基于產業思維的航天發射服務研究

盛英華，吳佳林，毛承元，梁建國

(上海宇航系統工程研究所,上海 201108)

1 抓住太空2.0時代發展機遇

2010年以來,全球航天產業正處于能力與市場快速發展的新時期，航天已經從傳統服務于國防、民用和探索，進階為與互聯網融合，服務于民生，創造新市場，推動世界經濟增長的新引擎。

以美國為代表的航天強國在20世紀90年代推進軍民融合轉型，布局商業航天，以政府采購等政策激勵催生了多家私營航天企業，涵蓋了運載火箭發射服務、衛星通信、遙感圖像、導航定位、空間居住、數據服務等航天產業的眾多環節。

在新技術持續突破、“航天+互聯網”跨界融合、國家產業政策鼓勵、風險投資涌入等多重因素聚集下，全球航天產業即將進入太空2.0時代[1]。

太空1.0時代主要由“冷戰驅動、政府主導”，如圖1所示。從零到一逐步構建了運載火箭發射、衛星應用、空間站、發射場和地面測控網等龐大的航天基礎設施。

太空2.0時代是大眾利用太空的時代，主要由“萬物互聯、天地一體”驅動。起于20世紀90年代衛星星座計劃，以“服務大眾、商業盈利”為目標的商業航天重新整合太空1.0時代的航天產業資源，以“三創新”(商業模式、產品和技術)實現航天的內生性自我推動和發展，推動航天與大眾生活深度融合。

為抓住太空2.0時代航天產業興起的戰略機遇，本文從第一推動上將航天產業發展劃分為3個階段，從價值鏈上梳理了航天產業業務分布及產業整合策略，分析新興航天發射公司模式、產品和技術，為航天傳統發射服務在太空2.0時代的新發展提供參考。

2 航天產業進階三要素齊聚

一個新興行業從出現到大眾普及需要突破技術、產品和市場三個階段。

從1957年第一顆衛星上天至今，航天運輸發展了60余年，突破了一次性技術，解決了進入空間工具的有無問題。20世紀90年代低軌衛星通信星座興起，美國政府逐步制定有關鼓勵航天軍民融合、商業航天的政策和法律，航天產業化所需的系統環境逐漸出現。

預計1991—2030年前后，航天商業化和商業航天將興起，與政府共同主導航天發射服務產業。在“萬物互聯、天地一體”推動下，物聯網、大數據、人工智能和航天產業跨界融合，引領未來新的經濟增長。

2.1 新市場即將興起

兩大潛在市場的興起將改變航天發射服務產業格局。一是大規模低軌衛星星座應用，二是近地軌道商業載人航天[2]。

如表1所示，從20世紀90年代提出低軌通信衛星星座，歷經近30年三代發展，大規模商業化的低軌衛星星座即將進入部署應用階段。空間探索、波音、一網(OneWeb)、加拿大開普勒通信、另外的三十億(O3b)等眾多商業公司提出了大型低軌星座，頻段以Ka、Ku、V為主，服務于全球寬帶及窄帶通信、綜合地球觀測、地球成像等[3]。

表1 衛星移動通信發展總結

商業載人航天是未來最大的潛在新興市場。自2006年美國實施商業軌道運輸(COTS計劃)，追求近地軌道載人航天能力的私營機構發展初見成效?？臻g探索公司獵鷹9火箭、藍色起源公司的新格林火箭等具備了近地軌道商業載人發射能力；空間探索公司(龍飛船)、波音公司(星際客車)、內華達山脈公司(追夢者)將在2020年前后實現空間站載人商業運輸；與NASA合作，畢格羅公司充分驗證了充氣式試驗艙技術，計劃建立獨立運行的商業太空旅館(BA330艙段對接)；XCOR宇航公司、維珍銀河、藍色起源等多家公司即將提供太空旅游產品和服務[4]。

2.2 新技術持續突破

低軌即時移動通信業務、商業載人航天業務興起需要突破以下技術：

(1)高通量數字通信技術[5]

正如移動互聯網的帶寬決定生意大小，衛星高通量數字通信技術決定衛星未來增強移動帶寬(可感知互聯網、增強現實、虛擬現實等)、關鍵業務服務(自動駕駛汽車、工業自動化、智能電網)和海量物聯網業務的大小。

目前點波速覆蓋的HTS衛星技術已經在高軌通信衛星實現，通信帶寬為10Tbit/s。

(2)衛星應用終端的通用化技術

以智能手機為代表的小型、低成本移動終端產品。

(3)超小型相陣控天線技術

普通用戶接入近地軌道衛星網絡提供的網絡服務，需要低成本、小型化、易攜帶的超小型相控陣天線，解決個人手持終端功率不足問題。OneWeb公司的策略是引入電信公司、可口可樂(無人售貨機)等戰略合作聯盟。

近地軌道商業載人業務興起需要大幅降低發射服務費用，提高載人安全可靠性量級(如飛機一樣)[6]，目前正在驗證的新技術有：垂直起降重復使用技術、充氣式空間站技術、重復使用飛船技術等。

