(biāo)準(zhǔn)“國(guó)際空間站”通用停泊裝置與空間站的美國(guó)艙段進(jìn)行對(duì)接，既可載人或載貨前往“國(guó)際空間站”，又能作為“國(guó)際空間站”上航天員緊急返回地球的運(yùn)載器。

圖3 “龍”飛船的載人和貨運(yùn)模型Fig.3 Crew and cargo configurations of Dragon spacecraft

“龍”飛船的主要性能包括：完全自主交會(huì)對(duì)接，在載人結(jié)構(gòu)中具有手動(dòng)代替控制功能；可承載質(zhì)量大于2 500kg的加壓貨物，在載人結(jié)構(gòu)中最多可載7人，可在“國(guó)際空間站”上停留6個(gè)月；采用具有廣泛繼承性的電子系統(tǒng)；采用由18臺(tái)甲肼/四氧化二氮燃料推進(jìn)器組成的反作用控制系統(tǒng)；可裝載1 200kg推進(jìn)劑；完整的通用停泊裝置，如果需要，低沖擊對(duì)接系統(tǒng)和異體同構(gòu)周邊式對(duì)接系統(tǒng)可提供支持；帶有3個(gè)或4個(gè)舷窗；采用降落傘水上濺落的返回方式；使用燒蝕材料的高性能熱防護(hù)罩和側(cè)壁熱防護(hù)系統(tǒng)。另外，在載人結(jié)構(gòu)中，每個(gè)座位上都裝有觸摸屏膝上計(jì)算機(jī)，在起飛過程中由座位下的腳凳提供支撐，起飛后腳凳會(huì)折疊起來。為了方便“龍”飛船從貨運(yùn)艙轉(zhuǎn)換成乘員艙，除了乘員逃逸系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)和允許乘員利用飛行計(jì)算機(jī)控制飛船的船載控制系統(tǒng)外，貨運(yùn)艙和乘員艙的結(jié)構(gòu)幾乎是相同的。

3.1.2 獵鷹-9火箭

獵鷹-9火箭長(zhǎng)48.1m，直徑為3.66m，發(fā)射質(zhì)量為313t。它為兩級(jí)液體火箭，兩級(jí)采用不同數(shù)量的灰背隼-1C 發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧/煤油作為推進(jìn)劑，低地球軌道運(yùn)載能力達(dá)到10t。

3.1.3 研制進(jìn)展

2010年6月4日，獵鷹-9火箭首次試射成功，把“龍”飛船的實(shí)體模型送入軌道。這是太空探索技術(shù)公司和商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要里程碑事件。在歷次火箭的首次發(fā)射中，有50%的首次試驗(yàn)非常糟糕，但此次試驗(yàn)相當(dāng)成功，初步顯示了商業(yè)載人航天的可靠性。2010年12月8日，“龍”飛船完成了商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃的第1次演示飛行，完成多圈在軌飛行、發(fā)射遙測(cè)數(shù)據(jù)、接收指令、軌道機(jī)動(dòng)、模擬與“國(guó)際空間站”交會(huì)對(duì)接、再入大氣層、在太平洋上安全濺落并被回收。此次驗(yàn)證飛行，使美國(guó)空間探索技術(shù)公司成為了第1家使航天器從低地球軌道成功再入大氣層的商業(yè)公司，此前僅由美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、日本、印度和歐洲航天局6個(gè)國(guó)家或政府部門才能完成，標(biāo)志著商業(yè)公司在載人航天領(lǐng)域具有航天器再入、回收的能力。在進(jìn)行載人發(fā)射之前，美國(guó)空間探索技術(shù)公司還將執(zhí)行12次發(fā)射任務(wù)，完成“國(guó)際空間站”的貨運(yùn)任務(wù)。

3.2 軌道科學(xué)公司的運(yùn)輸器[8-9]

2008年2月19日，NASA最終選中軌道科學(xué)公司為商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃的另外一個(gè)合作伙伴，并與之簽訂了空間法案協(xié)議。NASA將商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)合同授予軌道科學(xué)公司，要求該公司在2011-2015年完成8次任務(wù)，運(yùn)送約20t的貨物到“國(guó)際空間站”。根據(jù)合同要求，軌道科學(xué)公司將設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)金牛座-2中型運(yùn)載火箭和“天鵝座”飛船。

