领跑太空2.0时代

2016-11-29 13:37:18 航空世界 2016年10期

蒿旭

项目篇

自2011年退役全部航天飞机以来,美国向国际空间站运送宇航员一直在搭俄罗斯人的“便车”。根据2015年数据显示,NASA要花4.9亿美元购买“联盟”号飞船2017年的6张“船票”,即单张8200万美元。相比之下,2011年美国首次买俄罗斯“船票”的时候,单张是4300万美元,相当于翻了一倍!于是,NASA想把这些航天运输的日常任务“外包”给私人公司,好让 NASA 能把有限的经费都用在更加雄心勃勃的计划上。在NASA发布一系列商业航天运输项目后,已经有几家私企成长为可靠的承包商,可以毫不夸张地说,其中某些公司正在悄然改变世界航天运输产业的竞争版图。

美国航天工业的商业传统

美国的航天运输(含载人航天)始于冷战,但美国并没有走类似苏联倾全国之力的老路,而是通过商业合作,几乎把所有工作都“外包”给了商业公司。1958年10月7日,NASA的首位领导人基思·格莱南批准了美国载人航天计划,任务名为“水星计划”。当年12月29日,北美人航空工业公司被授权开发“小乔伊”火箭做测试飞行之用。次年1月,麦克唐纳飞机公司被选为制造“水星飞船”的主承包商。除了火箭和飞船这两个主体设备外,飞船的烧蚀热防护盾防护盾和“水星”飞船的追踪系统合同分别被交付给了通用电气公司和西电公司。这些公司通力合作,最终在1962年2月20日将宇航员约翰·戈林送入了太空。

被称为“奇迹”的“阿波罗”载人登月计划,奇迹的主要缔造者仍然是商业公司。登月计划中,有四个主要设备:指令舱、服务舱、登月艇和月球车,多家公司凭借各自的技术优势完成了这些设备的研发制造。其中北美航空工业公司依靠自己在“水星计划”中的表现,拿到了指令舱和服务舱的合同,负责将宇航员送到月球轨道而后再接回地球。而从月球轨道到月球这一段路需要的登月艇,则由格鲁门航空太空公司负责设计和建造。“阿波罗计划”后期使用的“月球漫游车”是一款4轮车,自1969年5月开始研制,由波音公司承包(通用汽车公司旗下的Delco公司作为次级承包商参与研制),研发费用共计3800万美元。

美国首个可供人类长期在宇宙空间驻留的空间站“天空实验室”,由于正处于“阿波罗计划”向“航天飞机”计划的过渡期,预算缩紧,所以负责空间站建立、控制系统和空间站运输任务的几家公司多是阿波罗计划的参与者,包括波音、北美航空、道格拉斯飞行器公司以及IBM,而制造成本也是一压再压。到1973年5月,在NASA和几家公司的合作下,用“阿波罗”计划剩余工料制造的空间站被命名为“天空实验室”,“土星”火箭将其发射到太空。当然,接棒“天空实验室”的“航天飞机计划”的研制方仍然是商业公司,这个人类首个可循环使用的太空运输工具由罗克韦尔完成。

到今天,国际空间站的美国部分仍然是商业公司的天下。在国际空间站的前身“自由空间站”计划时,NASA就宣布了与波音公司、通用电气公司和洛迪恩推进动力公司的合同。随着国际空间站的建造,越来越多诸如SpaceX这样的商业公司也随之加入。NASA的几乎所有项目都会面向美国各大航天技术公司公开招标:一般NASA会提前提出项目的基本需求,而后各公司会根据自己的技术能力制作出相应的标书,在NASA评估之后,选出最符合要求的企业,进一步敲定合同细节。

而一些所需投入较低的招标计划,甚至会引发全美的设计竞赛,不但公司甚至个人都会参加。以2008年12月16日NASA约翰逊航天中心公布的“牵牛星”月球着陆器概念设计合同招标草案为例,这份合同将确定“牵牛星”月球着陆器的需求,获胜的设计方案将在不同研发阶段获得160万美元到2000万美元之间的合同。这份标书,最终成为了全美“技术宅”和商业公司的设计盛宴,各种着陆模型让NASA应接不暇。

除了政策、资金的支持,NASA、美国空军对新兴商业航天企业进行了大量技术扶持与转移。NASA利用自身技术优势加强对SpaceX公司的技术指导,通过直接派驻技术人员和专利转让等方式帮助其发展和验证关键技术;NASA开放了“阿波罗”计划的部分技术支持新兴商业企业参与空间活动,如“猎鹰”系列火箭的“灰背隼”发动机采用了“阿波罗”计划登月舱下降级发动机的喷管;美国空军将夸贾林群岛的里根试验中心发射场、范登堡空军基地的SLC-40发射场提供给SpaceX公司用于发射“猎鹰”火箭。

太空法案协议:助力私企更上一层楼

为配合美国国家航天战略的调整,美国政府出台了一系列支持商业航天发展的具体规则和一揽子资助计划,主要包括太空法案协议(SAA)、商业载人航天与货物运输计划(C3P)、商业轨道运输服务(COTS)、商业补给服务(CRS)、商业载人航天方案(CCDev)和商业载人一体化能力计划(CCiCap)等。

太空法案协议(SAA)是NASA在国家航空航天法案中提出的一种关于航天合同授予方式的法律协议。该协议鼓励创新,以降低NASA微观管理上的繁琐程序,从而大幅节约成本。该政策的出台为SpaceX公司等新兴航天企业带来了福音,通过这项协议,NASA将数百万美元的资金集中到这些公司。由此,SpaceX公司跳出了纯商业环境的运作模式,快速成长壮大。但资金并不是SpaceX公司和其他新兴企业急需政府支持的唯一诉求,与NASA成为合作伙伴,对这些新兴企业吸引其他客户,以及华尔街和投资银行等传统投资方十分重要。NASA还帮助私有企业解决复杂的法规环境,这在未来对解决乘客安全问题十分重要。

