领跑太空2.0时代(二)

2016-10-24 20:25:43 航空世界 2016年9期

蒿旭

产业篇

去开发月球和火星,甚至离开太阳系实现星际穿越——探索未知的“人类最后边疆”,这被认为是航天的神奇。同时,太空探索还有十分“接地气”的一面。正像当年美国“阿波罗”飞船登月的技术成果扩散到民间一样,太空经济也可惠及国民经济。未来,太空探索不光能满足人类对未知空间的好奇和向往,也能对人类社会的经济发展产生不可估量的作用。此外,世界航天产业也处于激烈的市场竞争中,这就促使老牌航天企业和初创型企业都要以创新求生存,无法靠“吃老本”垄断市场,最终使全人类受益。

太空经济面面观

商业航天发展成熟到一定程度后,太空运输和运营的成本将会降至与其他航空和地面运营成本同样水平,成本大幅降低不仅使各项太空活动更加经济,更会颠覆很多传统产业模式,即这场革命将会导致大量传统产业出现过剩——但是这个问题以前没有受到重视,因为在太空做生意的成本很高且高风险。

未来,一些商业航天发展将会促使常规服务的进化。这些服务包括通信、导航、跟踪、定位和遥感。然而,新产品和新服务将是主力军,一些是智能机器人服务,其他的是载人服务。智能机器人服务将包括:

1.类似于全球联邦快递的送货服务;

2.来自外星球的商品;

3.利用太空光源供夜间照明和作物生长;

4.通过空间继电器配电;

5.从太空输送电力;

6.空间配电设施;

7.根据合同提供和支持一些“防御”功能。

载人服务将包括:

1.公众亚轨道太空旅行;

2.太空中点到点的快速公众旅行;

3.太空酒店和度假村的公众旅行;

4.太空商业园;

5.太空体育馆;

6.太空电影制片厂;

7.支持NASA人类探索;

8.月球和小行星商业采矿;

9.空间基础设施运营。

这里将描述的是一些最有可能出现在未来十年间的太空经济模式——面向大众的太空旅行(太空旅游)。几十年来,太空旅行已经成为推动商业航天的重要驱动力,目前只待性能可靠、成本低廉的空间运输的实现。

亚轨道太空旅行——至少要到达距离地面100千米的高度——根据国际惯例,旅客才能正式称作“宇航员”。安萨里X奖推动了进入亚轨道空间的努力,伯特·鲁坦的“太空船一号”及其驾驶员荣获了2004年的1000万美元X奖金。其他候选方案仍在进行试飞努力,包括第一阶段进行空中发射的方案。预计亚轨道飞行有一个健康的、但相对狭小的市场,因为它们带来的失重最多只有几分钟,即使它们的风险远远低于轨道飞行。尽管如此,维京银河公司将太空船概念进行商业化,并得到了几百个预留订单。

过去十年中所做的调查表明,轨道飞行有很大的市场可供发掘。调查预测,如果“票价”在10万美元,每年有10万人想进入太空,如果“票价”在1万至2万美元,每年有100万人想进入太空。公众太空旅行(太空旅游)已经开始了——少数富裕的游客去过国际空间站(ISS)。虽然亚轨道旅行尚未正式营业,但商业亚轨道飞行已经开始规划了(鲁坦/维京银河公司)。起初,游客将停留在太空飞行器中,这在亚轨道旅行中是必须的,最初的轨道旅行也是如此。如果公众太空旅行如愿以偿,那么轨道酒店也将成为必要。这将给旅游业带来一项新业务,预计这个市场每年的收入将超过300亿美元。希尔顿、喜来登和其他酒店都开始考虑这项投资;然而,企业家罗伯特·毕格洛已经开始自掏腰包进行充气式住所(名为“创世记”)的测试,并打算开发轨道空间酒店。

一旦轨道旅行被证明是安全的,那么廉价轨道飞行器将不可避免地随之发展,最初是改进型一次性运载火箭(EELV),最终转化成完全可重复使用的飞行器(奇石乐公司的两级入轨和单级入轨[SSTO]方案),这将大大降低发射成本和提高可靠性。

这些小的步骤非常令人鼓舞,并预示着公众太空旅行将有很大的商业潜力。到2030年底,可能会出现几十家太空酒店以及飞往太空的定期“航班”,为那些在太空中住一个周以上的旅客提供服务。而像大海中的邮轮般的太空度假村最终也将成为现实,只是它们的实现可能会需要更长的时间。然而,毕格洛还设计了围绕月球游览和出舱活动计划。

空间商业园。廉价而可靠的空间运输的出现,除了预示着公众太空旅行将会流行,也使私人开发和经营太空商业园成为可能——混合使用在轨设施,利用共同的基础设施支持不同的商业活动。

这些商业园区由私人开发、拥有和经营。它们将向各种类型的商业客户提供长期或短期的出租设施,包括医药研究或生产实验室,体育、电影和其他商业活动场地。商业园运营商还将为租户提供公共基础配套设施,包括:

1.带私人浴室的特等客舱;

2.公共观赏和休闲区;

3.电力和热力设施;

4.厨房和小卖部;

5.气闸和对接口;

6.服务和物流支持;

7.仪器,实验支持;

8.与地面间的通信;

9.频繁的或按需进行的运输;

10.紧急设备和运输工具。

将电力输送到国际空间站。对国际空间站的支持,很可能是早期要展开的商业服务。事实上,目前美国国家航空航天局(NASA)计划对地面到国际空间(ISS)的物流服务进行商业竞标,虽然还没有对这一想法做出正式表态。

国际空间站有很多特点,这使得商业化后勤保障成为很好的候选方案。其中一项服务就是为国际空间站上的科学和其他用户提供电力,这份业务并不繁重。国际空间站本身几乎没有专门的实验空间,运营成本非常昂贵(每人每天耗资约100万美元),对震动非常敏感(支持微重力处理),而且没有多余的居住空间。

