商业航天要成功,到底靠什么?

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皇冠正网 商业航天要成功,到底靠什么? 第1张

本文来自微信公众号:腾讯研究院(ID:cyberlawrc),作者:翟尤 腾讯研究院产业安全中心主任、高级研究员,题图来自:视觉中国


1972年,赞比亚修女玛丽·朱昆达给NASA写信质疑为何在火星探索上花费上亿元,而全球还有数亿人尚在挨饿。时任NASA马歇尔太空中心的恩斯特博士回信说道,深空探索会衍生出很多新技术来改善人们的生活。例如通过空间计划和气象卫星,可以提升全球农业水平,从而减轻贫困和饥饿。这封著名的回信试图告诉人们:征服星辰大海的科技,也会造福大众。


一、主力军与生力军,构建国家竞争硬实力


从国内外的经验来看,航天科技在维护国家竞争力方面发挥着举足轻重的作用,因此有效执行国家战略和任务,是航天科技发展的重要使命。当前航天商业化发展速度加快,也离不开国家战略的支持:


1. 航天科技主力军对国家战略与经济发展推动作用


以NASA为例,成立初衷正是为了应对美苏两国在冷战时期的竞争,尤其是在太空领域打破苏联的竞争优势成为NASA在上世纪六七十年代的重要国家任务。这期间需要持续不断地投入大量的人力、物力,但仅仅靠政府投入难以持续,因此广泛地引入民间力量参与其中成为重要选择。这一做法无意间开启了美国商业航天的探索大门:一方面解决了空间探索的资金来源问题;另一方面NASA几十年来大量积累的技术和经验,不但使得美国商业航天企业在一开始就站在世界航天科技之巅,同时商业价值可以更加广泛地在国民经济中得到有效应用。


根据美国国家宇航局测算,在载人航天上投入1美元,回报则是9美元,这是汽车、航空等任何一个产业都难以到达的高度——从先进材料到信息通信、光电传感、智能制造、数据处理,如今提升人类社会智能化信息化水平的大批先进技术创新都可以追溯到航天科技。


2. 商业航天企业成为生力军对国家战略的有效支持


商业航天的发展并非从0到1的创新,而是得益于各个国家在航天科技领域的技术和人才积累。反过来,当商业航天这支“生力军”发展到一定程度也将反哺国家战略和竞争优势的打造。根据国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)规定,卫星频率和轨道资源的使用权采用“先到先得”的竞争方式获取,从而造成“先占永得”的局面。


目前,Ku频率资源已经被瓜分殆尽,Ka、Q/V频率资源已经有多个低轨星座进行布局。为此,当前全球主要航天科技国家充分认识到轨道与频率资源的重要战略地位,并加快布局低轨道卫星网络。这其中不仅要靠“国家队”进行战略布局,也需要商业航天企业在竞争中发挥作用。例如,美国通过开放低轨道载人和货物运输限制,推动SpaceX抢占轨道资源进行全球布局;发射下一代全球定位系统卫星GPS-III;以商业合作名义开展月球、行星资源商业开发等。


SpaceX发射GPS-III卫星


当前我国航天商业化发展,要发挥新型举国体制优势,一方面要发挥国有企业主力军的作用,在投入大、风险高、见效慢的深空探索和基础科学研究领域,需要由国家主导完成;另一方面要注重发挥民营企业“生力军”的价值,尤其是发挥民营企业自身灵活性优势。从国家战略和市场需求出发,将市场良性竞争、优胜劣汰与航天科技政策、技术、资金相结合,在实践中不断探索协同创新的路径和模式。这其中,如何能够让体制外优秀的技术、人才、管理、产品服务国家战略是发展商业航天的关键所在。


