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航天觀察 | 美國商業航天活動概覽:NASA商業載人、太空旅遊、商業發射、太空旅館、月球探索、小行星採礦......

編者按:本文來自航天十二院和航天馭星聯合撰寫的《商業航天簡報》,36氪經授權發佈。

作者:十二院 孔超、劉潔

原文題目:美國典型商業航天活動發展現狀

編輯:喬雨萌(qiaoyumeng@36kr.com)、石亞瓊 (syq@36kr.com)

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商業航天活動沒有明確的概念劃分。一部分觀點認為只有私營公司為私營公司或個人消費者提供產品或服務才屬於商業航天;另一部分觀點認為只要私營公司參與,承擔經營風險,追求投資回報,並以市場化方式運行,無論客戶是公還是私,都算是廣義商業航天活動,例如NASA提供資助部分資金並引入多家企業競爭的項目也屬於「商業」。美國廣義的商業航天活動包括NASA商業貨運/載人、太空旅遊、商業發射服務、太空艙/太空旅館、月球探索、小行星採礦等。

(一) NASA商業貨運/載人

NASA的商業運輸項目包括商業貨運(Commercial Cargo)和商業載人(Commercial Crew),前者稱商業軌道運輸服務(COTS)計畫,後者稱商業載人運輸能力(CCtCAP)計畫。COTS計畫於2006年啟動,私營部門與政府合作開發航天器和火箭,將貨物運送到國際空間站。為鼓勵競爭,NASA引入三家公司參與,包括SpaceX和諾斯羅普‧格魯曼航天系統公司(NG)和內華達山脈公司(SNC)。目前SpaceX已經利用獵鷹9火箭搭載「貨運龍」(Cargo Dragon)飛船,多次執行貨運任務,而且飛船可回收;NG公司通過「宇宙神」(Antares)火箭搭載「天鵝座」(Cygnus)貨運飛船向國際空間站運送貨物;SNC公司的飛船為「逐夢者」(Dream Chaser),將搭載聯合發射聯盟(ULA)的新型火箭「火神」(Vulcan)發射,預計2021年首飛。NASA商業載人項目於2011年啟動,經過多次競標,2014年9月確定承包商為波音和SpaceX。2020年5月30日,SpaceX利用獵鷹九號搭載「載人龍」(Crew Dragon)飛船,成功將兩名宇航員送到國際空間站,8月2日兩名宇航員安全返回;波音載人飛船為「Starliner」號,在2019年12月的無人試飛中,波音未能將「Starliner」對接國際空間站,目前其首次載人飛行一再推遲。

(二) 其他典型商業發射服務

  • 亞軌道太空旅遊

從事亞軌道太空旅遊的公司有維珍銀河(Virgin Galactic)和藍色起源(Blue Origin)。維珍銀河的載具宇宙飛船2號(SpaceShipTwo)類似航天飛機,其技術原理是是用一架巨大的雙體客機,在中間掛上一個航天飛機,把航天飛機運載到空中釋放後再發射,這樣可減少燃料。維珍銀河航天飛機在2018年、2019年分別將2名和3名飛行員成功送到離地球80公里的亞軌道,其亞軌道飛行定價是25萬美元一個座位,未來將製造5架航天飛機。藍色起源(Blue Origin)將可回收火箭作為載具,其載具命名為新謝潑德(New Shepard),載具發射艙頂部裝有一個膠囊,用於載人。新謝潑德火箭2015年4月年首飛,至2020年10月,已經執行了13次飛行任務。目前兩家公司還未實現商業化亞軌道太空旅遊業務。

  • 微小衛星發射服務

美國參與微小衛星發射服務的主要企業有三家,分別是螢火蟲宇航公司、火箭實驗室和維珍軌道公司,受到NASA資助。2014年10月,NASA授予三家公司「風險類」(Venture Class)發射服務合同,用於將微小衛星(立方星、微衛星和納米衛星)發射到軌道上。螢火蟲宇航公司研發的載具是「阿爾法」火箭,其有效載荷為630公斤,在2020年年底試飛。火箭實驗室研發的載具是「電子」號火箭,已在新西蘭的發射場進行了多次發射,並在弗吉尼亞州建造了第二座發射場,發展勢頭迅猛。維珍軌道公司出自「維珍」系,其載具為LauncherOne,2020年5月首飛,一級火箭點火後不久發生故障並解體。

