DARPA携手商业航天公司共同为未来太空竞争布局

转自远望智库战略前沿技术2019年5月31日

远望智库高级研究员 黄志澄

特朗普政府上台以来,从政治、军事、经济和科技等领域,对战略竞争对手进行全方位施压。这在太空领域表现得尤其突出。2017年12月,美国《国家安全战略》提出,美国必须维持在太空自由行动的领导地位,并对任何干扰或攻击美国太空资产并对其利益造成威胁的行为进行报复。2018年1月,美国《国防战略》要求优先发展弹性、重建和作战能力,以确保美军太空作战能力。2018年3月,美国《国家太空战略》提出,实施转变太空体系架构、增强威慑和作战能力选择、以提升太空作战的基础能力。国防高级研究计划局(DARPA)作为美国国防部的主要创新引擎,必然将其工作重点转向大国战略竞争,而在太空领域,重要措施是联合新兴商业航天公司,共同为未来的太空战略竞争提前布局。

 

    一、邀请商业航天企业共同讨论未来太空竞争    

 

DARPA成立于1958年,目的是防止战略意外对美国国家安全产生负面影响,并通过保持美军的技术优势,为美国对手制造战略意外。DARPA依靠多种多样的执行者,既通过基础研究增进知识,又通过应用研究解决当前的实际问题,从而创造创新技术,并采用多学科办法来完成其任务。DARPA承担的项目持续时间有限,但却创造了持久的革命性变革。

DARPA自成立以来,对发展军用卫星作出了许多贡献。在2002财年,时任国防部长的拉姆斯菲德,命令DAPRA开始着手一项雄心勃勃的计划,通过“保证美国畅通无阻进入太空”和“保护美国航天资源不受攻击”等方针,确保美军保持独一无二的太空优势。DAPRA将其工作概括为以下5点:

(1)进入太空与基础设施:快速、低成本地进入太空;

(2)太空态势感知:了解太空中存在的其他物体及其当前活动状态;

(3)航天任务保护:保护美国航天资源完好无损;

(4)航天任务拒止措施:防止敌人利用航天设施伤害美国及其盟国;

(5)保障太空行动:保障地球上军事行动的遥测、通信和导航。

2018年9月5日至7日,DARPA在美国马里兰州举行了60周年纪念会议,主题为“突破性技术-过去、现在、未来”。DARPA局长史蒂文·沃克(Steven Walker)在开幕式上表示,DARPA必须继续保持高度的适应性和敏捷性,保持DARPA“首先创造未来”的能力。为此,他提出了下列四项战略重点:

(1)保护美国免受存亡威胁。沃克表示,与当今的集中式、昂贵且过度扩展的单个系统相比,DARPA必须启用“系统体系架构”,因为这种架构能够更好地抵御攻击,且开发成本更低,升级速度更快。

(2)为美国军队提供能力,以在大规模冲突中慑止和战胜水平相当的对手。沃克认为,美国需要在所有疆域分解作战资产,并专注于开发可提高杀伤力的迅速响应的选项。在这些场景下,太空和电磁领域都显得特别重要。

(3)更有效地从事反恐工作。沃克指出,DARPA需要开发出支持在城市环境中作战的技术。

(4)其他所有任务的基础——基础研究。沃克表示,DARPA需要继续赢得本世纪重要的技术竞赛:人工智能、先进微电子、合成生物学、神经技术、新型计算技术,而且要对社会科学有更深入的了解。

图1  DARPA纪念成立60周年

这纪念活动中有一场研讨会是讨论“太空的未来”(Future of Space)。DARPA与合作方,共同讨论了当前在太空领域的项目,并展望未来的关键太空技术。出席研讨会的有DARPA前局长托尼•特瑟(Tony Tether)博士、美国国防部主管科研和工程的副部长、前NASA局长迈克尔·格里芬(Michael Griffin)博士,同时还邀请了Space X公司总裁格温•肖特维尔(Gwynne Shotwell)女士、Planet公司创始人罗比·辛格勒(Robbie Schingler)先生。通过研讨,与会者共同认为:几十年来,美国依靠其建造、发射和运营先进太空系统的能力,享受着全球太空优势。然而,在过去十年中,这些优势正在因同行和竞争对手在太空能力(微电子革命、小型卫星和更好的太空进入)的提高而退化。Space X公司这样的新兴商业力量正在引发新一轮的变革,带来新的发展、部署和运作模式,从而颠覆了美国国防部和其他政府机构所长期依赖的传统方法。这些新的力量既是挑战,也是机遇。在这种充满不确定性的环境中,迫切需要对太空的未来进行谋划。