2.3 法律與政策不斷完善

1998年美國通過《商業航天法案》，以法律形式再次強調了對商業航天領域發展的重視；2010年公布《美國國家航天政策》，大力支持商業航天部門發展；2015年美國通過《商業航天發射競爭力法案》；2016年美國通過《太空復興法案》，增加美國聯邦航空局(FAA)授權基金，增加商業衛星數據采購。

美國商業航天法案政策主要聚焦：1)市場準入(規范)；2)技術擴散；3)投資鼓勵(政府背書)；4)市場容量有限下的政府采購。

如圖2所示，美國航空航天局從2005年啟動商業乘員與運輸G3P計劃，至今經過三個階段，已成功由商業貨物運輸進入商業載人運輸。

3 整合航天產業形成規模經濟

從發射運輸服務到衛星應用，再到衛星通信、能源、物聯網、人工智能和大數據等跨界融合，其中發射服務是小眾市場，掌握航天產業的入口；衛星作為航天產業的空間物質基礎，其流量帶寬成為通信、人工智能、大數據等產業興起的核心樞紐之一。

市場容量決定產業大小，市場特點引領業務定位及服務模式；性價比、便捷性、可靠性等成為發射服務市場的核心競爭力。航天發射服務與汽車(百萬輛)、飛機(千架)等不同，全世界每年百次左右發射，實現商業持續盈利需要尋找新的業務增長點或者新的業務模式。

3.1 航天產業價值鏈分布

衛星產業主要包含衛星服務業、衛星制造業、發射服務業和地面設備制造業。如圖3所示[7]，基于2012年—2016年衛星產業狀況分析，火箭發射服務業規模在50億～70億美元/年，息稅前利潤率(EBITAD)低于10%，衛星服務業價值最高，年均規模在2000億美元左右，EBITAD約5%～30%，成為各方角力的“主戰場”。

航天產業存量業務(航天器制造與發射、衛星通信/導航/遙感、太空探索等)有限，尤其是發射服務業目前年均僅有70～90發，美蘇冷戰時期最高120發左右。

3.2 航天發射服務特點

當前國際航天發射服務是市場經濟、法制經濟，尚未達到規模經濟，非完全自由經濟。

(1)小規模經濟

對于單一型號主力火箭，2014年聯盟火箭在3個發射場發射22發；獵鷹9火箭2017年執行18發任務；對于小火箭，有可能幾年執行一次發射任務(如飛馬座火箭、米諾陶火箭等)[8]。

根據阿里安火箭公司預計，年均發射量5枚以上可以達到收支平衡。商業發射目前約占發射任務的1/3，假定年均90次發射，約合30次商業發射任務，預計現有純商業發射僅僅能支持兩三家發射服務商生存。

(2)非完全自由經濟

發射服務客戶主體是政府，發射服務必須符合國家利益和出口管制。根據美國國際武器貿易條例(ITAR)，衛星上使用美國元器件的不能用中國的火箭發射。

3.3 航天產業整合模式

航天產業中通信衛星應用實現了商業化運營，而發射服務為任務導向型，發射費用高，需求少，依托市場形成自生循環的規模經濟相對較困難，主要通過內部垂直整合和外部橫向整合提升產業規模和效益。

(1)發射服務垂直整合

新興太空發射服務公司以抓入口模式整合發射服務產業鏈，如火箭試驗室公司(Rocket Lab)、空間探索公司等。

國內航天科工火箭公司選取空間探索公司發展策略，抓火箭入口整合發射產業鏈，而后以虹云工程為核心整合衛星產業鏈，引領太空2.0時代的新產業發展。

(2)衛星產業橫向整合

新興的衛星服務公司(如OneWeb)通過利益共享模式整合整個衛星產業鏈。如圖4、圖5 所示，OneWeb公司衛星制造選擇空中客車集團，發射選擇維珍集團(后又增加藍色起源公司、阿里安宇航等)，通信及地面終端選擇休斯公司，星座市場開發選擇國際衛星組織、休斯公司等、區域市場開發選擇區域電信巨頭(印度、巴西等電信巨頭)和可口可樂公司等。通過整合產業鏈，形成協同集群規模優勢。

4 創新生態助推航天發射服務

企業是發射服務業的主體，其創新性決定新興航天企業的競爭力。新興航天發射服務企業瞄準利潤最大市場(高軌發射服務和空間補給等)或者市場痛點(微納衛星發射)，以生態創新型策略系統提升市場競爭力。

4.1 模式創新

新興航天企業孕育期在7年以上,如空間探索公司從2002年成立到2010年獵鷹9成功首飛[9]；藍色起源公司從2000年成立，預計到2020年新格林火箭首飛；另外三十億(O3b)公司2007年成立，2014年提供衛星通信等服務，一旦順利度過孕育期，則呈現指數型增長，快速具備市場競爭優勢。

