商業(yè)航天要成功，到底靠什么

■ 文/翟 尤

我國航天商業(yè)化發(fā)展要從國家戰(zhàn)略和市場需求出發(fā)，將市場良性競爭、優(yōu)勝劣汰與航天科技政策、技術(shù)、資金相結(jié)合，在實踐中不斷探索協(xié)同創(chuàng)新的路徑和模式。

人類在太空探索中一直有著無盡的興趣與精力。

1972年，贊比亞修女瑪麗·朱昆達給美國國家航空和航天局（NASA）寫信，質(zhì)疑他們?yōu)楹卧诨鹦翘剿魃匣ㄙM不計其數(shù)的財力、物力，而全球還有數(shù)億人尚在挨餓。時任NASA 馬歇爾太空中心的科學副總監(jiān)恩斯特·史都林格博士在回信中說道，深空探索會衍生出很多新技術(shù)來改善人們的生活，例如，空間計劃和氣象衛(wèi)星可以提升全球農(nóng)業(yè)水平，從而減輕貧困、饑餓等問題。這封著名的回信試圖告訴人們：征服星辰大海的科技也會造福大眾。

主力軍與生力軍構(gòu)建國家競爭硬實力

從國內(nèi)外的經(jīng)驗來看，航天科技在維護國家競爭力方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，有效執(zhí)行國家戰(zhàn)略和任務也是航天科技發(fā)展的重要使命。

●航天科技主力軍對國家戰(zhàn)略與經(jīng)濟發(fā)展的推動作用

以NASA 為例，其成立初衷正是為了應對美國和蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時期的競爭，尤其是在太空領(lǐng)域打破蘇聯(lián)的競爭優(yōu)勢成為NASA 在20世紀六七十年代的重要任務。這期間需要持續(xù)不斷地投入大量的人力、物力，僅僅依靠政府投入難以持續(xù)，因此廣泛地引入民間力量參與其中成了重要的選擇。這一做法無意間開啟了美國商業(yè)航天的探索大門，不但解決了空間探索的資金來源問題，NASA 幾十年來積累的大量技術(shù)和經(jīng)驗還使得美國商業(yè)航天企業(yè)從一開始就站在世界航天科技之巔，其商業(yè)價值在國民經(jīng)濟發(fā)展中得到了更加有效的應用。NASA 測算，在載人航天領(lǐng)域投入1 美元就可收獲高達9 美元的回報，這是汽車等任何一個產(chǎn)業(yè)都難以到達的高度。從先進材料到信息通信、光電傳感、智能制造、數(shù)據(jù)處理，再到如今提升人類社會智能化信息化水平的大批先進技術(shù)創(chuàng)新，都可以追溯到航天科技。

●商業(yè)航天生力軍對國家戰(zhàn)略的支持作用

商業(yè)航天的發(fā)展并非是從0 到1 的創(chuàng)新，而是得益于各個國家在航天科技領(lǐng)域的技術(shù)和人才積累。當然，商業(yè)航天這支生力軍發(fā)展到一定程度時，也將反哺國家戰(zhàn)略和國家競爭優(yōu)勢的打造。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）的規(guī)定，衛(wèi)星頻率和軌道資源的使用權(quán)采用“先到先得”的競爭方式獲取，這就造成了“先占永得”的局面。目前，Ku 頻率資源已基本被瓜分殆盡，Ka、Q/V 頻率資源已有低軌星座系統(tǒng)規(guī)劃。為此，當前全球主要航天科技國家充分認識到軌道與頻率資源的重要戰(zhàn)略地位，并加快布局低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡。這不僅要靠航天“國家隊”進行戰(zhàn)略布局，也需要商業(yè)航天企業(yè)在競爭中發(fā)揮作用。例如，美國通過開放低軌道載人和貨物運輸限制，推動美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）搶占軌道資源進行全球布局。

當前，我國航天商業(yè)化發(fā)展可以發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢。一方面，我們可以發(fā)揮國有企業(yè)主力軍的作用，在投入大、風險高、見效慢的深空探索和基礎(chǔ)科學研究領(lǐng)域，由國家主導完成。另一方面，我國可以發(fā)揮民營企業(yè)作為生力軍的價值，尤其是發(fā)揮民營企業(yè)自身靈活性優(yōu)勢。我國航天商業(yè)化發(fā)展要從國家戰(zhàn)略和市場需求出發(fā)，將市場良性競爭、優(yōu)勝劣汰與航天科技政策、技術(shù)、資金相結(jié)合，在實踐中不斷探索協(xié)同創(chuàng)新的路徑和模式。其中，如何能夠讓體制外優(yōu)秀的技術(shù)、人才、管理、產(chǎn)品等更好地服務國家戰(zhàn)略，是發(fā)展商業(yè)航天的關(guān)鍵所在。

