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美國老航天創業,想造下一代太空梭

2024-07-28科技

Sierra Space成立於2021年4月,是知名航空航天承包商Sierra Nevada Corporation的子公司,由其航空部門分拆而來,關註SAML「太空接入、移動和物流」服務市場。

他們有太空旅遊、火箭快遞、太空物流、太空居住艙等相關產品,這些概念聽來非常遙遠,遠到不切實際。

圖源:Sierra Space

而Sierra Space,這家商業公司在與NASA(美國國家航空暨太空總署)的合作中,逐步將概念變成現實。

最為大眾所熟知的,是它名為「追夢者(Dream Chaser)」的太空飛機,計劃在2024年底首飛前往ISS,承擔太空貨物運輸,首架「追夢者」已在5月運抵甘迺迪航天中心。

圖源:Sierra Space

不僅於此,貝索斯的藍色起源、波音及Sierra Space宣布將在2030年建成「Orbital Reef」商業空間站,剛好趕上國際太空站ISS的預計退休時間前後。在今年1月,其充氣太空艙LIFE透過了77psi的「極限爆炸測試」,這意味著它已符合NASA推薦的安全標準。

最近,Sierra Space正在研究返回物流航天器Ghost,專為小型有效載荷從太空安全返回設計,如今已透過3項高空跌落測試,將再進入高超音速測試。

Northrop Grumman的31年老員工、前航空航天系統部門總裁Tom Vice擔任該公司CEO,在他的設想裏,Sierra Space正在全力搭建一個太空平台,將太空運輸、空間站和太空套用整合至統一生態中。

Sierra Space最新一筆融資發生在2023年9月,金額2.9億美元,領投方是日本貿易公司Kanematsu Corporation、日本最大銀行MUFG Bank、日本保險公司Tokio Marine Nichido,這些公司都參加了日本的宇宙航空研究開發機構研究。截至本輪融資,Sierra Space融資總額近17億美元,估值53億美元,此外,它還有價值34億美元的有效合約。

7月12日,Sierra Space宣布,將加速探索日本大分太空港,將其作為「追夢者」在亞洲的潛在著陸點。

在準備太空飛機首飛的同時,Sierra Space還在擴充套件衛星產品線Eclipse。今年4月,Tom Vice在接受日媒采訪時表示,Sierra Space資金充足,將考慮在未來12-18月內上市。

而在6月,ULA(美國聯合發射聯盟)執行長Tony Bruno宣布,因準備工作出現延誤,Dream Chaser將不會在今年首次發射。加上這一次,首飛計劃已推遲3次。如果太空飛機首飛是Sierra Space上市股票動力的催化劑,那麽延遲發射也許對此有所影響。

一個部門轉出來的獨角獸

土耳其移民出身的億萬富翁奧茲曼夫婦Eren Ozmen、Fatih Ozmen在1963年創立Sierra Nevada Corporation(以下簡稱「SNC」),將其打造為航空航天和國防承包商。

SNC此前已經參與了數百次太空探索任務,是NASA的HLS(載人著陸系統)計劃團隊的一部份,SNC戰略空間系統副總Steve Lindsey簡單概括:「我們深度參與了NASA幾乎所有探索工作。」

在2010年4月,【國家航天政策】中,美國明確公布,未來將由商業航天公司提供近地軌域載人和貨物運輸服務。在STS-135「亞特蘭提斯號」2011年結束服役後,美國的載人航天空間站飛行任務轉向全面的商業采購。

太空產品Dream Chaser是他們據合約研發的飛行器,也是SNC的明星產品。

Dream Chaser基於HL-20太空梭改進,該計劃至今已持續超10年之久,它的開發受NASA批準以及AFRL的大量資金和技術支持,是為NASA商業載人航天計劃開發的升力體設計。

但SNC並未成為NASA的載人計劃首選。2013年,Dream Chaser在加州飛行著陸測試中起落架出現故障。據Spacenews,2014年,SNC在飛行器開發和執行ISS首次載人飛行的合約競標中敗給波音(「星際客機」CST-100)和SpaceX(Dragon2)。

後來,SNC才在2016年獲得NASA商業補給服務CRS-2合約,成為國際太空站運輸物資的三家公司之一,另外兩家是SpaceX、Orbital Sciences Corp。據合約,到2020年代中期,Dream Chaser將執行至少7次前往ISS的無人貨運飛行。

據官網介紹,在2017年時,團隊進行了一次關鍵試飛測試Dream Chaser的硬體,在加州沙漠上空下降時自動展開起落架,成功降落在NASA阿姆斯壯飛行研究中心的跑道上。

Dream Chaser也被最佳化用於貨運而非載人,按計劃造出第一艘Dream Chaser太空梭。除了它本身可攜帶4080磅補給,它身後拖著的「流星號」(Shooting Star)貨運模組可攜帶額外11000磅貨物。

