【防务资讯】DARPA致力于低成本运载技术研发
美国国防部高级研究计划局致力于低成本运载技术研发
黄志澄
本文由作者和《国际太空》杂志共同授权转载
居高不下的航天运载费用是航天发展的瓶颈，这早就是国际航天界的共识。多年来，美国航天航空局和美军都为此不断努力，但收效甚少。近年来，美国的众多民营航天公司对此大力发展创新技术，取得了可喜的成绩。与此同时，美国国防部高级研究计划局（DARPA）在国防经费削减的压力下，仍然致力于研发新的低成本运载技术。
1 国防部高级研究计划局关注低成本运载技术
2015年3月26日，国防部高级研究计划局发布了新版《服务于国家安全的突破性技术》（Breakthrough Technologies forNational Security）的报告。该报告每两年发布一次，主要是总结国防部高级研究计划局的历史使命、当前已经和正要开展的重点研究领域，以及近年来将国防部高级研究计划局所发展的技术向美军各军种兵和其他部门转移的情况。
在这份报告中，国防部高级研究计划局认为美国当前仍保持牢固的战略优势地位。这在很大程度上得益于美国长期以来的技术优势。但美国的地位目前面临着许多挑战，包括更强大和更低成本的技术在全球扩散、破坏性的非国家行为体出现、相同等级的对手们持续威胁等等。报告认为：“数十年来，国防部高级研究计划局的使命和理念牢固如初，但国防部高级研究计划局所处的世界已发生显著改变。”“这些改变也包括某些卓越的甚至令人惊愕的科学技术进展，如果它们能精明和有目的地利用，将不仅可能确保美国军事优势和国家安全的持续，还可能促进社会进步和经济发展。与此同时，世界正在经历某些深刻而令人不安的技术、经济和地缘政治变化，对美国的地位和稳定性带来了潜在的威胁。”
正是由于这种由潜在威胁和空前机遇所组成的矛盾统一的趋势，深刻地影响了国防部高级研究计划局最近有关未来数年中战略优先事项的判定。该报告提出,“加快速度”是核心的挑战和机遇，“国防部高级研究计划局将继续推动有关加快速度的战略措施，其途径之一是继续保持为大胆、允许冒险的高冲击力技术投资，以确保美国能够首先发展和采用由此变得可能的各种新颖能力”。
该报告为国防部高级研究计划局设定了4项主要的战略投资领域。一是以新思路构建复杂的军用系统。为了在当今快速变化的世界图景中，实现更快地发展和集成突破性的军事能力，国防部高级研究计划局正在开展工作，使武器系统变得更加模块化和更容易升级改造；保证在空、海、陆、天、网这5个域中的优势；改善不依赖GPS的定位、导航与授时（PNT）能力；增强对恐怖主义的防御能力。二是征服信息爆炸。国防部高级研究计划局正在发展一些新颖的途径，来利用强大的大数据工具，获得对大规模数据的洞察力。三是将生物学作为技术利用。四是扩展技术边界。
在上述报告发布会上，国防部高级研究计划局局长阿尔提·普拉巴卡(Arati Prabhakar)表示，国防部高级研究计划局在太空的适度投资，聚焦于确保美国在太空拥有“强大的能力”，尤其是在航天发射方面。她说：“我们在太空投资的一个主要焦点是，首先，意识到我们对太空极其依赖，”她说，“现在我们的问题是：我们如何使发射变得更易操作，我们如何改变入轨后我们在轨可能实施的操作，然后我们如何改变太空态势感知。”这份报告强调国防部高级研究计划局投资的工作将实现卫星的快速，低成本发射。 普拉巴卡尔表示，对于美国国防部而言，减少发射成本，增加发射频率显得十分必要。
2用战机发射小卫星的“空中发射辅助太空进入”计划
据国防部高级研究计划局网站2015年2月5日报道，该局将通过其“空中发射辅助太空进入”（ Airborne Launch Assist Space Access ,ALASA）项目，发展一种低成本的发射小型卫星入轨的运载体系。在美国联邦航空管理局商用太空运输18届年会上，国防部高级研究计划局战术技术办公室主任布拉德福·图斯雷（ Bradford Tousley）介绍了该项目的进展，包括成功完成了第一阶段设计、选定波音公司担任本项目第二阶段主合同商。在第二阶段中，计划在2015年末进行1次飞行验证，在2016年上半年进行1次轨道发射，2016年夏季继续进行多次演示验证发射。