商业轨道运输服务(COTS)计划、商业乘员发展(CCDev)计划均是这种类型的协议,它们通常并不受到联邦采办规则的制约。除了这两个协议,NASA还在商业航天运输能力(CSTC)计划达成了另外五项协议。

1.行星太空公司的“银色飞镖”升力体(由“加拿大之箭”运载火箭发射入轨)。

2.变形太空公司的可重复使用乘员运输载具(CXV)。

3.Spacehab公司的现有航天飞机改装的ARCTUS货运载具。

4.SpaceDev公司的“追梦者”升力体航天飞机。目前,该公司和相关项目已被内华达山脉公司收购。

5.星际服务国际公司的以俄罗斯现有技术制造的货运飞船。

所有3项太空法案,COTS、CSTC和CCDev都是含有对设计概念的开发、工程和测试,但CSTC协议与其他两项协议类型的重要不同在于NASA不向协议方提供资金支持。CSTC协议仅规定NASA将通过信息和设备共享,来增加与相关私企的合作,但这种规定并不意味着资金投入,双方(NASA和私企)在项目合作中需要各自承担费用负担。

商业载人航天与货物运输计划

继2004年发布《空间探索愿景》后,NASA开始采取实质性的行动来支持商业航天力量的发展。2005年,NASA制定了商业载人航天和货物运输计划,并专门成立了商业载人航天与货物运输计划办公室(C3PO)。该计划的任务是鼓励商业公司参与竞争,购买由这些公司提供的创新的、费用合理的国际空间站商业货物和乘员运输服务。

商业轨道运输服务计划

商业轨道运输服务是NASA用于向国际空间站运送航天员和货物的商业运输项目,旨在推动美国商业公司发展可靠的、投资少的近地轨道运输服务,营造商用航天运输市场环境,为政府和私人用户提供商业航天运输服务。该计划的最大特点是由NASA选定的商业公司研制航天器和运载器,并承担主要的研制费用,航天器和运载器归商业公司所有,NASA会随着需求的逐渐清晰签订任务合同。NASA帮助商业公司开发航天运输系统(包括技术和资金援助),并购买航天运输系统服务以支持国际空间站运行。该计划于2006年1月18日宣布,并成功地于2013年9月进行了满载货物的测试飞行。NASA已经提出,“2015年前后给国际空间站提供商业服务将是必要的。”

COTS是与商业补给服务(CRS)相关,但又相互独立的项目。COTS涉及运载器的开发,而CRS则涉及运输服务。COTS包含多个太空行动协议,而NASA则提供阶段性资金支持。COTS不包括具有约束力的合约。相反,CRS则涉及具有法律约束力的合同,这意味着供应商如果未能履行合同就要承担责任。商业乘员发展(CCDev)是一个专门针对开发人员的轮换服务的相关项目。它类似于COTS-D。这三个项目都由NASA的商业乘员和货物项目办公室(C3PO)管理运作。

NASA于2006年与SpaceX公司和火箭飞机奇石公司(RpK)签署协议,但后来又由于没有足够的资助资金,终止了与RpK公司的协议。NASA随后于2008年与轨道科学公司签署了协议。NASA于2008年12月分别向轨道科学公司和SpaceX公司授予对国际空间站的货运合同,这将用到他们公司各自开发的COTS货运飞船。

NASA关于COTS的最终报告认为,它是一个不合格的成功和未来的公私合作模式。相比NASA常用的基于“成本+”模式合同,如价值120亿美元的“猎户座”飞船合同,8亿美元的COTS投资是前所未有的高效,并诞生了“两款美国中型运载火箭和两款自动货运飞船”。不是采用官方运营的运载工具将补给送往国际空间站(ISS),NASA将向商业服务提供商支付5亿美元(低于一次航天飞机的飞行成本)资助其进行轨道运输的演示。与NASA任何先前项目不同,项目中的飞船是由商业公司自己所有,主要由其自投资金,并将服务于美国政府机构和商业客户。NASA将根据自己需求发放任务合同。

它需要更精确的入轨、对接和与其他飞船的靠泊,因此这比已有的商业航天运输更具挑战性。航天私企需要在以下几个特定的服务领域竞争:

能力水平A:外部未加压货物交付和处置

能力水平B:内部加压货物的运送和处理

能力水平C:内部加压货物的运送,返回和回收

能力水平D:运输人员(没有资金支持不资助,但构成了CCDev计划的基础)

项目起源

1990年代中期,NASA启动了一个名为“备用途径”的项目。而NASA只对该项目的初步研究进行了资助,这个项目使众多企业家相信,给国际空间站提供服务将成为一个重要的市场机遇。在载人轨道交通中止多年后,NASA得出观点:在自由市场中的私企能比政府官僚机构更高效且经济地发展和运作这样一个系统。时任NASA局长的米迦勒·格里芬表示,没有经济可承受的COTS,NASA将没有足够的剩余资金去实现太空探索愿景目标。

此外,如果这种服务模式在2010年底仍不可用,NASA将不得不考虑使用外国飞船的轨道运输服务,如俄罗斯联邦航天局的“联盟”号和“进步”号飞船,欧空局的自动运输飞行器(ATV)或日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的HTV飞船。NASA声称一旦COTS进行实施,它将不再购买俄罗斯的货运服务。2012年5月22日,NASA负责空间任务运营的副局长比尔·格斯登美尔证实,NASA已经不再从俄罗斯购买任何货物补给服务,将只依靠本国的CRS飞船——SpaceX公司的“龙”和轨道科学公司“天鹅座”;当然,个别特定载荷需要利用欧洲ATV和日本HTV的除外。

NASA预计2015年后对国际空间站的COTS是不可或缺的。NASA计划每年进行约5次发射,运输10吨货物。NASA局长认为,若COTS第1阶段证明是成功的,太空运输服务采购项目将可能扩大到轨道燃料补给站和月球运输。

