淺析中國運載火箭的商業化發展

◎中國運載火箭技術研究院 孫冀偉 張濤 劉佳雯 唐亞剛

淺析中國運載火箭的商業化發展

◎中國運載火箭技術研究院 孫冀偉 張濤 劉佳雯 唐亞剛

20世紀80年代末,商業航天逐漸興起并日趨活躍,時至今日已占據全球航天產業經濟總量的75%以上,成為世界航天產業發展的主要動力。諸如SpaceX公司、軌道科學公司等一大批商業航天企業也展示出了強大實力,以出色的成本控制、大膽的技術創新為顯著特點,迅速成長并逐漸占領市場。傳統意義上,商業航天大多是指衛星應用和服務,運載火箭的商業化往往僅限于提供商業發射服務。但隨著基礎工業和航天技術的不斷進步,運載火箭制造也逐步開始了商業化發展,SpaceX公司的Falcon系列運載火箭就是其中的杰出代表。

為此,筆者研究了運載火箭商業化的內涵,梳理了國內外的發展現狀,針對運載火箭如何實現商業化提出了幾點思考和建議,希望能為我國的商業航天發展、促進軍民融合以及傳統航天產業轉型升級提供借鑒和參考。

一、運載火箭商業化的內涵

與衛星相比,運載火箭研制是一項規模更加龐大的系統工程,技術難度高,專業門類廣。目前,只有美、俄、歐、中、日、印等少數航天大國具備完整的研制能力,其中發動機技術更是火箭研制的基礎,具備研制能力的國家更少。按照階段來分,運載火箭全壽命周期可分為研制和發射2個階段,其中研制階段的工作又大致包括設計、試驗、采購、生產、總裝、調試等幾個環節。傳統意義上的運載火箭商業化,是指由政府或軍隊所屬的國有企業完成運載火箭研制,用來執行商業發射服務。隨著技術進步,美國逐步出現了私營航天企業,可以獨立完成運載火箭的設計生產等研制階段的全部工作,這樣運載火箭的商業化范疇就從提供商業發射服務擴展到了運載火箭的研制生產。

因此,從自身特點來說,運載火箭的商業化包括2個層面內涵：研制的商業化和運營的商業化。從實現方式來說,運載火箭的商業化又分為2種：一種為按照市場化模式來組建商業航天企業,獨立承擔運載火箭的設計生產,并提供商業發射服務,即所謂的“商業化航天”,如SpaceX公司;第二種為傳統國有航天企業按照商業規律從事的航天業務,利用商業化手段來降低成本、提高效率,以商業化模式提供發射服務,即所謂的“航天商業化”。無論哪種形式,運載火箭商業化均是以盈利為首要目的,在獲得經濟利益的同時也激發了產業活力,帶動了整個航天產業的發展。

二、商業化發展現狀及未來市場需求

發展廉價、快速、機動、可靠的天地往返運輸技術,是世界各國航天產業正在努力實現的目標。而私營公司的加入,打破了國際航天領域發展的競爭格局。

1．SpaceX公司Falcon系列運載火箭

2002年,美國私營航天企業SpaceX公司成立,并用10年時間先后研制成功Falcon 1號和Falcon 9號系列運載火箭,贏得了美國航空航天局(NASA)的商業發射合同,同時已經成功為NASA執行了多次空間站補給飛行任務。目前,SpaceX公司推崇“簡單、低成本、高可靠”的經營理念,Falcon系列運載火箭也以出色的性能和低廉的價格給國際航天業界帶來大幅沖擊和振動。Falcon系列運載火箭近地軌道運載能力達13噸,地球同步軌道運載能力6噸左右,同時商業發射報價大幅降低,甚至低于我國的“長征”系列運載火箭。

2．軌道科學公司安塔瑞斯運載火箭

自1982年成立以來,軌道科學公司一直是航天工業界最活躍的商業火箭研制生產商之一,研制生產了飛馬座、金牛座(安塔瑞斯)和米諾陶系列火箭,也是NASA商業軌道運輸服務計劃(COTS)項目中的有力競爭者。與SpaceX公司不同,軌道科學公司并沒有全程參與火箭的研制工作,而是采取國際分工承包的方式,選擇了在運載火箭設計、發動機研制或結構件制造等方面具有雄厚實力的國際供應商。安塔瑞斯系列火箭包括7種構型,分別用于近地軌道、太陽同步軌道及深空探測等任務,可滿足民用、軍用中型有效載荷的發射需求,近地軌道運載能力覆蓋4.8～6噸范圍。

3．我國商業運載火箭起步

目前,我國已經出現了商業運載火箭發展萌芽。其中,翎客航天公司將自身定位為國內首家從事航天系統產品研發制造的私營公司,旨在推動國內航天產業商業化、民用化發展。公司初期將以探空火箭作為主要產品,最終計劃推出直徑達3.35米的運載火箭。據了解,我國傳統國有航天企業也正在探索利用現有運載火箭開展商業化運營的可能。

4．未來市場需求預測

2005～2014年 的10年 間,全球航天產業收入增長了2.3倍,高于全球經濟增長率。據不完全統計,預計在未來10年我國將發射共計333個航天器,國外商業衛星預計總共發射312次。可見小衛星任務或呈井噴式發展,搭載任務需求仍然旺盛。

另外,據美國聯邦航空局預測,未來10年內太空旅游將成為產值超過10億美元的產業,維珍銀河公司“太空船二號”單人價格25萬美元,預定者已超過600位;SpaceX公司宣稱在未來15～20年,將8萬名地球人送往火星生活。太空旅游有望成為促進商業運載火箭發展的另外一個強力引擎。