一项可能的商业服务就是从商业运营的共轨航天器上为国际空间站提供电力。研究表明,这项服务可以为国际空间站提供数百千瓦的电力,而其成本只是国际空间站自身发电成本的一小部分。只要政府做出一个简单承诺——同意每年从商业企业购买一定千瓦数的电力输送到国际空间站上,那就足以使这项服务获得私人资金的支持。这项服务是典型的可以由商业企业提供的服务之一:

1.用补给飞行器提供运输服务;

2.为国际空间站运行补给商品;

3.为一些实验提供空间和设施;

4.为国际空间站上进行的生命科学实验提供可变重力;

5.通过电磁缆绳为国际空间站提供无推进剂助推。

把政府作为主要客户,这将是太空商业基础设施一个很好的开局方式。快速全球包裹快递。航程遍及全球的运载火箭,不管它是亚轨道飞行器或是轨道飞行器(安装了制动器),就能在两小时内能飞到世界上任何地方(从一个航天发射场到另一个航天发射场)。这可能带动类似于全球联邦快递公司的邮件和包裹服务市场的上升,研究表明这是个需求尚未得到满足的大市场。这种服务可以由小型可重复使用的无人驾驶飞行器提供,单级入轨技术可以使这项服务变得可行,大约在2015年至2020年间实现。

这种服务可能是首批商业化机器人空间运输应用之一。研究表明,这种快速的全球快递服务,将降低现在以航空运输为基础的按重要程度排序的包裹或文件运输物流系统所需的运输时间。一旦政府降低了所需的技术风险,这在技术上将是可行的。

为月球基地提供支持。许多研究表明,月球基地具有很高的科学,探索,研究和工业研究潜力。实际上,月球基地是美国国家航空航天局人类太空探索计划的核心,将在2020年时间框架内实施这一计划。虽然基地本身的建设将由政府负责,但是这类设施将需要氧气、推进剂、水、地表挖掘、加工厂和运输基础设施等形式的后续支持和保障。

月球南极的陨石坑可能以冰形式存在的水。因此,该基地不但可以满足自身的需要,还可以供给月球其他地区的探索。它可以向地球轨道提供液态氧作为推进剂。它最初可以作为一个简单的前哨站——包括生活在登陆器中的航天员,但很快将出现一个完整的永久性基地,它将作为去往火星和太阳系其他地区的先遣部队的学习和前进基地。一个更完整的设施将在2020至2030年间建成。它最初是政府建设和运行的设施,但之后会过渡到政府投资建设、商业运行的模式。这需要一个规模空前的商业企业来运行。

轨道上的电影制片厂。现在太空电影和冒险电视连续剧中的自由落体(零重力)环境是困难的、昂贵的和非常有限的。研究表明,居住模块或经过改装的航天飞机外部燃料箱可以提供所需的空间和安装摄影设备。电影制片厂可以拥有和使用这种“摄影棚”,或者由财团拥有、租用给有需要的摄影工作室。研究表明,正常情况下太空电影制片厂在经济上具有可行性。这样的工作室将依附于空间站或商业园,以满足维护需要。

近地轨道-地球同步轨道转移的基础设施。一个永久性的近地轨道(LEO)-地球同步轨道(GEO)交通基础设施,以收费为基础向政府和商业用户提供服务,在未来一段时间将会成为可能,并使用前面介绍的技术。虽然最初的基础设施将采用化学或电力推进,一个特别有趣的概念是通过动量交换系索实现重型永久平台之间的载荷传送。重型平台将能量和动量传递给载荷,这种近地轨道到地球同步轨道的转移不消耗任何推进剂。每个平台会使载荷的速度增加到2000米/秒,释放载荷时系索的切向速度增加载荷的轨道速度,另一端接住载荷时减去轨道速度,二者相对速度为零。

因此耗时6小时将载荷从霍曼转移轨道转移至地球同步轨道附近,转移过程并不需要推进剂。当然,这样做所需的能量必须来自某个地方,实际上能量来自重型平台高度的轻微下降,而平台的高度通过离子推进进行弥补——只是所需时间较长,比冲仅有5000。因此,实际上载荷是以每秒5000的有效比冲转移的,只是在6小时内完成了转移。目前已知的任何推进技术都做不到这一点。事实上,这系索“阶梯”在太空中进行反向操作同样适用,将载荷从地球同步轨道降至近地轨道进行维修、升级或销毁。最终,如果这种系统能够实现,那么地球同步轨道的交通量将大大增加,如果一段时间内“向上的物质运输量”等于“向下的物质运输量”,将载荷从地球同步轨道降低到近地轨道所获得能量可以用于将载荷从近地轨道送入地球同步轨道,除了一些不可避免的能量损失,该系统的运行几乎不需要能量。因此,不需要推进剂的永久运输基础设施将会得以建立。

通过地球同步轨道继电器进行无源配电。轨道上的大型无源无线电频率(RF)反射器可用于中继地球上能源丰富地区发射过来的RF能量,将其分配到能源贫乏的地区,RF能量会被接收并转换为电力,以补充当地的电网。该系统也将适用于崎岖或欠发达地区——人口中心相距遥远且没有石油的国家,例如日本。研究表明,这种配电手段比长度大于2000千米的输电线路要便宜。

该系统采用简单的网格或膜发射RF功率,与在太空中发电的航天器相比,这种航天器重量更轻、造价更低。一个单一的航天器将安装几个独立操纵的反射器,使能量可以提供给不同的目的地。研究表明,在这个项目上,60亿美元的投资可能会获得35%的回报率,而且将是一个财政支持的项目,可以很容易找到商业融资。

在太空中进行太阳能发电。太阳能发电卫星是1958年彼得·格拉泽设想出来的。将丰富、清洁、取之不尽用之不竭的太阳能转换成微波,再将其以波束的形式传输到与电网相连接的接收设施的硅整流二极管天线上——这个概念很简单。然而,这一概念最初需要数百名宇航员组装一个巨大的结构,是一个巨大的太空计划,这种技术也并不存在,也无法通过向用户收取没有竞争力的能源费用收回其庞大的投资。