“空中发射辅助太空进入”的目标是在24h内将45.4kg的卫星发射进入低地球轨道，而且每次发射成本不超过100万美元。美国卫星发射场数量有限，国防部或其它部门发射卫星都需要在发射场的年度计划中提前安排,这已成为发射太空设施的瓶颈。“空中发射辅助太空进入”计划从常规飞机上发射低成本一次性火箭，通过简化设计和制造，利用空中平台的灵活性和重复性，以克服现有发射系统的局限，从而实现在任何位置、任何时间都能及时发射小卫星。在航天发射市场，小型卫星的发射需求呈现出快速增长的趋势，如果“空中发射辅助太空进入”取得成功，它将为政府和商业公司日益增长的小型卫星发射需求，提供更方便、更便宜的发射能力。
早在2002年，国防部高级研究计划局就将该项目的“发射系统设计与概念发展”合同授予了波音公司、洛马公司和维珍银河公司。波音选择的载机是F－15E，洛马公司是F－22，维珍银河是太空船－2。从成熟度和成本等因素来看，F－15E最有优势。何况在1985年9月13日，一架F－15A曾发射过一枚ASM－135导弹，成功地摧毁了在555km轨道上运行的一颗卫星。综合以上考虑，国防部高级研究计划局当然会选择波音公司。
实际上，将飞机作为卫星发射平台，并不是国防部高级研究计划局最近才提出的的创新技术。它于20世纪90年代就实施过一项空中发射计划，那就是轨道科学公司的“飞马座”火箭。发射标准型“飞马座”火箭的载机为改装的B－52轰炸机，运载火箭吊挂在机翼下，其近地轨道运载能力375kg，1998年后该载机停止使用。发射加长型飞马座－XL的载机为改装的L－1011飞机，火箭吊挂在载机腹部，其近地轨道运载能力443kg。发射时，火箭由载机携带至预定地点上空投放，自由下落5s后点火，投放时的飞机高度约11900m，飞行速度为0.8Ma。“飞马座”火箭已成功发射过几十次，其成本比在地面发射卫星的费用约5000万美元要低一半左右，但仍离“空中发射辅助太空进入”的目标成本有较大距离。
据悉，波音公司设计的“空中发射辅助太空进入”火箭长约7.3m，挂在F－15E的腹部，其发射过程与上述“飞马座”火箭类似，并可根据小型载荷的要求进行了专门设计。为了降低成本，火箭将采用商业航电和先进复合材料结构。如果成功，相比于传统使用两种液体（如液氢和液氧），系统将更简化，并将降低制造和运行成本。“空中发射辅助太空进入”还要求利用现有卫星发展监控火箭飞行的太空遥测技术，以取代地面遥测系统。它还要求具有自动飞行终止系统，该系统能监测飞行时的实时条件，并在必要时终止飞行。
作为一种低成本、快速响应的发射技术，“空中发射辅助太空进入”一旦成功，将为小卫星的广泛使用铺平道路。届时，小卫星有望像现在的无人机那样，成为广泛运用的战术系统，大量用于战场侦察、通信等领域。特别是当今“反卫星”技术已不再神秘，在真实战场环境中，急需快速发射小卫星，对损失的卫星进行补缺。“空中发射辅助太空进入”项目需要的火箭的载荷，也可将卫星改为一种拦截器，那么它就能成为一种快速响应的低成本反卫星武器。由此可见，“空中发射辅助太空进入”项目的资金很少，比起美军高达十亿美元以上的大型卫星项目来说，只是一个小小的项目，但“四两拨千金”，对其承载的意义和价值，我们不能低估。
3重复使用的试验太空飞机－1计划
2013年11月， 国防部高级研究计划局发布了试验太空飞机－1项目方案征询公告。这种太空飞机将在2018年进行首次飞行，最终能够在10天内进行10次飞行，能以低于500万美元的价格将有效载荷送入近地轨道。2014年4月，国防部高级研究计划局已经向3个竞标团队授出了试验太空飞机－1项目第一阶段的主合同，以启动太空飞机的方案研究。这3个团队包括波音公司（与蓝色起源(Blue Origin)公司合作）、Masten太空系统公司（与 XCOR航宇公司合作）和诺格公司（与维珍银河公司合作）。这3个团队都有民营航天公司参与。
国防部高级研究计划局在2015财年为该项目申请了2700万美元的经费，该项目2014财年获批经费为1000万美元。国防部高级研究计划局已为该项目可能的第二阶段工作制定了1.4亿美元预算，第二阶段将集中进行最终设计和集成。
