航天飞机经济性的辩证反思

航天飞机将于今年完成最后的告别飞行后正式退役。回顾航天飞机的传奇历程，极具两重性是航天飞机的真实写照。一方面主要依托上世纪七十年代的技术打造的航天飞机，集运载火箭、人货两用飞船、在轨航天器和飞机等技术特点于一身，创造了军事、科学和经济的特殊价值，三十多年后的今天，其主要技术仍然保持当代国际领先水平；另一方面航天飞机也存在两次空难的不堪代价与“可复用”的安全性期望值的反差，实际飞行成本与“可复用”的经济性期望值的反差。

降低成本是航天飞机“部分可复用”的初衷之一，但是航天飞机计划初期高发射频度摊薄成本的简单推理，误导了可复用必然低成本的乐观预期，到了实际运行阶段航天飞机的高额预算，又形成了可复用的成本居高难下的悲观评估。因此后航天飞机时代可复用天地往返系统的健康发展，必须直面航天飞机经济性反差的负面影响，通过构建必要的成本模型，辩证反恩航天飞机的成本居高不下的原因，前瞻可复用天地往返系统经济可承受性的应对策略。

成本模型分析

航天飞机的成本模型如下式所示：

C_总成本=C_研发+C_制造+C_升级+C_失事+C_运行+C_回收+C_复新+C_{保险+C垄断}

航天飞机成本模型的要素成本属性和典型数据如表1所示。

比较常见的计算成本为多年段飞行平均成本，等于多年段财年成本之和除以多年段发射频度之和。其中财年即财政年度，国家预算的有效起止期限，美国采用跨历年制的预算，从当年10月1日起至下年9月30日止，以预算年度终止日所属的年份作为该期间的预算年度。

从表1可见，航天飞机提升成本的典型数据均数额不菲，而摊薄成本的年平均发射频度仅为4次～5次／年，因此航天飞机的飞行平均成本必然居高难下，而如此高成本与航天飞机的发展模式密切相关。

当年一枝独秀的阿波罗登月计划，造就了美国在冷战时代太空竞赛中无与伦比的地位，也加速了后阿波罗时代美国高层决策的自我膨胀；另一方面航天飞机计划自始至终部渗透着公开和秘密的军事任务的需求，例如当时军方和中央情报局所期望的下一代大型军事卫星的发射需求。正是这样的背景塑造了航天飞机超能力决策定位的大而全模式，大而全模式要求航天飞机的发射频度达到48次／年，至少基本覆盖美国轨道航天发射的需求；在结构上则要求航天飞机一次搭载7名航天员，并拥有直径4.6米、长18米的超大舱位和24,400千克近地轨道最大载荷能力。

超能力决策的大而全模式使航天飞机承载了过度的技术挑战和风险：

航天飞机是第一个集运载火箭、人货两用飞船、在轨航天器和飞机等技术特点于一身的天地往返系统，一个极为复杂的包含约250万个零件的巨系统。

航天飞机是第一个以运载火箭的方式垂直升空，而以飞机的方式水平降落的天地往返系统。

航天飞机是第一个能一次搭载7名航天员，并兼顾24.4吨近地轨道有效载荷的天地往返系统。

航天飞机是第一个部分可复用的天地往返系统，而且在航天飞机的基本组成中，除一次性使用的外贮箱以外，固体火箭助推器、轨道器及其主发动机都可以不同年限的重复使用。

航天飞机是第一个在计划之初，过于乐观地承诺其多功能、高载荷、经济性、安全性乃至舒适性的天地往返系统。

这五个“第一”使航天飞机的诸多要素成本居高难下，而摊薄成本的发射频度却远低于预期。

一个极其复杂的包含约250万个零件的巨系统，又承载了过度的技术挑战和风险，因此不难理解航天飞机的制造成本高达17亿美元，而任务运行财年成本动辄约9亿美元。

尽管从1972～1982财年，航天飞机用于设计、研发、试验、工程、制造、设备、建筑等的研发成本(不包括利息)已高达177.9亿美元，但由于承载了过度的技术挑战和风险，航天飞机于1981年成功首飞之后，又不得不承担了过多的改进升级的成本，据1985～1999财年的不完全统计，其改进升级成本占总成本的百分比高达19～49％，见图2。其中1994～1996财年航天飞机改进升级成本的明细见表2。