“如何能夠讓體制外優(yōu)秀的技術(shù)、人才、管理、產(chǎn)品等更好地服務國家戰(zhàn)略，是發(fā)展商業(yè)航天的關(guān)鍵所在。

產(chǎn)業(yè)聚集與都市圈帶來的協(xié)同效應

技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展離不開集群效應，航天科技作為高度復雜化和規(guī)模化的集合，更離不開全產(chǎn)業(yè)鏈的高度協(xié)同。當前，低軌道衛(wèi)星星座組網(wǎng)成為商業(yè)航天發(fā)力的重點。未來，將有上萬顆衛(wèi)星進入太空，這意味著衛(wèi)星制造將從“實驗室定制研發(fā)模式”向“工業(yè)化批量生產(chǎn)模式”轉(zhuǎn)變。同時，衛(wèi)星功能將進一步集合通信、導航、遙感能力，人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力將進一步增強衛(wèi)星的智能化水平。因此，融合創(chuàng)新與工業(yè)化生產(chǎn)將推動航天產(chǎn)業(yè)向規(guī)模化、集群化發(fā)展。那些能夠?qū)⑾嚓P(guān)核心產(chǎn)業(yè)鏈資源進行整合，并形成高密度協(xié)同效應的城市群或都市圈將成為商業(yè)航天快速發(fā)展的肥沃土壤。

在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同制造方面，強大的航天產(chǎn)業(yè)制造基礎(chǔ)是實現(xiàn)商業(yè)航天發(fā)展的基礎(chǔ)。以美國洛杉磯都市圈為例，該區(qū)域匯集了強大的航空航天產(chǎn)業(yè)鏈，業(yè)內(nèi)熟知的洛克希德·馬丁、波音、雷神等公司在洛杉磯都市圈均設(shè)有辦公室，航空航天相關(guān)就業(yè)崗位達到26.8 萬個，年人均工資為10.6 萬美元。區(qū)域內(nèi)聚集的金屬部件制造企業(yè)、計算機與電子產(chǎn)品制造企業(yè)、運載裝備制造企業(yè)、機械制造企業(yè)、服務支持機構(gòu)等是洛杉磯都市圈實現(xiàn)商業(yè)航天規(guī)模化生產(chǎn)制造的堅實基礎(chǔ)。SpaceX 雖然形成了包含運載火箭、航天器、衛(wèi)星制造和服務運營等在內(nèi)的較為完備的垂直領(lǐng)域整合能力和自閉環(huán)，但是還需要3 000多家供應商每星期提供上千件零部件，這也是SpaceX 將總部選定在距洛杉磯市中心30 分鐘車程的霍桑市的關(guān)鍵原因之一。

在人才聚集與創(chuàng)新方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，洛杉磯都市圈逐漸成為美國航天科技的中心地帶。洛杉磯都市圈擁有加州理工學院、南加利福尼亞大學維特比工程學院等知名高校，NASA 負責無人太空探測任務的噴氣推進實驗室就是由加州理工學院管理的。此外，還有許多機構(gòu)專門為航空航天從業(yè)者量身定制課程，如格倫代爾社區(qū)學院、峽谷學院、埃爾卡米諾學院等。洛杉磯都市圈不僅集聚了大量的航天科技人才，還匯聚了電子信息、生物醫(yī)藥、媒體、娛樂等各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的人才。不同科技領(lǐng)域人才的匯聚意味著激發(fā)更多技術(shù)創(chuàng)新的可能，不斷產(chǎn)生更多乘積效應，尤其是人工智能、生物技術(shù)、增材制造等新技術(shù)的融合創(chuàng)新，為航天科技產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供了有力支撐。

聚焦國內(nèi)，北京、上海、西安等城市已初步形成航天科技產(chǎn)業(yè)的聚集，這為后續(xù)航天商業(yè)化發(fā)展奠定了堅實的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同基礎(chǔ)。自2020年以來，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被納入新基建戰(zhàn)略規(guī)劃，我國多個省份和城市相繼出臺了航天商業(yè)化政策措施：武漢市將打造中國航天“第三極”；浙江省將打造創(chuàng)新型航空航天產(chǎn)業(yè)群；北京市將進一步優(yōu)化和穩(wěn)定“南箭北星”空間布局；依托廣州、深圳、珠海、惠州等城市，廣東省將打造衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)。可以看出，各地對航天科技產(chǎn)業(yè)聚集、形成產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展都較為關(guān)注，且有能力和機會走出高度協(xié)同與產(chǎn)業(yè)聚集的發(fā)展路徑，為今后我國在全球航天商業(yè)化中競得一席之地。