二、产业聚集与都会区,带来的协同效应


技术创新发展离不开集群效应,航天科技作为高度复杂化和规模化的集合,更离不开全产业链的高度协同。当前,低轨道卫星星座组网成为商业航天发力重点,未来预计将有上万颗卫星进入太空,这也意味着卫星制造将从“实验室定制研发模式”向“工业化批量生产模式”转变,同时卫星功能将进一步集合通信、导航、遥感能力,人工智能技术、数据处理能力将增强卫星智能化水平。因此,融合创新与工业化生产将推动航天产业向规模化、集群化发展。那些能够将相关核心产业链资源进行整合,形成高密度协同效应的城市群或都会区将成为商业航天快速发展的肥沃土壤。


在产业链协同制造方面,强大的航天产业制造基础是实现商业航天发展的基础。以美国洛杉矶都会区为例,该区域汇集了强大的航空航天产业链,业内熟知的洛克希德·马丁、波音、雷神等公司在洛杉矶都会区均设有办公室,航空航天相关就业岗位达到26.8万,人均工资为10.6万美元。区域内聚集的金属部件制造企业、计算机与电子产品制造企业、运载装备制造企业、机械制造企业、服务支持机构等使得洛杉矶都会区具备商业航天规模化生产制造的坚实基础。


SpaceX虽然实现了运载火箭、航天器、卫星的制造和服务运营,形成较为完备的垂直整合能力和自闭环,但是即便如此还是需要超过3000多家的供应商每周提供上千件零部件。这也是为何SpaceX将总部选定在距离洛杉矶市中心30分钟的Hawthorne市的关键原因之一。


在人才聚集与创新方面,经过几十年的发展美国洛杉矶都会区逐渐形成了美国航天科技的中心地带。洛杉矶都会区拥有加州理工学院、南加州大学-维特比工程学院、加州大学洛杉矶分校-亨利·萨穆埃利工程与应用科学学院、加州州立大学北岭分校等知名高校。NASA负责无人太空探测任务的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)由加州理工学院管理。


同时,还有许多机构专门为航空航天量身定制课程,如格伦代尔社区学院、峡谷学院、埃尔卡米诺学院、洛杉矶贸易技术学院、洛杉矶谷学院和塞里托斯学院等。不仅仅是航天科技人才的聚集,洛杉矶都会区还有大量电子信息、生物医药、媒体、娱乐等各个产业领域人才的汇聚,不同科技领域人才的汇聚意味着可以激发更多技术创新的可能,不断产生更多乘数效应。尤其是人工智能、生物技术、增材制造等新技术的融合创新,为航天科技产业持续发展提供了有利支撑。


洛杉矶都会区NASA喷气推进实验室


聚焦国内,北京、上海、西安等城市已经逐步形成了航天科技产业的初步聚集,这为后续航天商业化发展奠定了坚实产业链协同基础。同时2020年以来,随着卫星互联网被纳入新基建战略规划,我国多个省份和城市相继出台了航天商业化政策措施:例如武汉市将打造中国航天“第三极”;浙江省将打造创新型航空航天产业群,北京市将进一步优化和稳定“南箭北星”空间布局;依托广州、深圳、珠海、惠州等城市,广东省将打造卫星产业聚集区和产业园区。可以看出各地对航天科技产业聚集、形成产业集群化发展都较为关注,有能力和机会走出高度协同与产业聚集的发展路径,为今后我国在全球航天商业化中竞得一席之地。


三、打破常规倒逼技术路线革新


传统航天科技的思路主要集中在运载火箭运力和发动机性能的提高上,一次性使用的运载火箭成为业内默认共识。但要推动航天科技发展与普及,关键在于将运载火箭打造成能够可重复使用的运载工具,在成本和效率的大前提下实现产品规模化、可重复利用、通用性,推动航天科技从更加“亲民“的路径进行升级创新。


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在运载火箭发动机方面:可重复使用运载火箭对发动机有着较高要求:一是需要具有实力强大的矢量发动机(Thrust vector control engine),为了适应火箭返回过程中复杂姿态调整控制的要求,发动机需要具被向不同方向偏转产生推力,同时矢量发动机的响应必须快速和准确;二是具有深度调节能力,为了适应运载火箭返回过程中不同阶段的减速要求,发动机需要精准的深度节流能力,且推力调节要非常精准;三是发动机具备多次启动能力,针对火箭返回过程中需要减速的要求,发动机需要多次启动,尤其是中央发动机在每次发射和回收的过程中需要多次可靠点火,关键技术之一就是在超声速环境下点火反推的能力。


