早在1860年代,美国广袤荒芜内陆地区的崎岖地形,特别是内华达山脉的陡峭山峰把西部与东部分开。当时,四名萨克拉曼多商人开始集资,给一个似乎不可能取得成功的项目投资:修建一条穿越髙山的铁路,将东西两个区域连成一体。顶着媒体、金融家、一流工程师和政客的嘲笑,这项雄心勃勃的计划克服了令人畏惧的技术难题,最终取得了成功。随着新开辟大陆移民的到来,所谓的四大投资商Collls P. Huntington、Mark Hopkins、Charles Crocker和Leland Stanford获得了巨大财富。铁路促进了西部人口的繁荣,同时短途交通又带来了铁路的兴旺。
今天,一群企业家有一个可以与之相媲美而且更崇髙的目标:提供收费低廉、安全可靠的近地球轨道运输,他们的高空飞行目标面临着同样艰巨的挑战。与铁路先驱们一样,私人火箭制造商正试图建立一个目前尚不存在的市场,同时保持客户支付得起费用。更进一步,他们希望开发一种定期太空巴士服务,它具备足够的安全性能吸引消费者。(然而造访太空要想达到和民航一样的安全性,尚需要时日。)最后,这些企业家还必须克服政府法规的限制。
大型航天公司的注意力通常在于实现军方和政府机构设定的目标,因此强调最佳性能而不惜成本。与他们不同,新兴的火箭公司则看好小型化的巨大潜力:寻求更适中的载运物,重量只有几千克,发射费用只有几十万而不是几千万美元。
当然,无论运载物是大还是小,铁面无私的轨道发射物理学都使抵达太空极其困难。为摆脱地球引力的束缚,需要消耗大量能量,目前的运载火箭几乎不能携带进入轨道的足够燃料。这一要求意味着多数飞行器设备使用一次后都要抛弃掉。到目前为止,这一现实使太空飞行仅限于多级不可重复使用运载火箭或者航天飞机。它们捆绑携带油箱或固体燃料助推器,在上升过程中将其抛弃,可重复使用的航天飞机被认为是控制发射成本的一种方法,并且有可能使太空定期航班成为现实。
1995年“小”型太空业焕发出新的活力。当时美国开展了国际太空飞行器设计大赛“X-Prize”,奖金高达1000万美元,以激励人们开发可重复使用的亚轨道发射运载火箭。仿照不停歇橫越大西洋竞赛中查尔斯·林白(Charles Lindbergh)获得的奥特洛奖(Orteig Prize),这个奖项鼓励私营航空企业朝着更容易实现的目标努力,而不是他们先前关注的轨道发射。“X-Prize”的发起人和主席Peter H. Diamandes介绍:“我们重新定义了什么是有价值的工作”,以便降低进入的门槛。奖金将授予第一个完成下面任务的小组。携带三名成员到达100千米高的亚轨道空间,然后返回地球,替换不超过飞行器净重10%的装置之后,在14天之内再重复以上行动。Diamandes称,此次竞赛要求参赛者认真研究与私人太空飞行相关的规则和责任义务问题,并确定实际成本。超过20家公司已经正式参加了该竞赛,大约有十来家在制造硬件。预计优胜者很快就会出现(甚至可能在本文出版之前)。
从近期来看,许多人认为针对富人的亚轨道旅行是最有前途的市场机会。多年来,弗吉尼亚州阿灵顿的Space Adventures公司一直在收取未来私人太空旅行的座位订金,这项业务估计将在2005年开始。该公司已经可以向大约2000名爱好者提供疯狂乘坐俄罗斯“米格”战斗机的机会,在乘坐“IIyushin 76”时体验抛物线轨迹飞行中的失重状况;并且两次在国际空间站停留。2000年,根据Space Adventures公司委托Harris Interactive公司完成的一项研究估计,在美国和加拿大有超过10万人愿意支付每人10万美元,遨游亚轨道空间。位于马里兰的Futron公司完成的另一项研究显示:到2021年,每年大约有1.5万名亚轨道旅客,这代表有7亿美元的市场。
私营企业发射火箭的能力由来已久。在过去20年间,一些公司已建立起真正的太空飞行器机群设计方案。有些已经进入原型制造阶段。设计概念多种多样:飞机在飞行中释放火箭或者牵引一架航天座舱;火箭由气球带到一定高度;以及先导控制的、一级和二级有翼助推器。计划中的火箭燃料包括煤油、酒精,过氧化氢和橡胶固体。而重返大气层的方式同样范围很广:降落伞、类似直升飞机的旋转叶轮,甚至可压皱的着陆结构。那为什么发射运载火箭的境况不佳呢?