第1轮

2006年5月,NASA挑选了6个进入半决赛的方案进行进一步评估。2006年8月18日,NASA探索系统任务理事会(ESMD)宣布,SpaceX公司和火箭飞机奇石公司(RpK)赢得了COTS第1阶段合同。NASA计划于2010年资助在太空行动协议中的获奖者。2006年11月8日,火箭飞机奇石公司和ATK公司宣布,后者将成为第1阶段的主要承包商。NASA于2007年9月终止了与火箭飞机奇石公司的COTS协议。NASA对该公司发出警告,称它未能在2007年7月31日之前筹集到足够的自有资金,于是就将COTS项目预算中剩余的1亿7500万美元授予其他公司。

第2轮

2007年6月18日,NASA分别与四家公司签署了不用清偿资金的太空行动协议。这些协议就包括无资金支持,但NASA同意与这些公司共同分享技术信息,帮助它们开发运载工具。

2007年10月22日,NASA对在第1阶段未发出的1亿7500万美元发布征询意见书。进入2007年11月最后期限的新竞标公司包括Spacehab、t/Space、安德鲁斯宇航、行星宇航和SpaceDev。2008年2月19日,第2阶段最终选定轨道科学公司的“天鹅座”飞船。NASA声称轨道科学公司要比波音公司的报价更低,并可用新的“金牛座”II中型运载火箭发射入轨,其他公司则被淘汰。按照原来5亿美元的太空行动协议,NASA在演示飞行阶段前还资助额外2亿8800万美元给两家公司。

项目结果

2013年11月,在SpaceX公司和轨道科学公司完成了设计、建造和发射一对新型火箭搭载的新型飞船之后,COTS项目圆满结束。NASA已经发布了COTS项目的历史自传,包括使用太空行动协议对项目发展的控制,以及对未来计划的教训等。

合同奖励

·奇石火箭飞机公司——最初被授予2亿700万美元合同;但其只收到3210万美元后,NASA在该公司未按期于2007年10月完成阶段性进展后就终止了合同。

·SpaceX公司——被授予2亿7800万美元合同;2011年,附加的阶段性成果使总合同总价值金额达到3亿9600万美元。 2012年5月22日,SpaceX公司的第2次COTS演示飞行测试完成了NASA与SpaceX公司达成的太空行动协议。3号“猎鹰”9火箭将“龙”C2 +飞船运送到国际空间站。在与国际空间站成功对接、靠泊和脱离后,飞船成功重新进入大气层,而后落入太平洋。

·轨道科学公司——在2008年2月COTS第2阶段竞标中被授予1亿7000万美元合同;2011,附加的阶段性成果将总合同金额提升到2亿8800万美元。2013年4月21日,“安塔瑞思”火箭首飞将模拟载荷送到低地球轨道(LEO)。2013年9月18日,“安塔瑞斯”火箭又成功将“天鹅座”飞船送入太空与国际空间站对接。

竞争者

2006年3月,超过20家私企组织提交了COTS投标书,其中有20家是公开披露。2007年11月21日,NASA又收到了7家机构的COTS投标书。

商业补给服务

商业补给服务(CRS)是由NASA于2008年~2016年授予以商业飞船向国际空间站运送货物和补给的一系列合同。首份CRS合同于2008签署,NASA向SpaceX公司授予价值16亿美元,共12次货运任务,向轨道科学公司授予价值19亿美元,共8次货运任务。任务期限至2016年。NASA于2015年通过与SpaceX公司签订3次附加补给合同,与轨道科学公司签订了1次附加补给合同,延长了第1阶段合同。第2阶段合同(CRS2)的征询建议书于2014年发布,第2阶段(CRS2)合同于2016年1月被授予轨道ATK、内华达山脉公司和SpaceX公司预计将于2019年-2024年实施。

SpaceX公司于2012年开始在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的40号航天发射台,以“猎鹰”9号火箭发射的“龙”货运飞船进行补给任务。轨道科学公司于2013年开始在弗吉尼亚州瓦勒普岛的中大西洋区域航天发射场0A发射台,以“安塔瑞斯”火箭发射的“天鹅座”货运飞船进行补给任务。

历史

最早于1984年和1990年颁布的美国公共法律,要求NASA在实施航天发射任务中考虑商业产品或服务。在本世纪初,一些更具体的国会授权法案开始对服务于NASA的商业项目发展进行资助,首先是货运服务,而后是为国际空间站运送航天员。运载火箭与货运飞船均是根据NASA的COTS项目下签订的太空行动协议开发的。

SpaceX公司于2019年6月4日进行了首次搭载模拟版“龙”飞船的“猎鹰”9火箭的发射。而首次与NASA签订的合同内发射,COTS第1次模拟飞行于2010年12月8日进行,这次任务演示了“龙”飞船的多轨道机动能力,与地面指挥相互收发信号的能力,以及与NASA的跟踪和数据转发卫星系统的窄带通信系统联网的能力。2011年8月15日,SpaceX公司称NASA将COTS第2次和第3次模拟飞行任务合并,即若两次模拟飞行任务均演示成功的话,COTS第3次验证测试就直接开始。

2012年5月22日,COTS第2+次模拟飞行成功完成, 并向国际空间站运送了货物,而后于5月31日在太平洋着陆后被回收。2012年8月23日,NASA宣布SpaceX公司已经成功完成签署的太空行动协议,随即NASA认证SpaceX公司可以开始CRS合同规定内的航天发射。SpaceX公司于2012年10月开始首次CRS飞行。2013年9月23日,轨道科学公司完成了COTS认证,首次CRS任务于2014年1月9日开始。2014年初,NASA开始启动CRS第2阶段(CRS2)的正式流程。

