美國防部「空間試驗計劃」淺析

自航天時代伊始，進入空間能力一直是進行航天探索和開展航天活動的基礎，是劃分航天國家和非航天國家的事實性門檻，時至今日也僅有極少數國家掌握了獨立的進入空間能力。因此，如何管理進入空間這種稀缺資源，以最廣泛地惠及軍、民、商等各個領域，是各國應高度關注的一個問題。這方面，美國防部「空間試驗計劃」（Space Test Program, STP）作為一個富有啟示性的案例，值得深入研究。

一、該計劃五十多年來為美軍提供了極具效費比的空間試驗機遇

「空間試驗計劃」的宗旨是為空間新概念、新技術和新系統提供低成本的進入空間機遇，從根本上來說是提供一種集約型、共享式的發射服務。

美國防部在1965年設立「空間試驗計劃」，目的是為國防部資助的航天項目提供經濟、高效的進入空間機遇以開展飛行試驗，以促進軍事航天技術的進步和發展。「空間試驗計劃」在開展空間試驗任務、加速空間技術轉化和降低研製風險方面發揮了巨大的作用，為美軍新型空間系統技術、方案和設計的飛行試驗提供了極具效費比的機遇平台，是美軍用空間技術發展始終處於世界領先地位的一個重要原因。據不完全統計，從1967年至2011年4月，「空間試驗計劃」支撐了212次任務，進行了507次空間試驗活動。在這種技術孕育機制支撐下，一大批先進的軍事空間應用技術和應用系統得以孵化，例如GPS系統和「軌道快車」計劃等。

（一）「空間試驗計劃」的產生有其特殊的歷史背景

20世紀60年代，鑒於空間的戰略意義及其重要性，美軍做出了必須加快空間系統技術發展的決策。美國防部認識到，在研製、部署空間系統服務於作戰應用之前，需要在空間對這些系統進行試驗。一些科研機構對於進入空間實施試驗的需求也極為迫切，例如當時的空軍航空航天研究辦公室（OAR）在從事一些基礎性的科學研究，但是缺乏對研製中和應用前有效載荷進行空間測試的手段。為此，美國防部長辦公廳在1965年授權啟動「空間試驗計劃」，空軍被指定為計劃的管理方，負責對核准的試驗進行優先順序排序，進而與可用預算進行匹配，從中篩選出最具效費比的運行方案，將試驗送入空間。除了需求的集中湧現外，還有一個原因是美軍的航天力量分散在陸、海、空三軍和部分機構中，需要有一種機制來解決進入空間資源分配的矛盾。

1967年6月，「空間試驗計劃」首次執行發射任務，將陸軍和海軍的衛星送入空間：陸軍「距離採集系列衛星」-9用於提高在全世界範圍內的大地測量精度，為軍事目標定位和測繪提供數據；海軍「曙光」-1用於獲取紫外波長的背景輻射數據，為監視衛星的背景資料庫做出了貢獻。

（二）「空間試驗計劃」的秉承原則是「花小錢、辦大事」

五十多年來，「空間試驗計劃」利用專用火箭、太空梭和各種衛星平台，支持實施了500多項試驗。整體來看，「空間試驗計劃」具有極高的效費比，表現在：一是資金投入規模不大；二是支持的試驗任務成功率很高；三是支持的試驗意義影響深遠。

據有關方面不完全統計，從1989年至1999年，計劃的年平均預算經費為4880萬美元（按照1999年美元匯率計算），這期間平均每年發射23個載荷，如圖1所示為1989~1999年間每年發射載荷的數量及對應的資助水平。結合其他時期的預算，「空間試驗計劃」每年的投入約為5000萬美元左右，規模並不算大。

圖1 1989年~1999年間「空間試驗計劃」經費統計

另一方面，「空間試驗計劃」的任務成功率比較高。如圖2所示，據不完全統計，從1967年到2009年之間，共實施了近190次任務，在這些任務中有17次失敗任務，成功率為91%。其中9%的失敗任務中，4%是運載工具失效，3%是研製方航天器的失效，只有0.5%是「空間試驗計劃」設計和研製的航天器失效而導致任務失敗。

