美國太空探索技術公司發展啟示

郭今昌 （中國航天科工信息技術研究院）

美國太空探索技術公司發展啟示

Enlightenment of the Development of SpaceX

郭今昌 （中國航天科工信息技術研究院）

太空探索技術公司（SpaceX）作為當代“商業航天發射”的典范，正一步步把“商業航天發射價格降到目前的10%甚至更少”、“人類廉價往返太空”等振奮人心的目標拉向現實：從2015年12月首次火箭回收成功至2017年1月14日，已經成功回收7枚火箭。2017年1月14日，獵鷹-9（Falcon-9）以“一箭十星”方式發射“下一代銥星”（Iridium NEXT）并成功回收火箭（發稿前，獵鷹-9又成功發射2次）；2016年11月,該公司向美國聯邦通信委員會（FCC）遞交申請，計劃發射包含4425顆衛星的龐大星座；2018年將完成人類再次進入月球軌道的壯舉。SpaceX公司為整個航天事業及其商業化發展提供了無限的想象空間，而其能夠穩步而快速發展背后的深層次因素更值得我們分析和思考，以期為我國航天事業的發展提供思路。

1 SpaceX公司的成長歷程—十幾年磨劍，歷經失敗

目標明確：立志創新，造福人類

伊隆·馬斯克（Elon Musk）是SpaceX公司的首席執行官兼首席技術官，他同時也是美國最大的網上支付公司貝寶公司（PayPal）、電動汽車公司特斯拉公司（Tesla）、太陽能城市公司（Solar City）的CEO，是互聯網、清潔能源和太空等多個高新技術領域的投資人。

2001年，伊隆·馬斯克策劃了“火星綠洲”項目，計劃把小型實驗溫室降落到火星上，但是，昂貴的發射成本迫使他暫緩了項目。2002年，他個人注資1億美元成立SpaceX公司，目標是把火箭發射成本降到目前商業發射市場的1/10，并研制世界最大的火箭用于星際移民。

攻克核心技術，建立分級產品體系

SpaceX公司設計了可部分重復使用的獵鷹－1、9運載火箭等，提供發射服務，同時設計了“龍”（Dragon）飛船系列航天器為空間站提供運輸服務。

獵鷹-1火箭是世界上第一個使用私人資金研制的液態運載火箭，一級火箭使用1臺“灰背隼”（Merlin）發動機，二級使用一臺“紅隼”（Kestrel）發動機，其每次發射只要670萬美元。第一級火箭利用降落傘減速降落至海面，實現重復使用。

獵鷹－9火箭采用二級火箭設計，確保把衛星、“龍”飛船等安全可靠地送入軌道，一級火箭采用9臺發動機。近地軌道運載能力達13.1t，地球同步轉移軌道運載能力達4.85t。其發射成本目前約6000萬美元。2012年10月7日，獵鷹－9火箭成功發射“龍”飛船，第一次承擔“國際空間站”（ISS）運貨任務，開啟了私營航天的新時代。

重視核心技術及工程試驗，從失敗中積累經驗

1）火箭基本型研制歷經失敗。在獲得美國航空航天局（NASA）支持并獲得“阿波羅”（Apollo）登月成熟火箭發動機等關鍵技術的條件下，基本型獵鷹－1的研制過程也非一帆風順：第一次發射推遲1年，經歷2006－2008年連續3次發射失敗，2008年9月28日，取得火箭發射成功，2009年第5次發射完成“馬來西亞衛星”（RazakSAT）的發射任務。

2）火箭發射任務中屢次受挫。2014年8月23日，在美國德克薩斯州麥格雷戈（McGregor）發射場的一次試飛中，1枚獵鷹－9R火箭在空中爆炸。2015年6月28日，獵鷹－9進行第7次運貨任務時爆炸解體。

3）核心技術高頻次試驗。為測試驗證火箭回收利用的垂直起飛垂直降落（VTVL）核心技術，專門設計“蚱蜢”（Grasshopper）火箭開展試驗，共進行了8次飛行試驗，經歷一系列失敗而逐步成功。

4）海上回收試驗屢敗屢戰。獵鷹－9火箭海上回收試驗從2013年9月29日起，相繼于2014年4月18日、2015年1月、2月、4月，2016年1月17日、2016年3月5日均以失敗告終，最終于2016年4月8日成功。以上試驗還經歷了5次火箭在返回途中爆炸。

走向成功，逐步占領各類市場

1）商業發射。獵鷹－9于2013年12月4日，第一次成功發射商業衛星——歐洲衛星公司-8（SES-8）；2015年3月1日，成功發射全球第一顆全電推通信衛星；2016年3月5日，成功發射歐洲衛星公司-9。

