運輸系統案例集/商業太空飛行

摘要

商業太空飛行是指貨物、衛星、科學有效載荷和乘客從地球海平面以上62英里的近地軌道（LEO）開始，透過私營航天器和火箭進行的移動。商業是指私營部門運營的業務，使用他們擁有的車輛、航天器或服務。 該行業作為公私合作伙伴關係運作，商業運營公司設計和生產NASA為其太空任務租賃的運輸工具。這些公司還可以追求自己的非政府商業利益，例如太空旅遊。商業太空飛行為太空探索、科學發現和商業企業帶來了新的機遇。隨著這些機遇的到來，也帶來了一系列具有國家和國際影響的政策發展和問題。

參與者註釋列表

美國國家航空航天局（NASA）

NASA的商業載人計劃（CCP）促進了與私營航天產業的強大公私合作關係，以鼓勵商業太空運輸計劃的創新發展，該計劃透過使用私營公司或組織為盈利而擁有和運營的航天器來執行。

聯邦航空管理局（FAA）

FAA的商業太空運輸辦公室（AST）成立於1995年，負責監督、授權和監管商業發射和再入活動，以確保公眾、財產、國家安全和美國外交政策利益得到保護，並鼓勵、促進和推動商業太空運輸。

美國商業太空產業

美國私營公司正在設計和開發往返近地軌道和國際空間站（ISS）的運輸能力，供NASA的CCP計劃選擇。NASA已選擇波音和SpaceX公司建造和運營系統，用於將宇航員運送到國際空間站和從國際空間站返回，以及獅子山內華達公司的航天器將裝置和貨物運送到空間站。此外，SpaceX和Orbital ATK與NASA簽訂合同，將貨物運送到國際空間站。其他私營公司正在開發航天器，以爭奪新興的商業載客飛行到近地軌道的市場，用於旅遊，包括維珍銀河和藍色起源。

美國太空小組委員會

美國眾議院太空小組委員會對所有與太空研究和開發有關的事項（包括商業太空活動）擁有立法管轄權、一般監督權和調查權。

商務部

太空商務辦公室負責太空運輸商務政策活動，其使命是為美國商業太空產業的經濟增長和技術進步創造條件。

商業太空運輸諮詢委員會（COMSTAC）

該諮詢委員會由行業、政府、學術界和倡導組織組成，向FAA提供有關美國商業太空運輸行業事宜的資訊、建議和推薦。

商業太空飛行聯合會（CSF）

美國航空航天工業委員會，其使命是促進商業載人航天飛行發展，追求更高水平的安全，並在整個行業分享最佳實踐和專業知識。

事件時間軸

1962年 - 通訊衛星法

提供擴充套件的電信服務，並建立一個響應公眾需求和國家目標的商業通訊衛星系統。美國的參與將採取私營公司的形式，並受政府監管。

1967年 - 聯合國在聯合國外層空間事務辦公室（UNOOSA）下制定了“五項太空條約”)

1. 外層空間條約（1967年）
2. 救援協定（1968年）
3. 責任公約（1972年）
4. 登記公約（1976年）
5. 月球協定（1984年）

《外層空間條約》（1967年），是五項條約中最重要的一項，也是所謂的“非軍備”條約中的第二項；它旨在防止“一種新的殖民競爭”以及自私的開發可能造成的損害。本文從兩個方面限制了外層空間的活動。

首先，它包含一項承諾，不將核武器或任何其他大規模殺傷性武器送入地球軌道、安裝在月球或任何其他天體上，或以其他方式部署在外層空間。

其次，它限制將月球和其他天體專門用於和平目的，並明確禁止將其用於建立軍事基地、設施或防禦工事；試驗任何種類的武器；或進行軍事演習。

五項空間條約，使空間計劃能夠遵循一套國際商定的標準，並促進了合作參與，最終導致各國允許私營商業組織接管空間計劃的部分職能。如果沒有聯合國外空司等政府組織的早期參與，像商業航天聯合會（CSF）這樣的組織今天將不可能存在。