第一阶段任务

商业再补给服务合同的第1阶段(CRS-1)运输飞行开始于2012年并计划一直延续到2019年第2阶段合同开始。

·SpaceX公司

首次CRS任务,即SpaceX公司的CRS-1,原本定在2012年10月8日00:35 UTC(世界标准时间)从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地40号发射台发射升空。这是12次计划中的首次再补给任务。CRS-1于2012年10月8日03:03:52 GMT(格林威治时间)并实现在轨运行,与空间站对接并保持到当月28日。“龙”飞船随后重返大气层并成功溅落在太平洋。SpaceX CRS -2,即该公司进行的第2次CRS任务也于2013年3月1日成功发射。 SpaceX CRS-3,即该公司进行的第3次CRS任务,原定于2014年3月30日发射,但由于其东部发射场的一个雷达设施着火而延迟发射。最终,这次任务于同年4月18日成功完成。SpaceX CRS-4,即该公司的第4次CRS任务,原定于2014年9月20日发射,但由于恶劣的天气条件而延迟;最终于2014年9月21日1:52EDT(0552 GMT)从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。

SpaceX CRS-5,即该公司的第5次CRS任务,原定于2014年12月9日发射,但因为“天鹅座”飞船CRS Orb-3发射任务失败导致需要重新调整货运清单,静态点火测试中发现的技术问题,美国公众假期和员工安排调度,以及12月β角期间,温度和操作限制会不利于“龙”飞船靠泊空间站。发射再次被推迟到2015年1月6日。在距发射窗口时间1分27秒时,由于与第二级矢量推力发动机的驱动问题,发射被取消。发射最终于2015年1月10日成功完成。

SpaceX CRS-6,即SpaceX公司的第6次CRS任务,于2015年4月14日20:10:41从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射。

SpaceX CRS-7,即SpaceX公司的第7次CRS任务,原计划于2015年6月28日从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射。但任务以失败告终,第一阶火箭上升中发生异常,导致整个火箭损失。

·轨道科学公司

2012年9月,轨道科学公司在大西洋中部区域的航天发射场发射台上展示了它的安塔尔斯火箭,为在同年11月初的火箭在发射台上的热试车测试做准备。该型火箭成功地在2013年4月21日发射了首个试验载荷。

2013年9月29日,轨道科学公司成功地实施了首个COTS演示任务。由于软件故障,这个进度延后了一周时间;这是由NASA授予的开始轨道商业再补给服务合同的一个前期项目。随后,接着是CRS-1和CRS -2任务。

2014年10月28日,轨道科学公司在NASA的沃洛普斯发射场进行的第3次再补给任务(CRS-3)以失败收场。这是首次使用“卡斯特”30XL上面级的“安塔瑞斯”火箭发射,由于在安全区内船只而推迟发射。第2次发射尝试遭遇到刚刚升空就爆炸的灾难。火箭内的载荷包括:航天员所需的食物和个人用品、零件、实验用品和行星资源公司制造的Arkyd飞行试验卫星。轨道科学公司决定暂停“安塔瑞斯”100系列火箭的使用,并加速研发新的推进器。“安塔瑞斯”230火箭将安装新造的俄制RD-181第一级火箭发动机,以提供更大的运载能力和高可靠性。

在此期间,轨道科学公司已经与联合发射联盟签约,以后者的“宇宙神”V于2015年底进行CRS-4的发射。更大的升级版“天鹅座”飞船也将在这次以及以后的任务中露面。公司计划2016年还用“宇宙神”V火箭发射第2艘“天鹅座”飞船。“天鹅座”飞船将承担2016年第1、2、4季度(CRS-5/6/7)的飞行任务。3次中两次将用“安塔瑞斯”230火箭,一次用“宇宙神”V火箭。选择推力更强劲的“宇宙神”V和“安塔瑞斯”230,搭配空间更大的升级版“天鹅座”飞船,将使轨道ATK公司实现CRS合同中规定的载荷。

2015年8月间,轨道ATK公司透露,他们得到了3次延长再补给项目的补充任务。这些补充任务将促使NASA继续对国际空间站进行补给服务,直到商业再补给服务第2阶段合同进入实施中。Orb-8E飞行任务已初步被定在2017年6月12日,Orb-9E和Orb-10E飞行任务目前还没有公开时间表,但预计在2017年和2018年之间进行。

第2阶段任务

第2阶段商业再补给服务(CRS-2)合同的定义和征集期开始于2014年,其结果于2016年1月14日宣布。CRS-2发射任务预计于2019年开始,并延续到至少2024年。

已知有5家公司向NASA提交了竞标方案,它们是:SpaceX公司、轨道ATK公司、波音公司、内华达山脉公司和洛马公司。原先预计于2015年4月公布的竞标结果拖延到9月,而最终结果到2016月1月14日才公布。

CRS 1的承包商轨道科学公司和SpaceX公司均提交了CRS 2方案。另外,波音公司、洛马公司和内华达山脉公司也都提交了CRS 2方案。其中,内华达山脉公司将使用货运版“追梦者”航天飞机,即:“追梦者货运系统”。这个运载器包括用于抬升和垃圾处理的附加可抛弃式货运模块;而波音公司的方案将使用它的CST-100载人太空船的货运版。洛马公司的方案是一种称为“木星”的货运系统,实际上是与“火星大气和挥发演化任务”(MAVEN)以及“朱诺”太空船类似。“木星”飞船还有一个重要用途是能够在近地轨道部署卫星,同时承担货运补给任务,显然外界对“木星”飞船充满了期待,毕竟传统的补给飞船并没有部署卫星的功能。新方案采用基于欧空局的自主货运飞船(ATV)的技术,包含一个直径4.4米的货运舱Exoliner。

合同授予

2016年1月14日,NASA宣布3家公司被授予平均最少6次的发射任务,它们是SpaceX公司、轨道ATK公司和内华达山脉公司。所有合同的最大潜在金额据透露达到140亿美元,但最小需求据信相当小。至于更详细的财务信息则处于保密状态。发射任务集中于2019年底至2024年。内华达山脉公司的方案包含它的“追梦者”航天飞机,这种航天器能水平着陆并能提供快速的卸载时间窗口,这对于科学实验非常重要。