2）國際競爭力。2013年6月22日土庫曼斯坦首顆人造衛星發射與中國長城工業集團公司等競標獲勝。其發射服務價格不僅遠低于波音公司（Boeing）、洛馬公司（LM）等大航天公司，也能夠低于勞動力相對廉價的中國。

3）回收技術核心競爭力。2015年12月21日，獵鷹-9火箭成功發射11顆二代軌道通信衛星-OG2（Orbcomm-OG2），一級火箭成功從地面回收。2016年4月8日，在成功發射“龍”飛船后，海上平臺回收試驗獲得成功。

2 SpaceX公司發展的有力保障—政府扶持

SpaceX公司的成功被看作是“私營體制+商業模式”創新的成功，事實上，其背后得到美國政府的全力支持，包括核心技術注入、資金投入、資源輸入、合同任務保證、發射保障支撐、商業航天政策等支持不一而足。

1）技術注入。在美國航空航天局的支持下，“獵鷹”火箭使用了很多美國航天工業已經成熟的技術：“灰背隼”火箭發動機來自美國“阿波羅”登月級，已使用幾十年，幾乎不用考慮可靠性問題。沒有政府的技術開放，火箭最關鍵的心臟——發動機，也不是短短幾年就可以做好的。

2）人力、技術資源投入。美國航空航天局不僅開放了“阿波羅”登月和航天飛機研發的大量技術報告、成熟技術。還把核心技術骨干派到SpaceX公司，包括：美國最大發動機制造商湯普森·拉莫·伍爾德里奇公司（TRW）的液體推進專家湯姆·穆勒（Tom Mueller），他設計制造過世界最大的火箭發動機；波音公司的蒂姆·布薩（Tim Buzza），他做過15年“德爾他”（Delta）火箭測試主管；麥道飛機公司（McDonnell-Douglas Corporation）的克里斯·湯普森（Chris Thompson），他是“大力神”（Titan）火箭的首席設計師等。

3）公共資源投入。火箭發射不僅僅是火箭研發制造本身，還包括地面系統、發射場地、測控通信、氣象監測和預報等。美國航空航天局允許他們使用測試臺架，美國空軍給他們提供了測試場地，同時也得到遙測遙控和氣象等各方面的支持，這些系統的建設都不是私營公司能承擔得起的。

4）資金投入。到2012年，美國航空航天局一共為之投資了約4億多美金。

5）合同任務保證。SpaceX公司參與了美國商業航天發展的“商業軌道運輸服務”（COTS）第一階段項目，2006年8月18日贏得了2.78億美元合同。2008年4月22日，美國航空航天局授予其一項價值2億～10億美元的柔性發射服務合同，使用“獵鷹”火箭在2010年6月30日－2012年12月之間進行一系列發射，根據發射任務和次數確定最后的合同金額。至此，公司得到14份發射訂單。2008年12月，公司獲得美國航空航天局正式的商業補給服務(CRS)合同，價值16億美元，含12次貨運發射服務。2010年6月，公司獲得一筆商業合同，使用數枚獵鷹－9火箭發射“下一代銥星”（Iridium NEXT），總價值4.92億美元。2011年4月又得到商業客運開發第二階段的7500萬美元合同。2015年11月25日，獲得美國航空航天局訂單，將于2017年（可能推遲到2018年）發射載人型“龍”飛船運載航天員前往“國際空間站”。截至目前，持有30多份發射訂單。這些合同既保證SpaceX公司的順暢運營，也帶給投資者及客戶對SpaceX公司的信心。

6）政策支持。2004年，美國總統小布什推出“星座”（Constellation）計劃，美國航空航天局退出地球軌道發射任務，全面轉向深空，地球軌道運輸轉交商業公司，“商業軌道運輸服務”應運而生，SpaceX公司因此得益。奧巴馬總統上臺后繼續布局商業航天的發展，接見SpaceX公司人員，表達政府對商業航天公司發展的支持。

離開美國政府等的支持，完全依靠自己的力量或純粹的商業化運作，SpaceX公司不可能有今天這樣的發展。

3 SpaceX公司成功的基石—核心技術

火箭發動機技術

航天發展的瓶頸在火箭，火箭研發的瓶頸在發動機。SpaceX公司發動機整體設計源自湯普森·拉莫·伍爾德里奇公司，并對其進行優化，目前已具備獨立研發火箭發動機的能力，可自主設計、測試和制造多型火箭發動機，如“灰背隼”、“紅隼”和“天龍”（Draco）等。