3.2.1 具有繼承性的“天鵝座”飛船

“天鵝座”飛船采用低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，繼承了軌道科學(xué)公司及其合作者經(jīng)過飛行驗(yàn)證的航天器技術(shù)。飛船一次最多能運(yùn)送2 700kg的加壓貨物到達(dá)“國(guó)際空間站”，其非加壓貨艙構(gòu)型可運(yùn)送非加壓貨物，能夠從“國(guó)際空間站”帶回1 200kg廢物再入大氣焚毀。圖4為“天鵝座”飛船接近“國(guó)際空間站”的概念圖。

圖4 “天鵝座”飛船接近“國(guó)際空間站”的概念圖Fig.4 Cygnus spacecraft approaching to ISS

在“天鵝座”飛船的設(shè)計(jì)中，軌道科學(xué)公司利用了“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”（DART）衛(wèi)星和“軌道快車”（Orbital Express）衛(wèi)星的硬件及相關(guān)技術(shù)。“天鵝座”飛船貨艙有兩種構(gòu)型，一種是加壓貨艙構(gòu)型，另一種是非加壓貨艙構(gòu)型。加壓貨艙構(gòu)型飛船（見圖5）主要由通用服務(wù)艙和加壓貨艙組成。通用服務(wù)艙繼承了“星”平臺(tái)及黎明號(hào)（Dawn）探測(cè)器的技術(shù)，凈質(zhì)量為1 800kg，發(fā)電系統(tǒng)為2個(gè)固定翼太陽能電池陣以及燃料電池，功率輸出為3.5kW（太陽定向），裝載雙組元推進(jìn)劑肼/四氧化二氮或單組元推進(jìn)劑肼。加壓貨艙基于“國(guó)際空間站”的多功能后勤艙設(shè)計(jì)，可裝載乘員日常物資、備用部件和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，載貨總質(zhì)量為2 000kg（標(biāo)準(zhǔn)）或2 700kg（改進(jìn)），體積為18.7m3或26.2m3，“國(guó)際空間站”停靠位置為節(jié)點(diǎn)-2 通用停泊裝置。非加壓貨艙構(gòu)型飛船可能具有運(yùn)送2 000kg有效載荷的能力。

圖5 “天鵝座”飛船F(xiàn)ig.5 Cygnus spacecraft

3.2.2 金牛座-2火箭

金牛座-2火箭長(zhǎng)40.1m，直徑為3.9m，發(fā)射質(zhì)量為275t，低地球軌道運(yùn)載能力為4 750～6 250kg?；鸺捎脙杉?jí)或三級(jí)結(jié)構(gòu)：第一級(jí)采用2臺(tái)俄羅斯的AJ-26 發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為液氧/煤油；第二級(jí)為ATK 公司在研的海貍-30固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；第三級(jí)（可選）為軌道提升級(jí)，采用肼/四氧化二氮雙組元推進(jìn)劑。金牛座-2火箭的設(shè)計(jì)充分借鑒了“飛馬座”（Pegasus）、“金牛座”、“米諾陶”（Minotaur）火箭的成熟技術(shù)，飛行可靠性將在98%以上。軌道科學(xué)公司投入4 500萬美元，用于金牛座-2火箭的組裝、試驗(yàn)和發(fā)射，目前已完成金牛座-2火箭第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)。3.2.3 研制進(jìn)展2010年4月，“天鵝座”全尺寸模型在科羅拉多州斯普林斯召開的國(guó)家空間論壇上亮相。首個(gè)“天鵝座”加壓貨艙由意大利的泰雷茲-阿萊尼亞航天公司制造完成，并于2011年6月完成了加壓貨艙的資格和硬件驗(yàn)收評(píng)審。軌道科學(xué)公司計(jì)劃在2011年12月發(fā)射第1枚金牛座-2火箭，將不攜帶“天鵝座”飛船，只作為一次新的風(fēng)險(xiǎn)降低試驗(yàn)飛行，驗(yàn)證金牛座-2火箭的設(shè)計(jì)和飛行性能。原計(jì)劃的首次商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃驗(yàn)證任務(wù)，將推遲到2012年初，金牛座-2火箭將發(fā)射一艘功能完整的“天鵝座”飛船，對(duì)接到“國(guó)際空間站”上，完成與商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)計(jì)劃類似的操作，但不攜帶貨物。