主要是资金的原因。1990年代经济蓬勃发展的高峰期,一些私营航空企业争取到大量资金支持。通常,这些公司拥有最精密的技术,因为这个因素符合当时投资者的投资标准。在传统航空业文化氛围下成长的其他公司,通常直到整个设计方案完成后才开始制造,它们将初期风险资本用于设计,却不再有能力吸引到资金投入正式制造。私营太空旅游业的投资商John Jurist介绍说:“这些小家伙很感兴趣而且初期发展迅速,但在获得计划的重大成功之前,他们已经耗尽了资金和精力。”
1990年代,开发可重复使用、单级到达轨道空间运输系统的政府资助项目终止了,尽管Douglas用“三角快帆试验机”飞行器(Delta Clipper Experimental,简称DC-X)证实了其可行性。在测试中,DC-X成功表演了垂直起飞、盘旋、侧向移动和垂直着陆。遗憾的是,部分太空政策改变了。提供资金的任务由星球大战计划组织(Strategic Defense Initiative Organization)移交给NASA。DC-X于是就成为更高风险项目的实验台,来建造低成本、可复用单级运载火箭。尽管承包商洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)竭尽全力,NASA的X-33号航天座舱计划仍然未能够克服髙级油箱和引擎的难题。2001年取消了X-33项目。差不多同时,开发X-34号,在从L-1011型客机上释放之后将飞往地球轨道的可重复使用飞行器的政府合同也宣布过期。这些失败项目耗资超过10亿美元。
同时私营航空企业发现,有可能通过提供小型航天飞机低成本定期发射服务,这个尚未开发的市场来贏利。为了省钱,今天试验中的有效载荷都是通过搭便车上天,即搭乘用来运载价值数百万美元的有效载荷的火箭,由于缺乏经济实惠的定期搭乘业务,这严重妨碍了大学空间研究人员,例如那些研究微重力的人。Chris Kitts在圣克拉拉大学(Santa Clara University)制造小型人造卫星,他说:“尽管我很愿意看到发射成本降低,但我们真正能用的是发射成本与航天飞机载运物质量(小于一千克到几十千克范围内)成比例的系统。我认为,从这个角度入手,可以大大打开大学市场。Kitts估计,如果有人能提供这种运载服务,以目前价格,每年将有大约10所大学发射航天飞机。
长期从事小型人造卫星业的设计师和倡导者Rex Ridenoure认为,假如有一艘专用、低价格的运载火箭投入市场,发射小型载运物的用户将增至每年20到30家。他指出,单一目标的轻量级航天飞机需要在外层空间停留一周或更短时间,这形成了一个相当可观的市场小环境。Aerospace Corporation公司是位于加州EI Segundo的一家私人智囊团,为美国空军工作。根据他们的市场研究,在1990年至2002年期间,NASA平均每年发射25次探测火箭(常规亚轨道助推器)。
尽管有些公司的确提供小规模发射服务,但对于许多潜在客户而言,价格仍然太高。例如其中一家,英国萨里卫星技术公司(Surrey Satellite Technology),他们开拓了一项业务:将大多数大学研究载运物(重达半吨)作为二级有效载荷放在俄罗斯大型助推器上(价格在3.5万至70万美元之间),或者装载到常规俄罗斯运载火箭上(但每次独立飞行成本在1000万至1300万美元之间),然后送往太空。轨道科学(Orbital Science)公司昂贵的“飞马座”(Pegasus)(从L-1011客机上发射的一次性火箭)也为小型载运物提供轨道运输服务,单次发时的价格在1400万至3000万美元之间。
