太空经济之路充满荆棘
时间：2020-12-10 08:01:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
在上个世纪，火箭的出现定义了太空时代的来临。在新的世纪，商业太空飞行将取代政府行为而成为航天主要内容，火箭将继续塑造这个转型的过程。随着美国私营航天企业和太空旅游、太空旅馆等的兴起，太空经济成为人们热烈讨论的话题。然而话题虽热，真正的太空经济却一直没有热起来。这其中的原因是什么呢？
概念与难点
我们这里所说的太空经济，不同于传统的卫星通信、遥感、导航、气象等应用，我们把这些活动称为卫星应用产业。而本文概念上的太空经济，主要是指在轨道和地外天体上建立长期的人类居住场所，并在其中实施科研、生产、教育、娱乐等活动，以及围绕这些工作而展开的天地人员、货物运输等活动。
人们为太空经济设想了不少美好的前景，包括穿梭不停的飞船、源源不绝的太空访客、丰富的科研成果和高价值的产品。然而从私营航天企业当前的情况看，这种前景还远不能实现。其中的困难在哪里呢？
在飞向太空的旅程中，最初的100千米高度是最为艰难的。如何克服这一段距离中的困难，将决定私营航天业是不是能在没有大量国有资金资助的前提下获得利润。如果发射费用降低，那么“新太空经济”就可以成长起来。而如果太空市场成长起来，发射服务的价格会因为规模经济的效应而进一步降低。
为了解决这个问题，美国政府正在强力推动真正的太空经济。其中规模最大的，就是NASA（美国航宇局）发起的、前往国际空间站的商业货物运输业务。目前，该计划支持的“龙”飞船已经两度前往国际空间站。这表明私营企业在宇航飞行上取得了显著进展，下一步就将是载人航天飞行了。
另外，私营航天界为了在太空市场中赚到钱，想出了各种五花八门的新主意，很多新兴市场开始启动。而且除了已经具备航天侦察能力的大国，其他各国军队也在尝试着利用太空的“高地”效应来执行一些任务。
眼下，太空探索技术公司已经设法解决了往返国际空间站的技术问题。轨道科学公司已经解决了发射问题，正在设法突破返回技术。另外，蓝色起源公司、波音公司、Sierra Nevada也在和NASA合作，把商业运输能力扩展为载人运输能力。
但是，NASA承担了上述企业研发费用的80%—90%。NASA表示，通过使用太空探索技术公司的“猎鹰”-9火箭，已经节省了10亿美元。太空探索技术公司正在执行12次、价值16亿美元的“龙”飞船货运往返空间站合同。格斯特梅恩的任务委员会还支付了11亿美元，以帮助波音、内华达管道公司和太空探索技术公司等企业研制商业载人飞船。但是这些资助依赖于美国国会批准的资金数量。亚马逊创始人杰夫·比索斯创建的蓝色起源公司就已经无法再从NASA获得资助。
如果没有NASA购买前往空间站的货物和人员运输需求，就没有市场。即使有NASA这个大客户存在，市场增长的程度也没有达到多数传统董事会所期望的快速投资回报率。
这种类型的政府支付，意味着航天器的主要客户还是政府，而不是NASA努力描绘的、真正的商业市场。其中的问题还在于发射。
火箭与波音737
要想建立和维持太空经济，必须用火箭把航天器发射入轨。什么样的火箭才合用呢？对此，NASA的一位前航天飞行项目经理维尼·黑尔给出了一个类比对象：波音737客机。
波音737是大家极为熟悉的客机，也是国内航线最常见到的机型，占了全世界中短途客运机型的大部分。航天飞机的大小和737差不多。737的结构重量占起飞重量的大约40%，燃料占30%，乘客和他们的行李占30%。
而航天飞机的发射重量中，燃料占了85%，结构占了14%，有效载荷只占1.5%。多数航天发射工具的起飞重量比例都是如此。航天运输为什么不能像航空运输那样普及，可见一斑了。
为什么航空和航天的运载器有这么大的差异？其实利用高中物理知识就可以计算出来。要让一个质量为1千克的物体达到第一宇宙速度，所需要的动能1.2兆焦耳。而波音737的飞行速度一般是800千米/小时，要让1千克的物体从0加速到800千米/小时，只需要不到5万焦耳的动能。这里还没有考虑空气阻力等问题。
这还不算完。物体达到第一宇宙速度所消耗的能量，会在重返大气层的过程中释放出来。这部分能量之大，绝不是737的降落过程所能相提并论的。黑尔在哥伦比亚号事故10周年的一次论坛上说，哥伦比亚号的事故证明，如果航天器不能有效防护，这部分动能会对机身和乘员造成毁灭性的伤害。
降低发射费用
至于如何降低航天发射的费用，美国航空和宇航联合会专门组织有一个年度大会，叫做“宇宙再发明”，到2013年已经是第十届。本届会议的主题是如何在维持任务高水平的情况下有效降低费用。降低费用的核心，是找到一种能大幅度降低发射费用的途径，尤其是降低小卫星的发射费用。目前的航天发射费用大约是每千克20000美元。因此，如果一枚火箭的费用高达3000万美元，人们很难下决心研制一颗价值只有几百万美元的卫星。
专用发射之外的选择
要想减少发射费用和耗时，最简单有效的办法就是不发射。有很多实验、试验是不需要航天飞行的。
气球可以提供数小时乃至数天的高空飞行，价钱也很便宜。如果一定要进行微重力试验，可以用微重力塔或者微重力隧道实施。这两种手段可以提供5秒～10秒的微重力试验时间。美国NASA的格林研究中心和德国应用空间技术与微重力中心都有这样的设施。人们立刻就可以得到试验数据，而且每天可以进行两次试验。
如果需要持续20秒～25秒的微重力试验（要模拟月球或者火星重力环境的话，还需要更久），可以采用飞机抛物线飞行的方式。一架试验飞机每天可以进行40次抛物线飞行。更重要的是，实验设备和实验者可以一起飞行，观察试验过程，并及时进行调整和纠正。现在。美国已经有商业公司提供这种服务。
如果还需要更长时间的微重力环境，就需要亚轨道飞行的探空火箭了。这种工具可以飞行到1200千米高度，最多可以提供12分钟的良好微重力环境。这也意味着有效载荷可以飞到低地球轨道的高度，进入真空带，还能全景式地观察地球和太空，和LEO卫星几乎一样。当然，探空火箭的轨道速度不如卫星，价钱也比飞机贵多了。