从Merlin(代号“梅林”)到Raptor(代号“猛禽”),较强的发动机研发能力成为SpaceX可重复使用火箭的关键。在经济效益上,火箭的重复使用大大降低了发射费用。截至目前,猎鹰-9号火箭多次复用后,向低轨道(Low Earth Orbit Satellite,LEO)发射有效载荷的费用已经降低到1200/(美元·kg)左右。依靠技术创新,SpaceX在全球卫星发射市场份额从2013年的7%增加到目前的65%。


图片来源:《航天发射运输系统进入新周期,我国应直面短板、摒弃弯道超车》,文 |朱雄峰、程洪玮、刘阳、刘鹰、谭云涛、周城宏,论文全文发表于《科技导报》2021年第11期


在卫星互联网星座方面:卫星宽带服务作为低轨道卫星发挥价值的重要抓手,目前已经基本具备商业化的能力。星链作为卫星互联网星座的典型代表,目标是将4.2万颗卫星送入轨道,组成星链网络,从而为用户提供太空高速互联网服务。


星链在布局方面有以下三个特点:一是卫星数量多传输容量提升。一期部署4408颗卫星,二期部署7518颗卫星,三期部署30000颗卫星,卫星数量增加代表着系统传输容量不断提升。二是使用频率较高提前战略卡位。一期使用Ka、Ku频段,二期使用V波段,三期计划使用E波段。频段资源较为稀缺,星链此举可对频段资源进行有效卡位。三是卫星轨道较低降低传输时延。一期发射的卫星轨道从1100-1325千米降低至540-570千米,二期卫星运行轨道仅为340千米。卫星运行轨道降低可以获得更低的网络传输时延。



根据测速网站Okal报告显示,2021年二季度星链卫星下行下载速度可以达到108Mbps,时延在37ms,而美国当前固定宽带的平均下载速率为115Mbps,两者已经相差不大。截至2021年9月底,星链已经为16个国家超过10万用户提供互联网服务,有望成为SpaceX的Golden Ticket。


需要指出的是,美国商业航天企业在一开始就站在巨人的肩膀上,NASA在半个多世纪的发展过程中,积累了大量的先进技术,包括火箭液体发动机、防热材料、仿真软件等,持续不断地将相关技术转化给民营企业。先进的航天科技技术与较完备的商业化市场程度,两者的结合推动了民营企业要想实现盈利,就必须对技术创新保持一种本能的追求。


除了SpaceX在商业航天领域的突破以外,3D打印技术、太空加油技术等也成为民营企业技术创新的关键领域:和传统火箭制造技术相比,3D打印火箭在零件数量上减少上百倍,生产时间节省超过10倍,同时可以明显减少交货时间、简化供应链并提高整个系统可靠性,相关领域Relativity Space等初创公司已经开展布局。同时,太空加油技术也已进入实质应用阶段,美国Orbit Fab在近地轨道运营了首个“太空加油站”,为需要加油的卫星携带燃料。


我国航天科技集团研发的“太空油罐车”同样具备燃料补加能力,可为在轨卫星长期运营提供能源保障:对于一颗急需救助的卫星,只要补充50千克燃料,就可以延长大约1年的使用寿命。补加飞行器一次可携带1.3吨燃料,超过其自身重量的一半。相比于重新发射一颗静止地球卫星相比,成本降低35%。2017年天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功对接,首次完成了推进剂的在轨补加时延,意味着我国已经成为突破在轨空间燃料补加技术,继美俄之后第三个国家。