目前,大约有几十家小公司在致力于设计下一代低成本轨道发射运载火箭,有几家将尘土飞扬、长满风滚草的莫哈韦机场(Mojave Airport)当作他们的家,它在洛杉矶以北大约两个小时车程的位置。机场对于私营航空活动似乎不太可能,但这个被某些人称作“煤油谷”的地方卧龙藏虎,许多渴望发起技术革新的工程师都在这里工作。机场著名的“螺旋”餐馆(由航空测试飞行员有时要体验的螺旋俯冲而命名)刚用带圆边的蓝色新遮阳篷装饰完,上面题着新名字:航空探险家咖啡馆。顾客坐在飞机跑道边上的雅座上,经常可以看到餐巾纸上外观各异的飞行器素描成为了现实,有时在沙漠上空盘旋。这个地方的特点是靠直觉的工程设计,最好的例子发生在沿途一个旧飞机修理库的角落里。当航空探险家咖啡馆还是小旅店的时候,莫哈韦XCOR航天公司的工程师带来了一架自制双座运动飞机“Long-EZ”,在本该安装发动机和螺旋推进器的地方配备了液体燃料火箭引擎[参看69页图示]。XCOR的工程师建造这架怪异的“EZ-Rocket”是用来测试新引擎,希望新引擎将来能够驱动火箭抵达太空。
对丁亚轨道工程师而言,驱动他们设计的动力是获得运行安全性和低成本,而不是像大型航天公司的工作人员那样,为了实现政府的要求而努力榨出引擎的最后一丝性能。作为“煤油谷”的传奇人物,Burt Rutan总结出这里的工程哲理:“安全当然极为重要,但成本最小化同样很关键。”Rutan莫哈韦基地的天秤复材公司(Scaled Composites),以创造“旅行者”(Voyager)(第一架无补给燃料绕地球飞行的飞行器)这样新颖的复合航行器设计而著称,目前他们也正在投入大量精力以制造低成本亚轨造太空飞行器。
基于1996年开始的设计工作,天枰复材公司着手开发叫做“白色骑士”(White Knight)的运载飞机。“宇宙飞船一号”(SpaceShipOne)三座航天座舱和相关的地面控制台[参看66~68页图示]。Rutan称:“我认为我能建造一艘亚轨道火箭,将自己送入太空。这一切都在我的把握之中。”
Rutan的设计目标是尽可能精简和消除不必要的操作系统。例如,“宇宙飞船一号”具有一种不寻常的“羽毛状”尾桁提升机制,使航天座舱具有髙拖曳结构,能让飞行员操纵和控制最少的情况下,从高空以近乎垂直的重返轨迹安全降落。他认为,那些标准的重返设计通常用更复杂的系统来最小化乘客受到的引力,其实更危险而且昂贵。另一个非常规的设计要素,是提供亚轨道飞行器动力的固液混合火箭引擎,它提供了独特的运转选择。与固体燃料火箭不同,固液混合火箭可以通过将氧化剂流体变为橡胶似的固体燃料来实现减速,而且它比液体燃料系统更简单而且便宜[参看“固液混合燃料火箭”《科学》,2003年8月]。在去年12月中句一次飞行测试中,“宇宙飞船一号”的速度达到1.2马赫。
完成所有这些开发工作花费了数千万美元,全部由投资商亿万富翁Paul G. Allen提供。Allen打算贏得X-Prize比赛,来证实该技术适合商业应用。他认为妨碍这项技术取得商业成功的主要障碍是法规和时间问题,不知道飞行器要多久才能达到足够的安全性以运载乘客。Rutan同时考虑将他当前的系统作为纯粹的飞行示范品,他估计该公司每次测试飞行的成本起初应当在9万至10万美元之间,随着操作员对系统的经验更丰富,数字将有可能减半。他认为,商业上可行的这种运载器应当能够提供六或七个座位,以及足够的空间,方便乘客来回走动,体验微重力环境。
总部位于德克萨斯州麦斯基德的阿马迪罗航天公司,提出了更具风险性的概念,该公司由视频游戏设计师John Carmack创建。公司的工程师正在开发一种航天飞机,它可以在燃用纯净过氧化氢的火箭引擎推动下垂直起飞。“黑色阿马迪罗”通过降落伞返问地面,它那可压挤的鼻子撞击地面是最后一次减速[参看上图]。以写流行视频游戏(例如“Doom”和“Quake”)驱程而知名的Carmack,目前正在编写控制火箭引擎的程序。他提到,编写引擎控制程序可没有给变幻无常的视频游戏布场编写驱程那么头疼。
为太空旅游提供财政支持的个人和公共合作也已开始出现。一月初,俄克拉荷马州宣布,对另一家私营航天飞机制造商Rocketplane公司的投资者,将有权享受特种营业税优惠。按照该计划的设计师、州参议员Gilmer N. Capps的说法,投资者在五年内可以节省1700万美元。Rocketplane公司管理层打算从2006年秋季开始,采用火箭推动的有翼飞行器向公众提供60千米高空的亚轨道飞行,收费约10万美元。
