美国私营航天运输系统企业创新解析.docx

美国私营航天运输系统企业创新解析 北京宇航系统工程研究所 陈海鹏 魏威 牟宇 李强近年来，美国私营航天运输系统企业发展迅速，新概念、新技术层出不穷，尤其取得了以太空探索技术公司实现“猎鹰”9火箭一子级箭体垂直降落自主可控回收为代表的一系列重大进步本文综合分析美国从事航天运输系统研究的企业近些年在技术创新、概念创新、集成创新方面的案例并对其进行解析，从而寻找对中国航天创新发展的启示意义一、创新案例1．太空探索技术公司及“猎鹰”9火箭2016年4月9日，美国太空探索技术公司的“猎鹰”9v1.2火箭从肯尼迪航天中心卡纳维拉尔角发射场发射升空，执行其第8次国际空间站商业货运补给服务合同火箭成功将有效载荷送入预定轨道，并成功在大西洋上回收火箭一子级这是人类历史上首次在海上实现火箭自主垂直可控回收在运载火箭研制与发射中，“猎鹰”9火箭在动力系统射前和飞行过程中全面采用健康监测和故障诊断技术；在结构设计中采用轻质化、高可靠的贮箱结构材料和产品化的一二级贮箱结构设计理念；在飞行控制中采用轨道规划及控制重构技术；在远程测试与在轨运行管控中充分利用信息化技术；“重型猎鹰”火箭更是将应用推进剂交叉输送技术。

在垂直起降可控回收技术方面，“猎鹰”9火箭突破了动力系统推进剂流量调节及管理、高精度导航及姿态控制、箭体回收可伸缩支架设计等关键技术太空探索技术公司大胆、务实的创新意识是其加快运载火箭研制进度、降低火箭产品成本、实现运载火箭一子级自主可控回收的关键剖析其创新的特点，主要体现在如下几个方面：一是将现代信息技术与运载火箭应用充分结合，如远程测试技术、控制重构技术、高精度导航与制导控制技术等它们通过现代信息技术的进步推动运载火箭技术水平的提高二是在创新中不断完善并持之以恒，典型案例就是依靠火箭发动机实现垂直起降自主可控回收猎鹰”9火箭经历4次失败方成功实现海上回收，如果没有面对失败的宽容和坚持下去的勇气，这项技术也很难取得历史性突破三是在继承性的基础上不断进步，典型技术是其“隼”系列发动机隼”系列发动机的设计基础是美国阿波罗计划登月舱的下降级发动机太空探索技术公司根据其技术基础不断改进，目前的“隼”1D发动机已经成为业界标志性的“神机”2．蓝色起源公司及“新谢泼德”火箭和一系列发动机2015年11月24日，美国蓝色起源公司的“新谢泼德”(New Shepard)火箭成功地在进行亚轨道飞行试验后实现可控着陆，成为了首款在发射后成功实现软着陆并回收的火箭。

同时，2016年1月23日、4月2日，成功回收后的“新谢泼德”火箭第2次、第3次进行了点火发射，并再次成功回收上述一系列标志性成果将蓝色起源公司的知名度推向高峰综合分析其创新点，其创新能力决不局限在基于垂直起降的亚轨道太空旅游飞行器蓝色起源公司特别注重发动机的研制新谢泼德”火箭采用的BE-3发动机为其自行研制，采用液氧和液氢作为推进剂，推力可在89—489kN之间连续调节BE-3改进后可成为执行轨道发射任务火箭的上面级发动机“BE-3U”此外，蓝色起源公司已经与美国联合发射联盟公司(ULA)合作开展BE-4发动机研制BE-4是一种富氧分级燃烧循环液体火箭发动机，海平面推力为2425.5干牛，采用液氧／甲烷推进剂，通过先进的设计和制造技术提高经济可承受性和重复使用能力目前BE-4研制进展顺利，2016年将进行发动机试车，2017年达到飞行准备就绪状态BE-4发动机被定义为俄制RD-180发动机的替代产品，将装备美国后续主力运载火箭，为美国航天应用提供全新的机遇蓝色起源公司对自己的研制计划一直透露甚少，为其蒙上了一层神秘面纱，直到2015年其连续进行“新谢泼德”亚轨道飞行演示验证外界才对其有了深入了解。