维护复新是可复用独有的成本，根据1985～1990财年的统计，航天飞机的可复用部分，即轨道器和固体火箭助推器的维护复新成本，占总运行成本的百分比高达29.1～34.1％，而一次性使用外贮箱的成本、推进剂、人员装备、发射运行、飞行运行、全球跟踪网络支持、合同管理、研究计划管理等运行成本为65.9～70.9％，见图3。如此高额的维护复新成本颇令人意外，因为高额的维护复新成本在一定程度上抵消了可复用的本来价值。维护复新成本包括更换硬件的成本和(转场)一检测一维护-清洗一复新-总装一测试一取证等过程的成本，而后者所耗费的周期直接影响系统的响应能力和发射频度，并进而影响总成本的分摊。

航天飞机失事后七位航天员的惨痛生命代价举世震惊，而失事连锁成本除了事故调查成本、重返太空计划成本、补充新轨道器的成本外，还包括因停飞缓飞使发射频度骤降，导致分摊成本剧增。例如发射频度较高的1994～1996财年，航天飞机的飞行平均成本为4.5亿美元；2003年哥伦比亚号航天飞机失事后，2004财年停飞，2005～2009财年的发射频度从1次／年重新起步，逐年递增1次，年，发射频度的骤降导致2004～2009财年航天飞机的飞行平均成本增至16.0亿美元，见表3。

创立仅八年的美国私人航天企业太空技术探索公司，2010年6月4日首次试验“猎鹰”9号火箭，将“龙”号飞船的模型成功送入地球轨道。2010年12月8日，“龙”号飞船又由“猎鹰”9号火箭发射入轨，并环绕运行了两圈后在海上成功回收。通过卓有成效的技术和管理途径，“猎鹰”系列火箭将逐步实现相当低成本的航天发射。作为美国商业轨道运载服务(COTS)计划的一部分，“猎鹰”9号火箭的成功试验具有里程碑的意义，这一打破垄断的转型尝试，在一定程度上说明包括航天飞机在内的美国国家航天项目，其成本长期居高不下与少数航天巨头垄断_生的分享政府大额订单，所导致的隐性垄断成本不无关系。

发射频度是制约航天飞机经济性的关键因素。航天飞机计划初期，美国航宇局预计1980至1991年累计飞行572次，相当于发射频度约48次／年，当时设想航天飞机将基本覆盖美国轨道航天的发射需求，按估算每次发射成本约0.5亿美元。航天飞机计划的初期设想，一方面基于后阿波罗时代过于乐观的航天展望，另一方面误以为航天飞机因高频度

发射而摊薄成本的预期，将进一步激发轨道航天发射市场的需求，因此打造一个能“包打天下”的全能型航天飞机，既是轨道航天的发射需求使然，也是登月之后继续保持美国航天强势地位的登峰之路。显然美国人高估了航天飞机的发射频度预期，并进而高估了航天飞机激发轨道航天发射市场需求的前景。

实际上航天飞机部分可复用的技术含三大关键，即固体火箭助推器、轨道器主发动机和热防护系统三大关键技术。尤其是轨道器主发动机和热防护系统，返回基地后至重复使用前的维护过程相当复杂，维护成本高，维护周期长。在航天飞机计划之初，预期响应能力为14天，但是根据1990年～1997年的实际统计，在轨道器处理设施的平均时间长达88天。此外根据13次航天飞机飞行任务的统计，轨道器及其热防护系统的维护复新平均总工时，分别达到188,815小时和79,635小时。仅从以上数据就足以判断，航天飞机难以满足发射频度达两位数所要求的快速响应能力。