1984年 - 商業航天飛行法案

該法律規範和促進美國的私營航天飛行產業。該法律負責向私營公司和美國公民發放發射許可證。

1990年 - 國家航空航天局多年授權法案

第一條：國家航空航天局授權

• 在商務部內設立了一個空間商務辦公室，以協調與空間相關的議題、計劃和舉措，並授權撥款。

• 修正了商業空間發射法案，以授權撥款執行該法案。

• 商務部長負責促進私營部門參與商業空間運輸活動，並促進公私夥伴關係。

第二條：1990年發射服務採購法案:

• 要求美國宇航局從商業供應商處購買其主要有效載荷的發射服務。

• 允許美國宇航局獲取或擁有運載火箭，但歷史展示品除外，僅在這些例外情況或進行發射技術的研究、開發和測試時才需要。

• 要求根據完全、公平、公開的競爭原則授予向美國宇航局提供發射服務的合同。

• 要求美國宇航侷限制其對支援投標或建議書提交成本或價格資料的要求。

• 要求使用效能規範，而不是詳細的政府設計或施工規範。

1998年 - 商業空間法案

要求聯邦政府從美國公司採購商業空間運輸服務，以促進私營部門的商業空間機會。該法案實施了八年前1990年發射服務採購法案中的許多條款。

2004年 - 商業空間發射修正法案

允許更多私人投資開發能夠將人類送入太空的商業運載火箭。該法案賦予聯邦航空管理局（FAA）監管載人航天飛行的權力。它還建立了監管框架以及將乘客送入太空的乘客協議規則。

2004年 - 宇宙飛船一號

第一個到達近地軌道的非政府載人航天器。該航天器在同一年成功完成了另外兩次飛行，從而誕生了第一個私人生產的可重複使用航天器。

2010年 - 美國國家空間政策

“為了支援其關鍵的國內航空航天產業，美國政府將在滿足政府需求時使用商業空間產品和服務，投資於新的和先進的技術和概念，並利用與工業的廣泛合作伙伴關係來促進創新。美國政府將在國際合作協議中積極促進購買和使用美國商業空間產品和服務。”

2013年 - 國家空間運輸政策

該政策的目標是美國透過促進創新驅動的創業精神和有利於美國經濟的國際競爭力來鼓勵和促進美國商業空間運輸產業的發展。該政策支援載人航天運輸計劃，包括往返國際空間站的近地軌道以及深空探測。該政策還加強了美國商業航天飛行的發展，以服務於私人載人航天市場。

2015年 - 2015年商業空間發射競爭法案

將“學習期”法規延長至2023年，因此聯邦航空管理局不能制定任何關於商業載人航天飛行的安全法規，並將賠償（空間發射責任）延長至2025年，以適用於美國發射提供商因發射失敗導致第三方損失的情況。

案例敘述

是什麼促使立法者支援商業太空運輸？

商業航天飛行的前提是，當私營企業在人才、資源以及以創新的方式滿足數字化時代對資訊和服務日益增長的需求方面有如此多的優勢時，美國宇航局不應該壟斷航天飛行。直到里根總統於1984年簽署《商業空間發射法案》之前，美國政府一直壟斷著航天飛行。在此之前，商業衛星發射是被禁止的，但即使在該法案透過之後，由於監管和繁瑣的流程，商業發射也證明是困難的。僅僅兩年後的挑戰者號太空梭災難迫使美國宇航局和聯邦政府暫停太空梭飛行，並重新評估允許商業航天飛行提供此類服務的可行性。1990年《國家航空航天局多年授權法案》中《發射服務採購法案》的透過有效地結束了美國宇航局的壟斷。它首次要求美國宇航局從商業供應商處購買其主要有效載荷的發射服務，且例外情況最少。它還要求美國宇航局給出完成所需任務的必要規範，而不是直接給出具體的施工要求或設計，從而使商業發明和創新能夠找到解決問題的最佳方案。

美國宇航局對俄羅斯的依賴

在美國於2004年退役太空梭專案後，在波音和SpaceX公司透過其商業載人計劃（CCP）開發太空梭將宇航員運送到國際空間站的過渡期間，俄羅斯一直在運送美國宇航員前往國際空間站。美國宇航局設定了2015年開始獨立太空梭服務的目標日期，但在2011年至2015年期間，國會從CCP中削減了10億美元。隨後，發射日期被推遲到2017年。因此，美國宇航局被迫與俄羅斯續簽合同。2015年，美國宇航局局長查爾斯·博爾登致函國會，告知議員續簽合同的情況。