最近的研究提出运用现代技术,包括自适应反射膜、模块化机器人组装、高效太阳能电池阵列、中/低地球轨道星座、编队飞行航天器、重力梯度稳定结构、高效太阳能电池板、微波或激光束电力输送,以及整个主机采用现代电子元件的天线和发射机。这些研究都表明这种电力在价格上比热电或核电更有竞争力,这种完全可再生和清洁的能源来源对环境几乎不会造成任何影响,同时可以解决世界上的电力和污染问题。

如果政府能够降低技术风险的话——这超出了私人资助的技术机构的能力,那么这种太空太阳能发电系统可能在2030年左右实现。对创业的私营公司来说,这些计划代表着巨大的商业市场。电力公共事业部门和商业服务提供商可能会合作开发和运行这些系统。将这么大质量的系统送入轨道,对低成本运载火箭来说也将是一个巨大的市场——如果这种发电方式的电费要比其他方式更有竞争力的话,低成本运载火箭就很有必要了。因此,虽然这是一个长期的命题和一个非常大的事业,它也不比其他商业能源工厂庞大多少。

以上所描述的几个概念,每个概念都可能代表一个重要的商业航天计划。在总量上,它们代表着可能的巨大的空间计划,代表未来商业空间部门的一部分。通过为上述每个计划和每年发射次数与每个计划所需发射到太空的质量构建一个合理的但没有明确发展和运作路线图的计划,可以对这种潜力进行评估。

太空活动主要将由私营部门承担。然而,就像许多先进技术的商业活动,它们可能会因政府降低技术风险的活动而受挫,也可能因为政府活动而受益。企业可能会在各种简单技术的投资上与政府建立合作伙伴关系,这对双方都有益。事实上,这种政府投资可能是巨大的,并可能是一些商业活动得以启动的关键——私人无法筹集这么多的启动资金。此外,政府可以提供鼓励措施,例如税收优惠政策、执照津贴和其他好处,以推动一些被认为具有双重用途或对国家经济具有重大意义的活动。

事实上,美国政府已在基本技术的开发上进行了投资,如碳纳米管研究和其他能够充分挖掘其应用潜力的先进技术。这项投资是由美国国防高级研究计划局(DARPA)、空军、国家科学基金会和其他机构赞助的。几乎每一个技术先进的国家正在做同样的事情,因为碳纳米管在商业和军事应用领域的具有重要意义。此外,碳纳米管的许多电子、电力和热应用正在研究之中,第一个可能会进入的领域是商业电子产品市场。

一些商业应用转化为现实存在的时间被延误的可能性是存在的——若美国政府支持这方面和其他科学技术领域的研究经费大幅减少的话——这一不测事件发生的话,虽然不期望如此,但可能性也无法排除,这可能对技术发展有相当大的负面影响。然而,由于碳纳米管科学和技术在世界上非常受欢迎,美国大幅削减经费将导致美国落后于其他国家,因此不太可能发生。特别是考虑到这么多的商业产品将受益于碳纳米管技术的引入和使用,意外就更不可能发生。这些产品包括每一种消费类电子产品;汽车、火车、飞机、船只船舶的结构;医疗设备和诊断技术;体育用品;和国民经济中其他会使用到基础材料的产品。

这就提出了碳纳米管的发展会对上面所提到哪一种商业空间应用产生作用的问题。在非常现实的意义上,本章中所描述的商业计划都依赖于碳纳米管。它们或许可以只使用传统的材料进行开发和运行,但与使用碳纳米管和其他先进的技术相比,它们的重量会更重,价格会更昂贵。然而,即便情况真的如此,这些计划的商业模式和经济可行性仍然将是最积极的因素,尽管为了补偿成本的增加,这些服务的引进将会被延迟。

对技术的投资战略思维的开拓,可以促进商业经营,而在此所述的思路似乎具有吸引力。不幸的是,即使有可能发展这样的战略,其效用也会被质疑,因为它必须采取无数的关键活动和因素——支持所有商业风险投资,只能参与方自行思考。此外,如果采取此类战略的话,就必须接受它的局限性,当然这已经完全超出了本章的范围。因此,要获得比上一节中所讨论的更为具体的技术投资战略和发展蓝图,这是不可能的。

基于商业活动已经开始在大众太空旅行(包括亚轨道和后来的轨道)中开展,似乎很明显,这些计划如果在经济上获得成功,将会推动可以创造未来应用的技术投资。这种效应将会为实现太空中的第二次工业革命带来动力——这是未来商业航天活动的核心观点。

在2010年至2020年时期的技术进步,将由私人资本和美国政府的一些新兴技术投资所推动,除了新的政府计划之外,还将带来新的商业产品和服务。这些技术将使政府和商业航天计划的开发、入轨和运营成本呈数量级的降低。主要推动力将是发射成本呈数量级的降低,除了传统的通信、导航、定位以及遥感商业计划会不断增长之外,这将引发新兴非传统商业航天计划的爆炸性增长。

到2030年或以后,在总量上,这些商业计划的规模将会超过所有的政府空间计划——在空间系统的总投资上,在每年发射次数上,在轨总质量上的,以及在轨的基础设施上。未来的商业航天计划作为一个整体,将代表着第二次工业革命——但是这一次,是在太空中。

这些商业航天计划及其地面与空间基础设施,将迅速成为美国经济的重要组成部分,提供能源、信息、产品和服务,许多人和企业将依赖于这些资源。此外,美国国防和情报机构平时也可以使用这些资源,甚至为这些机构的战略和战术目标提供支持。此外,我们想象不到的新商业计划及其新用途也将出现。出于所有这些原因,未来的商业计划将成为国家安全不可分割的部分,也需要得到保护,就像机场、飞机、火车等关键基础设施一样得到保护,免受攻击。这也是太空理论必须考虑的一点。

市场竞争和行业调整

约2010年后,航天发射服务有了新的私企提供商的出现,这给已有的较为封闭的市场带来了巨大的价格压力。早在2013年12月,SpaceX公司首次以低廉的价格将载荷发射到地球同步轨道,这给自2009年起就持续的低价发射提供了额外的信用背书。由SpaceX公司提供的低价(以“猎鹰”9 v1.1运载火箭将载荷发射入轨的单位价格低于每磅2500美元,以“重型猎鹰”火箭将载荷发射入轨的单位价格则低于每磅1000美元),特别对于在地球静止轨道(GTO)运行的通信卫星,这样的市场压力导致其竞争对手寻求不断降低自己的价格。