圖2 1967年~2009年間的任務狀態統計

「空間試驗計劃」通過優化精選受資助的試驗，在權衡優先順序、機遇、成本的前提下，為國防部空間研究機構提供了獨一無二的空間飛行試驗機遇，推進其在基礎研究和先進概念方面進行大膽嘗試，在加速國防部空間技術的轉移，降低研製風險方面發揮了巨大的作用，其支撐的試驗價值在於：

（1）演示新型空間系統和技術的可行性；

（2）通過探索和識別空間環境特性和感測器特徵，改進運行設計；

（3）為參試系統提供早期運行能力驗證；

（4）通過空間系統樣機的直接飛行測試，降低運行風險；

（5）建立相關知識庫，從中可以規劃新型空間系統和改進現有系統；

（6）探索未預料的發現和機遇。

「空間試驗計劃」作為先進技術和未來應用系統的驗證平台，在試驗向作戰系統快速轉化的過程中發揮了重要作用，催熟和孕育了當前的多種作戰衛星系統和新型空間能力，「空間試驗計劃」支持的空間試驗任務與美軍空間應用系統的映射關係如圖3所示。美軍大量的軍用通信、導航、氣象、預警、偵察等系統的早期孵化都曾得益於「空間試驗計劃」的支持。

圖3 「空間試驗計劃」與現有系統的映射關係

（三）「空間試驗計劃」的發展日漸式微

近年來，「空間試驗計劃」的經費不斷縮減，其受關注度也不斷下降，尤其是在2013財年甚至面臨計劃取消的境地，剖析其原因有三：一是美軍在空間試驗基礎數據的積累方面已經達到一定程度，對此需求有所減弱；二是太空梭的退役極大地減少了低成本進入空間的飛行機遇；三是美國大幅度削減國防預算，這也是最大的影響因素。

為防止歷史上首次債務違約以及由此引發的經濟風暴，2013年美自動減赤機制啟動。按照要求，美國政府應在2013財年削減開支850億美元，其中國防開支460億美元。受此影響，2013財年軍事航天領域非保密預算比2012年削減了22%。因此，美空軍在2013財年預算申請中，要求取消「空間試驗計劃」。但是，該提議遭到國會拒絕，仍撥給4505.1萬美元經費要求繼續開展。針對2013財年預算申請，有議員表示取消計劃極其愚蠢，考慮到其極其微小的投入，取消不是省錢之道。美國政府問責局也在2012年3月的《國防部在衛星採辦改進活動中完全實現效益面臨挑戰》評估報告中指出，如果取消計劃，研製新型空間技術的單位例如學術機構、政府實驗室將承受發射的負擔，估計每年需5千萬美元。時至今日，「空間試驗計劃」仍然得以保留，但年經費量維持在不足3000萬美元。

二、美軍為「空間試驗計劃」建立了比較完備的運行管理機制

（一）定義了多元的進入空間方式

針對於不同的空間試驗任務，美軍在「空間試驗計劃」下設立了靈活多樣的進入空間方式，以適應不同試驗載荷的個性化需要：一是通過專有發射進入空間，例如一次性運載火箭、亞軌道探空火箭、高空氣球等；二是通過太空梭/國際空間站/NASA其他的飛行器，在空間部署或作為有效載荷倉部署在空間站內外；三是作為搭載物進入空間，包括固定在衛星平台上的附屬載荷，或是搭乘在運載火箭上的次級載荷。管理部門曾經對其中的410次載荷飛行進行統計，結果顯示53%的載荷通過太空梭進入空間，32%載荷通過專有發射進入空間，15%是附加在宿主航天器上，如圖4所示。此外，為了更加突出重點、兼顧全面，「空間試驗計劃」制定了兩種資助方式：一是由空間試驗評審委員會（SERB）遴選的空間試驗項目，符合計劃的資助範圍，為其提供進入空間的資助；二是有償性服務，由客戶自身解決資金來源，通過「空間試驗計劃」進入空間。