值得注意的是格里芬博士在会上阐述了未来的关键太空技术:

(1)核动力推进。采用核动力,深刻改变航天器推进方式。但当前并未展开相关研究。

(2)原位资源利用。重返月球最有价值的方面是从月球中提取获取原位资源,而不必从地球上运送。

(3)3大规模定向能。在太空收集能量并将能量定向发送到太空其他位置,为其他设备供能,以加强太空能源的收集与利用。

 

    二、支持商业航天公司以增强太空体系的弹性    

 

2018年版美国《国家太空战略》强调必须加速变革,以便增强太空体系的弹性、防御能力以及在遭受打击后的重建能力,并强调简化监管框架、政策和程序,以更好地利用和支持美国商业产业。实际上,弹性的思想是将重点从关键系统防护向关键能力保证转变,目的是确保军事航天系统能够在可接受的风险下,遂行指定任务。为了使太空体系在面临攻击时更具弹性,DARPA近年来,开展了以下几方面的工作:

(1)在进入太空领域,发展一种低成本的发射小型卫星入轨的体系。2002年该局开始了“空中发射辅助太空进入(ALASA)”项目,最终选择由波音公司的F-15的方案,但因火箭发动机遇到了与所用非常规“混合单元推进剂”NA7的稳定性低于预期,在2015年11月,取消了火箭研制工作。2003年,美国空军和DARPA联合对 “猎鹰(FALCON)”计划招标。当时创立不久的SpaceX公司就获得该项目中的小型运载火箭(SLV)的合同。在SpaceX公司的“猎鹰1号”火箭初试失败后,DARPA仍然给予支持,对SpaceX公司的壮大,功不可没。

图2  波音公司的Phantom Express方案

2013年启动的“实验性航天飞机(XS-1)”项目的目标是研制一种可重复使用的助推器,以验证快速反应和低成本的航天发射能力。要求在没有上面级或有效载荷时,第一级能在10天内飞行10次,最后的目标是整个系统能将大于3000磅的有效载荷送入轨道倾角为90o高度为100海里的地球圆轨道。每次发射费用为500万美元。2017年仍选定由波音公司来承担“XS-1项目第二和第三阶段研制工作。波音的方案称为“鬼怪快车”(Phantom Express),采用航空喷气洛克达因公司(Aerojet Rocketdyne)在“航天飞机主发动机(SSME)”基础上研制的AR-22发动机。但目前波音这家传统的航空航天公司声誉极差,能否在2020年如期进行试飞,存在着很大的不确定性。

同时,当前微小卫星军事应用价值日益凸显。DARPA为摆脱星座部署和组网受大中型运载火箭及发射方式的限制,在2019财年设立了“太空弹性快速响应发射”项目,以推动微小卫星专用小型运载火箭发展。这个项目实际上是展示小卫星快速发射能力的一项有奖竞赛。一年后,矢量航天(Vector Space)公司、Vox航天公司和另一家公司获得了参赛资格。Vox航天公司是维珍轨道公司在美国注册的子公司。维珍轨道公司正在研制“运载器一号”空射系统。

(2)在利用太空的卫星领域,DARPA在“太空增强作战效能(SeeMe)”项目的基础上,在2019财年重点发展“黑杰克(Blackjack)”项目,该项目旨在利用商业公司研发小体积、小重量、低功率、低成本的低地球轨道(LEO)卫星星座。最终目标是实现军方卫星有效载荷的高度网络化并且兼具弹性和持久性,能够持续在全球范围内为军方提供最大的超视距遥感、信号和通信功能。每颗“黑杰克”卫星由一个商业化卫星平台、一个控制单元(Pit Boss),以及一个或多个能够自主运行超过24小时的军用有效载荷组成。截止2019年1月,DARPA已经与四家公司签署了“黑杰克”项目的合同。其中Telesat和Airbus两家公司为商业化平台供应商,另外两个为有效载荷供应商。2019年2月1日,DARPA发布广泛机构公告,就“黑杰克”项目之下的Pit Boss子项目,向行业征求解决方案。美国参议院军事委员会在2019财年国防预算中,对DARPA的“黑杰克”项目新增1.1亿美元,用以加速太空网络基础设施建设及军事导弹预警星座在轨验证。美国空军也向国会申请为这个项目增加了5000万美元预算。这些足以证明美国军方对加速发展低轨军事卫星星座的重视。