首先感到压力的是欧洲同行。2013年之前,通信卫星发射市场几乎被由欧洲阿丽亚娜宇航公司主导,该公司的主力运载火箭是“阿丽亚娜”5和使用俄罗斯“质子”火箭的国际发射服务(ILS)机构。2013年 11月,为了应对SpaceX公司在全球航天发射市场的扩张,阿丽亚娜宇航公司宣布了对轻量卫星采用新的灵活定价方案。随后在2014年初,阿丽亚娜宇航公司又要求欧洲国家政府对其进行额外补贴,以应对来自SpaceX公司的竞争。

2013年底,马斯克声称发射进入地球低轨道的费用为5650万美元,他说:“‘猎鹰9火箭已经是业界最便宜的了。下一步试验的可重复使用的‘猎鹰9将能把现有价格降低了一个数量级,激励更多的初创型私企投入这一产业,从而将进入太空的成本进一步降低,达到规模经济效应。”2014年,“猎鹰”9火箭进入地球同步转移轨道(GTO)的定价约为1500万美元,这比中国长征3B火箭的费用要低。尽管SpaceX公司的报价一般要比长征系列火箭的价低,中国政府和长城工业公司仍然将发射通信卫星的报价定在约7000万美元。

面临持续的“激烈的价格竞争”,七家欧洲卫星运营企业包括世界四大年收入最多的公司于2014年4月向欧空局申请,“采取立即减少‘阿丽亚娜5火箭发射成本的举措,从长远来看,让下一代的‘阿里亚娜6火箭更适于发射小型卫星。如果欧洲要保持住现有的市场份额,欧洲的现有航天运载工具就要进行大量改进,以保持价格有竞争优势。在短期内,SpaceX公司采取的对小型卫星颇具吸引力的价格政策似乎也对“阿丽亚娜”运载火箭保持强劲发展和市场青睐是不可或缺的。在2013年和2014年初的竞争性报价中,SpaceX公司赢得了许多原本“是欧洲阿丽亚娜宇航公司板上钉钉的客户群,吸引他们的是每次发射6000万美元或更少的价格。”

2014年6月,阿丽亚娜宇航公司首席执行官伊斯里宣布欧洲宇航行业已经开始着手提升竞争力,以应对SpaceX公司近期的市场扩张,这包括阿丽亚娜宇航公司最大的两家股东(运载火箭制造商空客集团和发动机制造商赛峰公司)成立一家新的合资公司:运载火箭制造商空客集团和发动机制造商赛峰集团。没有具体的细节变得更有竞争力,当时公布。2015年,欧洲多国宇航机构——欧空局(ESA),正在加快重组步伐,以降低发射和卫星成本。

2014年8月,全球营收第3大卫星服务运营商Eutelsat公司表示,预计未来3年间其每年花费减少约1亿欧元,这主要归功于较低的发射价格,以及通信卫星采用电力推进方式。该公司表示,他们使用从SpaceX公司得到的服务,而不是之前的阿丽亚娜宇航公司。2014年11月,SpaceX公司已经从阿丽亚娜宇航公司手中夺取了“相当数量的市场份额”。Eutelsat公司首席执行官米歇尔罗森说,在参考ESA开发“阿丽亚娜”6火箭的过程中,“每过一年,我们就能看到SpaceX公司在进步,获得更大的市场份额,通过规模经济效应进一步降低了成本。”2014年12月,欧洲政府研究官员们批准了研制新的“阿丽亚娜”6火箭,宣称将突出“制造和运行费用的廉价”和“更现代的生产工艺和简化的集成能力来降低单位成本”加上“可以根据各种卫星和任务类型模块化设计的火箭,以便经受更频繁使用带来的经济性。”2016年初,阿丽亚娜宇航公司预计发射新火箭的价格为9000万~1亿欧元,这将是“阿丽亚娜”5火箭2015年发射价格的一半左右。

根据阿丽亚娜宇航公司总经理的说法,“公司承受着来自SpaceX公司很大的竞争压力。因此,整个欧洲同行业需要进行重组、合并,合理化和简化的变革。” 空客集团(“阿丽亚娜”5火箭的制造商)首席技术官简·博迪警告说,“那些不把艾龙·马斯克当真的人将会有很多麻烦事。”

空客公司于2015年宣布,他们将在硅谷开设一个研发中心和风险投资基金。空客公司首席运营官法布里斯·布莱耶说:“当我们谈论创新创新时,空客公司这样的大型集团的弱点是什么?我们通常相信我们有比世界上其他公司更好的想法。我们对我们掌握的技术和平台充满自信。但在汽车工业、航天工业和高新技术产业领域,他人的成绩表明这不是真实的。我们需要对他人的想法和创新保持开放的态度。

空客集团首席执行官汤姆·恩德斯表示,“大公司做的唯一途径是在主营业务部门外建立新的业务部门。为此,我们允许并鼓励试验性行动……我们已经开始这样做,但没有先例……这需要一点点的试验和犯错。我们都觉得受到互联网公司的挑战。”

在SpaceX公司2015年6月发射失败后,“阿丽亚娜”运载火箭的部分载荷因低价、灵活性大,欧空局圭亚那航天中心太空港运营费用的削减都使阿丽亚娜宇航公司重新夺回了商业发射合同的竞争优势。SpaceX公司于2015年12月成功回收火箭的创举没有改变的阿丽亚娜宇航公司愿景。阿丽亚娜宇航公司首席执行官伊斯里表示,“可重复使用火箭所面临的挑战并没有消失。高度穿越大气层时,一级火箭或发动机结构所受到的压力;为储存返回燃料而不能发挥火箭的最大动力;需要许多年发射尝试,才能达到规模经济效应,这些都是未决的问题。”