“灰背隼”發動機，早在20世紀60年代開發，但堪稱世界最輕，僅440kg，推重比世界第一：達160，推力原設計達556kN，現在已達800kN。采用液氧/煤油，在開式循環液氧/煤油發動機中比沖最高，達306s，目前改進型的比沖達到345s。灰背隼-1D是迄今為止最高效的火箭發動機。由于采用傳統的燃氣發生器循環，發動機芯級體積較小，獵鷹-9一級在3.36m直徑空間安裝了9臺“灰背隼”發動機。最新的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭，采用27臺“灰背隼”發動機，低地球軌道（LEO）運載能力可以達到53t。

1）火箭結構設計。采用超輕質化設計,全儲箱采用高強度的2195鋁鋰合金，半球儲箱設計，整流罩級間采用C-C復合材料，制導、導航與控制（GNC）采用商業化組件。火箭干質比達到：一級20，二級27。

2）火箭制造工藝。采用成熟技術與設備，例如火箭制造使用民間出售的攪拌摩擦焊機。采用該技術，波音公司的德爾他－4火箭助推器，比原工藝節約成本60%，制造周期由23天減至6天。

3）著陸支架。底部加支架便于著陸，著陸器支架采用最先進的碳纖維加蜂窩鋁材料制造，兼顧自身質量和載荷能力。

高精度姿態控制技術

在垂直返回過程中，由于獵鷹－9沒有采用專門為回收設計的氣動外形，火箭體長徑比大，垂直回收難度很大。SpaceX公司將之比喻為一支鉛筆飛躍帝國大廈樓頂后，精確降落到一塊漂浮的橡皮上，而且不倒。海上回收還受風浪影響，足見對箭體姿態控制精度的要求之高。

推進劑管理技術

1）剩余燃料管理技術。在燃料管理技術上，同樣出色，能做到使用開式循環液氧/煤油發動機的獵鷹－9，運載系數與使用高壓補燃循環液氧/煤油發動機的天頂－2（Зенит-2）火箭不相上下。

2）推進劑交叉輸送技術。使用推進劑交叉輸送技術前，“獵鷹重型”火箭的低地球軌道運載能力約45t，增加該技術后，可把兩側助推器的燃料轉移到中央推進器，使其在兩側助推器分離后保持幾乎滿燃料狀態，運載能力進一步增加到53t，這個運載能力遠高于各國現有運載火箭的運力，約是美國航天飛機的2倍。

回收相關技術

1）火箭回收總體方案。對于火箭回收的3種方式：降落傘式、垂直降落式和翼式。獵鷹-9采用了垂直降落式，是對后續回收使用較為有利的方案，避免降落傘方案對箭體過載的危害等。

2）可重復使用技術。按航天飛機等重復使用的經驗，綜合考慮安全性、可靠性、技術實現難度、維護成本等，預計“獵鷹”火箭可重復使用10～20次，基本滿足成本降低一個數量級的目標。

其他與回收相關的技術包括：主發動機的多次啟動技術、大范圍變推力技術、再入過程中多發動機推力調整技術、推進劑靈活管理技術等。

4 SpaceX公司發展的啟示—技術與創新

掌握核心技術

1）核心技術自主可控。核心、關鍵技術自主可控是SpaceX公司能夠穩步成功，并做到商業成本可控、質量風險可控，做出有競爭力的產品的基石。20世紀末，我國曾因航天產品關鍵部件受美國制裁，整星研制受到影響。至今，許多關鍵器件、組件仍需要付出高昂的成本，成為我國航天產品高成本的原因之一。自主掌握核心技術，實現配套產品、部組件、元器件、工藝等自主可控，不僅是突破國際政治環境的需要，也是提升商業航天競爭力的需要。

2）突破封鎖的關鍵是掌握核心技術。中國在國際商業市場的競爭力同時受到《美國國際武器貿易條例》（ITAR）等政策的限制：即禁止美國制造或含有美國制造部件的衛星用中國火箭發射，表面看似乎是政治因素。但是，類似例子對俄羅斯無效：美國因烏克蘭問題，全面禁止美國的火箭使用俄羅斯的發動機核心部件，但美國目前卻不能生產出替代俄羅斯RD-180發動機的產品，在政治矛盾極其尖銳的條件下，美國政府照樣繼續允許采購使用俄羅斯的核心部件—火箭發動機。

3）善于利用他國先進技術。SpaceX公司也不僅僅利用美國的成熟技術。為實現航天技術的小型化和通用化，2005年1月，其購買薩瑞衛星技術公司（SSTL）10%的股份，充分利用他們的技術。攪拌摩擦焊技術是英國焊接研究所（Welding Institute）于1991年10月申請專利的技術，波音公司于1998年引進用于火箭制造。