Elon Musk(Paypal公司合伙创始人)的SpaceX公司则采取另-种策略,他们以一架相对传统的无人驾驶火箭为基础,试图将操作成本降低三分之一。其概念是采用一种简单的“卡车式”设计,像许多俄罗斯火箭那样,燃用液氧和经济、易处理的高级煤油。在重返地球之后,将从海洋回收该火箭,并且其80%的结构可重复使用。
假设私营公司能建立起一个市场,争取到足够的资金支持并且克服了技术难题,他们还将面临一个看来难以处理的障碍:政府法规。对于来自美国的运载火箭,美国联邦航空管理局‘FAA’拥有权限。当前火箭的管理规则假设,飞行器上的任何人都是乘务员,他们知道要承担个人风险。这一许可程序和已经确立的客机认证过程存在着明显差别:后者试图确保乘客和公众安全接近零风险,是昂贵而漫长的过程。对有翼载客火箭的许可尚有争议。悬而未决的白宫立法,即商业空间法案2003(Commercial Space Act of 2003,简称HR 3245)试图明确有翼、火箭动力的运载器应当被定义为“火箭”还是“飞机”。这一区别十分重要,因为关于火箭的法规是保证地面上人们的安全,而飞机载客的法规则主要是保证旅客的安全,这也是“许可”和“认证”之间的差别。该法案还建立了机组人员和乘客了解风险的同意书。另一个需要政府关注的长期问题牵涉到出口限制法,它是设计来限制国际武器贸易的。这些法律给美国的太空旅游公司雇用境外员工或销售给海外用户设置了障碍。
FAA商业空间交通副主管Patricia Grace Smith的观点源于确保民用航空的整体安全。她坚持认为“机组成员是飞行安全系统的一部分”。换言之,FAA倾向于相信飞行员的判断,而不是自动控制系统。
Smith预期,新兴的先导控制、可重复使用运载火箭将经历三个阶段。今天的开拓者,“非常有闯劲、有远见的企业家”顶着压力与“非常保守的制度”作斗争。到截稿时间为止,FAA正在处理三家企业的发射许可申请。作为美国许可过程的一部分,运载火箭公司必须证明他们能够赔偿对第三方的损害,例如被飞行碎片击中。而空间飞行器事故造成伤害的国际条约使得这项赔偿更加复杂6发射公司应对由于飞行器坠毁可能造成的最大损失(由Smith的FAA办公室计算)提供保险。如果损失超过保险金额,将交由运输部长来处理,他可以提供高达15亿美元的联邦保险金。这项政府规定于2004年期满,但悬而未决的上院法案S 1260(HR3245的参议院版)将延长到2009年。
FAA还负责许可太空发射降落场,即合法飞往太空的地点。据报道,莫哈韦机场即将成为获得官方批准的第一个非政府的太空发射设施。
Smith认为,一旦初期飞行建立了基本发射能力,紧随其后将进入过渡阶段,发射公司将运载数量有限、理解并且接受其中风险的乘客。关于联邦政府允许乘客承担多大风险的问题,目前存在巨大争议。在未来几个月,随着委员会提交HR 3245和S 1260法案,这个问题将在白宫和参议院引起激烈争论。Smith认为,普通民众能够消费得起、而且具有相当安全性(与商业民航系统的安全性接近)的太空运输系统最终将会实现。
并不是所有人都对目前的法规程序感到满意。Rutan觉得,当前的发射许可程序要求早期的实验飞行达到与旅客收费飞行时同样的安全等级。他指出,这个程序需要根据非常有限的数据,进行环境影响分析和故障可能性的估计。Rutan更支持一种类似飞机认证,而不是火箭发射许可的方式。尽管如此,他已经为他即将到来的X-Prize竞赛飞行申请了发射许可。
当我思索今天这些私营太空先驱所面临的挑战时,经常回想起阿波罗登月。我年轻时有一次到佛罗里达度假,将“傻瓜”照相机对准肯尼迪空间中心巨大的飞行器组装大厦,技术人员正在那里组装巨大的“土星五号”。我感到很惊讶,尽管不应当这样,照片只拍出了庞大飞机库的一部分。那时,所有与太空飞行有关的事物都是巨大的。现在,当我坐在航空探险家咖啡馆里一边泡上咖啡,一边研究手头上的咨询项目,计算年支出、投资回报率、亏损点和每次发射费用的时候,我认识到有一件事是肯定的:太空旅游将不再是国家政府的专利,最终,激进的梦想家和风险资本家也能够玩转它。
[柯江华/译 杨光/校]
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