同样面临SpaceX公司市场竞争的是美国最大的航天发射服务提供商——联合发射联盟(ULA),该公司于2014年宣布了重组发射业务的战略转型——将两种运载火箭削减为一种,同时实施反复和渐进发展项目,以在未来10年内制造出一种部分可回收、更廉价的运载火箭。ULA的组建背景可以追溯到冷战时期,美国航天工业的过量建设使得政府重金研发两种用途类似但是结构不同的火箭,一种是波音公司的“德尔塔”系列,一种是洛马公司的“宇宙神”系列。由于冷战结束后发射需求减少,但发射成本则暴涨。ULA的组建目的也是为了促成火箭制造通用化来降低成本,更重要的是自恃为军方唯一合作的垄断机构,可继续向政府伸手要钱。

一直以来,ULA获得的商业卫星发射订单都比其发射美国军方载荷订单要少,但公司首席执行官托瑞·布朗诺相信,新的廉价火箭能在商业卫星发射领域取得优势和成功。美国联邦审计署预计ULA给美国政府每次发射火箭的平均成本已经上升到约4.2亿美元。2015年5月,ULA宣称,如果不能赢得商业和民用卫星发射订单来抵消美国军用和间谍卫星发射的削减,公司将会走到破产的地步。

SpaceX公司一直是“行业内的廉价供应商。”然而,在美国的军事载荷发射市场,自从2006年洛马公司和波音公司合资组建ULA后,它有近10年没有面临任何竞争。ULA从未和SpaceX这样的公司正面交锋过,坦率地讲,别的火箭发射商也没遇到过这样的对手。每一次SpaceX都会追逐一部分市场份额,每个人都说这家公司不可能做到,然而事实证明它能做到。SpaceX公司也颠覆了美国传统的军事航天发射秩序,这被航天专家称为一种垄断,也受到一些国会议员的批评。2015年5月,SpaceX公司的“猎鹰”9 v1.1火箭经由美国空军认证,可以参与竞争发射对美国国家安全至关重要的昂贵卫星资产。

随着廉价航天发射服务提供商的出现和ULA逐年增加的发射成本,人们越来越将关注的焦点落在ULA从美国政府那里获得的发射订单,以及政府为维持其发射能力而提供年度拨款10亿美元。尤其是美国空军竟然没有通过竞标过程,就向ULA购买了36枚火箭,以进行多达28次发射任务,这项合同总金额为110亿美元,引来同业竞争者SpaceX公司的抗议。SpaceX公司声称ULA的发射成本约为每次4亿6000万美元,并给出9000万美元报价提供类似的发射服务。作为回应,ULA前首席执行官米迦勒·伽斯说则称,ULA的平均发射成本为2亿2500万美元,并在未来会降低至1亿美元。

2015年3月,ULA首席执行官托利·布朗诺在国会公开了这项合同的金额,以便“澄清误解”。据他称,SpaceX公司提到的 110亿美元不仅包括36枚火箭(28次发射任务),还包括另外50次任务。实际合同框架之一是耗资64亿美元制造50枚火箭,另一项是制造28枚火箭,以及第三项价值69亿美元发射所有78枚火箭的合同。ULA发射每枚火箭的实际成本为2亿2500万美元,最小花费为1亿6400万美元,“宇宙神”V 401火箭的成本与“猎鹰”9 v1.1火箭相近,而最昂贵的是4亿美元的“德尔塔”IV重型火箭。

2016年3月,ULA工程副总裁布拉特·托比公开承认,在制造火箭的成本上难与另一家私人火箭公司SpaceX竞争,且透露ULA在去年空军合同的竞标中有欺瞒成分。ULA作为美国军方唯一的火箭供应商,该言论引起来自军方和国会对ULA的调查。托比旋即在隔天引咎辞职。

自ULA欺瞒美国军方事件曝光后,ULA总裁立刻在网上发出推特文,驳斥托比的言论,并借机澄清公司欢迎竞争。面对SpaceX的低成本竞争,ULA也声明会降低自己的生产成本来维持目前的火箭发射订单。值得一提的是,目前ULA使用的火箭发射发动机制造商来自俄罗斯。自2013年乌克兰危机之后曾中断过供应,但不久后恢复。从政治风险、国家安全和生产成本来考虑,SpaceX自然是首选。然而从技术层面,与军方合作多年的ULA集团仍旧积累着多年领先的技术专利。至于SpaceX日后能否避免ULA尾大不掉的情况,仍需要持续观察。

当SpaceX公司的“猎鹰”9火箭于2015年12月首次成功完成发射和回收后,某投资银行的股票分析师杰夫里估计,“猎鹰”9号火箭发射卫星的成本可能会在该公司通常报价6100万美元的基础上减少约40%,而SpaceX公司对此技术的预测只是30%。

早在2014年8月,媒体指出美国航天发射市场在2020年代可能有两种超重型运载火箭竞争,它们能将至少100吨重的载荷送入低地球轨道。目前,美国政府正在研发的太空发射系统(SLS),是一种载荷70~130吨的重型运载火箭。在商业方面,SpaceX公司正在开发一种超重型运载火箭,它能将100吨重的载荷送入地球轨道。SpaceX公司已经淡化参与SLS项目竞争的可能。然而,若SpaceX公司的超重型运载火箭在未来几年取得进展,美国的两款超重型火箭将形成激烈的论战将不可避免,尤其在政治层面。

除了提供发射服务合同的降价,发射服务提供商也在转型以满足不断增长的行业内竞争压力。ULA已开始对任务流程和劳动力进行大规模重组,以便减少50%的成本。2015年5月,联合发射联盟又宣布将裁撤30%的高管,即12名高管。当该公司努力寻求削减成本和扩展新市场的时期,管理层裁员是“开始重大重组和重新设计的开始”。

此外,作为美国航天发射的“国家队”,ULA公司也将在技术创新中做出反击。2016年4月,美国航天基金会主办的国家航天年会上,ULA总裁兼首席执行官托里·布鲁诺提出区别于SpaceX公司的火箭再回收方案。他说,目前大部分航天企业,如SpaceX公司刚刚成功回收的“猎鹰”9火箭都将注意力集中在回收第一级火箭上,但ULA计划在其下一代运载火箭“火神”上将采用上面级火箭在轨复用技术,该火箭的上面级火箭将可以在轨重新加注燃料,然后与其他在轨载荷结合,以执行更复杂的太空任务。