商业乘员开发计划(CCDev)

商业乘员发展(CCDev)是一项多阶段航天技术发展计划,它由美国政府资助,由NASA商业乘员和货物计划办公室主管。该计划旨在刺激在低地球轨道运行的私人载人航天器的发展。NASA负责人类探索的副局长威廉·格斯坦迈耶在2012年说,最有可能选择留下一个竞争者向国际空间站运送宇航员。这种飞船预计将于2017年开始执行任务。在该计划的第1阶段,NASA于2010年向5家美国公司提供了5000万美元,旨在促进私人载人航天领域的研发。

2010年10月,NASA发布CCDev第2阶段的项目征求建议书,有效期14个月。2011年4月,NASA宣布将奖励4家公司的CCDev 2方案,总金额近2亿7000万美元。2012年8月至2014年期间,NASA发布了的第3阶段太空行动协议,称为CCiCap。CCiCap之后是联邦采购条例(FAR)第15部分配套的CCtCap合同。CCtCap FAR合同构成了第4阶段和最后阶段授予给SpaceX公司和波音公司的合同。

项目需求:对商业乘员运载工具的关键需求包括:

·将4名宇航员和他们的器材送到国际空间站并返回地球。

·在紧急情况下提供有保障的乘员逃生措施。

·在紧急情况下作为24小时时间内的安全避难所。

·可在国际空间站停泊210天。航天飞机只能停泊最多12天。

项目概述

2009年12月,NASA对CCDev作出了如下项目描述:

商业乘员和货物项目的目标是实施美国太空探索政策,用政府投资带动、刺激商业航天产业;促进美国私人工业乘员和货物航天运输能力达到技术可靠、成本可承受的低地球轨道的项目演示,成本效益的低地球轨道,并建立一个政府部门和私营部门都有实用性的商业航天运输服务市场环境。

商业乘员和货物项目使用经济复苏法案资金刺激私营部门,以发展和展示载人航天能力。NASA下属的C3PO计划使用《2009年美国经济复苏与再投资法案(ARRA)》的授权资金支持私营部门发展具有实用性的商业载人航天服务的系统概念和能力。这些努力是在创建新型市场的同时,促进本行业的创业活动,增加工程、分析、设计和研究领域的就业机会并促进经济复苏的能力。

ARRA向太空探索的相关计划提供了4亿美元资金。这些金额中,5000万美元是用于开发商业乘员航天运输概念和能力的。这项计划被称为CCDev。该项目的目的是向可靠的商业公司提供发展系统概念、关键技术和最终会被用于商业乘员航天运输系统所需的资金支持。这项计划必须注明,在协议时间的范围内,技术领先且取得进展较大,较小的技术和乘员风险,以便加速发展其商业乘员航天运输概念。

CCDev的合同资金与传统航天工业承包商资金发展航天飞机、“阿波罗”飞船、“双子座”飞船和“水星计划”等项目的完全不同。合同明确是资助用于NASA专用领域的特定子系统的技术开发;所有其他系统的技术开发是由商业承包商资助。合同费用模式是固定价格+项目进展奖励。其中,NASA的贡献是不可或缺的。

第1阶段CCDev

在CCDev 第1阶段,NASA已经与几家掌握着载人航天技术和系统的公司达成了有资金资助的太空行动协议。最初,第1阶段资金金额是1亿5000万美元,其中大部分被由参议员理查德·谢尔比转到“星座”项目中。这五家公司计划于2010年底获得的53个里程碑式的交付业绩。

方案选定

NASA向以下5家公司拨付发展资金:

·蓝色起源公司——向创造性的“推动者”发射逃生系统和复合材料压力舱拨付370万美元。2011年2月,即完成第2次地面测试之时,蓝色起源公司已经完成了合同中设想的发射逃生系统所需的工作。他们也已经“完成了合同奖励所需达到的其他方面,以及复合材料压力舱中降低风险所需的工作”。

·波音公司——向2010年10月演示的CST-100飞船开发工作拨付1800万美元。NASA官方网站显示CST-100的所有目标都已达到。

·完美太空发展公司——向即插即用环境控制和生命支持系统(ECLSS)的空气再生系统(ARS)的工程开发部门拨付140万美元。2010年12月中旬,商业乘员运输空气再生系统完成测试,适用于多种不同商业载人航天器的生命支持系统,完美太空发展公司已经完成了合同中规定的所有工作。

·内华达山脉公司—— 向发展可重复使用、向低地球轨道运送货物或最多8名航天员的“追梦者”航天飞机拨付2000万美元。该公司已于2010年12月完成了合同中第4阶段和最后阶段——工程样品的结构测试工作。

·联合发射联盟——向为EELV运载火箭进行人类评级认证的急救检测系统(EDS)拨付670万美元。该公司于12月进行了EDS的演示测试。NASA官方网站显示所有里程碑指标已经完成。

第2阶段CCDev

NASA于2010年10月向工业界征集第2阶段商业船员发展方案。2011年4月18日,NASA向4家公司授予近2亿7000万美元的合同,开发在航天飞机时代结束后能取而代之的太空运输工具。同年8月,NASA公布了4家公司在CCDev 2项目中取得的载人飞船技术进步。2011年第2季度到2012年第2季度,项目获得了9-11项特定技术突破。在项目在,每家公司必须按时按进度完成工作,才能获得资金。

选定方案

获得第2阶段CCDev 2项目资助的公司如下:

·蓝色起源公司,2200万美元。蓝色起源公司的方案采用了基于双锥体鼻锥轨道飞行器的先进技术,包括发射逃生系统和可重新启动液氢/液氧发动机。蓝色起源公司完成了所有CCDev 2项目的技术突破。2014年11月,NASA宣布该公司有取得另外3项未经资助的技术突破,这就包括推进剂存储罐、BE-3发动机和推杆式逃生系统。