圖源:CNBC,Dream Chaser2020年8月的氣動外殼

對於飛行器的價格,Lindsey表示將降低成本,希望更接近SpaceX(Dragon載人艙約5500萬美元/人)。

而且他們從未放棄過載人目標。據稱,他們仍在和NASA簽訂合約合作,透過一項無資金支持的【太空法案協定】(SAA)進行,並行推表示他們的載人太空梭的研制工作仍在繼續。

圖源:Twitter

另一方面,SNC多年來一直與NASA簽合約開發充氣居住艙,用於當做太空生活和工作的基礎設施。與他們合作過的Bigelow在做類似業務BEAM模組,只不過當時,Bigelow成功發射了2各個較小的充氣模組,而在倒閉之前都沒能發射全尺寸居住艙。

SNC在2020年7月還從五角大廈的國防創新部得到一項合約,是打造「流星號」貨物板塊的軌域前哨站。

空間站、物流、太空飛機,一套合約談下來,SNC在2020年底看到商業低地球軌域經濟的前景,大力投資太空系統部門。那兩年,貝索斯、馬斯克、布蘭森等億萬富翁都往太空領域加註籌碼,去開拓人類的世外之地。2021年4月,SNC的航空部門獨立出來,成立了Sierra Space。

「我們的太空業務是增長戰略的一個獨特案例,」奧茲曼在內郵裏寫道,「為了實作更大的影響,我們將太空業務轉型為獨立的商業太空公司。」

他們的目標是造出近地軌域的太空梭、商業空間站和系列環境系統基礎設施。Sierra Space並非普通的初創公司,它在成立之初就承接了SNC的成熟業務及產品,並手握來自NASA、五角大廈的有效合約,自然會吸引大批投資者。

Sierra Space在成立第一年完成一筆14億美元巨額融資,資方是General Atlantic、Coatue Management、Moore Strategic Ventures、BlackRock等,融後估值45億美元成為獨角獸。

新型的太空物流

在資金充沛的情況下,Sierra Space自然接手了SNC此前的太空飛機和充氣居住艙等計畫。

Sierra Space在2021年11月考慮推出第三版Dream Chaser,專門用於國家安全任務。據資料,當前載物版DC101名為Tenacity,已經建造完成,DC102名為Reverence,還在修建中,並有載人版DC201已經正在研究雙尾固定翼設計。

「我們用情感特征來命名我們的產品,Tenacity(堅韌)能幫人們渡過難關,建立Tenacity也是一件相當不易的事。」Tom Vice在今年2月展示時,解釋了Tenacity一語雙關。

2022年,美國神秘的太空飛機X-37B順利飛回,在軌執行908天再次重新整理記錄,可迴圈利用的太空飛機成為熱門話題。

當時,Sierra Space接管測試的產品Dream Chaser也是可回收復用航天器,可回收復用15次,貨物艙為一次性艙段。Tenacity能與多種運載火箭相容,發射期間它是裝在火箭內部的,可以收納配置在5公尺有效載荷的整流罩裏,減少上升負荷,保護航天器免受碎片影響,方便重復使用。

圖源:YouTube,Tenacity配置在整流罩中的概念設計

不僅如此,官網描述的Tenacity還有這樣幾個特點:

一是貨運板塊很能裝。 這得益於上述的貨物模組Shooting Star「流星號」,一個15英尺的貨運空間,對Tenacity來說是一個消耗品。它能向低地球軌域運輸重達6噸的加壓和非加壓貨物。「流星號」安裝在航天器後部,既能提升貨物載重,也能支持處理3250公斤的垃圾,還能在任務完成後儲存關鍵廢物,有效載荷則被重新裝入飛行器中。

二是落地比較平穩。 Tenacity長9公尺,是較小型的飛行器,約是太空梭軌域飛行器總長度的四分之一。其加壓容積是33立方米,在跑道上著陸時產生1.5G重力,非常輕柔,很適合運輸易碎貨物。

三是Tenacity是一類多工飛行器。 它可以透過飛行器配置、發射地點、目的地、著陸地點,持續時間和許多其他變量為國內和國際客戶客製。

此外,據介紹,在隔熱罩的設計上,Sierra Space采用了約2000個獨特的隔熱板設計,每塊板大小、密度、厚度各不相同,相較太空梭的設計更堅固,能滿足所有微流星體軌域碎片要求。

圖源:NSF

2023年9月,Sierra Space釋出了Dream Chaser的概念視訊,並在去年11月完成了首艘太空飛機的組裝工作。按計劃,Tenacity將飛向ISS,與整流罩分離後開啟太陽能電池板和機翼,在途中完成試驗任務,靠近空間站時被機械臂抓取對接。其中,「流星號」可以作為常規艙供航天員使用。Tenacity的飛行時間約為82天。

