SpaceX公司發展情況分析

楊偉杰 程磊 龐英娜 楊榕 （中國空間技術研究院）

美國太空探索技術公司（SpaceX）是由伊隆·馬斯克（Elon Musk）于2002年創立的私營航天企業，發展了“獵鷹”（Falcon）系列運載火箭、“龍”(Dragon)飛船、“載人龍”(Crew Dragon)飛船、“星鏈”(Starlink)星座等航天系統，業務覆蓋發射服務、貨物與乘員運輸、低軌寬帶通信服務等領域，取得了多項突破，已經成為美國商業航天企業的先鋒力量，為世界航天發展注入了新的活力。

1 SpaceX公司基本情況

進入21世紀以來，以美國為首的世界航天強國逐步調整自身的航天政策，強調擴大國際合作、增強空間安全及發展商業航天。在這一政策的指引下，美國政府越來越重視商業航天發展對于整個航天領域的促進作用。在美國《國家航天政策》中特別提到“美國政府將致力于鼓勵并推動美國商業航天的發展，滿足美國自身的需要、形成全球競爭力，加強美國在新興市場和創新驅動型企業中的領導地位”。

在此背景下，SpaceX公司于2002年創立，目前擁有員工約6000人；最初主要提供商業航天發射服務，隨后逐步將業務擴展至載人航天貨物運輸和乘員運輸、低軌寬帶通信服務等領域，開創了首枚商業火箭發射載荷、首次運載火箭回收與復用、首艘商業貨運飛船與“國際空間站”（ISS）對接、首艘商業載人飛船運送航天員等，成為世界航天的重要力量。

SpaceX公司的主要里程碑事件如下：

2002年6月，公司注冊成立；

2006年3月，開展首次發射活動，獵鷹－1 火箭首飛任務失敗；

2006年8月，獲得美國國家航空航天局（NASA）“商業軌道運輸服務”（COTS）合同；

2008年9月，首次成功發射獵鷹－1火箭，將載荷送入軌道；

2008年12月，獲得NASA“商業補給服務”（CRS）合同；

2010年6月，獵鷹－9首次發射，取得成功；

2010年12月，“龍”飛船首飛成功并安全返回；

2012年5月，“龍”飛船成為首個與“國際空間站”對接的商用航天器；

2014年9月，獲得NASA“商業乘員運輸服務”(CCtCap)合同；

2015年12月，獵鷹－9火箭一級首次陸地回收成功；

2016年4月，獵鷹－9火箭一級首次海上回收成功；

2017年3月，首枚重復使用的獵鷹－9火箭一級成功發射；

2017年6月，首艘重復使用的“龍”飛船成功發射；

2018年2月，“獵 鷹 重 型”（Falcon Heavy）運載火箭首飛成功，成為現役運載能力最大火箭；

2018年2月，“星鏈”計劃首批2顆試驗星成功發射；

2019年3月，“載人龍”飛船首飛成功并安全回收；

2019年5月，“星鏈”計劃首批60顆工作星成功發射；

2020年5月，“載人龍”飛船首次載人飛行，美國恢復載人航天運輸能力。

2 SpaceX公司主要業務與產品

運載火箭

SpaceX公司在美國政府支持下相繼發展了獵鷹－1、獵鷹－9、“獵鷹重型”等多型火箭，并正在研制“超重-星艦”（SuperHeavy-Starship）運輸系統。SpaceX公司從2013年9月開始提供商業發射服務，已發展成為商業發射市場的重要參與者，2018－2020年，SpaceX公司發射次數占全美發射次數的55%。

獵鷹－1火箭

1）獵鷹－1火箭。獵鷹－1火箭是SpaceX公司借助美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助，耗資900萬美元研制的小型低成本兩級運載火箭，也是該公司研制的第一型運載火箭。箭體全長21.3m，直徑1.7m，火箭一、二級均使用液氧/煤油作為推進劑，近地軌道（LEO）運載能力670kg，可執行多星、多軌道發射任務。獵鷹－1火箭前3次發射失利，第4次發射才取得圓滿成功，在2009年7月14日完成第5次發射后，未再承擔任何發射任務，目前已經退役。但SpaceX公司在獵鷹－1火箭研制過程中積累的技術、經驗都為后續產品的開發提供了重要基礎。

2）獵鷹－9系列火箭。獵鷹－9火箭是一款中型、低成本、兩級構型的運載火箭，以液氧/煤油作為推進劑，主要執行近地軌道空間站貨物/乘員運輸、高軌通信衛星發射、太陽同步軌道（SSO）遙感衛星發射等多種任務。獵鷹－9研制時間為4年半，研制費用約3億美元，發射費用約6200萬美元。目前，獵鷹－9系列火箭共進行了3次較大改進，先后形成4種型號，最新的獵鷹－9 Block5構型可實現LEO軌道22.8t、地球同步轉移軌道（GTO）8.3t的運載能力。獵鷹－9系列火箭自2010年首飛至2020年底已完成102次發射，其中完全成功100次，部分成功1次，失敗1次，發射成功率為98%。