四、利益驱动催生,航天商业化发展新模式


对于太空的探索不仅仅是实现星辰大海梦想的手段,还在于商业航天领域目前仍处于一片蓝海,是由有冒险精神的开拓者大显身手从而实现更多商业价值。也正是看到了太空梦想与商业利益结合的巨大可能,以及技术创新本身带来的丰厚利润回报,从而激发了更多人关注并参与到商业航天的创新当中。


商业模式的可靠与可执性,决定了航天商业化进程能否顺利发展。以“铱星”为例,1987年摩托罗拉开启“铱星”卫星通信网络设想与建设,经过11年耗资50亿美元之后,在1998年宣告组网完毕并启动商业化运营。但由于昂贵的终端成本、笨重的接受装备以及无法在室内使用等硬伤,在正式运营15个月之后,“铱星”就宣告破产。因此,商业航天若想健康发展,良好的商业和盈利模式必不可少。


为此,当前诸多商业航天公司通过技术创新来降低成本,从而增加企业盈利的厚度。在火箭箭体及推进器材料方面,SpaceX放弃使用碳纤维材料,转而使用不锈钢为原材料。这里面有两个主要考虑因素:一方面碳纤维在考虑报废率后,成本在200美金/公斤,而不锈钢的成本不超过5美金/公斤,可以极大降低使用成本;另一方面创新技术保证材料的可靠性和安全性,经过研发和验证,金属铬和金属镍含量高的不锈钢原材料,强度更高、韧性更强,符合火箭制造和使用的要求。


即使是传统航天科技,在过去几十年中也非常注重技术转化和商业价值衍生。据统计,基于美国载人航天技术衍生出来的技术,催生出超过3万多种民营科技产品诞生,航天技术衍生出的民用产品,包括圆珠笔、不粘锅、人工心脏、透析机等已经在我们日常生活中得到广泛应用。


在国内以北斗卫星导航系统为例,目前在轨服务卫星总计45颗,其中北斗二号卫星15颗,北斗三号卫星30颗。目前北斗系统已经在交通、金融、电力、农业等领域开展服务。具有被动定位功能的终端产品社会总保有量超过10亿台/套,包括700万辆道路运营车辆、4.5万台套农机自动驾驶系统、3.6万辆邮政快递车辆等。2020年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到4033亿元,同比增长16.9%。另外华为、苹果等国内外主流智能终端均支持北斗。2021年一季度申请入网支持北斗定位的智能手机占比达到79%。


同时,也需要看到在寻找可行商业模式的过程中,国家和行业对失败的宽容度,决定了商业航天企业发展的脚步。传统航天大国对失败的容忍度较低,一方面传统发射成本较高,动辄几十亿上百亿资金的投入;另一方面航天发射经常与一国综合实力与民族凝聚力挂钩,导致一旦发射失败,将承受较大的社会舆论压力甚至政治压力。


因此,追求成功率,甚至是100%成功率成为传统航天发射不成文的规定。虽然SpaceX有很多次成功发射,但也有很多次发射失败,包括可重复火箭也是经历了多次失败,甚至是现场直播的失败。正是这种容忍失败的良好氛围,激发了更大的创新激情。


参考文献:

[1]徐冰玉, 李侠宇. Starlink低轨卫星通信星座深度分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):16-20.

[2]《大航天时代的科学创富机遇》,张天天,华高莱斯文旅咨询事业部高级项目经理,2021.9.14

[3]《航天发射运输系统进入新周期,我国应直面短板、摒弃弯道超车》,文 | 朱雄峰,程洪玮,刘阳,刘鹰,谭云涛,周城宏,论文全文发表于《科技导报》2021年第11期

[4]《天行前沿社会|一支穿云箭》 Dr.DF  凌空天行  2020-09-25

[5]《商业航天:战略俱备,只待资本》,沫子,2021-10-2

[6]《“太空油罐车”首次亮相中国航展,可为卫星“雪中送炭”》, 靳永强 高金忠 科技日报记者 付毅飞,科技日报


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     发布于 2021-11-25 00:07:28  回复
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