布鲁诺表示,他们希望绕过可回收火箭的主要难题,让火箭穿过大气层重返地面:“我们有了一个主意,你瞧,为什么要把它带回地面,为什么不直接(在太空中)重新使用?”他说:“为什么不让它留在太空里?”在这个时期发布“火神”火箭的可复用新技术可能是其对竞争对手的一个回应。此前,ULA已经宣布其“火神”火箭的第一级火箭发动机可通过降落伞回收。

目前,ULA的主要运载火箭“宇宙神”5的上面级,也就是“半人马”火箭,可以在太空中工作7~8小时,这可以让ULA直接将太空飞行器送入地球同步轨道。布鲁诺称,“火神”火箭将采用新的先进低温渐进式上面级(ACES),将有足够的燃料在轨工作7~8天。这将允许ACES在太空中执行多次任务,例如太空交汇和对接,如果能够进行太空加油,其寿命还能进一步延长。布鲁诺表示ULA的计划是建造一个ACES组成的上面级火箭“加油机群”,可以在太空中为彼此加注燃料,以取得最佳燃料利用率。这一能力将让一些复杂的太空任务成为可能,例如“分布式载荷”,也就是将航天器部件分别发射入轨,然后在轨组装。

南安普敦大学的研究员克莱门斯鲁姆夫认为全球宇航工业在“一个旧世界中发展,它的发展资金是由政府提供,从而为航天工业提供了一个稳定基础。这种稳定倾向于不愿冒险发展新技术。”因此,SpaceX公司的出现让其他业内的大公司吃了一惊,因为这些大公司对发展颠覆性的宇航技术不以为然。SpaceX公司表明,过去30年间的技术积累已经足够发展新的、足以改变游戏规则的航天发射手段。”

SpaceX公司与阿丽亚娜宇航公司和ULA之间的较量,堪称商业航天发射市场的“泰坦之争”。但商业航天发射市场尚有留给小微私企发展的足够空间。与那些大公司将客户瞄准造价数亿美元的商用、军用卫星相比,小型卫星的发展方兴未艾。根据《2015年太空情报报告》预测,到2020年,重量低于50千克的小型卫星将占到所有卫星发射数量的75%。仅在2015年就有175颗小型卫星升空。美国行星实验室公司于2014年1月发射了28颗微型遥感卫星,组建了全世界最大的遥感卫星群flock-1。公司预计未来3年内,这一卫星数量将达到131颗。

对于暴涨的小卫星发射市场,出现了专司发射小卫星的发射方式和发射企业。原因如下:除了军用型号,较多时候微小卫星/小卫星是作为次要的第二载荷进行搭载发射。考虑须适应主星的发射条件、对载具的技术状态影响降到最小等限定因素,可供选择的搭载机会并不多;若依靠大卫星搭载发射,小卫星难以进入理想的轨道;微小卫星虽然体形小巧,但把它送上天也并不便宜。微小卫星的发射成本约每千克2万到3万美元。现在国外一些公司正试图将这一成本降到每千克1000美元,但要真正实现,还需时日;由于起点低,初创企业要涉足航天发射领域,往往从小型运载火箭做起。SpaceX公司最初的太空发射业务就是从“猎鹰”1小型火箭起步。现在,诸如火箭实验室公司,维珍银河公司都涉足小卫星发射业务。

致力于小型卫星发射市场的萤火虫航天系统公司宣布,该公司正在研发一种将来会用于其“萤火虫-阿尔法”火箭两级同的燃烧室。

FRE-R1发动机是一个探索型号。采用液氧/煤油燃料,但燃烧室的基本设计也可以使用甲烷作为燃料。火箭上面级使用FRE-1的改型,可产生7000磅力(约31.1千牛)推力,第一级为有着簇状燃烧室的FRE-2发动机,可产生125000磅力(556千牛)推力。

“萤火虫-阿尔法”火箭设计目标是将约400千克卫星载荷送入近地轨道,单次载荷发射费用为900万美元。本次试验系列成功验证了发动机的起动、关闭及稳定状态下的燃烧。该试验也可证明“萤火虫”的试验场具有完整的功能性。接下来的发动机试验将重点测试性能调节和长时任务循环的运行。FRE-2的首次点火试验预计将在2016年初进行。

而另一家创业私企,火箭实验室公司打算将仅重220磅(约100千克)的小卫星送入近地轨道,每次发射要价仅为490万美元。这种火箭的发动机之所以节省成本,奥妙在于它将昂贵的涡轮泵发动机换成了结构简单得多、由锂聚合物驱动的电动机,与3D打印的零部件相结合后,它就能将火箭的成本、复杂程度和重量显著降低。在传统的液体燃料火箭发动机中,涡轮机械将精确配比的液体燃料和液氧泵入发动机的燃烧室后,两者混合燃烧来产生推力。这些涡轮泵由极其复杂的部件构成,这些部件又需要自己的发动机高效运行才能让发动机的其他部分有效运转。这类发动机还因故障频发而饱受诟病。电池能效和添加物制造技术的突破,使这种火箭及其发动机应运而生,但贝克表示,火箭实验室的动机并不是打造最聪明、技术上最精密的火箭。

发射频率是火箭实验室公司商业计划中很重要的一块。火箭实验室公司能把小型载荷完全放在一枚火箭上,几周内即可发射,将来它或许就能按照市场所需频繁发射。一旦这类卫星的发射成本和搭载在较大火箭上发射的成本相当,它们就能升入轨道并开始产生价值。鉴于小型卫星产业正以两位数的年增长率快速发展(2014年约有150颗小型卫星升空,2015年及以后预计会有更多),一枚价值500万美元的火箭可以获得一个更健康的细分市场。今年,火箭实验室公司将继续测试其电动火箭,首次商业发射预计将在2016年底进行。