圖4 「空間試驗計劃」載荷進入空間的模式

（二）出台了配套的政策法規保障

美軍「空間試驗計劃」的政策法規文件經過幾十年的發展，已經形成了比較完善的體系，為計劃的實施提供了健全的管理保障。目前，相關政策文件包括：（1）1996年2月發布的《空間政策指令AFPD10-12空間部分》；（2）2002年7月國防部副部長備忘錄《空間試驗計劃管理與資助政策》；（3）2004年空軍航天司令部備忘錄《搭載載荷審批政策》；（4）2004年空軍與導彈系統中心備忘錄《國防部漸進一次性火箭搭載任務執行計劃》；（5）2010年11月聯合指令《空軍指令10-1202；陸軍條例70-43；海軍作戰指令3913.1A》；（6）2012年《對空軍指令10-1202空間試驗計劃的管理修訂》。

這些文件涵蓋了「空間試驗計劃」的管理和實施，包括資助政策、審批政策和具體的執行計劃，作為法律遵循有力的規範了相關計劃的開展，確保了計劃健康、有序的執行。在這些文件中，最為重要的是2010年11月聯合指令《空軍指令10-1202；陸軍條例70-43；海軍作戰指令3913.1A》，該指令是「空間試驗計劃」管理和資助的政策文件，是對1996年2月發布的《空間政策指令AFPD10-12空間部分》的細化和落實，並吸收了《空間試驗計劃管理與資助政策》、《搭載載荷審批政策》、《國防部漸進一次性火箭搭載任務執行計劃》中的相關內容。作為一個聯合指令，《空軍指令10-1202；陸軍條例70-43；海軍作戰指令3913.1A》也在不斷進行版本的更新和調整，2010年11月的版本是對1998年版本的更新，更早還可追溯至1984年，可見其發展規範很早就已經建立。2012年出台的《對空軍指令10-1202空間試驗計劃的管理修訂》是對該聯合指令的微調，以便更加適應管理的需要。

（三）設定了清晰的角色管理職能

從整體上看，國防部長辦公廳統攬「空間試驗計劃」的政策制定，並在國防部內部分派「空間試驗計劃」的規劃、統籌和採辦責任和職能；國防部長辦公廳指派空軍作為空間事務的執行代理，空軍指派負責採辦的助理部長辦公室/空間採辦主任作為「空間試驗計劃」的執行代理，指派空軍航天司令部負責航天發射事務。

此外，美軍成立了專門的「空間試驗計劃」管理辦公室負責具體工作。該辦公室的人員構成情況未見披露，但是從相關文獻分析，其應該是一個項目管理辦公室，人員主要來自空軍航天司令部空間與導彈系統中心下屬的空間研發與試驗部的空間研發分部，相關機構如圖5所示。空間研發與試驗部負責研製、試驗和鑒定國家安全空間系統，開展先進空間能力的研究和演示計劃，發展和發射小型運載工具和導彈防禦目標，為戰場人員快速提供空間能力。該部由3個下屬單位構成，分別是運載系統分部、空間研發分部和空間試驗與操作分部。空間研發分部的核心任務是「空間試驗計劃」，其下屬的航天器研發中隊、載人航天飛行載荷中隊、任務設計中隊是相關業務的主體。鑒於空間研發分部指揮官兼任管理辦公室主任，因此該管理辦公室的人員應該主要來自於航天器研發中隊、載人航天飛行載荷中隊、任務設計中隊。

圖5 「空間試驗計劃」管理辦公室的相關機構

（四）規範了嚴謹的審批運行流程

典型的「空間試驗計劃」運行流程由先至後依次是飛行需求評審，任務設計和裝載，航天器研製、測試和集成，發射，在軌支持，以及發射後和飛行後等環節。其中，飛行需求評審主要用於確定空間試驗評審委員會的飛行項目優先序列，任務設計和裝載用於開展任務規劃並確定最終的載客清單，航天器研製、測試和集成著重考慮介面問題，在發射環節根據運載工具的所有權採取不同的管理方式，在軌支持一般最長1年，發射後和飛行後主要完成信息、數據歸檔和經驗總結等。