国防部高级研究计划局在上述征询中称：“在预算紧缩和对美国航空航天资产威胁激增的年代，快速响应且经济可承受的进出太空，就显得越来越重要”。“从试验太空飞机－1项目中衍生出的技术，能够使常规航天运载器实现和航空器一样的成本、可操作性能和可靠性。试验太空飞机－1技术的长期目标不仅支持政府和商业用户的下一代航天发射，而且将支持全球到达的高超声速飞行器和进入太空的飞行器。”
试验太空飞机－1计划与美国已经试验的使用超燃发动机的X－51A无关，它不是一种试验性的空天飞机，而是一种可重复使用的运载火箭第一级，可以采用有翼或无翼构型，包括有人驾驶、选择性有人驾驶和无人驾驶等多种方案，能够携带一次性使用的上面级，将重达1800kg的有效载荷送入近地轨道，这意味着其成本比空军使用的人牛怪－4火箭要低10倍。其飞行速度可达到10Ma，将降低一次性使用上面级的尺寸和成本。从诺格公司公布的方案来看，设计工作将重点围绕可行性和经济可承受性来开展，确保项目的核心目标像飞机一样作战和运营的实现。其关键技术包括：使用机动式起竖发射装置，以最小化基础设施和地面人员规模；充分吸收发展无人机的经验，实现高度自主的飞行操纵；像飞机一样在标准跑道上水平着陆并回收。
美国发展重复使用航天运载器的道路充满坎坷，降低航天运输费用是航天事业几代人的梦想，因为只有有了便捷的运输工具，才能使太空经济产生效益，而重复使用就是降低成本的关键一步。然而，美国航天飞机的重复使用的轨道器却成本昂贵，使人望而却步。由于迫于降低空间站的运行补给费用的压力，美国航空航天局先后探索了水平起降的“国家空天飞机”、垂直起飞水平降落的X－33/“冒险星”，垂直起飞垂直降落的DC－X等，但这些项目无一修成正果。随着美国航空航天局的主要任务转向探索月球、小行星和火星，美国航空航天局也慢慢失去了发展重复使用航天运载器的兴趣。
担负繁重的军用卫星发射任务的美国空军，不得不继续关注重复使用航天运载器，但其命运仍然不佳。最初，美国空军提出了“混合运载器”概念，并于2006年分别授予诺格公司、洛马公司、安德鲁斯航天公司等有关“战神”火箭的研究合同，但2007财年国防授权法案终止了“战神”计划。2010年美国空军不变初衷，重新明确规划了“可重复使用助推器系统”技术演示验证的系列计划。作为部分可重复使用运载器的核心技术，“可重复使用助推器系统”与“混合运载器”一脉相通，并计划第一个用于演示验证“可重复使用助推器系统”的“探路者”，将于2013年进行试验。“可重复使用助推器系统”系列计划所设定的目标为发射成本减半，其前提是年发射频度不低于8次。“可重复使用助推器系统”构型包括可重复使用的第一级和一次性的上面级，计划开发两种“可重复使用助推器系统”型号：一种是配备一个可重复使用的第一级和低温上面级，用于中型发射任务；另外一种是配备两台可重复使用助推器，低温核心级和上面级，用于重型发射任务。2011年，美国空军再次授予上述3个公司合同，但这个计划也是好景不长，2012年10月，“探路者”因空军预算削减，这个项目也决定下马。
不难发现，国防部高级研究计划局的试验太空飞机－1项目与“探路者”项目密切相关。试验太空飞机－1的项目经理杰斯·斯波纳布（JessSponable）在2012年12月加入国防部高级研究计划局之前，曾是美国空军研究实验室（AFRL）的“探路者”项目的总工程师。在目前空军预算不断削减的情况下，将发展重复使用航天运载器的任务，转到有一定资金而管理灵活的国防部高级研究计划局，不失为明智之举。美国重复使用航天运载器在国防部高级研究计划局的管理下能否走出一条新路，坚持到底，我们将拭目以待。
4结束语
众所周知，降低航天运载费用既包括航天运载器研制和生产费用，还包括在总费用中占有很大比重的发射和测控的费用。国防部高级研究计划局目前正在执行的两个计划，不仅可以降低前者，还可以大幅度降低后者的费用。这就提醒人们，降低航天运载费用不仅要降低航天运载器的成本，还要设法大幅度降低发射和测控费用。
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