三、我國運載火箭商業化實施途徑

1．轉變觀念，主動迎接航天平民化時代

半個世紀以前,宇宙空間還是人類遙不可及的活動禁區,僅僅幾十年時間,航天產業就已經全面滲透了人類社會的方方面面。如果說20世紀是航空時代,航空基本實現了平民化,那么可以斷言,21世紀必然迎來航天產業的更大發展,航天平民化時代正加速向我們走來。而商業運載火箭正是開啟航天平民化時代的前提和保障。快速、可靠、低成本的商業發射服務可為眾多的空間活動提供便利,而加速發展的空間活動反過來又對商業發射提出更多需求。可以預見不久的將來,太空互聯網、太空旅游、太空垃圾清理等都會變成很現實的任務,傳統航天企業應轉變觀念,利用一切有效手段降成本、提效率,主動迎接航天平民化時代的到來。

2．美國商業航天發展對我國具有十足的借鑒意義

美國等航天大國從國家層面為商業航天發展營造了良好的政策環境,有力推動了美國商業航天的發展。首先,美國通過法律支持,為商業航天發展提供足夠空間。《商業航天運輸競爭法案》規定了所謂政府賠償條款的延長,為商業航天發展起到了后盾作用：當航天發射或運營遇到嚴重事故,商業保險的賠付額度不足以彌補客戶損失時,由政府出面來賠償超出保險額度的損失。這對新興航天企業來說是真正意義上的保駕護航。另外,《商業航天運輸競爭法案》還明確規定：允許私營公司開發外太空,開采太空資源,并對帶回的太空物質擁有所有權和使用權,進一步激發了私人開發太空的熱情。除了在政策、法律層面的支持保障,美國還給予商業航天公司直接的項目支持：2006年, NASA啟動了商業軌道運輸服務(COTS)項目,經過招標選擇了SpaceX公司和軌道科學公司向國際空間站運送貨物;2010年初,NASA通過商業載人開發(CCDev)計劃,鼓勵私營公司發展商業載人航天運輸系統; 2011年,NASA宣布了第二輪商業載人開發項目(CCDev2),向SpaceX公司授予了價值26億美元的商業載人運輸合同。

3．研制階段利用商業化手段，重點在于降低成本

SpaceX公司的成功為我國商業運載火箭發展帶來很多啟示。在設計模式上,SpaceX公司打破了傳統的不同分系統由不同單位分別承擔的模式,轉向獨自承擔絕大部分火箭的設計和生產制造,效率更高;采用扁平化的組織結構使設計和生產的聯系更為緊密;在制造環節,成熟技術和3D打印等新技術的大量應用,使得SpaceX公司具有年產40枚Falcon 9火箭的能力;在采購環節,從原材料到電器元件供應采用供應鏈系統自動控制,大膽使用工業級電子元器件,大幅降低成本;在各個環節最大程度地信息化和自動化,顯著提升生產效率,并將測試發射周期壓縮到16天左右。

4．運營階段采用市場化運作，關鍵在于增加利潤

運載火箭作為一種運載工具,其用途與汽車、火車和飛機沒有本質區別,要想獲得更多利潤,就需要更多的“乘客”搭乘。在“招攬乘客”的過程中,商業化運營的優勢在于對市場需求更加敏感,反應更加迅速,并力求提供更加優質的服務。從這點上來說,無論是商業化的還是傳統的航天企業,均應盡量采用商業化思維,主動尋找國際和國內2個市場的各類載荷;盡可能多地優化運載能力,提供更多的搭載機會;爭取直接面向載荷、面向用戶,提供“箭-星-載-用”一體化解決方案;開展運載火箭的品牌營銷,開發運載火箭相關的教育、旅游、文化、廣告等附加產業。另外,需要特別提出的是,當前微小衛星的發展進入快車道,以立方星為代表的微小衛星、星群及其星座以前所未有的速度和規模數量,在快速搶占優勢太空衛星軌道以及通信頻段。未來,大量的微小衛星發射升空的需求蘊藏著巨大的商業發射商機,只有商業化的運營模式,才能迅速發現需求,整合資源,低成本高效率地完成眾多復雜載荷的發射,并獲得利潤。

5．促進協同創新，采用多種合作機制實現企業間互補發展

目前,我國航天產業正由單純軍工科研生產行業逐步轉變成為全面服務于社會主義市場經濟的高技術產業。在發射、制造、運營、服務等方面,我國航天產業正逐步培育商業化成分,航天商業化發展不斷推進,我國運載火箭商業化發展的時機也逐步走向成熟。傳統國有運載火箭企業可嘗試商業化手段降成本提效率,關注國內商業發射市場;而民營企業則可根據自身企業優勢參與運載火箭的生產、運輸等環節,或者立志成為中國的SpaceX也未嘗不可。傳統航天企業和商業企業合作可在技術、資金和管理方面實現互補,有利于短期內促成航天業務的商業化運作。

航天商業化發展是未來總體趨勢,我國發展商業航天的大氣候也已基本形成,可預見到未來將會有越來越多的資源投入,以及社會資本參與。運載火箭實現商業化將是商業航天產業高度發展的重要標志,在運載火箭的研制過程中運用商業化手段,將十分有利于降低成本,提高效率,提升火箭的市場競爭力;利用商業化手段運營運載火箭,則會對市場需求更加敏感,反映更加迅速。希望越來越多的民營企業加入到運載火箭商業化進程中來,共同推進航天產業的轉型升級,加速航天平民化時代的到來。