3.3 太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司運(yùn)輸器對(duì)比

太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司運(yùn)輸器的比較，見表1和表2。

表1 火箭技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table1 Comparisons of rocket parameters

表2 飛船技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table2 Comparisons of spacecraft’s parameters

3.4 其他商業(yè)乘員運(yùn)輸器開發(fā)概念

3.4.1 波音公司乘員航天運(yùn)輸-100飛船

目前，波音公司正在根據(jù)NASA授予的商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃合同，研制一種以太空艙為基礎(chǔ)的可載人往返“國(guó)際空間站”的新型商業(yè)飛船——乘員航天運(yùn)輸-100（CST-100），以推動(dòng)商業(yè)乘員空間運(yùn)輸系統(tǒng)制造所必需的概念與技術(shù)發(fā)展。

乘員航天運(yùn)輸-100 飛船類似于錐形的“阿波羅”或“獵戶座”飛船，但比“獵戶座”稍小，比“阿波羅”稍大，能夠乘坐7 人，其中“100”代表著距地100km 的低地球軌道。飛船可在軌停留7個(gè)月，通過半彈道式再入返回地球后利用減速傘在陸地著陸。乘員艙（見圖6）經(jīng)更換新的熱防護(hù)屏并刷新后，可以繼續(xù)使用，其設(shè)計(jì)壽命為10次任務(wù)。波音公司計(jì)劃在佛羅里達(dá)州發(fā)射乘員航天運(yùn)輸-100飛船。飛船與許多火箭兼容，備選火箭為宇宙神-5、德爾他-4和獵鷹-9火箭，但是目前尚未確定使用哪種火箭。NASA提出了在2016年發(fā)射乘員航天運(yùn)輸-100飛船的目標(biāo)，據(jù)目前看，飛船研制工作可能提前完成，以有助于縮短N(yùn)ASA取消星座計(jì)劃之后在載人航天領(lǐng)域的斷檔期。

圖6 乘員航天運(yùn)輸-100飛船的乘員艙Fig.6 Crew module of CST-100

3.4.2 軌道科學(xué)公司的“混合升力體”航天器設(shè)想

NASA于2010年12月13日公布的商業(yè)乘員開發(fā)-2意見征集結(jié)果中，包括軌道科學(xué)公司提出的“混合升力體”航天器設(shè)想（見圖7）。此航天器可由宇宙神-5火箭發(fā)射，能把4 名航天員送往“國(guó)際空間站”。其他承包商還包括：泰雷茲-阿萊尼亞航天公司，將負(fù)責(zé)航天器的加壓乘員艙研制；霍尼韋爾和德雷伯實(shí)驗(yàn)室，共同負(fù)責(zé)適人性電子設(shè)備研制；聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟，建造和運(yùn)營(yíng)宇宙神-5火箭。

圖7 “混合升力體”航天器Fig.7 Lifting Body spacecraft

4 美國(guó)載人航天商業(yè)運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展前景與挑戰(zhàn)[10-16]

2010年10月11日，奧巴馬簽署了為期3年的NASA授權(quán)法案，標(biāo)志著奧巴馬政府空間政策的主要內(nèi)容以法律形式得到確定。授權(quán)法案中明確了NASA將繼續(xù)執(zhí)行商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃，商業(yè)運(yùn)輸器將繼續(xù)穩(wěn)步向前發(fā)展。低地球軌道載人運(yùn)輸系統(tǒng)研制向商業(yè)公司轉(zhuǎn)移，國(guó)家工業(yè)退出壟斷，給商業(yè)公司提供機(jī)會(huì)，讓商業(yè)公司成為研制載人航天器的主力，NASA則扮演“監(jiān)工”的角色。這是美國(guó)重要的航天戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向，對(duì)美國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)意義。

4.1 推動(dòng)美國(guó)載人航天事業(yè)持續(xù)發(fā)展

發(fā)展商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)將推動(dòng)美國(guó)載人航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，提升空間能力。把航天員運(yùn)送服務(wù)轉(zhuǎn)移到商業(yè)公司，這種做法雖然存在技術(shù)和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，但創(chuàng)造了降低運(yùn)營(yíng)成本的可能性，并可能加速美國(guó)在2016年前利用新的載人航天器進(jìn)入低地球軌道。