  • 重型運載發射服務

除了SpaceX,美國參與重型運載發射服務的一個典型公司是藍色起源,與SpaceX受到NASA資助不同,藍色起源的資金來自創始人貝佐斯。藍色起源重型火箭項目有兩款火箭,分別是New Glenn和New Armstrong,均以宇航員名字命名。New Glenn用於執行繞地球軌道飛行的任務,New Armstrong用於將有效載荷發送到月球。New Glenn火箭目前是藍色起源的發展重點,預計於2021年完成首次飛行任務,藍色起源希望New Glenn能拿到美國國家安全發射合同例如美國空軍的發射合同。

  • 平流層發射服務

從事平流層發射服務的主要廠商是Stratolaunch,由微軟聯合創始人保羅‧艾倫、SpaceX CEO馬斯克發起成立,利用一款巨型雙身飛機(Stratolaunch)將火箭運送至平流層進行發射。Stratolaunch被稱為世界上最大的飛機,翼展117米,與足球場的長度相當,有6台發動機和28個輪子,最大起飛質量589噸,可攜帶最大227噸的火箭到達平流層發射,這樣可以極大程度減少地表發射所需的燃料,同時提高成功率、降低天氣干擾因素等。2019年4月,Stratolaunch在加州完成首飛,歷時2.5小時,飛行高度約5200米,速度達304公里/小時。

(三) 太空艙/太空旅館

美國太空艙/太空旅館領域相對成熟的企業是畢格羅宇航公司(Bigelow Aerospace)。2005年10月,畢格羅建造出世界上第一個可擴展的「太空旅館」試驗艙「起源」一號並於2006年搭乘俄羅斯火箭進入太空,「起源」二號太空艙也於2007年成功進入預定軌道。2015年3月,畢格羅發佈「可充氣活動太空艙(BEAM)」,BEAM採用摺疊設計,能迅速擴張為面積達110平方米的太空艙,首個BEAM太空艙已於2016年成功對接國際空間站。畢格羅未來計畫發射兩個可擴展20倍的B330充氣式太空艙。每個B330重20噸,長17.3米,使用壽命為20年,充氣展開後內部空間達330立方米,相當於一輛大巴車,可同時容納6人。兩個B330對接在一起組成太空旅館,訪客可停留一至兩週,最長可停留一個半月。未來該技術還將用於建造深空空間站以及載人月球基地或載人火星基地。太空艙研發領域的另一個主要玩家是Axiom Space公司。該公司已經拿到NASA的合同,探索在國際空間站上建造商業居住太空艙,預計從2021年開始把商業客戶送往國際空間站。

(四) 月球探索

美國近年來啟動「重返月球」計畫,與「阿波羅計畫」不同,此次政府將資助部分經費,引入商業公司的資金和技術,共同開發月球。NASA最新月球探索計畫是阿爾忒彌斯(Artemis)計畫,計畫於2024年將宇航員送至月球表面。NASA投資26億美元,合作方涵蓋從小型初創公司到洛克希德‧馬丁這樣的巨頭公司共9家商業企業,共同開發設計機器人登陸器和登陸系統。此次登月計畫中需要開發一款月球登錄器,NASA委託藍色起源、Dynetics和SpaceX三家公司競爭開發。以SpaceX方案為例,該公司將通過星艦發送登陸器送入月球軌道,NASA通過SLS和獵戶座飛船將宇航員送入月球軌道。在月球軌道上,NASA會建立一個被稱作「gateway」的月球軌道空間站,宇航員可以在其中短期生活。同時獵戶座和SpaceX的登陸器都與 「gateway」接駁,宇航員可以通過「gateway」從獵戶座飛船轉移到SpaceX的登陸器中。

(五) 小行星採礦

美國有兩家公司在探索小行星採礦領域,分別為行星資源公司(Planetary Resources Inc)和深空工業公司(Deep Space Industries,DSI)。行星資源公司於2012年4月宣佈開展小行星採礦技術探索,並在2015年和2018年發射了相關測試衛星,計畫在2020年發射首個小行星探測器,但是該公司融資困難導致資金鏈斷裂,在2018年被區塊鏈公司ConsenSys收購,業務陷入停滯。深空工業公司於2013年1月成立,曾計畫在2015年發射飛船Firefly並進行兩到六個月的採礦計畫,還曾計畫發射無人飛船、攔截小行星並尋找礦物,但後續推進工作未知,該公司於2019年1月被Bradford Space收購。

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