蓝色起源公司技术创新呈现两个特点：一是模式创新，实施面向新的“亚轨道太空旅游”的概念，这是私营商业公司在航天盈利能力上的创新；二是将产品创新与行业发展相结合而专注于新型发动机研制，可以说如果蓝色起源目前的发动机研制顺利，其将在美国未来运载火箭研制中占据绝对的有利地位3．比奇洛公司及充气式太空舱美国内华达州拉斯维加斯的比奇洛航天公司(Bigelow)由美国旅馆业大亨罗伯特比奇洛创建罗伯特比奇洛投身商业航天的初衷是认识到未来太空旅馆的巨大商机，而充气式太空舱是一种很好的太空旅馆解决方案该技术可以应用于一种奇特的太空站方案，即用一系列可在太空充气的太空舱组装成一个载人空间站，甚至可以组成一个空间基地、月球基地充气式太空舱的方案设想起源于20世纪60年代，最早的工程应用为美国第一颗通信卫星“回声”1号比奇洛公司致力于充气式太空舱研究后，在2006年和2007年先后成功发射了“起源”1和“起源”2两艘不载人的实验舱并成功在轨运行同时，该公司积极与NASA开展合作，开始制造BEAM充气太空舱，2016年4月搭载“猎鹰”9火箭发射，与国际空间站对接充气式太空舱需要解决太空环境下微陨石撞击或者其他空间碎片撞击造成的对充气结构致命性破坏的问题，需要开展严格的空间环境适应性测试，后续将进一步研究充气式太空舱如何能够在未来开展的月球甚至火星飞行任务中发挥作用的问题。

比奇洛航天公司创新的特点在于原始想法、现代技术与空前创意的结合，也就是说，在空间开展充气式装备的研制是一种很早之前就存在的想法，这种想法受制于当时技术条件限制无法充分应用；伴随着材料技术、充气技术的发展，研制具有多种用途的充气式装备成为可能；比奇洛航天公司将“在太空开旅馆”的创意与充气式太空舱、空间站甚至深空探测结合在一起，实现了极大的创新4．内华达山脉公司及“追梦者”内华达山脉公司致力于发展适应21世纪的安全、创新、现代、灵活和高效的载人运输系统，其典型产品为“追梦者”航天飞机 “追梦者”航天飞机为7座带翼飞行器，外形类似小型航天飞机，具有多任务能力，能够作为独立的科学实验平台，提供安全、可靠和低费效比载人及关键货物近地轨道运输能力，或者作为支援保障飞行器，完成在空间搜救、检修、更新、装配或部署等作业根据内华达山脉公司公布的信息，“追梦者”航天飞机后续有三个发展方向：一是载人发射，也就是为国际空间站提供乘员运输服务，同时可满足近地轨道太空旅游等载人飞行需求；二是实现载人进行空间卫星维修或者空间碎片清除；三是作为移动平台执行科学探测任务追梦者”的技术新颖之处包括满足现有运载火箭整流罩包络要求的折叠翼设计、很高的可重复使用性等。

内华达山脉及其“追梦者”航天飞机在2014年未能入选NASA商业乘员运输能力计划的情况下，仍没有放弃，并且在2015年重新得到NASA支持，后续将执行国际空间站商业货运任务(CRS)同时内华达山脉积极开展与日本、欧洲的国际合作，为项目创新争取了多方面支持5．火箭实验室公司及“电子”(Electron)火箭火箭实验室公司(Rocket Lab)成立的目标是提供包含一系列完整火箭系统和技术的快速、低成本有效载荷部署方案，即采用不少于每年100次频率及低成本高收益的发射来占领小卫星发射市场，其主要产品为“电子”火箭，其外形酷似迷你版本的“猎鹰”9火箭电子”火箭动力系统采用“卢瑟福”(Rutherford)发动机，最大推力约为20.6千牛这是第一个采用无刷直流电机及高性能锂电池驱动涡轮泵的发动机，还将采用3D打印生产主要组件，包括泵、再生冷却推力室、主推进剂阀门、喷嘴等；火箭结构系统充分利用高强度、低质量的碳纤维复合材料，全箭采用复合材料贮箱，实现了卓越的结构效率控制；火箭与卫星之间采用“即插即用”接口，通过简化的设计方案消除运载火箭与卫星连接造成的技术风险，提高了运载火箭发射适应性；采用智能的FPGA架构实现综合电子系统研制，对全箭提供极高可配置性、快速响应速度和系统可靠性，并且极大地降低综合电子系统质量，只有约8.6千克。