其中最核心環節是通過空間試驗評審委員會進行飛行需求評審。任何機構包括各軍兵種、國防部業務局或者國防部其他機構都可以請求獲得「空間試驗計劃」服務支持。但是，這些機構必須事前通過內部程序評審和批准各自的空間試驗評審委員會計劃，然後才能提交至國防部空間試驗評審委員會進行評審討論。在由多軍種人員組成的國防部空間試驗評審委員會上，將全盤評估需要資助的載荷和試驗，制定出進入空間的排序清單，以實現「空間試驗計劃」資金使用效益的最大化。具體的流程見圖6。

圖6 國防部空間試驗評審委員會的基本流程

三、「空間試驗計劃」五十年的運營和管理經驗值得重視

（一）以軍事需求為導向，重點支持未來作戰

「空間試驗計劃」作為美軍先進空間應用技術和應用系統的孕育保障機制，為美軍新型空間系統技術、方案和設計的飛行試驗提供了極具效費比的進入機遇，直接推動了美軍偵察監視、氣象、通信、導航等技術的成熟和系統實際運用，極大的促進了美軍空間能力的建設和發展。究其根源，很重要的一個原因就是計劃始終以軍事需求為導向，大力資助能夠支持未來作戰的空間技術試驗。在國防部空間試驗評審委員會評審過程中，軍事相關性是確定試驗優先排序的決定性因素，其權重能夠達到50%~60%。「空間試驗集合」將軍事相關性定義為直接測試新型軍事系統或組件，研究增強現有軍事系統的潛力，或者是研究可能會影響軍事活動的空間環境。正是在軍事相關性和軍事需求的直接牽引下，資助的重點放在能夠解決未來作戰需求的空間技術和空間能力上，這為美國的軍事空間能力始終與其他國家保持「代差」做出巨大貢獻。

（二）規範試驗評估流程，嚴格控制准入清單

「空間試驗計劃」實現了美軍空間技術和空間系統開展試驗的集約化和系統化，實現了試驗進入空間的歸口統一。為了使得這種集約化發揮最大效益，美軍出台了體系化、配套的法規政策作為保障，制定了規範化的評估流程作為手段，嚴格、合理、有所側重地確定飛行清單。在飛行需求評審過程中，各個單位首先要通過各自的空間試驗評審委員會以評選出飛行需求，進而由多軍種人員組成的國防部空間試驗評審委員會進行評審，通過規範化的途徑，秉承一視同仁的態度，通盤考慮需要資助的航天飛行，以軍事相關性、減少試驗重複、推動項目負責單位之間的合作為原則，遴選空間試驗，把好進入空間飛行的關口。

（三）支撐方式靈活多樣，實現最大共性包絡

「空間試驗計劃」的一個主要特點是針對用戶需求，可以提供靈活多樣的支撐方式，表現在：一是客戶對象廣泛，國防部內的團體和機構都可以申請資助進入空間，包括陸海空三軍、各軍種的實驗室、國防部各業務局、試驗靶場、研究中心和產品部門等，只要是在空間研究和研製活動期間存在進入空間的需求，都可以獲得經濟、高效的飛行機遇；二是支持模式多元，可以完全通過該計劃資助進入空間，但需要經過本級單位和國防部的評審，也可以採取有償服務的方式，支付一定費用後進入空間；三是運載工具多樣，可以通過一次性運載火箭、亞軌道探空火箭、高空氣球等進行專有發射，或者是通過太空梭/國際空間站/NASA其他的飛行器開展有人試驗；四是試驗的形態各異，可以是一個設備集成到航天器上，也可以是完整的一個航天器，還可以是發射、飛行業務、數據獲取、與地面或天基資產進行交互等。通過這些靈活多樣的支撐方式，該計劃可以惠及各個機構、各種平台和各種試驗，實現最大的共性包絡，滿足國家軍事航天能力的試驗需求。

（四）藉助標準化適配器，降低風險增加運力

為了最大化每次發射機遇送入空間的試驗數量，更加經濟可承受地支撐科學和技術試驗任務，「空間試驗計劃」重視針對現有運載工具設計和實現多載荷發射能力。因為存在介面設計、進度調整和協同運行等問題，多載荷發射存在固有的複雜性、技術挑戰以及風險。為此，該計劃採取了幾項標準化舉措以增加發射數量並降低集成風險：漸進一次性運載火箭次級載荷適配器（ESPA）、多載荷適配器（MPA）、肼搭載推進系統（HAPS）和標準介面飛行器（SIV），如圖7所示。