·内华达山脉公司,8000万美元。内华达山脉公司的方案采用了“追梦者”航天飞机的升级技术。与轨道科学公司的方案类似,“追梦者”也采用一种升力体设计。该公司还将让维珍银河公司帮其进行市场推广,还将使用后者的“白色骑士二号”运载飞机作为“追梦者”大气层测试中的投放平台。

·SpaceX公司,7500万美元。SpaceX公司的方案为“龙”飞船加装了“一体化发射中止系统设计”,这一设备比传统载人飞船使用的牵引塔方式更具理论优势。这一设备将成为SpaceX公司用于“龙”飞船用于轨机动和脱轨加力的“德拉科”机动系统一部分。SpaceX公司于2012年8月完成了CCDev 2的所有技术突破。

·波音公司,9230万美元。波音公司的方案进一步发展了CST-100飞船,超过NASA在CCDev 1项目中授予1800万美元需求的目标。该飞船将有人员和货物两种配置,并明确设计可由多个不同的火箭发射,并可重复使用10次。

NASA非资助性选定方案

·联合发射联盟提出了延长“宇宙神”V型运载火箭适人性评估的开发工作。虽然没有受到NASA资助,NASA却于2011年7月与该公司达成了非资助性太空行动协议,来共享“宇宙神”V的适人性评估信息。而“宇宙神”V火箭将是蓝色起源公司、波音公司和内华达山脉公司飞船方案的共同发射工具。联合发射联盟于2012年9月结束对CCDev 2项目所有技术的开发工作。

·ATK公司和(欧洲)阿斯特里姆公司提出基于“战神”I和“阿丽亚娜”5型火箭的“自由”号火箭。2011年9月13日,有报道称,NASA打算与ATK达成协议,进一步发展“自由”号火箭作为将人类送入太空的重型运载火箭。虽然NASA最终没有提供这项协议的资金,但预计NASA将会与开发公司共享技术。ATK公司于2012年8月完成了CCDev项目的所有技术工作。

·王剑钻石公司正在开发一款升级和现代化版的苏联时期太空船设计,并将用于太空轨道旅游。2011年10月26日,NASA宣布王剑钻石公司已经与该公司达成了太空行动协议,建立一个进一步开发该公司概念的低地球轨道航天员运输的合作框架。王剑钻石公司的CCDev项目概念是使用公司设计的3人载人飞船和中间级火箭,并将两者集成一体,用商用运载火箭发射。王剑钻石公司于2012年6月完成了CCDev项目的所有技术工作。

未选方案

在CCDev 2项目评估中,未被选定的方案如下:

·轨道科学公司的方案是一款称为“普罗米修斯”的升力体航天飞机,外形只有传统航天飞机的四分之一。这款垂直起飞、水平着陆的飞船将从经过适人性认证的“大力神”V火箭发射升空,返回时则降落到机场跑道。最初设计型号将搭载4人,但可增加到6人,或人货混装。除了轨道科学公司之外,本团队还包括诺斯罗普-格鲁曼公司,后者被指定制造这款飞船,联合发射联盟被指定提供运载火箭。维珍银河公司也确认将与轨道科学公司一道,参与到CCDev项目中。由于在CCDev 2项目中落选,轨道科学公司于2011年4月宣布他们将终止发展商业载人飞船上的工作。

·完美太空发展公司于2011年提出了商业载人运输-空气再生系统(CCTARS)的开发,为其商业载人运输项目的客户提供环境控制和生命支持系统的完整解决方案。

·变形太空公司提出了一款可用“大力神”V、“猎鹰”9和“金牛座”等一系列火箭发射入轨的可重复使用的8人载人/货运飞船。

·联合太空联盟提出了一个称为商业航天运输服务的计划,使用已退役的两部航天飞机——“奋进”号和“亚特兰蒂斯”号,从2013年到2017年,每年发射两次。

商业乘员综合能力

商业乘员综合能力(CCiCap)计划是商业乘员发展项目的第3阶段,最初被称为CCDev 3.这个阶段中,NASA需要完成了端对端设计的方案,这包括飞船、运载火箭、发射服务、地面和任务操作和复原。2011年9月,NASA发布了本项目的项目征询书草案。

美国政府原本打算让CCiCap项目使用一种与新的承包模式,之前的太空行动协议采取固定价格、以前期取得的技术突破为基础的合同。2011年10月,NASA原计划放弃使用太空行动协议,而使用更传统的联邦采办规则(FAR)来授予竞争合同。但几个月的新式合同模式策划期后,NASA于2011年12月中旬宣布,还将使用太空行动协议,这是因为2012年该项目的国会拨款遭到削减。NASA计划在商业运输服务认证阶段再使用FAR合同模式。2012年2月7日,最终项目征询书发布,截至日期2012年3月23日。

受资助的首份太空行动协议于2012年8月3日被授出,并于2013年8月15日被修订。CCiCap合同原计划于2014年8月完成。NASA希望促进发展美国这项能力,能够向低地球轨道(LEO)提供安全、可靠、低成本的载人运输服务。

选定方案

2012年8月3日,NASA公布了第3阶段CCDev项目的获胜方:

·内华达山脉公司,2亿1250万美元。该公司提出进一步发展“追梦者”/“大力神”V组合。

·SpaceX公司,4亿4000万美元。该公司提出进一步发展“龙”/“猎鹰”9组合。

·波音公司,4亿6000万美元。该公司提出进一步发展CST-100/“大力神”V组合。

通过可接受性审查的方案

ATK公司的“自由”号

安全性

NASA商业乘员项目的安全与任务保证部门认为,确保航天员安全地进入飞船并顺利返回地球是NASA完成空间探索任务目标的一个非常明确而现实的重要因子。为了强化其重要性,NASA与波音公司、SpaceX公司积极采取了各种预防措施以提高系统的安全性。

(1)为飞船配置发射逃逸系统,以确保航天员在发射和上升段出现意外情况时能够生存。因此,从分系统到系统集成再到任务操作,每个设计阶段都计入了比以往任何时候都更加严格的安全因素考量。