3）“獵鷹重型”火箭。“獵鷹重型”由三枚一級助推器捆綁火箭二級構成，其研制費用約為5億美元，發射費用為9000萬美元。“獵鷹重型”火箭可實現近地軌道63.8t，地球同步轉移軌道軌道26.7t的運載能力。截至2020年底，獵鷹重型火箭共執行3次發射任務且全部取得成功：2018年2月完成首飛，將一輛特斯拉跑車送入環日軌道；2019年4月成功將商業衛星送入GTO軌道；2019年6月成功將23顆衛星送入SSO軌道。

獵鷹－9火箭

“獵鷹重型”火箭

4）“超重-星艦”運輸系統。SpaceX公司在2016年9月正式對外公布了“星際運輸系統”（ITS），瞄準人類殖民火星以及星際探索，后逐漸演化成“超重-星艦”運輸系統。該系統為重型運輸系統，采用兩級構型，由一級“超重”和二級“星艦”組成，使用液氧/ 甲烷推進劑。火箭全長約120m，箭體直徑9m，起飛質量5000t，完全重復使用情況下LEO軌道運載能力超過100t。SpaceX公司從2018年開始先后研制3個系列的試驗樣機并持續開展試飛工作，包括試飛樣機“跳蟲”（Hopper）、全尺寸原型樣機Mk系列和SN系列。目前已實現12.5km高度試飛，還需要對熱防護、高精度制導等技術進行攻關。

載人及貨運航天器

1）“龍”飛船。NASA為滿足定期向“國際空間站”運送貨物的需求，提出了“商業軌道運輸服務”計劃，發展商業運輸服務和相關市場。在NASA支持下，SpaceX公司研發了“龍”飛船，飛船可重復使用，最大可上行載荷6t，下行載荷3t。NASA向SpaceX公司授出“商業補給服務”合同，第一階段合同包括20次補給任務，2020年3月SpaceX公司已全部完成，2020年12月已啟動第二階段“商業補給服務”。截至2020年底，SpaceX公司利用“龍”飛船執行22次“國際空間站”運輸任務，其中21次取得成功，為“國際空間站”運送超過40t貨物。

“超重-星艦”運輸系統

“龍”飛船

2）“載人龍”飛船。航天飛機退役后，美國只能依靠俄羅斯“聯盟”（Soyuz）飛船執行載人航天飛行任務，為擺脫對外依賴，NASA加快推動商業乘員運輸服務發展，支持SpaceX公司的“載人龍”飛船和波音公司（Boeing）的CST－100“星際客船”（Starliner）。“載人龍”飛船采用兩艙段設計方案，獨立飛行時可工作1周，對接狀態下可工作210天，設計最多可搭乘7名航天員，除滿足NASA航天員和貨物運輸需求外，剩余運力還可用于太空旅游等應用。該飛船于2019年3月成功完成無人飛行試驗；于2020年5月開啟載人飛行試驗，這也是航天飛機退役后時隔近9年，美國再次自主將本國航天員送入軌道；2020年11月，“載人龍”飛船完成全部認證工作，開啟首次正式商業乘員運輸服務。

低軌通信衛星星座

SpaceX公司低軌互聯網星座項目最早于2015年提出，致力于利用大規模低軌衛星提供全球高速寬帶接入服務。“星鏈”計劃分為三期建設，衛星總量約12000顆。I 期和 II 期約 4400 顆衛星的研制和發射是最優先發展的工作，III 期 7518 顆衛星的部署是未來規劃。2020年3月，SpaceX公司再次向美國聯邦通信委員會（FCC）申請30000顆低軌衛星。

2018年2月，SpaceX公司成功部署2顆試驗通信衛星；2019年5月，獵鷹-9火箭成功發射60顆“星鏈”衛星，開啟大規模部署；截至2020年底，SpaceX總共通過17次發射部署了955顆“星鏈”衛星。

3 SpaceX公司發展分析

借助政府政策支持實現突破性進展

“載人龍”飛船

“星鏈”星座示意圖

政府支持對SpaceX公司發展起到了至關重要的推動作用。美國自20世紀80年代已開始引導NASA拓展商業航天市場，通過這一策略降低成本、加快技術創新、提高任務效率。美國現行的《國家航天政策》中確定了商業航天的發展方針，即通過采購政策、體制創新來推動商業航天的發展。根據上述政策，SpaceX公司利用獵鷹－9與“龍”飛船等系統為政府提供發射和運輸服務。

NASA向SpaceX公司提供了技術轉讓，包括開放技術資料、派駐技術人員、轉讓專利等。此外，NASA還提供了研發設備與試驗場地，允許SpaceX公司使用測試臺開展熱試車試驗；美國空軍和NASA均將發射工位租賃給SpaceX公司，為SpaceX公司降低航天活動成本提供了條件。