洛杉磯都市圈NASA 噴氣推進實驗室

打破常規(guī)倒逼技術(shù)路線革新

過去，發(fā)展航天科技的思路主要集中在運載火箭運力和發(fā)動機性能的提高上，一次性使用的運載火箭成為業(yè)內(nèi)共識。但是，推動航天科技的發(fā)展與普及，關(guān)鍵在于將運載火箭打造成可重復使用的運載工具，在保證成本和效率的大前提下實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模化、可重復利用，提高產(chǎn)品的通用性，推動航天科技從更加親民的路徑進行創(chuàng)新升級。

在運載火箭發(fā)動機方面，可重復使用的運載火箭對發(fā)動機有著較高的要求。一是需要實力強大的矢量發(fā)動機。為了適應火箭返回過程中復雜姿態(tài)調(diào)整控制的要求，發(fā)動機要能夠向不同方向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生推力，同時矢量發(fā)動機的響應必須迅速且準確。二是發(fā)動機要具有深度調(diào)節(jié)能力。為了適應運載火箭返回過程中不同階段的減速要求，發(fā)動機需要精準的深度節(jié)流能力，且推力調(diào)節(jié)要非常精準。三是發(fā)動機要具備多次啟動能力。針對火箭返回過程中需要減速的要求，發(fā)動機需要多次啟動，尤其是中央發(fā)動機在每次發(fā)射和回收的過程中需要多次可靠點火，關(guān)鍵技術(shù)之一就是在超聲速環(huán)境下點火反推的能力。從火箭發(fā)動機“梅林（Merlin）”到“猛禽（Raptor）”，較強的發(fā)動機研發(fā)能力成為SpaceX 制造可重復使用火箭的關(guān)鍵。在經(jīng)濟效益上，火箭的重復使用大大降低了發(fā)射費用。截至目前，獵鷹9 號火箭經(jīng)多次復用后，向低軌道發(fā)射有效載荷的費用已經(jīng)降低到1 200 美元/kg 左右。依靠技術(shù)創(chuàng)新，SpaceX 占全球衛(wèi)星發(fā)射的市場份額從2013年的7%已增加到目前的65%。

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座方面，衛(wèi)星寬帶服務作為低軌道衛(wèi)星發(fā)揮價值的重要抓手，目前已經(jīng)基本具備商業(yè)化的能力。星鏈作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的典型代表，目標是將4.2萬顆衛(wèi)星送入軌道，組成星鏈網(wǎng)絡，從而為用戶提供太空高速互聯(lián)網(wǎng)服務。星鏈在布局方面呈現(xiàn)以下3 個特點。一是衛(wèi)星數(shù)量多，傳輸容量提升。一期部署4 408 顆衛(wèi)星，二期部署7 518 顆衛(wèi)星，三期部署30 000 顆衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)量增加代表著系統(tǒng)傳輸容量的不斷提升。二是使用頻率較高，提前戰(zhàn)略卡位。一期使用Ka、Ku 頻段，二期使用V頻段，三期計劃使用E 頻段。鑒于頻段資源較為稀缺，星鏈此舉可對頻段資源進行有效卡位。三是衛(wèi)星軌道較低，降低傳輸時延。一期發(fā)射的衛(wèi)星軌道從1 100～1 325 km 降低至540～570 km，二期衛(wèi)星運行軌道僅為340 km。衛(wèi)星運行軌道降低可以獲得更低的網(wǎng)絡傳輸時延。測速網(wǎng)站Okal 報告顯示，2021年二季度星鏈衛(wèi)星下行下載速度可以達到108 Mbit/s，時延在37 ms，而美國當前固定寬帶的平均下載速率為115 Mbit/s，兩者已經(jīng)相差不大。截至2021年9月底，星鏈已經(jīng)為16 個國家超過10萬個用戶提供互聯(lián)網(wǎng)服務。

需要指出的是，美國商業(yè)航天企業(yè)在一開始就站在了高的起點，NASA 在半個多世紀的發(fā)展過程中積累了大量的先進技術(shù)，包括火箭液體發(fā)動機、防熱材料、仿真軟件等，持續(xù)不斷地將相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)化給民營企業(yè)。除了SpaceX 在商業(yè)航天領(lǐng)域的突破以外，3D 打印技術(shù)、太空加油技術(shù)等也成為民營企業(yè)探索技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域。與傳統(tǒng)火箭制造技術(shù)相比，3D 打印火箭可以大大減少零部件數(shù)量，節(jié)省10 多倍的生產(chǎn)時間，明顯減少交貨時間，簡化供應鏈并提高整個系統(tǒng)的可靠性，Relativity Space 等初創(chuàng)公司已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域展開布局。同時，太空加油技術(shù)也已進入實質(zhì)應用階段，美國Orbit Fab 公司在近地軌道運營了首個“太空加油站”，為需要加油的衛(wèi)星補充燃料。