提升創新、風險管理和國際競爭等理念

1）創新思維是引領成功的基石。伊隆·馬斯克遠大而堅定的火星夢，以及強大的意志力，是其成功的重要因素，他的創新思維在公司走向成功的過程中發揮了重要的引領作用。我國在互聯網+、新能源汽車等新技術方面，在引進吸收再創新上取得了一定的成功。不過，中國傳統文化講究中庸，有個性、有抱負等特質，有可能被認為不守規矩而遭到排擠和打壓。因此，更加需要多為創新引領者打氣，激勵創新思維迸發，營造原始創新氛圍。

2）直面航天高科技風險，容忍失敗。SpaceX公司多次航天試驗都進行現場直播，被譽為當今世界最透明的航天公司。在直播中，人們既看到成功，也目睹了失敗。這樣做并沒有使人們失去對航天從失敗走向成功的信心，反而增加了對航天發展艱難和高成本的理解。相反，我國航天事業面臨了更多必須成功的壓力。如何正確認識航天事業的高風險，綜合協調可靠性與成本間的平衡點，在非載人類空間任務中尤其值得思考。

3）正確認識SpaceX公司對我們的競爭威脅。美國、歐洲等是我國航天領域傳統的競爭對手，我們通過地域政治影響力、價格優勢等取得了一定的國際商業宇航市場份額。SpaceX公司的成本優勢將使我國航天國際競爭承受更大的壓力。但分析其崛起背景和發展目標，其低價并非針對中國而來，更多的是針對波音公司和洛馬公司等大型航天公司的壟斷。

加速運載火箭回收和重復使用試驗研究

SpaceX公司的火箭回收技術并非原創，早年蘇聯、德國等國家就進行過重復使用技術的試驗，美國航天飛機更是成功的實踐者，然而，限于當時的技術條件最終棄用。隨著技術的發展與方案的改進，原先難度大的方案在逐步可行。我國返回式衛星和飛船返回均采用降落傘式，基于降落傘式的火箭回收利用技術是我國最易達成的方案。基于垂直起飛垂直降落的運載技術，我國目前仍然在仿真與方案設計論證階段，隨著技術發展，值得對此進一步加強投入。

逐步引入民間資本投入航天事業

1）吸引民間資本加入航天發展。航天是高投入、高風險的行業，世界各國無一例外都是在政府的直接支持下發展。民間資本進入航天產業無疑會對國家投入形成有力補充，SpaceX公司的成功成為各國民間資本投入航天發展的風向標。

2）引導民間資本的投入方向，打牢航天事業發展基礎。我國眾多企業加入航天的目標是分享航天技術發展成果，主要從事準入門檻相對較低的航天領域。相反，SpaceX公司從開始就立足高遠，在商業衛星發射主戰場、在空間站運輸任務等重要領域取得突破，并瞄準人類移民外星球的遠大目標。

事實上，在我國的航天領域還有很多值得投入之處：航天技術應用產業在整個航天產業鏈中份額最大，而我國的衛星通信、衛星導航、衛星遙感等應用領域依然落后發達航天國家很多。在衛星、火箭制造等領域，許多單項產品技術、核心技術、關鍵技術等差距仍然很大，乃至于制約著我國衛星、火箭的總體性能，而這些部組件產品、技術有不少都是利潤空間巨大的產業。引導民間資本投入這些領域，或者基礎產品創新領域，也必將對我國的航天事業長遠發展、商業競爭力的提升等發揮更加有力的促進作用。

3）統籌規劃外層空間的開發利用。外層空間是出入地球的必經之路，空間頻率、軌位是有限的資源。長遠看，在政府的引導下有序規劃、開發、利用外層空間，更有利于人類航天事業的長遠發展。

從整體發展看，通過私人投資項目、商業投資項目和國家投入項目之間形成相互補充，相互促進，減少重復投入，也能達到行業整體最佳的投入產出比。

5 結束語

航天產業化、商業化發展為航天事業發展注入了新的動力。SpaceX公司的成功為航天事業的創新發展建立了典范。伊隆·馬斯克的創新思維和奮斗精神、美國完善的航天工業基礎、政府對航天發展的支持、私營企業高效的管理體制、優秀的航天人才團隊、核心技術和關鍵技術的支撐等，SpaceX公司的成功離不開上述任何一個因素。可以說SpaceX公司的成功既是美國航天綜合實力的體現，也是在美國航天核心能力保障下的成功。

因此，既要鼓勵民間資本投入航天的產業化發展，更要鼓勵他們投入航天基礎創新、產品創新、應用創新等領域，推動我國航天事業的創新和長遠發展。SpaceX公司發展的沖擊波，應使我們更加全面認識世界全方位的航天發展形勢。在新形勢下，要加強統籌協調，制定新的航天發展戰略規劃；加強頂層設計，發揮重大專項的牽引作用；加強航天核心能力建設，促進航天事業的整體和長遠發展。