对小型火箭而言，低成本与高效率是研制中必须着重考虑的问题电子”火箭将带动3D打印、综合电子等技术的充分应用，集成为一个简化、低成本的小型运载火箭，并且已经开始在网络上预售发射服务6．其他公司除上述公司外，美国还有若干商业航天公司从事航天运输系统的研究工作美国芝加哥行星空间公司的研究重点是一种航天飞机，可进行地球表面高超音速快速飞行，实现点对点运输，典型目标为“20分钟内从纽约到巴黎”XCOR公司研制的航天器从一次发射到下一次发射周转时间只需要2个小时，亚轨道太空飞行业务只需要9.5万美元维珍银河公司正在研制液氧／煤油动力的两级小型空射运载火箭“运载器”1号，载机为“白骑士”2号或者波音747飞机针对小卫星发射、太空旅游或者载人点对点快速抵达等未来需求，美国私营航天企业充分发挥各自优势，在空中发射、航天飞机、微小型火箭等领域开展创新性的研究，为美国航天运输系统提供了多种途径的解决方案二、创新启示通过分析近些年发展迅速的几家侧重航天运输系统的美国私营航天企业创新发展情况，可以挖掘一些共性的内容这些共性的内容也能带给我们一些启示一是大多数美国私营航天企业的创始人都有着浓厚的航天情怀和雄厚的经济基础，都是已经在其他领域做到一定程度的精英人物。

太空探索技术公司的创始人艾伦马斯克目前俨然已经成为美国科技领域的“超级英雄”，其在清洁能源、网络、电动汽车和太空探索各领域的执著投入已经带动各方面科技的进步；蓝色起源公司的老板是亚马逊网站创始人杰夫，贝索斯，比奇洛公司的创始人则是美国旅馆业大亨毕奇洛，维珍银河则由大名鼎鼎的企业家理查德布兰森创立；火箭实验公司的老板皮特贝克则是一位优秀的科学家和工程师，曾被新西兰皇家航空学会授予新西兰航空特殊贡献功勋奖章美国私营航天企业的创新初衷源于这些企业的创始人对太空探索念念不忘的情怀，创新的支撑源于这些企业在其他行业已经积累的资本二是美国私营航天企业技术创新注重接地气，注重解决工程实际问题，注重在工程实践中不断完善除却前文提及的案例，太空探索技术公司独具匠心地使用过冷推进剂，大幅度提高了“猎鹰”9火箭的性能，这属于典型的用别人想不到的方法解决工程实际问题三是美国私营航天企业的创新不避讳“非原创性”，更加重视创新与继承的结合，做到将原始创意发扬光大这方面的案例非常多，包括“猎鹰”火箭的垂直起降、充气式太空舱等，这些都是在多年之前美国政府曾经支持开展过的研究项目，但限于当时的技术基础这些创意未能真正在工程中得以实施。

这些私营航天公司接过这些“创意大旗”，并借助科技快速发展的成果，最终取得了非凡的成绩四是美国私营航天企业的创新高度讲究现代科技发展与航天技术应用的结合以3D打印、互联网、信息技术、材料技术、能源技术为代表的新兴技术正在飞速发展，如何将现代科技的发展与航天技术应用结合在一起已成为大家关注的问题这些私营航天企业结合自身技术升级快、框架束缚少的特点，马上推进应用新技术，实现了产品创新结合对美国私营航天企业创新案例的解析，可以带给我们一些启示，有助于我们后续做好技术创新、推动创新型航天企业的建设一是要坚定创新驱动的信心和勇气面向建设创新型国家的新时期，中国航天应成为国家创新驱动发展战略的排头兵和先头部队中国航天要发展成为创新驱动型产业，我国一次性运载火箭要率先迈入世界航天强国行列二是深化“工业4.0”和“中国制造2025”战略的实施，投身深度跨界融合的技术革命，建设下一代“智慧火箭”研制体系，实现中国运载火箭深度变革与再塑性发展三是创新工作要接地气、解决实际问题创新工作不是哗众取宠，不能为了创新而创新，而是要服务于核心竞争力和发展战略需要三、结束语科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑本文通过解析美国私营航天企业的创新案例，分析其创新的共性之处，研究对我国航天的启示意义。