2019年,SNC宣布6次Dream Chaser的CRS-2任務飛行都將由ULA的Vulcan運載火箭送入軌域。

今年5月,Tenacity運抵甘迺迪航天中心夢工廠,將向軌域實驗室發送7800磅貨物。然而,他們發射計劃始終在延期,Dream Chaser原計劃在2021年底的首飛推遲了3次。據報道,ULA 宣布原定於2024年9月發射的計劃將再次延期,計劃的改變是由於美國太空部隊給出的壓力。

除了Dream Chaser,Sierra Space承接的還有充氣居住艙計畫,被稱為LIFE模組,也就是大型綜合靈活環境模組。2020年,SNC時期的LIFE模組還在進行模型測試,他們在和Biglow合作的過程中開發了將BEAM模組連線到國際太空站的機制。

圖源:CNBC,2020年測試期間充氣的太空居住艙

國際太空站(ISS)將在2030年退休,許多公司都在籌劃研發私人太空站。

Ars technica報道指出,國際太空站雖然比任何商業空間站都大得多,但它的建造成本超過1000億美元,每年運維和貨物運輸費用超30億美元。商業空間站無疑將比國際太空站更簡單、便宜。

圖源:NASA,國際太空站

NASA與眾多商業公司簽署資助協定,共同研發空間站技術。如,Voyager Space聯合空客、Northrop Grumman加持的Starlab計劃,以及藍色起源與Sierra space的Orbital Reef(軌域礁)空間站,和Axiom的空間站計劃。

2024年初,NASA再次給Orbital Reef計劃撥款4200萬美元,使得總撥款數達到1.72億美元。LIFE充氣模組便是用於該計畫的產品。

圖源:YouTube,居住艙概念設計

Sierra Space做出LIFE模組的首款產品,直徑27英寸(約8-9公尺),完全膨脹後艙體容積285m³,約為國際太空站可居住面積的1/3,可以容納約4名太空人。

LIFE在發射過程中可以裝進5公尺的有效載荷整流罩裏,進入軌域後膨脹。

圖源:Sierra Space

也就是說,LIFE軟體艙如果透過所有測試,發射到太空後可自動展開,形成3層公寓樓的生活空間,如果想達到目前國際太空站的體積,就發射3次這類的軟體艙便足夠。多個LIFE模組組合在一起,可以建立比國際太空站更大的領域。

圖源:Sierra Space

此外,Sierra Space還在研發更大的LIFE模組,如LIFE5000的體積有5000m³,直徑19公尺,可適應9m的整流罩。預計在未來2-3年,該公司將會為LIFE模組開發飛行硬體。

為應對太空環境極端溫度變化和真空狀態,LIFE進行極限爆破(UBP)壓力測試。這個看似編織袋的大家夥在今年1月的測試中抗住了77磅/平方英寸(psi)的壓力。據The Verge,這場測試是全尺寸測試,比NASA推薦的60.8psi更高,超出27%。

圖源:The Verge

這次測試的重點是LIFE的壓力外殼艙內約束層的效能,無論壓力多大都要保持空間完好無失真。這個「殼」由9層材料組成,約束層名為Vectran帶(跟火星探測車材料相同),與宇航服制造商ILC Dover合作開發,這類織物在軌域上充氣後比鋼硬5倍,比鋁硬10倍。

圖源:YouTube

這項未來充氣空間站計劃也由NASA的【太空法案協定】(SAA)根據第二次商業空間能力合作(CCSC-2)進行。

另外,Sierra Space還是制作航天硬體的領先者,包括航天器、精密空間機制和航天器子系統。3月,有訊息透露,曾在波音和洛克希德·馬丁工作過的Erik Daehler擔任Sierra Space的軌域系統和服務副總裁,他負責監督該公司的軌域飛行器技術從民用和商用轉向軍事化配置,以支持國防行動。

Sierra Space積壓了價值13億美元的國防相關訂單。

據Space News訊息,去年7月Sierra Space從空軍測試中心獲得2260萬美元的合約在VR35K-A發動機的基礎上繼續研發,這是用作未來運載火箭上面級的發動機。今年1月,美國太空發展局宣布選定Sierra Space和洛克希德馬丁、 L3Harris建造和執行54顆衛星,成為SDA衛星群第二階段跟蹤層的一部份。其中,Sierra Space的合約價值7.4億美元。

Sierra Space設計的新型衛星瞄準的是美國太空2025年的預算,可用於圍繞其他航天器進行精確交會和近距離操作,例如為衛星設施做加油或維護。

以及在今年4月,Sierra Space正在開發一類返回物流航天器Ghost,可用於太空運輸貨物並安全降落回地球,該公司的Axelerator團隊大約花費90天完成了Ghost的原型機和測試活動。這個航天器的口號是「在90分鐘之內實作全球有效載荷運送」,它最終的目標是做太空的物流,設計承載能力是250至700公斤。