圖7 漸進一次性運載火箭次級載荷適配器（ESPA）和多載荷適配器（MPA）

ESPA能夠最多攜帶6顆次級衛星（每顆重達180千克），與大型主衛星一道乘坐「德爾塔」-IV或「宇宙神」-5進入空間；MPA為「米諾陶」-IV火箭提供標準的介面能力，可將4顆ESPA量級的衛星實現集成；HAPS能夠改進軌道插入精度或幫助多載荷實現軌道插入，軌道插入精度可以提高±18.5千米，在600千米以上的軌道能夠增加攜帶22.7~113千克的載荷質量；SIV是一個具有標準介面的航天器平台，能夠接入不同的載荷，數量可達4個，質量在60千克以內，功率100瓦以內。2007年的STP-1任務中採用了ESPA，將包含10項獨立試驗的6顆完全不同的衛星送入了2個迥異軌道。通過這些標準化措施，最大化了發射的飛行機遇，節約成本的同時降低了集成風險。

（五）發揮小衛星的優勢，支持多個領域試驗

小衛星具有規模小、成本低、研製周期短的特點，十分利於開展技術演示和探索。因此，該計劃一直將進入空間的重點放在小衛星上，支持其開展軍事新概念、新技術和新系統的在軌演示驗證。近年來，隨著立方體衛星的成熟和推廣，試驗中立方體衛星的數量呈現較快增長趨勢，2007年的國防部空間試驗評審委員會清單中有4顆立方體衛星、2個兼容載荷，2008年清單中有7顆立方體衛星、6個兼容載荷、2009年有8顆立方體衛星、5個兼容載荷，2010年有10個立方體衛星、7個兼容載荷，統計情況見圖8所示。

圖8 「空間試驗計劃」中立方體衛星呈現增長趨勢

在之前的「空間試驗計劃」中，已經成功實施了「基於微機電系統的皮衛星檢測儀」、「皮衛星太陽能電池試驗台」、「下一代小衛星」、「生物研究衛星」，以及在STS-S26任務中的「射頻極光檢測器」、「暴露在軌道應力下的生物體/有機體」和「納米帆-D」等立方體衛星任務。這些小衛星和立方體衛星試驗任務為美軍在空間態勢感知、空間環境監測、情報監視偵察和通信等領域開展了大量的演示驗證，為其軍事作戰潛力的儘早物化奠定了基礎。

（六）借力載人運行平台，實現進入成本節約

「空間試驗計劃」將太空梭視為開展有效載荷飛行最具效費比的方式。1978年即太空梭首飛前3年，負責研究與工程的助理國防部長就已經發布指令要求針對「空間試驗計劃」，調研將在軌太空梭作為實驗室進行國防部有效載荷試驗的可行性。由此，NASA和國防部「空間試驗計劃」管理辦公室間達成協議，推動了國防部有效載荷在太空梭上研製、試驗、集成和運行，使「空間試驗計劃」可以以更低的成本進行飛行。統計表明，「空間試驗計劃」中50%以上的試驗載荷由太空梭送入空間。由於太空梭的退役，極大地減少了低成本進入空間的飛行機遇。為此，美國一方面藉助於國際合作夥伴的飛行器將試驗送入空間，如「日本的H-IIB轉移飛行器」、「歐洲的自主轉移飛行器」、俄羅斯「進步」號和「聯盟」號等；另一方面，拓展國際空間站上本國實驗室以及其他國家的試驗艙段的能力，以支持國防部的試驗需求。

日本的「H-IIB轉移飛行器」

四、結語

按照當前的視角來看，美軍的「空間試驗計劃」帶有樸素的共享經濟色彩，通過對空間試驗發射的集約式管理，實現稀缺進入空間資源的使用效益最大化。「空間試驗計劃」能夠在美軍的發展史上持續五十年之久，足以說明其意義價值的重大。因此，如何從美軍「空間試驗計劃」中獲得啟示，將受眾對象從單一部門內部拓展至多部門、跨領域、全社會，是值得思考的問題。

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