參與競(jìng)爭(zhēng)的公司包括新創(chuàng)辦的公司，也包括經(jīng)驗(yàn)豐富的公司，它們通過競(jìng)爭(zhēng)的方式設(shè)計(jì)、建造和發(fā)射運(yùn)送乘員和貨物沖出大氣層的運(yùn)輸器，能夠加速技術(shù)創(chuàng)新的步伐。新計(jì)劃可以使美國(guó)更快、更頻繁地到達(dá)太空，有助于改進(jìn)技術(shù)能力并降低成本，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)航天飛行的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

低地球軌道商業(yè)載人航天市場(chǎng)包括穩(wěn)健、有活力、盈利的商業(yè)公司、供應(yīng)商，以及私人和政府用戶，商業(yè)運(yùn)輸將在未來載人航天運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用，對(duì)美國(guó)航天事業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)有著重要的推動(dòng)作用。在美國(guó)公布的2010版《國(guó)家航天政策》中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)推動(dòng)商業(yè)飛行的重要性，并建立了一條指導(dǎo)原則——商業(yè)航天領(lǐng)域強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力對(duì)美國(guó)在空間領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步至關(guān)重要。

4.2 實(shí)現(xiàn)商業(yè)乘員運(yùn)輸尚需時(shí)日

商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃早在2006年就已啟動(dòng)，但是，美國(guó)問責(zé)辦公室（GAO）在2009年6月公布的一份報(bào)告中表明，雖然太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司的研制工作取得了不同程度的進(jìn)展，但是它們?cè)隍?yàn)證“國(guó)際空間站”關(guān)鍵貨物運(yùn)輸能力的進(jìn)度上仍面臨著很大的挑戰(zhàn)。商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃在2009年才啟動(dòng)，商業(yè)公司至少要到2015年才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)乘員運(yùn)輸，要縮短乘員運(yùn)輸?shù)臄鄼n期，需加速商業(yè)乘員運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，而發(fā)展面臨的進(jìn)度挑戰(zhàn)使商業(yè)乘員運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)尚需時(shí)日。

4.3 NASA的有力監(jiān)管確保安全性

低地球軌道載人運(yùn)輸系統(tǒng)研制轉(zhuǎn)向商業(yè)公司將驅(qū)動(dòng)航天業(yè)的拓展，但安全性與可靠性將成為潛在的巨大挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。不過，有關(guān)商業(yè)公司堅(jiān)定地表示，未來的商業(yè)載人航天能比星座計(jì)劃以更低成本更快實(shí)現(xiàn)。通過購(gòu)買航天運(yùn)輸服務(wù)，而不是航天器本身，仍可以繼續(xù)確保航天器滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