圖源:YouTube,Ghost測試,跟隨直升機上升高度墜落

當前,形狀類傘的Ghost已經在佛羅裏達州完成了三次墜落測試,它的其中1個測試件從Sikorsky S-76直升機上4000英尺高空投下(配備降落傘),確保硬體在亞音速下穩定飛行,演示了控制下降和著陸距離。

換句話說,若在後期透過擴充套件到高超音速測試,未來該飛行器重返大氣層時,在合適的高度釋放翼傘,它能將有效載荷引導到所需區域的100公尺範圍內。因為對較小的有效載荷特別有用,這一概念將能使偏遠戰場的士兵短時間內獲得急需物資,或用於民用,在地球範圍內送最快的「快遞」。

圖源:Sierra Space,Ghost傘狀測試機

總的來看,Sierra Space已為太空物流設計和產出系列產品。Tom Vice表示,加上可重復使用的太空飛機和價格實惠的太空居住艙,Sierra Space正在大振幅節省在軌執行的成本。

「我們正在做開創性工作,為人類進一步探索太空開啟大門。」

與商業航天合作「太空快遞」

Sierra Space的Dream Chaser被稱為太空梭繼任者,是能往返太空和地球的無人駕駛貨車,除了NASA的空間站任務,還可能執行低地球軌域任務、科研任務和衛星維護等。

這其中,近地軌域的資源開發是未來的「寶藏」所在。【中國航天報】曾發文指出,近地軌域一直是人類開發強度最大和收獲最多的空間資源,如中國,無論是禮炮系列、和平號、天空實驗室、太空梭、國際太空站和天空空間站等人類重大載人航天工程,還是遙感、氣象類等衛星,都將近地軌域作為首選。

當前最大的國際太空站是由美國、俄羅斯等16國建造與共同使用的最大空間平台。茫茫太空中還有一個大空間站,中國的天宮空間站,已經在2022年底完成T字型建造,設計壽命約為10年,未來還將繼續擴充空間。

圖源:中國載人航天,天宮空間站

為搶占太空話語權,各大經濟體都在籌謀或資助建造國際太空站的替代物。不少商業太空公司已經盯上空間站建設,其中就包括馬斯克的星艦和貝索斯的Orbital Reef軌域礁等。其中,Sierra Space合作的Orbital Reef計畫不同於碩大笨重的剛硬太空艙,每一件都便於運輸且具備重量和空間的優勢,假如測試成功,他們將快速降低空間站成本並加速其發展。從融資資訊可以看出,日本已經在重金押註與Sierra Space的合作。

圖源:Sierra Space,「追夢者」選擇日本被動對接系統作為商業空間站設計

要建空間站,供應物資也十分必要。太空物流歸類於在發射和衛星工業之外的新型基礎設施中。據Space Capital,在2023年一季度,太空物流累計投資額僅次於空間站,達11億美元。在其2024第一季度的報告中,持續投入空間站和LIFE的Sierra Space被列為第四大最有價值的基礎設施公司。

中美極大可能引領太空領域物流的發展。如上述內容,NASA已與多家商業航天公司合作數十億美元的合約,進行空間站架構、太空物流、加油和服務系統的合作。NASA提供存取許可權和機組測試系統、工具與軟體,商業公司負責關鍵技術的開發和部署。

而中國也有發展「太空快遞」,且能做到小時達。中國太空物流主要由搭載長征系列運載火箭的天舟貨運飛船來執行,其中天舟六號能搭載7.4噸物資,運輸能力遙遙領先,天舟七號則是中國今年發射向太空的「新年大禮包」,載著5.6噸重的物資,入軌後采用3小時交會對接方案,又快又穩。

此外,在去年5月,中國載人航天工程辦公室釋出【關於征集空間站低成本貨物運輸系統總體方案的公告】,向全社會征集低成本貨物運輸方案。有人指出,方案是對天舟六號改造初衷的延伸和擴充套件,向市場化營運轉型。而商業航天公司如星河動力、星際榮耀、藍箭航天都有「太空快遞」的業務或方案。

圖源:中國載人航天

Lindsey曾指出,真正有趣的是,太空梭的運載定價其實取決於火箭發射的價格,「這是近地軌域緊急騰飛的必要條件之一」。在SpaceX、維珍銀河等公司的加入後,全球太空的發射價格成本已在持續降低。

花旗銀行預測,在2040年的太空經濟中,太空物流預計占太空經濟總收入的20%以上。未來,搶先把持低成本太空運輸的國家或公司將吃下真正紅利。