把近地轨道交给商业航天CST-100:更舒适的太空旅行体验载人型龙飞船:“龙”2代的风采美商业载人飞船航天员亮相

——美国宇航局的载人航天新策略文/ 李会超

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2011 年 7 月 8日,“阿特兰蒂斯号”执行了航天飞机计划中的最后一次飞行。自此之后,美国的国土上已经整整7年没有起飞过载人航天器。美国航天员来往国际空间站需要搭乘俄罗斯的联盟号飞船,并以每年水涨船高的价格购买“船票”。在暂时失去载 人航天能力的7年多中,美国一直在积极进行下一代载人航天飞船的研发。8月 3日,美国宇航局(NASA)公布了参与商业载人航天任务的第一批航天员名单,其载人航天的新策略也愈发明晰:将近地轨道交给商业航天,将自身的研发力量集中到星际载人飞行上。

老玩家与新选手

即将为NASA执行商业载人航天任务的两种飞船是波音公司研发的CST-100载人飞船和太空探索技术(Spacex)公司的载人型龙飞船。

相比于近几年频频抢占航天新闻头条的 Spacex公司,波音公司更为人熟知的业务是各类民航客机的研发。波 音 737、747、777、787 等经典机型占据了国际民航业的半壁江山。其实在航天领域,波音公司也是老资格的“资深玩家”。早在阿波罗登月任务开展时,波音公司就作为承包商承担了重要的工作。土星5号火箭是登月成功的关键因素,苏联则因火箭设计不过关而输掉了登月竞赛。而提供“土星5号”起飞时高达 35000千牛强大推力的火箭第一 级,就是由波音公司制造的。后来,波音公司还兼并了曾经负责阿波罗飞船设计制造的北美公司、负责航天飞机轨道器设计制造的罗克韦尔公司等。目前,波音公司是“联合发射联盟”(ULA)的主要成员,其研发的德尔塔系列火箭承担了不少NASA和美国军方的发射任务。

此次波音公司入选的CST-100 飞船采用了比航天飞机简单得多的两舱式设计,其外观与不连接登月舱的阿波罗飞船十分相似。CST-100每次飞行最多可以搭载七名航天员,每艘飞船可重复使用十次。在航天飞机之前,美国的“阿波罗”“双子座”等载人飞船返回地球时均在海上回收,而CST-100 则首次采用陆上回收的方式,由飞船在着陆时弹出的气垫提供缓冲。

航天新秀Spacex公司的载人型龙飞船采用的也是两舱设计。龙飞船的货运型是第一种成功为国际空间站提供补给的商业航天飞船。载人型龙飞船也被称为龙飞船2代,一次最多可以搭载7

名航天员,具备10次左右的可重复使用能力。载人型龙飞船的主要回收方式为海上着陆,但预留了未来开发陆上着陆技术的空间。与CST-100 相比,载人型龙飞船的体态相对纤瘦,船舱直径较小,但船舱高度更高,因此船舱的实际容积与 CST-100相差不大。此外,相比可以由多种美国现役火箭发射的CST-100,龙飞船未来将仅由 Spacex公司自己研发的猎鹰系列火箭发射。

相比于将发射、货运、载人功能融为一体的航天飞机,CST-100飞船和载人型龙飞船的结构要简单得多。这很大程度上来自于航天飞机的教训:过于复杂的航天器将降低可靠性,增加每次发射前所需进行的工作量,使每次发射的费用飙升。在新一代飞船的设计中,设计师们意识到飞船本身主要是航天员往返天地的运输工具,不要在载人功能 之外为其赋予太多的其他功能。因此, NASA对新一代商业飞船提出的设计要求仅仅是能够安全地搭载航天员来往于国际空间站。不过,结构简单的新一代飞船仍有一些超越航天飞机的指标。两种飞船均能在国际空间站上驻留210天以上,大大超过了航天飞机的12天。长期驻留的飞船可以作为国际空间站的“救生艇”,在紧急情况下撤回航天员。

飞船研发的新模式

在美国以往的航天器研发制造中,波音、格鲁曼等私营航天业巨头也会参与到项目中来,航天器的制造最终是由这些企业而不是NASA来完成的。但在研发过程中,NASA始终对航天器的设计保持控制,NASA的科学家和工程师会参与到研发、制造、测试和发射的 各个过程中来,主导设计方案和技术路线的的确定,并确保航天器的安全和可靠性。最终,制造出的航天器、其附带的知识产权和航天器的运营设施属于NASA,研发的全部预算也由NASA 承担。

由于航天活动的未知性和风险性,这种一切由政府买单的模式有助于推动新的航天技术发展,开辟新的探索领域。但在这种模式下,作为政府机构的NASA因官僚主义而导致的内耗增加了管理成本。由于项目的成败由NASA负责,承包商通过技术开发降低成本的动力不强,而几个大公司对航天业的垄断也使市场竞争的作用无法体现,使得NASA进行航天活动的成本不断增加,项目超支几乎成了一定要发生的事情。