“我寫信通知您，美國宇航局再次修改了其與俄羅斯政府現有的合同，以滿足美國對機組人員運輸服務的需要。根據這項合同修改，這些服務對美國納稅人的成本約為4.9億美元。我請求我們放下過去的爭端，集中我們的集體努力，支援美國工業——波音公司和SpaceX公司——完成其載人飛船的建造和認證，以便我們能夠從佛羅里達州的太空海岸在2017年開始發射我們的機組人員。”

美國依賴一個外國國家和以前的競爭對手來執行其太空任務，這使得商業太空運輸發展工作變得更加緊迫。少數幾家公司已成為該領域的早期領導者，並在研發方面處於領先地位。他們的活動集中在補給服務和太空旅遊這兩個領域，這兩個領域對政府和私人利益都具有巨大的潛力。

商業航天產業發展

自2005年以來，已有100億美元的私人資本投資於與太空相關的行業。僅在2015年，風險投資家就向商業航天飛行公司投資了18億美元。這筆資金比過去15年投資於航天飛行公司的總和還要多。這表明投資者願意以他們以前從未考慮過的方式投資商業航天飛行，同時也表明投資者認為商業航天飛行的回報遠遠超過風險。由於市場上有如此多的不同公司，而且競爭如此激烈，因此進步水平正在突飛猛進。每一次成功或失敗都為行業內部積累共享經驗鋪平了道路。SpaceX和Orbital ATK是兩家開發併發射了首個將補給貨物運送到國際空間站的商業航天器的公司。SpaceX還為全球商業通訊公司提供衛星發射服務。藍色起源目前正在開發用於軌道載人航天飛行的航天器，該航天器將宇航員運送到國際空間站。這些公司目前正在開發和測試將為乘客提供商業旅行工具的航天器。這些旅行將從近地軌道開始，然後擴充套件到中地球軌道（MEO）和軌道飛行，再次吸取經驗教訓。兩家公司的長期目標都是進行外層空間飛行，包括前往月球和火星的旅行，以及在兩顆星球上建立長期殖民地的可能性。

商業補給服務（CRS）

2004年，美國國家航空航天局（NASA）宣佈將於2011年結束其太空梭計劃，並退役其三艘定期為國際空間站（ISS）補給物資的現役太空梭（發現號、亞特蘭蒂斯號和奮進號）。NASA 結束該計劃是為了將更多資源分配給技術開發、科學研究以及超越近地軌道的探索任務，例如前往火星。在宣佈這一訊息後，NASA 啟動了商業軌道運輸服務 (COTS) 計劃，該計劃將允許私營公司接管近地軌道 (LEO) 的運營，並執行對國際空間站的補給任務。2008年，SpaceX 和 Orbital ATK 贏得商業補給合同，為國際空間站提供貨物發射服務，標誌著從公共部門向私營部門的過渡開始。

2012年，SpaceX 設計製造的自由飛行航天器龍飛船成為首艘將貨物送往國際空間站的商業航天器。 2013年9月，Orbital ATK 的天鵝座飛船完成了對國際空間站的 COTS 演示任務。緊隨這次成功的演示任務之後，天鵝座飛船於2014年1月完成了其首個商業補給服務 (CRS) 任務。

太空旅遊

2004年《商業太空發射修正法案》促進了太空旅遊業的發展，維珍銀河和藍色起源等公司正在引領太空旅遊業。維珍銀河的載人太空飛行器是白騎士二號和太空船二號，這兩款飛行器都為平民提供了體驗近地軌道失重狀態的機會。 SpaceX 的龍飛船最初設計用於載人，但目前僅獲准向國際空間站運送貨物。 目前，還沒有美國商業公司使用其航天器進行旅遊。SpaceX 正在進行載人試飛，以確保所有航天器在載人進入太空前都安全並獲得聯邦航空管理局 (FAA) 的許可。