我國航天科技集團研發(fā)的“太空油罐車”同樣具備燃料補加能力，可為在軌衛(wèi)星長期運營提供能源保障。對于一顆急需救助的衛(wèi)星，只需補充50 kg燃料，就可以延長大約1年的使用壽命。補加飛行器一次可攜帶1.3 t 燃料，超過其自身質(zhì)量的一半，與重新發(fā)射一顆靜止地球衛(wèi)星相比成本降低了35%。2017年，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室成功對接，首次完成了推進劑的在軌補加，這意味著我國已經(jīng)成為繼美國、俄羅斯之后第三個突破在軌空間燃料補加技術(shù)的國家。

利益驅(qū)動催生航天商業(yè)化發(fā)展新模式

目前，商業(yè)航天領(lǐng)域仍處于一片藍海，具有冒險精神的開拓者可以大顯身手，從而實現(xiàn)更大的商業(yè)價值。正是因為看到了太空夢想與商業(yè)利益結(jié)合的巨大可能，以及技術(shù)創(chuàng)新本身帶來的豐厚利潤回報，越來越多的人關(guān)注并投身商業(yè)航天賽道。

商業(yè)模式的可靠性與可執(zhí)行性決定了航天商業(yè)化進程能否順利發(fā)展。1987年，摩托羅拉公司開啟“銥星”衛(wèi)星通信網(wǎng)絡設(shè)想與建設(shè)，歷經(jīng)11年，耗資50 億美元，在1998年宣告組網(wǎng)完畢并啟動商業(yè)化運營。但是，由于昂貴的終端成本、笨重的接收裝備以及無法在室內(nèi)使用等硬傷，在正式運營15 個月之后，“銥星”就宣告破產(chǎn)。因此，商業(yè)航天若想健康發(fā)展，離不開良好的商業(yè)模式和盈利模式。

為此，當前諸多商業(yè)航天公司通過技術(shù)創(chuàng)新來降低成本，從而增加企業(yè)盈利的空間。例如，在火箭箭體及推進器材料方面，SpaceX 放棄使用碳纖維材料，轉(zhuǎn)而使用不銹鋼為原材料，其中有兩個主要因素：一方面碳纖維的成本為200 美元/kg，而不銹鋼的成本不超過5 美元/kg，后者可以極大地降低使用成本；另一方面創(chuàng)新技術(shù)保證材料的可靠性和安全性，經(jīng)過研發(fā)和驗證，金屬鉻和金屬鎳含量高的不銹鋼原材料強度更高、韌性更強，符合火箭制造和使用的要求。即使是傳統(tǒng)的航天科技，在過去幾十年中也非常注重技術(shù)轉(zhuǎn)化和商業(yè)價值衍生。據(jù)統(tǒng)計，基于美國載人航天技術(shù)衍生出來的技術(shù)，催生出3 萬多種民營科技產(chǎn)品，航天技術(shù)衍生出的民用產(chǎn)品包括圓珠筆、不粘鍋、人工心臟、透析機等已經(jīng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛應用。

以我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為例，目前在軌服務衛(wèi)星總計45 顆，其中,北斗二號衛(wèi)星15 顆，北斗三號衛(wèi)星30 顆。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)在交通、金融、電力、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域開展服務。具有被動定位功能的終端產(chǎn)品社會總保有量超過10 億臺/套，包括道路運營車輛700 萬輛、農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)4.5 萬臺/套、郵政快遞車輛3.6 萬輛等。2020年，我國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達到4 033 億元，同比增長16.9%。此外，華為、蘋果等公司的智能終端均支持北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2021年一季度申請入網(wǎng)支持北斗定位的智能手機占比達到79%。

同時，我們也要看到，在尋找可行商業(yè)模式的過程中，國家和行業(yè)對失敗的寬容度決定了商業(yè)航天企業(yè)發(fā)展的腳步。過去，航天大國對失敗的容忍度較低，這是因為一方面?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射成本較高，動輒幾十億元、上百億元資金的投入，另一方面航天發(fā)射經(jīng)常與一國的綜合實力與民族凝聚力掛鉤，一旦發(fā)射失敗，將承受較大的社會輿論壓力甚至政治壓力。因此，追求成功率，甚至是100%成功率，是傳統(tǒng)航天發(fā)射不成文的規(guī)定。但是，從SpaceX的發(fā)射來看，不只有成功的經(jīng)歷，也有失敗的經(jīng)歷，包括可重復火箭也是經(jīng)歷了多次失敗，甚至是現(xiàn)場直播的失敗后才逐漸成熟的，正是這種容忍失敗的良好氛圍激發(fā)了更大的創(chuàng)新激情。