(1) 理念

以互聯網產品設計理念快速升級航天產品，而不是飛行驗證后定型。從2010年獵鷹9 V1.0版火箭成功首飛，到獵鷹9V1.1版火箭驗證一子級回收，再到獵鷹9V1.2 版火箭GTO能力達到8.3t，LEO能力達到22.8t，深刻詮釋“產品在迭代中升級”。

(2) 商業模式

新興商業公司從運載火箭產品提供商轉變為發射服務提供商，即直接向用戶提供發射服務；從傳統火箭研制的協同分工生產轉向基于信息化/智能化技術的產業鏈垂直整合，實現從單機、系統、全箭、發射場全面整合，只采購通用產品。

(3) 管理

在項目開發過程中并行設計，設計人員與制造、工藝、試驗人員高度融合(項目制，設計辦公室與生產一體化)。產品不再追求一次實現完美，發射只考慮影響火箭飛行主要因素，容忍缺陷，不斷迭代(如獵鷹9火箭一子級模塊從Block1升級至Block5)，提升產品性能、可靠性和可用性。

核心人員從獎金激勵轉向自我實現和股票期權的雙重激勵。

4.2 方案創新

新興商業公司的運載火箭首先考慮任務適應性、市場覆蓋率和競爭力，側重商業回報?；鸺桨甘走x兩級(最簡構型)，動力系統配置選擇一、二級發動機同源，發射支持遠程無人值守化等。

(1) 獵鷹9V1.2火箭

任務定位：高可靠低成本商業發射。地球同步轉移軌道(GTO)運載能力：8.3t(一次性)。構型特點：單芯級，兩級，全軌道覆蓋，如圖6所示。

方案評估： 95%以上任務覆蓋，實現了系統綜合最優、結構最簡、動力冗余、智能控制和先進測發，發射服務具備商業競爭力，子級垂直回收為重復使用提供新的選擇。

(2) 電子號火箭

任務定位：為微小衛星運營商提供發射服務。500km太陽同步軌道(SSO)運載能力：150kg。構型特點：兩級構型，一型電動泵驅動發動機(Rutherford)，如圖7所示。

方案評估： 發射便捷，費用低——1U 衛星發射服務費用為5萬美元；發動機結構簡單，比沖高；箭體質量輕(全碳纖維復合材料)；火箭部組件可實現快速制造(3D打印等)。

4.3 技術創新

新火箭任務適應性、市場競爭力源于創新設計方法、應用新技術和產品快速升級。

(1)按概率發射的系統總體設計技術

傳統運載火箭設計理念源于導彈，選擇99%發射概率，箭體結構過度冗余。

新興商業公司選擇70%～80%發射概率，大幅降低飛行載荷，應用射前裝定、主動減載等技術進一步降低飛行載荷。

(2)簡單可靠的高性能變推力發動機技術

一型性能先進、簡單可靠的發動機是研制運載火箭核心支撐。Merlin系列發動機推力從35t提升到86t，質量從630kg降到470kg，直徑從1.2m縮小到1m，比沖從275s提高到282s，地面推質比達到183。

發動機不再強調大推力，而是考慮制造簡單、性能可靠、推力可調節，以多機并聯策略研制最簡構型的運載工具，提升市場競爭力。

(3)新型輕質結構技術

快速推動箭體結構設計、仿真、試驗與制造一體化，實現結構與承載精確匹配。選擇高強鋁鋰合金、復合材料等成熟材料降低箭體結構質量和制造成本。引入全攪拌摩擦焊、箱底旋壓成型、3D打印等新型制造技術，確保設計到制造的一致性和快速性。

(4)新型控制技術

傳統運載火箭為軌道預裝定，動力故障狀態下難以將載荷送入軌道。獵鷹9火箭實現了射前裝定、主動減載、一臺發動機故障狀態下動力冗余和在線實時規劃新的飛行控制策略[10]。

在線自主規劃的核心關鍵是動力冗余、姿控模型重構和按照新的軌道飛行，需要算法在毫秒量級以能量最省原則重構制導、姿控等策略。美國從火星任務開始研究凸優化算法[11]，2011年開始在蚱蜢樣機、獵鷹9火箭一子級上驗證，2015年一子級垂直返回工程實現。

5 我國航天發射服務發展建議

進入太空2.0時代，傳統航天企業與新興商業航天公司同臺競爭是時代的必然。傳統航天企業需要從技術、管理和政策3個方向創新，提升航天發射服務競爭力。

(1)引領技術創新

選擇合理市場切入點，追求基本型火箭方案的最簡化，與上面級組合實現高任務覆蓋，以動力、結構、電氣、地面技術創新提升產品的競爭力。

(2)優化組織管理

瞄準產品通用化，實現從傳統研制任務導向型向通用產品發射服務型組織轉變；減少產品研發中間環節，從總體、分系統、單機獨立向系統集成組織轉變。

(3)給予政策支持

航天產業非市場化因素眾多，需要國家制定相關的法律和政策，逐漸將非市場化要素(發射場、測控網等)轉化為市場要素，給予發射服務許可證，支持企業開展空間稀缺資源(軌位和頻位)的國際談判等。

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