航天飞机从1981年首飞至今实际飞行了132次，航天飞机退役前还计划飞行3次(有关航天飞机飞行次数数据的信息来源截至2010年12月31日)，航天飞机的实际飞行年表图如图4所示。从图4可见航天飞机的年总平均发射频度仅为每年4次～5次，与航天飞机计划初始预期的发射频度每年48次相去甚远，实际发射频度倍减的后果必然是分摊成本倍增。

辩证反思之一——

超能力决策的大而全模式使航天飞机承载过度的技术挑战和风险，承担过高的改进和补救成本，承受失事后双重代价的冲击，导致成本模型中研发、制造、运行、复新、升级、失事和保险等成本要素都因此而明显提升，而发射频度却因为高估航天飞机发射频度的需求预期，高估一次性使用部分实际配套能力，高估可重复使用部分实际响应能力，导致发射频度远低于初期的乐观预期，使成本分摊倍增。

综合评价影响航天飞机经济性的因素，主观失误是主因，客观认知是辅因。因此航天飞机的经济可承受性问题，决不是部分可复用的必然结果，降低成本依然是可复用的发展规律。

辩证反思之二——

后航天飞机时代，避免超能力决策和大而全模式的前瞻性对策，是适度研发模式、适度尺寸结构和适度技术挑战；避免发射频度失当的前瞻性对策，是适度能力均衡和适度技术挑战。

“四个适度”的前瞻性对策，其中适度研发模式，即潜心技术铺垫、专注研发积累、逐步实现可复用天地往返系统阶段性目标的螺旋渐进研发模式；适度技术挑战，即尽量采用成熟技术、把握适度技术挑战、无人系统优先起步、务实渐进降低风险。

“四个适度”发展策略的近期实例，如美国空军的X-37B吸取了航天飞机和X-33的经验教训，采取适度挑战务实渐进的发展策略，见表5。

辩证反思之三——

从航天飞机的成本模型可见，发射频度是摊薄发射成本的关键要素，也是一个似易实难的关键要素。航天飞机计划初期48次／年的发射频度承诺，就是缘于看似容易的三个高估，结果发射频度下挫至平均每年4次～5次。在适度研发模式、适度尺寸结构和适度技术挑战的前提下，提升发射频度的关键是适度能力均衡。适度能力均衡有三大重点：

一是可复用性设计的能力均衡，可复用性设计必须充分考虑系统的寿命周期以及系统维护的可操作性和可时控性；

二是集成航天器健康管理系统的能力均衡，哥伦比亚号航天飞机的失事折射出可复用天地往返系统，在飞行后的状态检测、缺陷判断和飞行中的状态监测、故障诊断的复杂性，可复用天地往返系统需要能实时监控和健康管理的综合手段和技术，即逐步趋于成熟的集成航天器健康管理系统(IVHM)，实际上哥伦比亚号航天飞机失事后的重返太空计划，已经进行了针对性的结构健康管理系统的试验，在航天飞机的机翼前缘等敏感部位设置传感器和无线仪器；

三是地面维护技术和管理能力的均衡，转场一检测一维护-清洗一复新-测试-取证等技术和管理能力的均衡。

在航空“可复用”早已高度成熟，而航天仍普遍处于“一次性使用”的年代，航天飞机以人类航天史上第一个“部分可复用”的实践，揭示了可复用经济性的突破，必然是一场充满智慧的控制和摊薄成本的要素博弈。响应能力决定发射频度，发射频度摊薄平均成本，平均成本激活市场需求，这就是可复用的经济学，见图5。

航天飞机的成本模型分析和辩证反思表明，航天人将更理性地推进(部分乃至完全)可复用天地往返系统的发展战略，吸取航天飞机的经验教训，避免航天飞机当年曾经的主观失误，将更客观地认知可复用的关键技术，以适度挑战务实渐进的发展策略，潜心技术铺垫，专注研发积累，逐步实现可复用天地往返系统的阶段性目标。