2009年,作为经济危机后美国重振法案的一部分,NASA开始了商业

载人航天项目的运作。通过此项目, NASA不但可以再次获得去往国际空间站的载人发射能力,还能刺激本国的商业航天产业的发展。在这个项目框架下, NASA将选择性地资助一部分企业,开展近地轨道载人航天飞船的研发。与以往不同的是,企业拿到NASA 的资助后,对飞船的设计拥有自主权,可以采用一切他们认为合理的设计方案和技术路线。同时,NASA只为自身的需求付费,且投资总额一般不足以完全支撑飞 船研发,企业必须投入自身的资金到飞船项目中去。

无论飞船研发最终的成本是多少, NASA的付费是固定的。在这种模式下,企业将自发地提高研发的效费比,并尽力进行成本控制。用NASA 内部一本刊物的话说,“当花他们自己的钱时,企业往往会变得更加精明”。迄今为止,NASA已经在此项目上资助了波音公司约48 亿美元、Spacex 公司约 31亿美元。花完这些钱后,两家企业需要完成飞船的研发和各项测试,达到NASA对飞船提出的各项指标及安全可靠性的要求,执行去往国际空间站的一次载人测试飞行和至少两次一般载人飞行。

同时,企业拥有飞船本身和附加的知识产权。除了为NASA提供服务外,他们还可以使用飞船开展其他商业航天业务。波音公司在CST-100 飞船上为未来可能出现的太空游客设置了座位,可以在执行NASA任务时顺便“捎”上付费的游客。而Spacex 公司则计划用载人型龙飞船进行去往月球的太空旅游,载着旅客们飞行到地月之间的大椭圆轨道上,使他们在飞掠月球时可以一睹月球上的景致。

NASA瞄准深空载人飞行

目前,国际空间站等载人航天器都运行在距离地面约400公里的近地轨道(LEO轨道)上。对于美俄这两个拥有载人航天能力较早的国家来说,向 LEO轨道发射载人飞船已是家常便饭,技术已比较成熟。在商业载人航天

计划开始实施时,NASA提出的需求就是向 LEO轨道上的国际空间站输送航天员。在 CST-100飞船和载人型龙飞船研发的同时,NASA自己研制的猎户座飞船也在研发过程中,而这艘飞船则将目标瞄准了更远的星际飞行。

猎户座飞船同样采用了两舱构型,可以搭载2~6名航天员。未来,这艘飞船将主要承担去往月球、火星的深空飞行任务。在计划中的飞行任务中,“猎户座”将首先测试在地月转移轨道上的飞行能力和高速再入大气层时的防热能力。之后,它将承担起NASA 的月球轨道空间站——“深空门户”的建设任务,运送航天员到月球附近。未来, NASA还计划将它与“深空栖息舱”进行组合,执行运载航天员去往火星轨道的任务。在未来的计划中,NASA并没有安排猎户座飞船进行LEO轨道的飞行,表面上NASA有信心将这部分任务完全交给商业航天。

作为一艘深空飞船,“猎户座”需要实现不少LEO轨道飞行所不需实现的技术。例如,LEO轨道上飞行的航天器可以通过地面上的测控网和同步轨道上的天基测控卫星确定自己的位置,并与地面保持通信,而猎户座飞船一旦远离地球,就不得不依靠NASA的深空探测网络进行通信,使用深空测控手段来进行定位。为了以防万一,猎户座上还布置了一套应急的定位系统,航天员们可以根据观测到的地球、太阳和恒星的相对位置独立确定自身位置。在深空飞行中,失去了地球磁场保护的飞船将承受比LEO轨道更加强烈的太阳高能粒子和宇宙线辐射。为了保证航天员的飞行安全,猎户座飞船必须采用比 LEO轨道飞船更先进可靠的辐射防护技术。 猎户座飞船的研发仍采用NASA的传统模式进行,目前已经花费了美国纳税人125亿美元经费。

如果猎户座飞船计划和LEO轨道

的商业航天计划均进展顺利的话,将为我们树立商业航天运作模式的示范:政府所属的航天机构可以将技术已经成熟的领域交给企业进行自负盈亏的项目运作,政府机构只根据需要采购航天服务并给予一定资助,而不再主导项目运作。这样一方面能够为政府节省开支,另一方面也能创造新的经济增长点,繁荣商业航天产业。此外,对于航天企业的扶持应该根据企业本身的技术能力有选择地进行。在NASA商业航天载人计划的CCDEV1阶段中,共有多达 36家企业提出了自己的方案,其中不乏一些PPT公司,而最终获得资助的仅有5家。在经过随后的CCDEV2、CCICAP、CPC1、CPC2 四个阶段的方案深化与遴选后,最终能够将飞船发射上天的只有资金和技术实力均相当雄厚的波音公司和Spacex 公司。

责任编辑:陈彩连

▲ 波音公司研发的 CST-100载人飞船和太空探索公司的载人型龙飞船飞往国际空间站艺术想象图

▲ 波音公司 CST-100飞船在太空中飞行的效果图

▲ 内华达山脉公司研发的追梦者航天飞机也曾入选商业载人航天计划,但在最终阶段的PK 中落败

▲载人型龙飞船的飞行效果图

▲ NASA商业载人航天项目的LOGO和宣传海报

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