雖然商業(yè)乘員運(yùn)輸面臨安全問題，但實(shí)際上一個(gè)包含多條獨(dú)立空間航線的“國(guó)際空間站”商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)，比單一的運(yùn)輸計(jì)劃，如“獵戶座”與“戰(zhàn)神”系統(tǒng)更穩(wěn)健。首先，商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)完成的任務(wù)更簡(jiǎn)單，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，安全性較高。其次，商業(yè)運(yùn)輸器是經(jīng)過驗(yàn)證的。宇宙神-5和德爾他-4火箭均有著連續(xù)多年成功飛行的記錄。獵鷹-9火箭已經(jīng)展示了其到達(dá)軌道的能力，而且執(zhí)行商業(yè)乘員運(yùn)輸任務(wù)之前還將進(jìn)行多次試驗(yàn)飛行。最后，也是非常重要的一點(diǎn)，NASA將對(duì)商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性實(shí)施有力的監(jiān)管。對(duì)NASA來講，安全是核心價(jià)值觀，如果不能首先確保所有人員，包括公眾、乘員、乘客和地面人員的安全，就不能取得任務(wù)的成功，因此，NASA將對(duì)商業(yè)乘員運(yùn)輸?shù)娜侩A段實(shí)施強(qiáng)有力的監(jiān)管。在商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃和商業(yè)乘員開發(fā)計(jì)劃中，商業(yè)公司已經(jīng)開始與NASA合作，設(shè)計(jì)和開發(fā)滿足或超出NASA目前適人性標(biāo)準(zhǔn)文檔中規(guī)定的安全級(jí)別。NASA也會(huì)及時(shí)地完成適人性要求的制定，目前已經(jīng)啟動(dòng)商業(yè)運(yùn)輸系統(tǒng)乘員安全認(rèn)證流程。2010年5月21日，NASA公布了來自行業(yè)界對(duì)商業(yè)乘員運(yùn)輸器的信息申請(qǐng)（RFI），目前正處于發(fā)展商業(yè)乘員運(yùn)輸（CCT）能力要求的初步階段。NASA將根據(jù)商業(yè)公司的實(shí)際情況，將現(xiàn)有載人航天系統(tǒng)的適人性修改為載人航天驗(yàn)證流程，使之應(yīng)用到商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)系統(tǒng)中，為此，NASA制定了商業(yè)載人航天適人性計(jì)劃（CHRP），以說明NASA將怎樣為商業(yè)乘員運(yùn)輸實(shí)施載人航天適人性認(rèn)證。該計(jì)劃是基于NASA在載人航天領(lǐng)域豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)建立的一套經(jīng)過整理的技術(shù)要求、文件和流程，適用于商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)供應(yīng)商。在NASA制定出商業(yè)乘員安全要求以后，商業(yè)乘員運(yùn)輸將在NASA的安全體系規(guī)章要求下，更好地履行自己的職責(zé)，提供更加安全、可靠的“國(guó)際空間站”貨物和乘員運(yùn)輸服務(wù)。

商業(yè)載人航天適人性計(jì)劃包含的內(nèi)容遠(yuǎn)不止?jié)M足一組預(yù)先定義的要求，它包含的范圍很廣。該計(jì)劃為商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)獲取完整的NASA適人性證明，包含以下要素：強(qiáng)制性要求、NASA的監(jiān)管、飛行試驗(yàn)項(xiàng)目、對(duì)安全要求的遵守、逃逸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和飛行試驗(yàn)要求，以及NASA獨(dú)立的要求。除了滿足NASA適人性要求，為了將NASA乘員成功運(yùn)送到“國(guó)際空間站”，商業(yè)公司還必須滿足服務(wù)要求文檔中描述的項(xiàng)目要求，以及空間站到訪航天器的要求。在運(yùn)送“國(guó)際空間站”乘員或NASA資助的人員往返“國(guó)際空間站”之前，商業(yè)乘員運(yùn)輸必須獲得NASA授予的適人性認(rèn)證。

4.4 引領(lǐng)世界載人航天發(fā)展新方向

載人航天工程建設(shè)一直是作為政府行為，體現(xiàn)著國(guó)家的整體實(shí)力。美國(guó)在載人航天政策調(diào)整中，將商業(yè)化運(yùn)作納入低地球軌道乘員與貨物運(yùn)輸，這一舉措除了緩解金融危機(jī)壓力與彌補(bǔ)美國(guó)政府載人運(yùn)輸能力缺乏外，還為了確保在安全前提下引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，既降低運(yùn)輸費(fèi)用，又可將NASA在載人航天領(lǐng)域的成熟技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)向商業(yè)公司轉(zhuǎn)移，大力推進(jìn)低地球軌道商業(yè)運(yùn)輸能力建設(shè)，培育新型航天工業(yè)基礎(chǔ)，繼而保持未來11年低地球軌道載人航天活動(dòng)能力，并為未來深空載人探索提供基礎(chǔ)，引領(lǐng)世界載人航天發(fā)展新方向。

目前，主要載人航天大國(guó)，如俄羅斯、中國(guó)等的載人航天活動(dòng)都是政府運(yùn)作，美國(guó)這一政策的轉(zhuǎn)變也會(huì)影響其他國(guó)家。商業(yè)公司將以其成本低、競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，國(guó)家通過將一些載人航天項(xiàng)目移交給商業(yè)公司，可以將更多的精力投入更長(zhǎng)遠(yuǎn)、更復(fù)雜的載人航天活動(dòng)中，促進(jìn)載人航天事業(yè)更快、更好發(fā)展。

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