現狀

由於 NASA 無法滿足政府和私營企業的所有發射需求，因此為商業企業和創新型企業家快速擴張打開了大門。政府政策從 NASA 作為航天器唯一生產商轉變為商業公司為 NASA（作為客戶）提供多種選擇的政策，帶來了巨大的變化。現在，商業太空運輸行業可以利用其強大的創新解決方案和資源來解決政府的複雜問題。仍然存在許多政策辯論和技術問題需要解決，但如果政府在制定未來政策和法規時保持靈活，該行業將繼續在其成功基礎上發展，並推動整個太空行業向前發展。

政策問題的明確識別

政策問題

圍繞商業太空飛行的政策問題是由於其作為一個新興行業以及正在塑造它的公私合作伙伴關係而產生的。政府和私營公司在利用強大的商業太空運輸部門所帶來的機遇方面擁有不同的利益。關於政府對這些私營公司的管轄權和責任範圍，仍然存在疑問。下面將考慮其中一些最緊迫的問題。

何時以及如何規範太空乘員安全

為了促進商業太空產業的增長和發展，《商業太空發射競爭法案》（CLSA）禁止聯邦航空管理局 (FAA) 在 2012 年之前規範乘員和太空飛行參與者的安全。 此禁令現已延長至 2023 年。 該禁令造成了政府在太空乘員安全方面應發揮何種作用以及如何發揮作用的持續不確定性。政府和私營企業參與者之間對於禁令應持續多長時間存在分歧。

美國政府問責局 (GAO) 在 2015 年的一份報告中發現，“9 家商業太空發射公司中的 6 家……3 位專家、商業太空運輸諮詢委員會主席和商業太空飛行聯合會主席都建議延長關於乘員和太空飛行參與者安全的監管暫停”。 他們這樣做的主要原因是為太空旅遊提供繼續有效發展的機會，並讓行業找出合適的安全標準。聯邦航空管理局在同一份報告中表示，支援讓禁令到期，但在到期後沒有計劃釋出任何關於太空乘員安全的法規。

該機構表示，他們更希望看到商業太空運輸公司制定自己的安全行業標準。然而，聯邦航空管理局認為，由於一項看似無限期的規則禁止政府規範商業太空乘員安全，因此公司幾乎沒有實際動機這樣做。取消禁令將使該機構能夠在發現系統性問題時制定法規。根據現行規則，他們只能在事故發生後製定法規，並且法規將僅限於識別為事故原因的任何設計特徵（如果有）。

2013年，聯邦航空管理局釋出了一份名為“載人太空飛行乘員安全既定實踐”的指南草案。 該檔案借鑑了 NASA 的商業載人計劃要求。在 NASA 計劃中，NASA 指定了一套乘員安全要求和標準，私營航天器開發商必須滿足這些要求和標準才能將其用於 NASA 任務。這種安排的挑戰之一是在使航天器足夠安全以供 NASA 使用者使用，以及使航天器價格足夠低廉以供其他商業用途之間取得適當的平衡。

聯邦航空管理局許可

聯邦航空管理局負責商業太空發射以及 NASA 商業載人計劃發射的許可（NASA 認證發射載具）。鑑於商業太空運輸部門是一個處於早期階段的相對較新的行業，該機構不得不努力獲得足夠的資源並培養有效發放許可所需的專業知識。發射數量逐年穩步上升。根據美國政府問責局的資料，“在 2015 財年，聯邦航空管理局許可並批准了 14 次發射和再入”，而大約 10 年前只有 7 次。 一旦 NASA 的商業載人計劃投入運營，並且公司開始將小型衛星發射到軌道上，這個數字可能會大幅增加。

發射次數的增加自然增加了聯邦航空管理局的工作量，要求該機構進行更多檢查。檢查包括髮射前和再入活動以及發射場運營的安全檢查。他們在 2015 財年進行了 216 次商業發射檢查，而在 2006 財年僅進行了 27 次，2006 年至 2015 年間的平均檢查次數為 90 次。 此外，聯邦航空管理局還在處理新型太空發射載具的許可問題。像太空船二號這樣的系統融合了飛機和火箭動力技術的特徵，並且具有無需人工操作的飛行終止系統。 這些新系統需要更多時間、資源和人員，不僅要檢查這些載具，還要獲得瞭解這些系統在現實情況下如何工作以及預測它們可能帶來的潛在危害的知識。