图3  DAPRA的Blackjack项目

与此同时,DARPA还通过“雷达网”、“小卫星传感器”等项目发展适用于微小卫星的通信与遥感载荷。它还通过“平面成像仪”项目,积极探索新型光学成像系统的技术方案。

(3)在太空态势感知领域,DARPA 将从注重卫星研发,逐步向重视数据应用与作战能力建设转变。为解决美军存在太空探测盲区,DARPA 于2004 财年设立“太空监视望远镜”项目,旨在构建无盲区、精确识别与定位深空微小目标的太空态势感知系统。2011 财年设立的“太空领域感知(SDA)”项目,则希望通过对散布的太空目标态势感知数据的收集、处理、融合,进一步强化美军的太空态势感知能力。DARPA在完成“太空监视望远镜”项目转移和“太空领域感知”项目演示验证后,于2016 财年设立了“标志”项目,瞄准太空作战管理与指控平台的建设。

(4)在太空对抗领域,DARPA 将利用发展静止轨道卫星在轨服务能力,获取太空攻防对抗的实战能力。美军的在轨操作技术在逐步掌握低轨和高轨与合作或非合作目标的自主逼近、交会、对接、捕获以及绕飞、伴飞等关键技术后,DARPA 于2006 财年设立“系统F6”项目,研制并演示验证实现分布式航天器体系结构的使能技术。2011 财年,DARPA 设立“凤凰(Phoenix)”项目,旨在重新利用静止轨道已退役或失效卫星上的有价值部件。2012年和2013年,美国初创的商业航天公司NovaWurks就获得这个项目的两项合同。在2015财年预算中,“凤凰”计划被拆分为新“凤凰”和“地球同步轨道卫星机器人服务(RSGS)”两个项目。新“凤凰”仅保留原“凤凰”的前期阶段,将在近地轨道开展有关细胞星的飞行试验。RSGS是原“凤凰”的后期阶段及后续拓展。2016年3月,DARPA开始征集RSGS的商业合作伙伴。DARPA负责研发模块化硬件和软件工具包,提供机器人技术、专业知识和政府发射机会;劳拉太空系统公司(SSL)则负责研发机器人平台,集成机器人有效载荷后形成“机器人服务飞行器”,且具有运营权。2018年8月,DARPA完成RSGS的有效载荷初始设计评审。评审的结果表明,机器人有效载荷设计连同SSL公司提供的航天器,将实现一项检修至少20个位于地球同步轨道(GEO)上的商业及政府和军方航天器的任务。DARPA计划在2021年进行在轨试验。

图4  SSL公司的RSGS方案

2019年3月,DARPA发布了2020财年“研究、开发、试验与鉴定”(RDT&E)的预算申请,对未来经费支出情况进行了系统规划,涵盖军用生物技术、材料技术及航天技术等多个领域,集中体现了DARPA当前发展重点及未来工作方向。2020财年,DARPA预算申请,约为35.56亿美元资金(含管理保障),比2019财年增加约为3.8%,比2018财年增加约15.2%。DARPA的技术项目总体可分为7类,包括信息系统技术、先进武器平台及技术、电子元器件技术、军用生物技术、网电空间技术、航天技术、材料技术及制造技术。航天技术领域的预算申请,约为2.30亿美元。比2019财年减少了约20%。这主要是由于为减少了XS-1和RSGS两个项目的资金,并在2019财政年度已经完成了“雷达”项目。另一方面, DARPA 的Blackjack项目将增加到 2500万美元, 比2019财政年度增加860万美元。引起广泛关注的在2020财政年度还将启动一个新的“火箭上的反应堆(ROAR)”项目,以开发一种高含量的低浓缩铀 (HALU) 推进系统。2020财政年度的初步资金定为1000万美元, 该方案最终寻求在轨道上组装一个示范系统。

 

    三、结束语    

 

特朗普政府上台后,美军在太空领域将以应对未来太空战略竞争为核心。在这种背景下,DARPA的航天项目,将以增强太空体系的弹性为主要目标。在进入新世纪后,DARPA除了与传统的商业航天公司合作外,更多地支持一大批新创的商业航天公司。这些公司立足战略技术前沿,并具有充沛的创新激情,是DARPA打开新局面的新兴力量。在整个军事航天领域,美军认为,由于商业航天发射和卫星服务的分布式特点和多样化性质,商业航天公司可以直接推动太空任务保证和增加弹性方面的工作,为进行拒止威慑贡献力量。由此,利用商业航天能力,对美国应对未来太空战略竞争,将具有重要的战略价值。