追求新兴产业和市场是资本的本性,新兴航天产业也备受私人资本青睐。风投公司(VC)在2015年向商业航天初创型公司投资了18亿美元,这是将近前15年产业内投资总和的两倍。根据宇航产业分析机构金牛座集团(Tauri Group)最新发布的报告,航天产业创业公司在2015年跨过了一个重大的拐点,众多风投机构争先恐后地向这些年轻的创业公司进行投资。

现在,随着SpaceX等私企取得了显著的成功,更多投资者也开始将航天领域当成类似传统的科技领域来看待——他们认为航天领域也可以迅速将产品投入市场,并在相对较短的时间内产生收益。不过这些产品和收益更偏重于信息方面。

“SpaceX打开了这扇门,但是真正为行业带来投资的是数据。”金牛座集团执行董事克里斯坦森指出。很多创业公司,比如行星实验室公司、地图盒子公司、黑色天空环球公司和轨道洞察公司等,都把自己定位为一个天基数据链的角色,他们要么制造和管理着一批小型地球测绘卫星,要么就是在分析这些卫星搜集的数据。这种小型卫星只要数量上部署得足够多,就能定期实时提供全球的岛瞰图像。同时这些公司提供的数据还可以用来监测全球的经济活动。

投资者们认为,这些数据还有很多价值没有被开发出来,这些价值,再加上小型卫星零部件成本的下降,导致了投资者对年轻的航天创业公司的态度也发生了转变。克里斯坦森认为,在将来一段时间,最重要的问题是,哪些公司能够迈出当前的“待产出”阶段,开始产出风投机构真正期盼的投资收益。

报告显示,从2000年到2015年年末,航天领域创业公司共获得133亿美元投资,包括29亿美元的风险投资。其中有18亿美元,即三分之二的风投资本是在2015年发生的。风险投资的大量涌入,说明投资者对航天领域的认知发生了转变。

2015年注入商用航天领域的一些重大投资非常值得一提。这些重大投资指的是靠天使投资和风险投资起家的创业公司所获得的种子资金、风投或私募投资,包括谷歌和富达向马斯克的SpaceX投资10亿美元,卫星通讯公司OneWeb的A轮5亿美元融资,以及亚马逊创始人贝索斯为其蓝色起源公司进行的重大投资等。

研究还指出,2015年其他50多家风投机构也向航天企业进行了投资,这表明一向被人们认为风险过高、收益太慢的航天领域,已经成了风投界眼中的热土。非航天行业针对航天领域的投资行为的确达到了史无前例的水平。对于这些创业公司来说,2015年是投资额非常大的一年。

新蓝海——近地小行星采矿

2013年1月15日,一颗编号为2012DA14,直径45米左右的小行星从极近处飞掠地球,距离最近时仅有27000千米,甚至比同步卫星的距离还近。恰巧在同一天,俄罗斯车里雅宾斯克遭遇了一场突如其来的陨石雨,陨石在空中爆炸引发的冲击波震碎了当地房屋的门窗玻璃,并导致1200余人受伤。这两次事件加深了人们对地球未来遭遇小行星撞击的忧虑,不过也引发我们思考这样一个问题:能不能将这些危险的“不速之客”变害为宝,让这些“送上门来”的宝贵资源得到充分利用呢?

事实上,利用小行星上的宝贵资源造福人类这一想法由来已久。小行星是太阳系早期的孑遗, 目前已知太阳系内共有70万颗以上的小行星,其中90%以上分布在火星和木星轨道之间称为“小行星主带”的区域,其余则散落太阳系各处,有的还经过地球附近,对地球的安全构成潜在威胁。通过对小行星的光谱以及对落在地球上的陨石进行分析,科学界目前将小行星划分为石质、碳质和金属等多种类型。这其中,金属型的小行星主要由铁、镍构成,并含有多种金属元素,特别是铂、钴、铑、铱、锇等珍稀金属。

据亚利桑那大学的约翰·刘易斯教授分析,直径仅1千米的普通小行星重达20亿吨,其中含有2亿吨铁,3000万吨高品质镍,150万吨战略金属钴以及7500吨铂系金属混合物,单单铂的价值就高达1500亿美元。事实上,地球形成时这些密度较大的金属元素大都沉入地核,现今能找到的重金属矿藏有许多正是后来小行星撞击地球表面的产物。在全球金属消费量日渐攀升,地球金属资源即将耗竭的今天,设法开发小行星蕴藏的金属资源显得尤为必要。

开发月球、火星等星球而言,开发小行星资源具有显著优势:小行星的重力几可忽略不计,大大方便了飞船起降和采矿设备的建设,还可为高技术产业研发提供低重力环境;小行星的总数巨大,总表面积大,化学组成多样化,可提供不同的资源以供开采利用:珍稀金属可运回地球,普通金属可就地利用,用于搭建太空中的采矿营地及居所;碳质小行星上富含的水冰可分解成飞船所需的氢氧燃料,或用来满足航天员的生活需要,降低太空采矿的成本。

然而,小行星的低重力环境也是一把双刃剑,加之缺少磁场、大气层和臭氧层,无法屏蔽太阳及宇宙辐射,对航天员的健康构成严重威胁;主带小行星距离太阳十分遥远,太阳能的利用率只有地球附近的几分之一至十几分之一; 大多数小行星的结构疏松,开采和利用较为低效;主带小行星遭受陨星撞击较为频繁,可能很容易将辛苦建成的营地摧毁。这些都是开发小行星资源不得不面对的问题和挑战。

要开采一颗小行星,首先要选好目标。初期的太空采矿理所当然会把近地小行星作为首选目标。在小行星上着陆,需要将锚链像炮弹一样发射出去,牢牢钉死在小行星表面,再逐步收紧锚链使飞船降落。由于主带小行星距地球有数十分钟的通信时差,将采矿完全交由自动机械来做似乎不太靠谱,可能需要建设采矿监视站,由专业人员定期巡视并维护。最后,还需要考虑如何将开采得到的矿物运回地球。目前所设想的运输方案主要有直接运送矿石回地球,就地冶炼后运回金属,甚至将小行星整体拖曳到绕地轨道再行开采。相比运送矿石,运回金属可大大降低运输成本,但需要将冶炼设施先行运至采矿地点。最后一种设想看似离谱,但以现有的技术手段并非无法做到,且俘获来的小行星可为建设太空补给站提供平台,同时也能为未来地球防御小行星撞击事件进行先期的技术储备与实践。