與太空發射載具一樣，聯邦航空管理局還負責許可越來越多的發射場。 這些發射場的複雜性已從傳統的沿海地區聯邦發射設施增加。商業公司正在提交申請，以從其自己的非聯邦場所發射。內陸發射增加了干擾其他空中交通和障礙物的風險。商業太空發射、再入和發射場的增加將增加政府面臨的第三方責任索賠和聯邦賠償的風險。 這種風險的增加凸顯了聯邦航空管理局許可要求必須足夠全面，以確保商業太空發射作業在其所有階段的安全執行。

目前，聯邦航空管理局許可商業太空發射載具的發射和再入。它不許可其在“太空”中執行的活動。《外層空間條約》第四條和《商業太空發射競爭法案》(CSLCA) 第 108 條都要求美國政府監測和確保在太空進行的商業太空活動的安全性。 該機構尚未釋出有關其將如何履行這一責任的詳細計劃。

空域擁堵和軌道碎片

美國《國家太空運輸政策》規定，交通部擁有“專屬權力……透過其許可程式解決美國許可的商業發射的軌道碎片緩解實踐，包括髮射載具元件（如上面級）”。 軌道碎片不僅對太空發射載具及其乘客的執行構成明顯的危險，而且對載具在近地軌道 (LEO) 以下再入後地球上的居民也構成危險。目前，關於如何緩解軌道碎片的法規很少。商業太空發射參與者必須避免有意產生碎片、發射系統元件碰撞以及“透過耗盡推進劑、增壓氣體和電池儲能來鈍化發射載具”。 發射公司可以考慮多種方法來鈍化發射載具，包括被動或增強被動處置、受控脫軌或使用單獨的部署匯流排。

除了減緩太空垃圾增長的措施外，政府和商業航天發射公司還需要考慮軌道碎片清理問題。碎片清理是指防止大型廢棄物體之間發生碰撞。主動碎片清除 (ADR) 是碎片清理的主要手段，它要求清除軌道碎片。根據美國國家航空航天局 (NASA) 的軌道碎片專案辦公室的說法，降低對現有航天器群體的風險需要清除小型碎片。然而，從長遠來看，ADR 必須側重於大型碎片，例如“完整的火箭助推器和失靈的衛星”。這些大型物體的碰撞構成了軌道碎片長期增長中最大的危險，研究表明，僅清除五個最大的物體就可以穩定軌道碎片的增長。世界各地的政府和私營公司仍處於開發能夠可靠地檢測和防止此類碎片碰撞的技術的早期階段。

與軌道碎片一樣，人們也高度重視開發技術來檢測運載火箭彼此之間的接近程度，以及在美國商業空域內與軌道以下的飛機之間的接近程度。空間資料整合器 (SDI) 系統是聯邦航空管理局 (FAA) 在這方面的主要技術。它旨在監控商業航天運載火箭的運動，以確保它們不會干擾空中交通、地面上的任何人或任何事物，以及地面和太空之間的任何物體和活動。具體而言，SDI 將“支援當前和即將到來的運營場景，包括那些與 NASA 的商業載人計劃、返回助推器、從軌道返回陸地以及其他複雜任務設計相關的場景。” 該系統的具體目標是實現態勢感知自動化、監控穿越國家空域系統 (NAS) 的發射以及檢測和應對異常事件。FAA 計劃將 SDI 與其一些其他空中交通管制系統結合使用，但該機構仍在確定是否要解決或找到解決方法的一些限制。

國家安全政策

如今，美國比以往任何時候都更加依賴太空計劃來維護國家安全，同時國際社會在太空中的作用也越來越大。太空資產提供了對美國國家安全至關重要的能力，而商業太空資產則承擔了其中許多能力。國防工業倡議報告指出，“美國政策需要得到加強，以確保關鍵商業有效載荷能夠進入太空。” 商業衛星發射客戶報告稱，在獲取和安排發射方面存在挑戰。

美國國家安全關鍵的太空能力包括提供指揮與控制、通訊、情報收集和武器瞄準的衛星能力。太空系統對於監測潛在威脅、管理軍事力量和執行作戰行動越來越重要。太空也是美國經濟的重要組成部分，例如股票市場資料、電信、自動取款機，現在已成為數百萬美國居民日常生活中不可或缺的一部分。