獲得政府和資本市場資金實現快速成長

航天是一項高難度、高投入的活動，發展過程中需要大量資金持續支持，SpaceX公司的發展得到了政府合同和資本市場的資金支持。

在政府合同方面，SpaceX公司通過商業貨物運輸研發和服務合同累計獲得約35.96億美元，通過商業乘員運輸研發、認證和服務合同，累計獲得約31.25億美元。在資本市場，2002年6月，馬斯克利用個人資產成立了SpaceX公司，隨后他多次追加投資，并在資本市場進行了多輪融資。截至2020年底，SpaceX公司通過39輪融資累計獲得54.5億美元，公司估值超過600億美元。在大量資金持續支持下，SpaceX公司業務快速發展，年收入約30億美元，人均產值達到50萬美元。

依托美國發達的工業體系實現可持續發展

SpaceX公司的發展離不開美國整個工業體系的支持。美國航天工業具有最高技術水平和最完善的產業鏈，還有眾多經驗豐富的工程人員。在美國強大的裝備制造業和航天工業的支持下，SpaceX公司的發展具備了良好的工業基礎。

例如，SpaceX公司使用的2195鋁鋰合金以及攪拌摩擦焊，不需要像其他國家航天企業那樣獨立研發工藝與設備。2195鋁鋰合金早已在美國航天飛機外掛燃料箱上使用，而攪拌摩擦焊可以直接購買成套設備，高度發達的工業配套很大程度上降低了火箭的開發費用。SpaceX公司的成功是美國航天工業市場造就的，完善的市場體系和良好的市場環境為SpaceX公司發展提供了重要的支撐，對不斷提高勞動生產率和技術水平，優化資源配置發揮了重要的作用。

營造寬容的發展環境鼓勵持續創新

航天是一項高風險的活動，美國為航天企業發展營造了寬松的環境。SpaceX公司在研制獵鷹－1火箭過程中，前三次發射全部失敗，但馬斯克認為，“在我們這里，失敗也是一種選擇。如果沒有失敗，你就沒有足夠的創新。”2019年4月20日，SpaceX公司“載人龍”飛船“超級天龍”（SuperDraco）發動機在靜態點火試驗中發生爆炸，飛船損毀嚴重，此次事故大大推遲了“載人龍”飛船的任務進度。NASA局長在聲明中稱，“這正是我們需要測試的原因，我們要從中不斷學習，做出必要調整，安全地推進我們的商業乘員計劃。”容許試錯和失敗的文化對于鼓勵創新有積極意義。

構建扁平的內部管理體系實現高效率發展

SpaceX公司的快速發展與公司內部高效的組織管理體系密不可分。馬斯克根據在硅谷的創業經驗，認為小型精英化團隊的工作效率和準確度更高，一個技術過硬的小團隊總是會打敗技術中等的大組織。因此，SpaceX公司組建了一支擁有世界級頂尖技術水平的精英團隊。

SpaceX公司整體上采用的是扁平化管理結構，以提高公司運行的效率，通過縮短信息鏈條降低溝通成本，既能夠將創新的想法和概念及時傳達到領導決策層，也能夠使相關決策及早地傳達到基層并迅速實施，同時還使研發與生產的聯系更為緊密。研發人員在設計之初，就會考慮材料和工藝的可實現性，隨時到車間與生產人員直接溝通，及時了解相關技術是否具備投產條件。事實證明，管理的扁平化保證了整個研發工作團隊的效率，節約了管理成本。

采用“核心技術自主研發、通用技術大量采購”的理念

SpaceX公司對內改變傳統的管理體制、對外摒棄分包商，降低了成本并提高了工作效率。與多數宇航制造商不同，SpaceX公司采取自我設計、自我生產的方式，火箭、飛船、衛星的全部制造和裝配過程都在一個廠房內完成，這種“垂直集成”方式使得設計者和制造技術人員能更加有效地協作，加快研制進度。同時，SpaceX公司堅持自主研發核心技術，自主設計、測試并制造了“灰背隼”（Merlin）系列、“猛禽”（Raptor）系列火箭發動機。

SpaceX公司在技術上并不追求最先進，而是創造性地大量采用低成本、高可靠的成熟技術，把目標定位在優化產品可靠性和安全性的同時兼顧進度和成本。設計者不但要在選擇零件時合理避免昂貴的航天級產品，而且在運行過程中也盡量尋找低成本的商業替代品。

4 結語

SpaceX公司憑借低成本開發理念、持續技術創新，迅速在世界航天領域占有一席之地。美國政府的政策支持、完善的資本市場和工業體系為SpaceX公司快速發展提供了良好基礎，該公司容許失敗的創新文化氛圍、扁平高效的組織管理模式、自主研發和商業采購并重的發展理念也為其持續突破發揮了關鍵的作用，對我國航天能力發展具有重要啟示作用和借鑒意義。