截至目前,人类对小行星还仅仅停留在零星的无人探测阶段。第一次对小行星的近距离探测始于美国1989年发射的木星探测器“伽利略”号,它顺路拜会了两颗小行星“加斯帕”和“艾达”,并发现后者有一颗卫星。第一个专门的小行星探测器“会合-舒梅克”号在1996年发射,它在拜访小行星“梅西尔德”后环绕并降落在爱神星上。2010年,日本于5年前发射的“隼鸟”号在小行星“丝川”登陆采样后,克服千难万险成功返回,首次将小行星的样品送回地球。目前尚有美国的“黎明”号,它于去年7月结束对灶神星的考察前往谷神星,预计2015年到达。与世界领先水平相比,我国在小行星探测领域才刚刚起步。2012年12月13日,“嫦娥二号”在距离3千米处飞掠4179号小行星“图塔蒂斯”并用太阳翼监视相机拍下近距离清晰影像,从而实现了中国小行星探测 “零”的突破。

但更大胆的行动也正在策划当中。美国行星资源公司于2010年11月成立,并已得到谷歌首席执行官拉里·佩奇与著名电影导演詹姆斯·卡梅隆等众多富豪的资助。它的目的是要借开发与实践小行星采矿的技术“扩大地球的天然资源基础”。为了实现自动化小行星采矿这项长远目标,该公司现已开始制造用于观测小行星的太空望远镜,下一步将遣送探测器到选定的小行星附近进行勘察。目前,该公司的第一个太空飞行器A3R已经成功部署。A3R飞船演示了几个关于轨道飞行控制的几个核心技术,比如控制系统、飞行软件、电子设备等,行星资源公司希望A3R飞船能够在未来进入太阳系深处对富含贵金属资源的小行星进行勘察,掌握太阳系内丰富的小行星资源,为大规模开采小行星提供前期的技术支持。

与此同时,另一家深空工业公司也跃跃欲试,计划在两年内发射第一架名为“萤火虫”的无人探测器。深空工业已经拟定了太空采矿“四步走”方案。首先,科学家们会发射体型相对较小的卫星接近小行星,利用摄像头和成像系统来判定它们的物质构成和矿产资源潜力;随后,更大型的无人驾驶飞船会登陆小行星收集矿物,将其带回近地轨道;第三步,飞船上的相关设备将“就地”对这些原材料进行加工,继而为最后一步的太空制造业奠定基础。

开发小行星资源将为人类带来怎样的机遇与挑战?《赶往火星》一书的作者罗伯特·祖布林认为,未来地球、火星和小行星带之间有可能形成新时代的“三角贸易”:将高技术产品从地球运去火星,将低技术生产和生活用品从火星送往小行星,最后将开采小行星获得的金属矿物带回地球,如此可大大降低主带小行星的采矿成本,并将使人类文明冲出地球,放眼太阳系。不过,随之而来的太空政治化,以及将珍稀金属大量运回地球可能引发的金融动荡等一系列后果也发人深省。无论如何,铂系金属的广泛应用至少将大大推动以此为催化剂的化工、环保和制药行业,给我们带来更廉价的药物,更好的生活质量和更洁净的天空。

但除去技术和资金难题外,此项目还面对一系列法律问题。1967年,联合国制定了《外层空间条约》,禁止任何人将太空领域“据为己有”,获得了103个国家的批准。不过,开采资源运回地球似乎就另当别论了。美国曾尝到第一口鲜,从月球上带回了约合382千克的岩石,目前已成其财产。其他国家尚未对此提出异议。

现在,情况有了新的变化。2015年11月25日,美国总统奥巴马签署了由美国国会审核通过的《美国商业太空发射竞争法案》,该法案正式成为美国法律。该法案是一个前瞻性的法案,涉及美国在太空领域探索的诸多方面。美国承诺在未来10年内加强对国际空间站的投资,将国际空间站寿命从2020年延长至2024年,以保证相关商业计划和科学实验的正常进行。此外,该法案还取消了此前美国法律对航天领域私人企业的种种法律限制,赋予私人太空采矿权。

在线网站TECE TIME引述法案内容称:“任何参与小行星或太空资源商业复苏计划的美国公民,都有权获得在小行星或太空的任何资源,包括根据使用法律获得的拥有、运输、使用、销售小行星及太空任何资源的权利。”同时,法案也明文规定,商业开采的范畴仅限于没有生物存在的小行星,“如果商业探查机构在小行星上发现生物,就算是微生物,也不能利用该行星资源来进行牟利,否则将受到严处。”

另外,法案还同时规定,若没有重大事故发生,联邦航空管理局(FAA)无权干涉私人太空旅行行业;反对私人太空旅游公司让付费游客自己承担旅行风险。在法案获得通过后,行星资源公司联合创始人埃里克·安德森立即发文称:“多年之后,当我们回看法案获得通过的时刻,你会发现它是历史上多么关键的一步,它开启了将人类文明传播到地球之外的伟大进程。”

人类在探索太空的过程中发现,近地轨道上,有9000余颗小行星,它们中的许多贮藏着难以预估的水资源和贵金属资源。“一旦这些资源能为人类所利用,人们将不用再为快速消竭的地球资源而担忧。”安德森在上述文稿中称。

私人企业与政府背景美国国家航空航天局(NASA)的最大区别在于,它既要以人类进步为己任,又需要盈利以支撑进一步的发展。新法案对这些私人企业是无疑是一个利好消息。在获得美国法律支持之后,他们所需要做的,就是解决项目所需的大笔资金以及攻克技术难题。

不过,外界认为该法案与1966年联合国大会通过的《外层空间条约》相违背。《外层空间条约》指出,任何国家不得将太空的任何部分据为己有,所有国家对外层空间的利用,必须是和平用途。而美国也是《外层空间条约》的签署国之一。