國家安全總統指令 (NSPD) 40《美國太空運輸政策》認識到健康的商業航天發射產業對於支援美國國家安全利益的重要性。維持美國在太空的技術優勢是美國國家安全利益，而建立和維護強大的美國工業基礎是發展優勢的重要因素，報告指出，如果主要依賴外國能力，實現這一目標是不現實的。

出口管制政策

美國的出口管制政策確保對出售給外國和行業的某些技術和商品進行控制，以確保國家安全。出口管制政策是一個許可計劃，控制著根據《武器貿易條例》(ITAR) 和《出口管理條例》(EAR) 受監管的物品。美國國務院、國防部和貿易部管理 ITAR 計劃，該計劃控制著列在美國軍火清單 (USML) 上的軍火物品。EAR 條例控制著列在《商業管制清單》(CCL) 上的物品，這些物品既有商業用途也有軍事用途。

許多美國組織報告稱，ITAR 對與太空相關的商品的控制使美國公司在國際太空市場上處於競爭劣勢。反對該政策的人贊成將出口管制置於《出口管理條例》(EAR) 和總統 2009 年出口管制政策改革倡議之下。2014 年美國商務部出口管制政策調查的受訪者估計，由於出口管制政策，2009 年至 2012 年期間損失的銷售機會在約 9.88 億美元到 20 億美元之間。

商業太空運輸諮詢委員會發現，EAR 下的許可流程會更快、為行業提供更多靈活性，並且 ITAR 在國際太空界存在負面影響。國防部提出了國家安全問題，即 EAR 條例下的出口管制計劃可能會向外國實體提供具有反衛星 (ASAT) 能力的技術和系統。 當前政策的批評者表示，更多的出口將使美國公司能夠拓展市場並增加銷售額，並且在不確定的美國政府預算環境下，組織可能會尋求更多機會向美國境外的企業出售產品和服務，以保持盈利和競爭力。

經驗教訓

1. 美國政府以在災難發生後製定應急立法而聞名。然而，商業航天產業並非如此。隨著 FAA 將“學習期”延長至 2023 年，商業公司可以自行承擔風險並開發創新的系統，以幫助未來的載人航天飛行。將私營公司與政府監管相結合的決定導致了一種新的、更具信任感的文化的發展，這種文化完全支援公私合作。
2. 政府政策的平衡方法對於創造有利於風險資本家創業和商業成功的環境至關重要。過多的監管會限制創新並抑制競爭。監管不足會導致標準鬆懈以及系統互操作性問題。
3. 航天器災難的一些共同特徵是管理失敗以及在預算限制的壓力下堅持不切實際的發射計劃。商業航天產業是一個新的、複雜的產業，在一個理想的世界裡，災難是可以避免的。當事故發生時，該行業必須徹底調查所有可能的原因，以防止將來發生此類事故。在以往成功和失敗的基礎上，每一次後續的商業航天飛行都能夠變得更便宜、更可靠，並以指數級的速度提高效率。

討論問題

1. 發射場位置的確定因素是什麼？
2. 國會是否應該設定一個官方日期來規範商業載人航天飛行？或者是否應該基於其他標準？
3. 你和你家人會付費進入太空嗎？多少錢？
4. 誰應該對商業太空運輸的安全和成功負責？
5. 你認為當選總統特朗普的新政府會繼續支援商業航天產業的發展嗎？
6. 聯合國或其他國家在確定美國商業太空政策中應該發揮什麼作用？

地點地圖

美國發射場和太空港地圖 - FAA

美國太空運輸產業站點和位置 - FAA

太空和衛星 3D 地圖 - Stuffin.space

衛星跟蹤地圖 - Space.com

其他閱讀材料

1. 全球十大最具創新力的太空公司 - FastCompany
2. 2015 年太空產業史詩般的一年 - Space Angel Network
3. 關於 FAA 新無人機規則的五件事 - USA Today
4. SpaceX 火箭著陸對商業太空旅行意味著什麼 - 華盛頓郵報
5. 商業航天產業尋求特朗普政府的監管改革 - SpaceNews
6. 國家太空學會部落格