(2)波音和SpaceX公司建造了飞船模拟器和实体模型,设计团队参与其中并对安全性、实用性和生产等方面进行改进完善。如同以前的载人飞行项目一样,为在发射日顺利执行飞行任务,航天员在开展飞行任务前要进行大量训练。在实施首次商业载人飞行任务前,航天员将会针对每一个可能出现的任务场景进行演练。此外,航天员还完全介入到整个测试与评估过程,与波音和SpaceX公司的设计人员和工程师共同研究常规性和意外性任务场景。

在航天员看来,安全性已渗入到 NASA、波音和SpaceX公司目前开展的所有设计、研制、发射、飞行等各项工作中。NASA的航天员维克多·葛洛弗说到,“在任务控制中心,所有人都会讨论乘员的安全性、火箭与飞船的安全性以及任务的安全性。所以,在NASA的各个层面,安全性已成为目前所有工作不可分割的重要部分”。

(3)同时,NASA、波音和SpaceX公司还开展太空运输系统之外的安全性考量,并实施大量的实践操作以确保研发调整后的无意识性后果的发生。例如,NASA、美国空军、空军后备部队和国民警卫队近期在佛罗里达州海岸实施了一次商业乘员项目的首批航天员员救援演练。负责美国国防部为NASA实施救援保障工作的空军第45翼航天操作大队第3分队的詹森·哈夫中校说到,“从安全性角度来讲,演练操作可使警卫队救援团队能够更好地完善和提高其现有在飞船着陆意外情况下救援航天员的技术”。

这次演练完成了4次从C-17运输机上进行的空降场景救援。数天后,包括空军降落伞员和模拟航天员在内的同一救援团队,在NASA的休斯顿中性浮力实验室和兰利研究中心内对演练项目的其他内容进行实践操作。每次救援演练都针对回收操作所构建的不同场景和团队展开。例如,在佛罗里达州海岸,配置了数架飞机以及飞行员之间的通讯网链路,按飞船意外着陆和逃逸场景将控制人员和航天员散布在数英里的范围。对于这样的场景演练,将由现役空军人员扮演航天员,并使用与飞船尺寸相同的救生艇,由救援人员从水域上实施救援。

(4)其他场所的工作也在紧张有序地开展。在SpaceX公司总部,航天员在载人“龙”飞船模型内进行演练。NASA兰利研究中心,波音将“星际客车”飞船的测试部件投掷到巨大的水池中以对其应急着陆系统进行验证,随后的完善性测试工作是由波音技术人员与NASA技术人员和空军降落伞员共同攀爬到飞船上并将其稳定住,以便对航天员实施安全的救援。空军第45翼航天操作大队第3分队的克里斯·斯劳森少校说到,在NASA兰利研究中心获得的认知与经验有助于未来波音“星际客车”飞船救援保障设备的研制。

对于NASA,即使是采用简易、替代型飞船设施设备实施救援演练也非常耗时,因为这项工作要解决潜在的矛盾性问题,这对安全性问题的整个焦点性工作及其附属性细化工作都非常关键。NASA商业乘员项目地面与任务操作部门的蒂姆·奥布莱恩称,此类演练对于NASA和国防部的策略、技术和程序的研发以及飞行乘员与地面保障团队之间的通信协议实践与改进都是极其重要的。当空军后备队伞降救援人员从C-17飞船跳落并进行其动手能力实践时,在这些救援团队、模拟飞行航天员、救援飞机、控制中心之间要开展实时协调,以便实施一个安全救援场景。每次开展此类演练,都会从汲取经验教训并改进和提高相应的操作程序。

2015年7月10日,NASA宣布选拔出4名航天员参与未来的商业载人航天任务。这4名航天员将与波音公司和SpaceX公司的小组合作训练,以熟悉CST-100飞船和“龙”载人飞船的设计与操作。

NASA与波音公司和SpaceX公司的商业乘员运输能力合同均要求至少一次不少于一个航天员的载人飞行试验,以验证全面集成的火箭和飞船系统能够发射、入轨、与空间站进行对接、运行正常并最终安全返回。为满足这一要求,两个公司必须对航天员进行必要的训练,使他们熟悉商业飞船的操作。NASA也将参与该训练并评估其计划。

系统测试成功并获得NASA认证后,两个公司将轮流执行2到6次国际空间站乘员运送任务,每次任务将搭载4名NASA航天员及至少100千克的加压货物。白宫办公室科学与技术政策主任约翰·霍尔德伦称,此次选拔将帮助NASA继续推进奥巴马总统太空计划的实现,包括在美国本土的载人航天发射、创造高收入的就业机会,以及实现在21世纪30年代将航天员送往火星的目标。

选拔出的这4名航天员分别是罗伯特·本肯、埃里克·布欧、道格拉斯·赫尔利及苏尼塔·威廉姆斯。罗伯特·本肯是美国空军上校,在加州理工学院取得机械工程博士学位。他于2000年入选NASA航天员,曾执行两次航天飞机任务,共在太空飞行29天,共执行过超过37小时的出舱任务。本肯还曾任NASA航天员办公室主任。埃里克·布欧也是美国空军上校,在乔治亚理工学院取得电机工程硕士学位。他与本肯同期入选航天员,曾执行过两次航天飞机任务,太空飞行时间超过28天。布欧曾任航天员办公室副主任。道格拉斯·赫尔利是一名退役的美国海军上校,于杜兰大学取得土木工程学士学位。他于2000年入选航天员,曾执行过两次航天飞机任务,太空飞行时间超过28天。

2016年是NASA“商业乘员项目”及其工业界合作伙伴波音公司和SpaceX公司推动美国恢复载人航天的关键一年。两家公司计划在2016年实现以下目标:

波音公司CST-100/联合发射联盟“宇宙神”-5火箭

·降落伞试验:公司将使用全尺寸的飞船模型、降落伞和安全气囊进行测试,在任务末尾验证“星际飞机”的地面安全着陆机制。

·CST-100结构测试件与认证试验飞行器:结构测试件与认证试验飞行器即将在波音公司位于NASA肯尼迪航天中心的装配设施建造完成,并将开始一系列详细测试。与CST-100同规格的测试件正在进行建造。每个测试件都将通过严格测试,如在佛罗里达和加利福尼亚接受结构载荷测试、加热冷却循环、强烈振动与电磁干扰测试,以验证飞船在与轨道环境相同的条件下可安全运行。2016年,波音公司还将开始为两次飞行试验集成硬件,并执行两次运行任务,NASA已经从波音公司订购了这两次任务。

·建造“宇宙神”-5运载火箭:联合发射联盟将开始在阿拉巴马州迪凯特的工厂生产“宇宙神”-5火箭的主助推级。在2017年的飞行试验中,该火箭将把“星际飞机”飞船发送至国际空间站。

·改装41号航天发射综合设施:波音公司计划在2016年完成200英尺高的“乘员进入塔”,包括添加乘员进入臂和无尘室。乘员进入塔在首次无人飞行试验中将由保障人员使用,在载人飞行任务中将支持航天员登上CST-100。

·部分任务训练器:波音公司需要各种各样的模拟器,为航天员和任务操控人员提供熟悉任务剖面的机会以及针对各种情况的实践机会。CST-100的首批模拟器将在2016年交付给NASA约翰逊航天中心,以供航天员训练使用。

·航天服资格认证:在使用之前,波音公司的航天服将通过大量的评审与测试。工程师把航天服看作小型航天器,用以在严酷的太空环境中使航天员保持存活,并希望确保航天服能够胜任太空任务。

·完成C3PF厂房的垂直总装测试工位与任务控制中心建造:建造工作人员正在对肯尼迪航天中心的“商业乘员与货运处理厂房”(C3PF)的垂直总装测试工位区进行最后的施工。波音公司租赁C3PF厂房作为CST-100的厂房。该飞船将在C3PF厂房中为最终发射进行组装和处理,该设施先前用于存放NASA的航天飞机和主发动机。波音公司还将完成其在肯尼迪航天中心的任务控制中心,该中心在C3PF厂房的街对面。该中心将为操控人员和工程师提供场所,以监管CST-100任务的倒数计时和发射过程,并与约翰逊航天中心的团队通信。

·高保真任务模拟器:波音公司正在建造全尺寸、高保真的CST-100模拟器,用以使航天员练习任务的所有方面。与聚焦于特定任务元素的部分任务训练器不同,该任务模拟器能够将所有场景集成在一个平台上。它类似于NASA训练航天飞机任务航天员所使用的模拟器。

·水上降落试验:尽管CST-100计划在地面着陆,但波音公司正准备进行不太可能发生的紧急水上着陆情况。公司将把全尺寸的CST-100模型投放到NASA兰利研究中心的大型水箱中,以测试其水上着陆性能。除了观测是否漂浮,设计人员还希望观测CST-100在撞击水面时如何表现,如何使自身恢复平稳,以及如何处理回收操作。

SpaceX公司“龙”飞船/“猎鹰”-9火箭

·降落伞试验:降落伞是使航天员安全返回的重要设备。2016年,SpaceX公司将对“龙”飞船的降落伞进行全面测试。“龙”飞船测试件将由一架运输机携带,从数千英尺的高空投放,以观测4个主降落伞如何展开。着陆后,工程师将评审数据和部件,以确保系统如期运行。

·飞船试验训练模型:SpaceX公司正在使用一个已建造好的“龙”飞船原型,评估航天员的进舱、出舱与舱室布置。两个高保真的模型将被用于执行结构与环境系统测试,包括在舱门开启和其他配置状态下进行评估,以验证设计强度。

·组装“龙”飞船:在SpaceX总部与工厂中,三艘“龙”载人飞船正处于建造的不同阶段。其中有两艘将执行国际空间站飞行试验,一次为无人任务,一次会搭载航天员。第一艘飞船将从佛罗里达州的太空口岸执行飞行中的发射终止试验,随后进行翻新;第三艘飞船将由SpaceX公司执行国际空间站载人航天任务。

·评估与建造“猎鹰”-9火箭:SpaceX公司将使用升级版的“猎鹰”-9火箭,将载人“龙”飞船送往太空。升级版“猎鹰”-9火箭在2015年12月进行了首飞,成功部署了11颗商业卫星并实现第一级的地面着陆。“猎鹰”-9为两级火箭,已经将大量飞船发送到轨道,包括为国际空间站提供补给的“龙”货运飞船。

·完成39A发射台的改装:SpaceX公司即将完成肯尼迪航天中心39A发射台的大量改装工作,从而使其能在2016年发射“猎鹰”-9和“猎鹰”重型火箭。该发射台为“阿波罗”/“土星”-5月球任务而建造,并为航天飞机发射任务进行了重建,目前已在发射台基底建有300英尺长的处理厂房,并对导流槽进行了改进,还添加了铁轨以将火箭移至发射位置。工作人员将安装新型乘员进入臂和无尘室,从而在飞船随时准备由火箭发射时,使航天员登上飞船。

·航天服资格认证:在给航天员穿戴之前,SpaceX公司的航天服将通过大量测试与评估。尽管航天员将在飞船中执行任务,但他们将依靠航天服来提供空气并执行其他功能。

·环境控制与生命支持系统:该一体化系统计划在2016年完成测试。该系统在整个任务中为乘员提供可以呼吸的、温度可控的空气,并保持飞船的所有系统平稳运行。

·使用推进模块验证地面着陆系统:2015年底,SpaceX公司已开始在德克萨斯州的麦格雷戈测试载人“龙”飞船带推进装置的地面着陆系统。高保真的推进模块将用于对推进系统进行测试,以支持地面着陆。尽管公司初时将使“龙”载人飞船在降落伞的辅助下进行水上着陆,但公司计划获得地面着陆认证。